В то же время ограниченность запасов высокосортного минерального топлива, беспощадно пожираемого паровым двигателем с низким коэффициентом полезного действия, выдвинула в отдельных странах и районах перед техникой капиталистического хозяйства задачу вовлечения в производство новых энергетических источников, в частности — низкосортного топлива, и задачу использования их на новой более совершенной технической основе с более высоким коэффициентом полезного действия.

Техника в XIX в. сделала очень много, казалось даже все, в области конструктивных усовершенствований парового двигателя. Для достижения поставленной задачи изобретательская мысль должна была обратиться в сторону постройки принципиально новых двигателей, именно двигателей внутреннего сгорания, и паровых турбин.

Паровая машина служила для превращения теплоты сжигаемого топлива в работу. Употребительнейшим топливом были нефть и уголь. Уголь был более дешев, чем нефть, но нефть имела свои преимущества, заключавшиеся в удобстве перевозки, хранения и сжигания путем впрыскивания в печь посредством распыливающего аппарата, так называемой форсунки. С точки зрения экономичности использования тепла паровые котлы имели огромное неудобство: их невозможно было нагревать так, чтобы полностью использовать теплоту печи. Изобретателям ничего не оставалось делать, как попытаться перенести самую печь в цилиндр, сжигать топливо в самом рабочем цилиндре, т. е. создать двигатель внутреннего сгорания.

Надо заметить, что попытки этого делались задолго до создания паровой машины, являющейся двигателем внешнего сгорания. Еще в 1673 г. в лаборатории голландского физика Христиана Гюйгенса Дени Папин изобрел машину, в которой поршень поднимался кверху при помощи взрыва порохового заряда, наполнявшего цилиндр горячими газами. По охлаждении этих газов атмосферное давление гнало поршень обратно, и, хотя заряжение происходило с большой возней, так как надо было отнимать дно цилиндра, все же Папин имел дело с прототипом двигателя внутреннего сгорания. По остроумному замечанию машиноведов пушка является, в сущности говоря, также двигателем внутреннего сгорания с той разницей, что при каждом ходе поршень совсем вылетает из цилиндра.

Практического применения машина Папина, разумеется, не имела. Первой попыткой создания работающей машины этого рода является газовый двигатель, изобретенный французским механиком Ленуаром в 1860 г. В нем смесь светильного газа и воздуха, так называемая горючая смесь, засасывалась в цилиндр движением поршня, как вода втягивается в шприц. Когда поршень был на половине своего хода, смесь зажигалась посредством искры и происходил взрыв, который давлением образующихся при этом газов гнал его дальше. Когда поршень доходил до конца, в цилиндре открывался клапан и выпускал сгоревшие газы наружу.

Усовершенствованные позднее двигатели Ленуара все же не нашли себе распространения: коэффициент их полезного действия колебался от трех до пяти процентов, мощность их была незначительна, потребляемое топливо дорого, и никакого преимущества перед паровыми машинами они не имели.

Возможность использования в промышленности газовых двигателей явилась лишь тогда, когда был изменен рабочий процесс в двигателях этого типа, а именно было применено сжатие засосанной в цилиндр горючей смеси перед зажиганием ее. Сжатие рабочей смеси перед зажиганием было предложено французским инженером Бо-де-Роша, но применено оно было впервые в газовом двигателе немецким техником Николаем Отто из Кельна спустя 14 лет. Именно в том же 1878 г., когда Рудольф Дизель сделал свою умную запись на полях тетради, Отто взял патент на четырехтактный газовый двигатель, построенный на принципе сжатия рабочей смеси перед зажиганием. Этот принцип и был положен впоследствии в основу всего моторостроения. С этого момента началось значение двигателей внутреннего сгорания и внедрение их в транспорт и промышленность.

Рабочий процесс, совершавшийся в цилиндре нового двигателя, получил известность как цикл Отто. По этому циклу работают и современные бензиновые моторы, автомобильные и авиационные.

Схема работы двигателя по циклу Отто

Цикл Отто заключается в следующем.

Допустим, что имеется цилиндр двигателя, в котором находится поршень, связанный при помощи шатуна с коленчатым валом, и поршень находится в крайнем своем положении, до которого ему позволяет дойти коленчатый вал. В этом положении между поршнем и крышкой цилиндра остается промежуток, представляющий собой камеру сжатия. Цилиндр в крышке своей имеет грибообразные клапаны, головки которых прикрывают отверстия; клапаны удерживаются в закрытом состоянии пружинами и открываются в должный момент при помощи кулачков на валу, приводимых в движение самой же машиной.

Двигатель пускается в ход посторонней силой. Пока поршень движется вперед, выпускной клапан остается закрытым, впускные же приподнимаются своими кулачками, и через них всасываются в цилиндр газ и воздух, образующие рабочую горючую смесь. Этот ход называется первым тактом, или ходом всасывания. К концу этого хода впускные клапаны закрываются, а поршень движется назад, сжимая рабочую смесь. Это — второй такт, или ход сжатия. Когда смесь сжата, она зажигается посредством электрической искры или иным способом и взрывается, т. е. быстро сгорает, освобождая при этом теплоту. Благодаря выделению теплоты происходит расширение газов, вследствие чего давление возрастает, прежде чем поршень успевает уйти, так что максимальное давление получается в тот момент, когда поршень находится еще в крайнем своем положении: газы с силой толкают поршень. Это — третий такт, или рабочий ход. При нем все клапаны закрыты. Он приводит в движение коленчатый вал, сообщающий вращательное движение маховику и далее через привод исполнительному механизму. Когда поршень дошел до конца, открывается выпускной клапан, и поршень, двигаясь назад, выгоняет отработавшие газы наружу. Это — четвертый такт, или выхлоп. Этим и заканчивается рабочий процесс каждого цикла.

Приводимый далее уже инерцией маховика в движение двигатель повторяет свой четырехтактный цикл. В этом цикле, как ясно, имеется лишь один рабочий ход — на четыре. Позднее были изобретены англичанином Дугласом Кларком двигатели, работающие по двухтактному циклу, при котором один рабочий ход приходится на каждый оборот вала.

Первый газовый двигатель Отто

Сжатие рабочей смеси перед зажиганием чрезвычайно повысило коэффициент полезного действия в новых двигателях, работающих по циклу Отто. Уже первые газовые двигатели, выпущенные преобразованной в завод механической мастерской Отто в Дейтце под маркой «Отто-Дейтц», по коэффициенту полезного действия (в 17–18 %) далеко превзошли паровые машины того времени такой же мощности. В этих двигателях степень сжатия доходила до пяти, т. е. рабочая смесь перед воспламенением сжималась до одной пятой своего первоначального объема. При предварительном сжатии рабочей смеси давление газов после сгорания значительно возрастает. Точные подсчеты показали, далее, что чем выше степень сжатия, т. е. чем больше смесь сжимается перед зажиганием, тем большая часть тепла, освобождающегося при сгорании, превращается в работу. При высоких степенях сжатия получается не только большее расширение газов, а стало быть, и давление, но и уменьшается потеря тепла в этом периоде рабочего процесса.

Казалось теперь, что конструктора новых двигателей пойдут все дальше и дальше в увеличении степени сжатия. Однако степень сжатия в моторах, работающих по циклу Отто, и до сего времени обычно не превышает семи.

Дело в том, что с увеличением сжатия увеличивается не только давление, угрожающее прочности цилиндра, но, главное, слишком разогревающаяся от сжатия смесь взрывается раньше времени, в самом процессе сжатия, до появления искры, вследствие чего работа мотора теряет свою производительность и сопровождается стуками (явление детонации).