<< До этого: Паровая революция: турбина
Сейчас, в первые десятилетия XXI века паровые турбины ещё можно встретить (хотя их почти никогда не увидишь), но паровые поршневые двигатели — это архаичный пережиток. Почти все движущиеся машины, которые мы видим — автомобили, грузовики, газонокосилки, самолёты в небе и лодки на воде — получают свою энергию непосредственно от сгорания топлива (например, бензина) внутри цилиндра: внутреннее сгорание, в отличие от внешнего сгорания, которое производит пар из топлива, сжигаемого вне котла.
Двигатель внутреннего сгорания требует отдельной главы в рассказе об эпохе пара по двум причинам. Более очевидная — это роль, которую первый двигатель сыграл в гибели второго. Двигатель внутреннего сгорания можно с некоторой долей справедливости обвинить в убийстве парового двигателя. Другая, менее очевидная причина заключается в том, что внутреннее сгорание развивалось как реакция на пар и под его сенью. На протяжении всего девятнадцатого века двигатель внутреннего сгорания оставался новичком, который искал своё место в мире, где пар стал выбором по умолчанию для всех, кто нуждался в механической энергии[1].
Раннее внутреннее сгорание: мотив без средств
История двигателя внутреннего сгорания чрезвычайно сложна и насчитывает не одно столетие; она то разветвляется, то сходится, то снова разветвляется по мере того, как инженеры переосмысливают и переделывают конструкторские идеи для решения новых проблем и заполнения новых ниш.[2] Можно, конечно, проследить её как минимум до порохового двигателя Гюйгенса XVII века; современный двигатель внутреннего сгорания можно рассматривать как реванш порохового двигателя, точно так же, как современная водяная турбина была реваншем горизонтального водяного колеса. Чтобы рассказать всю историю в деталях, потребуется ещё одна статья, по крайней мере, не меньше этой, поэтому я представлю лишь калейдоскоп наиболее значимых моментов и тенденций, в рамках их связей с нашей основной историей.
Тщательная история двигателя внутреннего сгорания (который я буду впредь сокращать до «ДВС», чтобы избавить читателя от длинных слов [в английском языке двигатель внутреннего сгорания, internal combustion engine, сокращается до аббревиатуры ICE, что означает «лёд», поэтому автор оригинала считает её нелепой / прим. перев.]) включает в себя список изобретателей и изобретений, тянущийся с XVIII века или даже с более ранних времён. Почти все они канули в безвестность вместе со своими машинами. Эта картина уже должна быть знакомой вам: паровая машина, пароход, локомотив; в каждом случае можно найти десятилетия истории изобретателей, стремящихся к одной и той же идее, но не создающих ничего такого, в необходимости использования которого они могли бы убедить других.
В случае с ДВС вероятным мотивом к улучшениям для большинства первых изобретателей была простота и удобство использования: паровая машина была большой, сложной, состоящей из множества деталей, которые требовали тщательного ухода. Котёл, в частности, имел опасную склонность к взрыву при высоком давлении. Возможность обойтись без топки и котла и просто сжигать топливо внутри рабочего цилиндра представлялась весьма привлекательной перспективой[3]. Кроме того, котлы были не только большими и потенциально опасными, но и обладали своеобразной инерцией. Нельзя было просто включить паровой двигатель и начать его использовать, сначала нужно было создать напор пара, и пока этот напор набирался, вы сжигали лишнее топливо. Таким образом, паровые двигатели требовали постоянного использования: это прекрасно подходило владельцам фабрик, которые хотели, чтобы их дорогостоящие вложения работали день и ночь, но мелкие ремесленники и мастерские, которым энергия требовалась от случая к случаю, были менее счастливы в эпоху пара.
К началу девятнадцатого века появилась ещё одна причина искать источник энергии не в паре, а в другом месте: возникло газовое освещение. Газ, что вполне очевидно, горел легко, и к середине века его можно было по желанию получать из городских газовых систем в каждом крупном городском центре Европы и США. А что, если бы вы могли отказаться не только от топки и котла, но и от угольного склада, и от транспортных расходов на доставку топлива к месту работы, и от трудозатрат на растопку двигателя?
Электрический пистолет Вольта, разработанный в 1770-х годах и демонстрировавшийся по всей Европе, возможно, сыграл ту же роль в раннем развитии двигателей внутреннего сгорания, что и вакуумный насос для парового двигателя: эффектная демонстрация, вдохновляющая на новые изобретательские идеи. Пистолет использовал искру на двух электродах для детонации заряда газообразного водорода в стеклянном сосуде с пробкой, в результате чего пробка летела через всю комнату. Пытливый ум мог сообразить, что если быстро наполнить сосуд газом и повторить искру, то получится машина, генерирующая непрерывную серию механических импульсов, подобно паровому двигателю. Иссак де Ривас, швейцарский изобретатель, мечтавший заменить лошадей самоходными транспортными средствами, использовал именно искровой механизм Вольты для приведения в действие мотора своей повозки, работающей на газе[4].
Концепция и преимущества были достаточно очевидны, другое дело — заставить ДВС работать. Для этого требовалось освоить целый ряд новых технологий: правильно смешать топливо и воздух до или во время добавления их в камеру сгорания, зажечь смесь внутри камеры и, что самое сложное, приурочить зажигание к циклу работы двигателя, чтобы каждый взрыв происходил точно в нужный момент движения поршня. В отличие от парового двигателя, который в той или иной степени функционировал даже при негерметичных клапанах, плохой синхронизации и других недостатках, плохо настроенный ДВС был бесполезен. Существующий инженерный опыт не давал никаких ориентиров в этих вопросах, и поэтому все вели поиски вслепую — совершенно буквально, в том смысле, что будущие изобретатели не могли наблюдать за горением, скрытым внутри цилиндра, которое они пытались контролировать[5].
Термодинамика и внутреннее сгорание
Возникновение термодинамики в середине века и её постепенное распространение в инженерном сообществе усилило интерес к внутреннему сгоранию, поскольку выявило слабые стороны пара. Упругость пара, которая считалась залогом успеха парового двигателя в качестве двигателя, работающего с давлением, стала помехой, когда его стали рассматривать в качестве теплового двигателя. Как заметил Карно, чтобы максимально увеличить мощность двигателя, нужно было сделать рабочую жидкость как можно более горячей (а затем охладить её насколько возможно), но превращение воды в пар при высоких температурах создавало огромное давление, которое не могли выдержать даже железо и сталь.
Термодинамика позволила измерить эффективность паровых машин по сравнению с идеальным тепловым двигателем, и она оказалась крайне неудовлетворительной. В какой-то степени это заставило инженеров, не до конца усвоивших уроки Карно и Ренкина, пуститься в погоню за несбыточными мечтами. Полагая, что большое количество тепла «тратится» на испарение воды, они завели себя в тупик, создавая двигатели, работающие на других жидкостях без такого количества скрытого тепла, таких как эфир, спирт, дисульфид углерода и аммиак. Как сочувствовал историк двигателей Линвуд Брайант, «для человека, живущего в мире давлений и объёмов», такие замены казались разумными, потому что «при заданных затратах тепла он может достичь более высокого давления с помощью аммиака, чем с помощью пара». Нужен был ум, более глубоко погруженный в новые абстракции, описывающие энергию, чтобы понять, что скрытое тепло на самом деле не было потрачено впустую, поскольку энергия не может быть уничтожена; вся эта энергия всё ещё существовала в горячем паре, что делало его более энергетически плотной рабочей жидкостью, чем большинство его потенциальных конкурентов[6].
Что же тогда делать с воздушным двигателем, о преимуществах которого Рэнкин говорил ещё в 1850-х годах? Обычный атмосферный воздух при нагревании не создавал такого же огромного давления, как пар, так почему бы просто не заменить пар воздухом в качестве рабочей жидкости двигателя внешнего сгорания? Некоторые изобретатели пробовали и это, но подход оказался неудачным по двум причинам. Во-первых, из-за плохой теплопроводности воздуха: для передачи тепла от источника топлива к воздуху требовались огромные проводящие поверхности, что делало воздушные двигатели крупнее, тяжелее и дороже в строительстве, чем аналогичный паровой двигатель. Во-вторых, чрезвычайно высоких температур всё ещё не получалось достичь из-за механических ограничений железа, которое должно было проводить тепло от топлива к воздуху. Если температура превышала примерно 700°С, железо ослабевало и становилось непригодным для использования[7].
Однако воздух можно использовать и по-другому, как заметил проницательный Карно ещё в 1824 году (выделено автором статьи):
Водяной пар может быть образован только с помощью котла, в то время как атмосферный воздух может быть нагрет непосредственно за счёт сгорания, происходящего в его собственной массе. Таким образом, можно предотвратить значительные потери не только в количестве тепла, но и в его температуре. Это преимущество принадлежит исключительно атмосферному воздуху. Другие газы им не обладают[8].
Иными словами, тот факт, что воздух содержит кислород, означает, что его можно смешивать непосредственно с топливом, а затем сжигать внутри двигателя без каких-либо промежуточных потерь тепла. Именно это термодинамическое обещание послужило толчком к интенсивному поиску работоспособного двигателя внутреннего сгорания во второй половине девятнадцатого века. При сгорании внутри цилиндра может создаваться температура в 1480°С, что обеспечивает большее падение температуры и большую эффективность, и эти горячие газы образуются именно там, где они нужны; нет необходимости транспортировать их через каналы и клапаны, которые неизбежно теряют тепло, отдавая его в окружающую среду. В этом случае плохая проводимость воздуха становится преимуществом: относительно небольшая часть тепла передаётся окружающему металлу, и этот металл, не нуждающийся в передаче тепла другой части двигателя, может оставаться достаточно холодным, чтобы предотвратить механические поломки[9].
Немецкое машиностроение
В 1860-х годах двигатель внутреннего сгорания, получивший новую цель благодаря науке термодинамике и постоянно повышающейся точности станков, наконец-то перешёл от экспериментов к промышленности. Он стал классической «разрушительной инновацией», как её описывает Клейтон Кристенсен, начав с небольших, недорогих двигателей, находящихся в самом низу рынка. Он ещё не мог конкурировать с крупными промышленными паровыми двигателями на текстильных или мукомольных фабриках; вместо этого он нашёл покупателей в небольших мастерских и на производствах со скромными потребностями в электроэнергии. Ближайшим конкурентом двигателя внутреннего сгорания были производные от настольного двигателя Модслея 1807 года, небольшого парового двигателя мощностью всего 1,5 лошадиные силы, который мог стоять (как следует из названия) на столе[10]. Двигатель внутреннего сгорания мог быстрее запускаться и останавливаться, без необходимости непрерывно жечь топливо, получать топливо прямо из городского газопровода и иметь ещё меньшие размеры, выдавая половину или треть лошадиной силы.
Большинство ранних разработок в области ДВС происходило в континентальной Европе. Многообещающая работа пары тосканцев, Эудженио Барсанти и Феличе Маттеуччи, была прервана из-за смерти одного из них. Честь достичь первого (пусть и скромного) успеха коммерческого двигателя внутреннего сгорания досталась Жану Жозефу Этьену Ленуару, родившемуся в Люксембурге (позже ставшем частью Бельгии), но работавшему в Париже. Его газовый двигатель 1860 года представлял собой наиболее консервативную конструкцию, заимствовавшую форму парового двигателя двойного действия, но с горящим газом, толкающим поршень, и водяной рубашкой для охлаждения цилиндра. Он плохо работал под нагрузкой, постоянно и очень громко стучал, его электрическая система зажигания требовала постоянного внимания, и он не достиг того повышения топливной экономичности, которого ожидал (и, более того, обещал) Ленуар. Тем не менее, небольшие размеры двигателя и доступность топлива в розетке были достаточны, чтобы привлечь некоторых покупателей. Lenoir продал пятьсот двигателей, или около того, почти все из них мощностью не более трёх лошадиных сил[11].
Вскоре после этого Николаус Отто, странствующий торговец чаем из герцогства Нассау в Западной Германии, узнал о двигателе Ленуара и стал одержим идеей его усовершенствования. В течение нескольких десятилетий самыми известными именами в области внутреннего сгорания будут немецкие: Отто, Дизель, Майбах, Бенц, Даймлер. Причины, по которым паровой двигатель впервые появился в Великобритании, можно с определённой долей уверенности свести к нескольким географическим и экономическим факторам. Немецкую склонность к внутреннему сгоранию объяснить сложнее. Одним из факторов могло стать более позднее начало промышленного роста в Германии, основанного в меньшей степени на текстиле и в большей — на химической, горнодобывающей и металлургической промышленности. Мелкие ремесленники, наследники древних традиций гильдий, управляющие мастерскими с небольшим количеством работников, оставались основной экономической силой в немецкой промышленности на протяжении всего XIX века.[12] Такие предприятия представляли собой именно тот рынок, для которого двигатели внутреннего сгорания подходили больше всего.
Однако такое объяснение не совсем удовлетворительно. В Британии и других странах по-прежнему существовали небольшие мастерские и множество торговцев, которые могли извлечь выгоду из компактного и удобного двигателя[13]. Но в Германии двигатель внутреннего сгорания также имел идеологическую подоплёку, и, возможно, именно здесь кроется ключ к разгадке. В середине века в Германии продолжалась активная борьба за защиту традиционных прав ремесленников, и многие традиционалисты воспринимали интересы капиталоёмкого бизнеса как новую и хищническую силу. Консерваторы в ряде земель, подавив либеральные революции 1848-1849 годов, ввели промышленные правила, чтобы возродить традиционные права ремесленников[14].
В этом контексте двигатель внутреннего сгорания приобретал особое значение как оружие слабых; средство, с помощью которого малый мог дать отпор большому бизнесу. Это особенно заметно в работах Франца Рёло, академического инженера-механика из Пруссии. В 1875 году он написал трактат по кинематике, в котором под заголовком «Значение машины для общества» содержится обширный текст, в котором в терминах, напоминающих Маркса, говорится о пороках индустриального общества, но предлагается излечить эти пороки возвращением к традиционным ценностям, а не пролетарской революцией.
Рёло сетует на господство централизованного капитала, перед которым мелкий ремесленник падает ниц, заменяясь мрачной и отчуждённой монотонностью фабричного труда. Он утверждает, что дело не в дороговизне производственного оборудования, а в том, что «только капитал способен строить и эксплуатировать мощные паровые машины, вокруг которых группируются все остальные предприятия». Его решение заключается в новых движущих силах, таких как двигатель внутреннего сгорания:
Для борьбы с большей частью зла инженеры должны создать дешёвые, небольшие двигатели, или, другими словами, небольшие двигатели с низкими эксплуатационными расходами. Если мы обеспечим маленького мастера энергией такой же дёшевой, как у больших мощных паровых двигателей, которые может получить капитал, и таким образом поддержим этот важный класс общества, мы укрепим его там, где он счастливо ещё существует, и возродим его там, где он исчез.
…Воздушные и газовые двигатели… могут быть использованы почти повсеместно и постоянно совершенствуются. Эти маленькие двигатели — настоящие движители народа [Volk]; их можно приобрести по разумным ценам, и они очень недороги в эксплуатации»[15].
Разрыв уз, связывающих рабочего с капиталом, позволил бы первому захватить средства производства и восстановить традиционный моральный порядок ремесленного труда: иерархическое, но гармоничное хозяйство семьи, подмастерьев и помощников, направляемых рукой ремесленника[16].
Показательно, что английский перевод этого же раздела, выполненный британским учёным инженером Алексом Кенеди, является скорее кратким пересказом, чем подлинным переводом. Кенеди отводит машине и обществу всего четыре, а не семнадцать страниц, лишённых всего идеологического огня оригинала. Очевидно, он не считал, что эта мольба о консервативной промышленной демократии представляет интерес для его британских читателей[17].
Двигатели Отто
Каковы бы ни были истинные причины огромного вклада Германии в развитие внутреннего сгорания, начало им положил Отто. Полный идей и предпринимательской энергии, он с головой окунулся в работу по усовершенствованию двигателя Ленуара. Однако, будучи клерком и продавцом без формального технического образования, он добился малоэффективного прогресса. Ему требовалось руководство человека с сильным инженерным образованием и хорошим деловым чутьём. Он нашёл его в лице Ойгена Лангена, который учился в политехническом институте в Карлсруэ и дослужился до партнёра в сахарном бизнесе своего отца, параллельно занимаясь производством оборудования для газодобывающих компаний. Стремясь к новому делу, в 1864 году он как-то наткнулся на работы Отто и решил, что они перспективны (точные обстоятельства их знакомства неизвестны, хотя оба работали в Кёльне)[18].
Даже с учётом таланта и денег Лангена, а также благодаря советам Рейло (старого школьного приятеля Лангена) Отто и Лангену потребовалось ещё три года, чтобы создать коммерчески полезный двигатель, который дебютировал на Парижской выставке 1867 года. С помощью Рейло, который входил в судейскую коллегию, он получил главный приз благодаря своей эффективности: для выполнения той же работы он использовал вдвое меньше газа, чем конкурирующие двигатели. Эта первая машина Отто и Лангена была атмосферным двигателем, прямым потомком двигателя Ньюкомена, а также порохового двигателя Гюйгенса. Цилиндр был установлен вертикально, и взрыв горящего газа приводил поршень в движение свободно (то есть без какой-либо связи с приводным механизмом). Рабочий ход был происходил, когда поршень двигался вниз, вдавливаемый весом атмосферы в цилиндр, только что освобождённый взрывом. Сложности — атрибуты, которые делали его жизнеспособным движителем, а не просто демонстрационным образцом, как машина Гюйгенса, — заключались в синхронизации регулярных зажиганий, управлении клапанами и сложной конструкции сцепления, которое включалось на нисходящем ходу, чтобы повернуть приводной вал[19].
В 1872 году, переполненная заказами на двигатели Отто и Лангена и получившая новый капитал от братьев Лангена и других заинтересованных бизнесменов, компания была реорганизована и получила название Gasmotoren-Fabrik Deutz (по названию пригорода Кёльна, где находилась их новая штаб-квартира). Ланген нанял Готлиба Даймлера для эффективной работы завода, а Даймлер привёл с собой молодого Вильгельма Майбаха, нанятого в качестве инженера-конструктора[20].
Новая компания, новая команда, дополнительные советы и поддержка со стороны Рейло и ещё четыре года работы привели к тому, что в 1876 году Отто выпустил машину, обессмертившую его имя: так называемый «Тихий Отто». Хотя он не был намного эффективнее своего атмосферного предшественника, «Тихий Отто» весил в 3 раза меньше, а объём его цилиндра был в 15 меньше при той же мощности. Это позволяло масштабировать его до больших размеров: из-за большого цилиндра, необходимого для получения энергии из атмосферы, Отто и Ланген практически не могли увеличить мощность более, чем до одной-двух лошадиных сил. Работая с собственным заводом и британскими и американскими лицензиатами Deutz продал десятки тысяч двигателей этого типа к 1890 году[21].
Как обычно, практика опередила теорию: Отто добился большого успеха, но не имел чёткого представления о причинах. Он считал, что создал расслоённый заряд, который, постепенно увеличивая смесь топлива с воздухом по всей длине цилиндра, смягчает удар при взрыве, позволяя двигателю работать гораздо более плавно и тихо, чем грохочущий двигатель Отто и Лангена. Однако это не было точной моделью того, что на самом деле происходило при взрыве в цилиндре. Настоящий ключ к успеху бесшумного Отто лежал в его четырёхтактном цикле, в котором первый такт втягивает топливно-воздушную смесь в цилиндр, второй такт сжимает её, третий обеспечивает мощность при взрыве смеси, а четвёртый выталкивает выхлопные газы из цилиндра. Сжатие газа в цилиндре перед воспламенением обеспечивало гораздо более мощный и эффективный взрыв, и добиться этого при четырёхтактном цикле было гораздо проще, чем при работе с меньшим количеством тактов [22].
Четырёхтактный цикл полностью противоречил тому, что пытались сделать большинство современников Отто (включая Даймлера): они надеялись повторить историю двигателя Уатта, превратив однотактный атмосферный двигатель в двухтактный, получающий мощность в каждом такте. Но ДВС — это не паровая машина: взрывное сгорание очень мощное и быстрое, и при сотнях циклов в минуту одного хода из каждых четырёх достаточно для приведения в движение многих видов машин[23].
Двигатели Отто обеспечили энергией множество мелких мастерских и торговцев, но не переломили ход событий, и не увели его от капитала в сторону промышленной демократии, как надеялся Рёло. Его утверждение, что экономика крупномасштабной фабричной работы основывается только на необходимости совместного использования большого двигателя, было просто неверным; возможно, это ошибка, попытка выдать желаемое за действительное.
Индустриальная демократия механизированных ремесленных хозяйств не заменила заводской труд, но многие предприятия нашли применение более компактным и удобным двигателям: от пекарен и типографий до лесопилок и заводов по производству газированной воды[24]. Двигатели внутреннего сгорания также продвигались вверх по рынку по мере появления двигателей мощностью в десятки лошадиных сил, отвоёвывая все большую часть традиционной территории парового двигателя.
Если двигатель Отто не смог произвести политическую революцию, то он произвёл революцию другого рода, создав основу для двух совершенно новых видов транспорта: автомобиля и, вскоре после этого, самолёта. Однако прежде чем это произойдёт, двигатель внутреннего сгорания должен был освободиться от городского газа и найти способ свободно передвигаться на собственном топливе.
