Устройство автомобилей до изобретения бензинового двигателя

26 января 1886 года немецкий инженер Карл Бенц запатентовал автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Начиная с того момента, весь мир планомерно завоевали самодвижущиеся повозки на четырех колесах, и еще не известно, чем все это закончится.

1. Историки предполагают, что первые автомобили могли появиться уже в ХIV веке. Ведь именно тогда итальянец Гвидо да Виджевано скрестил ветряную мельницу и тележку, получив прообраз современного транспортного средства. А немного позднее небезызвестный Леонардо да Винчи разработал подобный механизм, но с приводом на трехколесный велосипед. Гений он и есть гений…

Паровой каток в разрезе, 1897 год

2. А вот первым работающим паровым транспортом в мире считается изобретение Фердинанда Вербиста — иезуита из Китая, который построил свой автомобиль, как забавную игрушку, не более. Правда, игрушку для императора. Машинка была крайне мала и не могла доставить из точки «А» в точку «Б» ни царственную особу, ни простого смертного. Но факт остается фактом: в 1672 году паровой транспорт празднует свой день рождения.

Телега Кюньо (Cugnot). Франция, 1771 год.

3. Следующим в очереди отцов-основателей паровых машин стоит Томас Ньюкомен. Именно он в 1712 году воплотил в металле первый паровой двигатель, состоящий из цилиндра и поршня. Это уже, действительно, был прорыв! Однако, через 53 года Джеймс Уатт значительно усовершенствовал изобретение Ньюкомена. Теперь двигатель работал на основе давления, а не вакуума и стал более компактным и производительным. Его-то и начали ставить на первые паровозы.

4. В 1769 году Николай Джозеф Кагнот разработал почти полноценный авто для передвижения по узким улочкам Парижа. Копия этой машины выставлена сейчас в Музее искусств и ремесел в той же столице Франции. Правда, в те далекие времена горожане были не в восторге, когда мимо их домов проносился железный монстр весом более трех с половиной тонн! И хорошо, что в один прекрасный момент уже второй экземпляр этого «чуда» врезался в стену, разрушил ее и сам не подлежал восстановлению. Вообще, первые паровые машины были крайне тяжелыми, поэтому в следующие сто лет их ставили исключительно на рельсы… Вот как зарождалась система железнодорожных путей.

Stanley Steamer 1903 год

5. Вы не поверите, но электромобиль, это чудо современной техники, был изобретен еще до повсеместного применения двигателя внутреннего сгорания! Если исторические архивы не врут, то в 1828 году, изобретатель из Венгрии Аноис Джедлик собрал первую в мире модель электромобиля! А первым, кто попытался поставить данное изобретение на коммерческие рельсы, были Томас Давенпорт и Роберт Дэвидсон. Их авто с батареями увеличенной емкости начали производить в 1881-м. Но достаточно большой мощности тогда добиться так и не удалось, что дало толчок началу истории ДВС.

Паровой автомобиль Вербста

В 1802 году английский конструктор Ричард Тревитик сделал паровой автомобиль. Экипаж двигался с грохотом и чадом, пугая пешеходов. Его скорость достигла 10 км/ч. Чтобы получить такую скорость движения, Тревитик сделал огромные ведущие колеса, которые были хорошим подспорьем на плохих дорогах.

1911. Радиатор играет роль парового конденсатора, что позволяет машине работать с ограниченным запасом воды, используя лишь несколько литров воды на 100 км пробега.

История развития автомобиля: ранние годы

Автомобиль величайшее изобретение, навсегда изменившее человечество. История развития автомобиля тесно связана с великими изобретателями и инженерами. Но в отличие от других крупных изобретений, оригинальная идея автомобиля не может быть приписана одному человеку. Над ней работали множество людей из разных стран мира. В этой статье речь пойдет о начальном этапе развития автомобиля (в привычном нам понимании).

Первый двигатель внутреннего сгорания

Для того чтобы рассказать историю развития автомобиля, надо начать с двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Именно он является ключевым элементом любого автомобиля. ДВС служит для преобразования энергии сгорания топлива в механическую работу. В качестве топлива обычно используется бензин или дизельное топливо. Итак, краткая история ДВС по годам:

1807 — Франсуа Исаак де Ривас из Швейцарии разработал и собрал первый в мире двигатель внутреннего сгорания. Этот поршневой двигатель работал на водороде и имел искровое зажигание. В том же году, изобретатель установил свой мотор на карету, таким образом первый примитивный автомобиль был создан еще в начале 19-го века.

1824 — инженер Сэмюэль Браун адаптировал паровой двигатель Ньюкомена под работу на водороде. Между тем, его двигатель имел водяное охлаждение и мощность около 4 л.с.

1858 — изобретатель из Франции Ленуар Этьен собрал ДВС с искровым зажиганием, который работал на угольном газе. В отличие от предшественников, французу удалось сделать свою разработку коммерчески успешной. Его двигатель мощность 12 л.с. использовался в промышленности, а также как лодочный двигатель.

1862 — француз Альфонс Бо де Роша запатентовал, но не построил четырехтактный ДВС.

1876 — Николаус Август Отто изобрел, а затем запатентовал успешный четырехтактный двигатель. Этот мотор был экономичнее и мощнее предшественников. Между тем, изобретение Отто стало исторически значимым. Именно его конструкция легла в основу всех последующих ДВС на жидком топливе.

1885 — Готлиб Даймлер сконструировал бензиновый двигатель в привычном для нас понимании. Этот агрегат имел вертикальное расположение цилиндра и карбюратор. Установка последнего совершило революцию в двигателестроении. Достаточно экономичный и компактный карбюраторный ДВС как нельзя лучше подходил для самоходных транспортных средств.

Первый автомобиль

В 1885 году немецкий изобретатель Карл Бенц в своем гараже создал автомобиль под названием Motorwagen. Спустя год он получил на него патент. Официально Моторваген считается первым автомобилем с двигателем внутреннего сгорания, хотя споры по этому поводу не утихают до сих пор. Тем не менее, автомобиль Бенца внес значительный вклад в популяризацию автомобилей. Motorwagen стал первым транспортным средством надежность которого находилась на удовлетворительном уровне, а для управления им не требовалось особых навыков.

Первые автопроизводители

После появления коляски Бенца, многим предпринимателям из Европы стало понятно, что производство автомобилей это новый и перспективный вид бизнеса. Так в 1886 году, два бизнесмена из Франции Рене Панар и Эмиль Левассор основали компанию Panhard & Levassor. Партнеры решили начать производство и продажу автомобилей, для чего приобрели патент на бензиновый двигатель конструкции Даймлера. В 1890 году Левассор начинает проектирование первого автомобиля, постоянно экспериментируя с расположением силового агрегата. В результате спустя год появляется автомобиль с передним расположением двигателя и задним приводом. Такая компоновка получила название Systeme Panhard, и она стала стандартом на многие десятилетия вперед.

Тем временем, в 1891 году Панар и Левассор поделились лицензией со своим соотечественником Арманом Пежо, что послужило началом истории марки Peugeot.

История развития автомобиля — массовое производство

Благоприятная экономическая ситуация в США дала возможность все большему количеству людей приобрести автомобиль. Но медленная и дорогая ручная сборка эксклюзивных, штучных моделей не позволяла удовлетворить спрос. Как следствие необходим был быстрый и качественный способ сборки автомобилей. И он был найден.

Oldsmobile Curved Dash — первый массовый автомобиль изготовленный в США. Он был разработан компанией Oldsmobile в 1901 году. Для его ускоренной сборки, на заводе был организован конвейер. Более того, Curved Dash был стандартизирован, то есть все его детали были унифицированы в рамках модельного ряда. Всего до 1907 года было собрано 19 тысяч автомобилей.

Между тем, наиболее важным этапом в истории развития автомобилей можно считать конвейер Генри Форда. Использовав за основу идею компании Oldsmobil, Форд изготовил собственный конвейер и оптимизировал производственный процесс. Таким образом, Ford T (первый автомобиль компании изготовленный конвейерным способом), собирался за 2 часа, а его стоимость не превышала 850 $.

Ford Model T навсегда изменил автомобильную индустрию. С его выходом автомобиль стал по-настоящему массовым и доступным транспортным средством.

История развития автомобиля — итоги первой волны

Методы массового производства Форда были быстро приняты и на других американских компаниях (европейские производители не использовали конвейерную сборку вплоть до 1930-х годов). Таким образом если к 1913 году в мире ежегодно выпускалось около 500 тыс. автомобилей, то всего через 10 лет производство автомобилей увеличилось в 8 раз, до 4,9 млн. единиц в год.

Автомобиль постоянно развивался в сторону улучшения технических характеристик, комфорта и безопасности. Не останавливается этот процесс и сегодня, а значит история развития автомобиля продолжается.

Принцип работы и устройство двигателя

Двигатель внутреннего сгорания называется так потому что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, образующихся в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя. Выделяемая в этом процессе энергия преобразуется в механическую работу.

В процессе эволюции ДВС выделились несколько типов двигателей, их классификация и общее устройство:

• Поршневые двигатели внутреннего сгорания. В них рабочая камера находится внутри цилиндров, а тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию движения на коленчатый вал. Поршневые моторы делятся, в свою очередь, на:
  • карбюраторные, в которых воздушно-топливная смесь формируется в карбюраторе, впрыскивается в цилиндр и воспламеняется там искрой от свечи зажигания;
  • инжекторные, в которых смесь подаётся напрямую во впускной коллектор, через специальные форсунки, под контролем электронного блока управления, и также воспламеняется посредством свечи;
  • дизельные, в которых воспламенение воздушно-топливной смеси происходит без свечи, посредством сжатия воздуха, который от давления нагревается до температуры, превышающей температуру горения, а топливо впрыскивается в цилиндры через форсунки.
• Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. Здесь тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством вращения рабочими газами ротора специальной формы и профиля. Ротор движется по «планетарной траектории» внутри рабочей камеры, имеющей форму «восьмёрки», и выполняет функции как поршня, так и ГРМ (газораспределительного механизма), и коленчатого вала.
• Газотурбинные двигатели внутреннего сгорания. Особенности их устройства заключаются в преображении тепловой энергии в механическую работу с помощью вращения ротора со специальными клиновидными лопатками, который приводит в движение вал турбины.

Далее рассматриваются только поршневые двигатели, так как только они получили широкое распространение в автомобильной промышленности. Основные причины тому: надежность, стоимость производства и обслуживания, высокая производительность.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Первые поршневые ДВС имели лишь один цилиндр небольшого диаметра. В дальнейшем, для увеличения мощности сначала увеличивали диаметр цилиндра, а потом и их количество. Постепенно двигатели внутреннего сгорания приняли привычный нам вид. “Сердце” современного автомобиля может иметь до 12 цилиндров.

Наиболее простым является двигатель с рядным расположением цилиндров. Однако, с увеличением количества цилиндров растет и линейный размер двигателя. Поэтому появился более компактный вариант расположения — V-образный. При таком варианте цилиндры расположены под углом друг к другу (в пределах 180-ти градусов). Обычно используется для 6-цилиндровых двигателей и более.

Одна из основных частей двигателя — цилиндр (6), в котором находится поршень (7), соединенный через шатун (9) с коленчатым валом (12). Прямолинейное движение поршня в цилиндре вверх и вниз шатун и кривошип преобразуют во вращательное движение коленчатого вала.

На конце вала закреплен маховик (10), назначение которого придавать равномерность вращению вала при работе двигателя. Сверху цилиндр плотно закрыт головкой блока цилиндров (ГБЦ), в которой находятся впускной (5) и выпускной (4) клапаны, закрывающие соответствующие каналы.

Клапаны открываются под действием кулачков распределительного вала (14) через передаточные механизмы (15). Распределительный вал приводится во вращение шестернями (13) от коленчатого вала.
Для уменьшения потерь на преодоление трения, отвод теплоты, предотвращения задиров и быстрого износа трущиеся детали смазывают маслом. В целях создания нормального теплового режима в цилиндрах двигатель должен охлаждаться.

Но главная задача – заставить работать поршень, ведь именно он является главной движущей силой. Для этого в цилиндры должны подаваться горючая смесь в определенной пропорции (у бензиновых) или отмеренные порции топлива в строго определенный момент под высоким давлением (у дизелей). Топливо воспламеняется в камере сгорания, отбрасывает поршень с большой силой вниз, тем самым приводя его в движение.

Принцип работы двигателя

Из-за низкой производительности и высокого расхода топлива 2-тактных двигателей практически все современные двигатели производят с 4-тактными циклами работы:

1. Впуск топлива;
2. Сжатие топлива;
3. Сгорание;
4. Вывод отработанных газов за пределы камеры сгорания.

Точка отсчета — положение поршня вверху (ВМТ — верхняя мертвая точка). В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. Это первый такт цикла.

Во время второго такта поршень достигает самой нижней точки (НМТ — нижняя мертвая точка), при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, из-за чего топливная смесь сжимается. При достижении поршнем максимальной верхней точки топливная смесь сжата до максимума.

Третий этап – это поджигание сжатой топливной смеси с помощью свечи, которая испускает искру. В результате горючий состав взрывается и толкает поршень с большой силой вниз.

На заключительном этапе поршень достигает нижней границы и по инерции возвращается к верхней точке. В это время открывается выпускной клапан, отработанная смесь в виде газа выходит из камеры сгорания и через выхлопную систему попадает на улицу. После этого цикл, начиная с первого этапа, повторяется снова и продолжается в течение всего времени работы двигателя.

Описанный выше способ является универсальным. По такому принципу построена работа практически всех бензиновых моторов. Дизельные двигатели отличаются тем, что там нет свеч зажигания – элемента, который поджигает топливо. Детонация дизельного топлива осуществляется благодаря сильному сжатию топливной смеси. При такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600О С. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Системы двигателя

Вышеописанное представляет собой БЦ (блок цилиндров) и КШМ (кривошипно-шатунный механизм). Помимо этого современный ДВС состоит и из других вспомогательных систем, которые для удобства восприятия группируют следующим образом:

1. ГРМ (механизм регулировки фаз газораспределения);
2. Система смазки;
3. Система охлаждения;
4. Система подачи топлива;
5. Выхлопная система.

ГРМ — газораспределительный механизм

Чтобы в цилиндр поступало нужное количество топлива и воздуха, а продукты сгорания вовремя удалялись из рабочей камеры, в ДВС предусмотрен механизм, называемый газораспределительным. Он отвечает за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, через которые в цилиндры поступает топливо-воздушная горючая смесь и удаляются выхлопные газы. К деталям ГРМ относятся:

• Распределительный вал;
• Впускные и выпускные клапаны с пружинами и направляющими втулками;
• Детали привода клапанов;
• Элементы привода ГРМ.

ГРМ приводится в действие от коленчатого вала двигателя автомобиля. С помощью цепи или ремня вращение передается на распределительный вал, который посредством кулачков или коромысел через толкатели нажимает на впускной или выпускной клапан и по очереди открывает и закрывает их.

Система смазки

В любом моторе есть множество трущихся деталей, которые необходимо постоянно смазывать, чтобы уменьшить потери мощности на трение и избежать повышенного износа и заклинивания. Для этого существует система смазки. Попутно с ее помощью решается еще несколько задач: защита деталей двигателя внутреннего сгорания от коррозии, дополнительное охлаждение деталей мотора, а также удаление продуктов износа из мест соприкосновения трущихся частей. Систему смазки двигателя автомобиля образуют:

• Масляный картер (поддон);
• Насос подачи масла;
• Масляный фильтр с редукционным клапаном;
• Маслопроводы;
• Масляный щуп (индикатор уровня масла);
• Указатель давления в системе;
• Маслоналивная горловина.

Система охлаждения

Во время работы мотора его детали соприкасаются с раскаленными газами, которые образуются при сгорании топливо-воздушной смеси. Чтобы детали двигателя внутреннего сгорания не разрушались из-за чрезмерного расширения при нагреве, их необходимо охлаждать. Охладить мотор автомобиля можно с помощью воздуха или жидкости. Современные моторы имеют, как правило, жидкостную схему охлаждения, которую образуют следующие части:

• Рубашка охлаждения двигателя;
• Насос (помпа);
• Термостат;
• Радиатор;
• Вентилятор;
• Расширительный бачок.

Система подачи топлива

Система питания для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от искры и от сжатия отличаются друг от друга, хотя и имеют ряд общих элементов. Общими являются:

• Топливный бак;
• Датчик уровня топлива;
• Фильтры очистки топлива — грубой и тонкой;
• Топливные трубопроводы;
• Впускной коллектор;
• Воздушные патрубки;
• Воздушный фильтр.

В обеих системах имеются топливные насосы, топливные рампы, форсунки подачи топлива, сам принцип подачи одинаков: топливо из бака с помощью насоса через фильтры подается в топливную рампу, из которой попадает в форсунки. Но если в большинстве бензиновых двигателей внутреннего сгорания форсунки подают его во впускной коллектор мотора автомобиля, то в дизельных оно подается непосредственно в цилиндр, и уже там смешивается с воздухом.

Выхлопная система

Система выхлопа предназначена для отвода отработанных газов из цилиндров двигателя автомобиля. Основные детали, ее составляющие:

• Выпускной коллектор;
• Приемная труба глушителя;
• Резонатор;
• Глушитель;
• Выхлопная труба.

В современных двигателях внутреннего сгорания выхлопная конструкция дополнена устройствами нейтрализации вредных выбросов. Она состоит из каталитического нейтрализатора и датчиков, сообщающихся с блоком управления двигателем. Выхлопные газы из выпускного коллектора через приемную трубу попадают в каталитический нейтрализатор, затем через резонатор в глушитель. Далее через выхлопную трубу они выбрасываются в атмосферу.