В 1801 году французский профессор механики Филипп Лебон открыл газ, представляющий собой смесь водорода, метана, угарных и других горючих газов, получаемую при пиролизе, то есть сухой перегонке каменного угля. Этот газ получил название «светильный», потому что его стали применять для освещения улиц, заменив дорогостоящие свечи.
Лебон разработал позже двигатель, работающий на светильном газе, и получил на него патент. Его мотор состоял из двух компрессоров и камеры. Один компрессор подавал в камеру сжатый воздух, а второй ‒ сжатый светильный газ. Образовавшаяся газовоздушная смесь поступала в рабочий цилиндр и воспламенялась. Рабочие камеры были установлены по обе стороны поршня и действовали попеременно. По сути, изобретение Лебона было прообразом двухтактного двигателя внутреннего сгорания.
В последующие годы усилия по созданию двигателя, работающего на газе, продолжились. За неимением альтернативы изобретатели двигателей внутреннего сгорания (ДВС) старались комбинировать светильный газ с различными добавками, например, смешивали его с воздухом. Модели постоянно совершенствовались — изобретались механизмы воспламенения смеси, охлаждения, началось внедрение принципа «сжатие-воспламенение».
Первый коммерческий успех, связанный с созданием двигателя внутреннего сгорания, выпал на долю бельгийского изобретателя Жана Этьена Ленуара, запатентовавшего в 1859 году модель трехтактного двигателя внутреннего сгорания. Очень важным новшеством в конструкции бельгийца стал механизм воспламенения топливовоздушной смеси с помощью электрической искры.
Становление Ленуара как изобретателя является типичным примером использования метода проб и ошибок. Когда французу удалось собрать машину и запустить ее, она, проработав всего полчаса, остановилась. Когда открыли цилиндр, выяснилось, что из-за перегрева поршень внутри расширился и его заклинило. Чтобы повторно не случилось аварии, Ленуар придумал систему водяного охлаждения цилиндра. Однако и следующая попытка запустить двигатель закончилась неудачей. На сей раз причина неудачи крылась в плохом ходе поршня, нагревавшегося не из-за отсутствия механизма охлаждения, а из-за сильного трения в цилиндре. Так Ленуаром была придумана система смазки поршня. Только после этого двигатель стал работать нормально.
На основе своего ДВС Ленуар еще и создал самодвижущийся аппарат под названием «гиппомобиль» (от древнегреческого слова «гиппос» ‒ лошадь). В конструкции своего устройства, которое по внешнему виду напоминало тележку с двумя сиденьями, расположенными друг за другом, Ленуар применил дополнительный ряд новшеств: прямой цепной привод, управляемые колеса и эллиптическую подвеску с плоскими рессорами. Главным недостатком двигателя Ленуара следует признать его маленькую мощность ‒ порядка 1,5 л.с. Именно из-за слабости мотора попытки массово использовать его в автомобилях закончились ничем. Тем не менее уже к 1884 году было выпущено более 300 двигателей конструкции Ленуара.
По мере совершенствования конструкции ДВС изобретатели сосредоточились на решении двух важнейших проблем: дальнейшей разработки состава горючего и системы его воспламенения. Успешно продвинулись в данном направлении итальянские инженеры Еугенио Барзанти и Фетис Матточчи. В 1854 году они, за 10 лет до создания Ленуаром своего двигателя, получили патент на трехтактный мотор, имевший водяное охлаждение и работавший на смеси воздуха и каменноугольного газа. В результате дальнейших усовершенствований им удалось довести мощность своего агрегата до 5 л.с.
Французский инженер Альфонс Бо де Роше, работавший на железной дороге, также внес большой вклад в создание двигателя внутреннего сгорания. В качестве прообраза он взял двигатель Ленуара. Роше хотел понять, почему эта силовая установка, потребляя столь много топлива, не способна вырабатывать большую мощность? Постепенно изобретатель пришел к выводу, что перед воспламенением газ следует сжать. Путем различных экспериментов Бо де Роше сформулировал принцип четырехтактного рабочего цикла двигателя, где при первом цикле после хода поршня открывается впускной клапан, и в цилиндр всасывается горючая смесь. Далее, когда поршень доходит до крайней верхней точки, клапан закрывается, и начинается уже второй такт ‒ сжатие. Поршень опускается до мертвой точки, и происходит воспламенение горючей смеси. Образовавшееся давление вновь толкает поршень вверх, образуя тем самым рабочий цикл. Последний этап ‒ выпуск отработанных газов.
Хотя Роше из-за материальных затруднений так и не смог создать свой двигатель в «железе», тем не менее он первым в мире изложил принцип работы четырехтактного двигателя в книге «Исследования практических условий использования тепла в качестве основной силы движения», в которой описал свой опыт, и получить патент на изобретение в 1862 году.
Немецкому изобретателю-самоучке Николасу Августу Отто, который на первоначальном этапе своей деятельности занимался усовершенствованием двигателя Ленуара, удалось устранить главные недостатки предыдущих двигателей: непоследовательность вспышки горючей смеси в цилиндре и разбалансированность системы впрыска топлива и его сгорания. Отто был уверен в успехе своего детища и стал искать компаньонов. Деловым партнером согласился стать немецкий промышленник Ойген Ланген, который полностью взял на себя финансирование проекта по созданию нового двигателя. Партнеры вскоре основали компанию N.A. Otto@Cie. После банкротства этой фирмы в 1872 году Ланген основал собственную компанию Gasmotoren Fabrik Deutz AG, от которой остался отголосок Deutz ‒ знаменитого в Европе бренда сельхозтракторов.
Получив от Лангена финансовую поддержку, Отто с головой окунулся в опыты и инженерные изыскания. Прежде чем создать свой четырехтактный двигатель, изобретатель в 1863 году построил двухтактный атмосферный ДВС, на котором установил вертикально расположенный цилиндр. Вал, который получал вращение от поршня, при помощи рейки помещался над ним сбоку. Он приподнимал поршень, под ним образовывалось разрежение, и происходило всасывание смеси воздуха и газа, то есть принцип действия силовой установки Отто не отличался от принципа работы двигателя Бо де Роше.
Мотор Отто впервые был представлен публике в 1867 году на Всемирной выставке в Париже и имел большой успех. Годом позже Отто получил патент на четырехтактный двигатель с искровым воспламенением, заложив тем самым основу под производство современных бензиновых и газовых двигателей.
Хотя к концу XIX века в мире уже выпускалось ежегодно несколько тыс. ДВС (одних только двигателей Отто было продано более трех тыс. штук), использование в качестве горючего светильного газа сильно сдерживало их применение. Промышленный пиролиз в то время был развит слабо, да и заводов, производящих газ, насчитывалось немного.
Хотя двигатель на газе, пригодный для коммерческой эксплуатации, появился, напомним, уже в 1863 году, под капотом газомоторных автомобилей и тракторов он занял место лишь несколько десятилетий спустя ‒ в конце 1930-х гг. Интерес к тематике спровоцировала экономическая обстановка перед началом Второй мировой войны, вызвавшая дефицит жидких видов топлива в Европе, из-за чего во многих странах стартовали разработки газогенераторных тракторов и автомобилей, где горючие газообразные фракции вырабатывались из твердых видов топлива: дров, угля, торфа и даже соломы. Наиболее популярными моделями газогенераторных тракторов 30-40-х гг. в Европе стали версии Fendt G25, Volvo T41, Renault 304.
В СССР к серийному производству газомоторной тракторной техники приступили в 1938 году, когда Харьковский тракторный завод и Научно-исследовательский тракторный институт (НАТИ) завершили разработку модели ХТЗ Т2Г (на базе трактора СХТЗ-НАТИ). До 1941 года харьковчане произвели порядка 16 тыс. газогенераторных ХТЗ-Т2Г.
Параллельно в СССР Челябинским тракторным заводом выпускалась модель СГ-65 (на базе «Сталинца-65»). До войны челябинцы собрали 7365 единиц газогенераторных тракторов. Хотя тракторы «на дровах» имели массу недостатков, главным из которых являлась более низкая мощность по сравнению с мотором на жидком топливе (меньше на 30-35%), газовые машины очень помогли народному хозяйству СССР в годы войны, сэкономив солидные объемы керосина и дизтоплива, в которых остро нуждались армия и флот. Газогенераторные тракторы различного назначения производились в нашей стране и в послевоенное время. Например, Сталинградский тракторный завод на базе ДТ-54 разработал модель ГБ-58. А Кировский завод в Ленинграде в 1947 году освоил выпуск трелевочных газогенераторных тракторов КТ-12 для лесного хозяйства.
К середине 1950-х гг., когда рынки наконец насытились нефтью, востребованность в газомоторной технике постепенно сошла на нет. Актуальным «газомотор», вследствие ограничительных мер по выбросам в атмосферу, вновь стал XXI веке. Такие машины не только безопаснее для экосреды, но и сулят существенную выгоду потребителям, так как при выполнении работ обеспечивают сокращение эксплуатационных расходов на ГСМ в 2,5-3 раза.
Далеко в плане разработки газомоторных двигателей в свое время продвинулся Владимирский моторо-тракторный завод (ВМТЗ), разработавший линейку моторов на метане для техники под брендом «АГРОМАШ». Нельзя не отметить, что к силовым установкам, действующим на газе, потребители всегда относились с определенным скепсисом, так как аксиомой являлся факт более низкой мощности «газомотора» по сравнению с ДВС на жидком топливе. Но конструкторам ВМТЗ удалось решить проблему путем разработки газового двигателя однотопливного типа, управляемого микропроцессорной системой. В результате получился мотор, вполне сравнимый по своим характеристикам с дизельными собратьями.
Конструкция двигателя и его регулировка адаптированы исключительно под газ (в отличие, например, от двухтопливных моторов, где мощность резко падает при переходе на метан, так как силовая установка «заточена» в первую очередь именно под сжигание в цилиндрах дизельного топлива). Владимирский газовый двигатель с микропроцессорной системой получился не только мощным, но и надежным: моторесурс однотопливной газомоторной силовой установки, по сравнению с дизельным предшественником, в 1,5-2 раза выше из-за отсутствия эффекта смыва масляной пленки со стенок цилиндров. Причем газомотор практически не издает шума по сравнению с дизельным собратом.