С распространением паровой энергии в конце 1800-х годов многие изобретатели стремились создать более простой и эффективный двигатель. Вместо того, чтобы сгорание происходило вне самого двигателя, как в паровом двигателе, конструкторы стремились создать двигатель внутреннего сгорания, в котором поршень приводился в движение с помощью расширения газов, после воспламенения топливной смеси. Джордж Брайтон из Бостона, был одним из таких изобретателей, и хотя его разработки навсегда повлияли на двигатель внутреннего сгорания, он так и не достиг того же уровня признания, что и многие его современники.
Брайтон был изобретателем, инженером и машинистом, имевшим опыт работы с паровыми двигателями. Некоторые из его экспериментов с двигателями внутреннего сгорания относятся к началу 1850-х годов, но он начал серьезную разработку около 1870 года. В 1872 году Брайтон запатентовал новый тип двигателя, первый в серии, которая стала известна как Brayton Ready Motor. Название «Ready Motor» описывало тот факт, что двигатель был немедленно готов к работе, в отличие от парового двигателя. Двигатель Брайтона также назывался «Hydro-Carbon Engine». Двигатель использовал топливо (углеводороды), смешанное с воздухом, в качестве рабочей смеси, которая непосредственно действовала на поршень, а не топливо, нагревающее какую-либо другую рабочую жидкость, как в паровом двигателе. Теоретический процесс, по которому работал двигатель Брайтона, стал известен как цикл постоянного давления или цикл Брайтона. Цикл Брайтона в поршневом двигателе подразумевает, что давление в цилиндре двигателя поддерживается за счет непрерывного сгорания впрыскиваемого топлива, когда поршень движется вниз на своем рабочем такте. Цикл Брайтона постоянного давления используется в газовых турбинах и реактивных двигателях и также очень похож на цикл Дизеля.
Запатентованный Брайтоном в 1872 году двигатель был двухтактным, в котором два поршня были установлены на общем шатуне. Меньший из двух поршней действовал как воздушный насос, сжимая воздух примерно до 4,5 бар. Газообразное топливо, такое как светильный газ или водород, смешивалось с воздухом, поступающим в цилиндр сжатия. В качестве альтернативы нефтяное топливо, такое как нафта, могло испаряться и добавляться к воздуху, поступающему в цилиндр сжатия. Затем смесь воздуха и топлива сжималась, проходила через клапан и хранилась в резервуаре. Распределительный вал открывал клапан, который позволял сжатой смеси воздуха и топлива переходить из резервуара в большой цилиндр сгорания. Перед попаданием в цилиндр смесь воздуха и топлива проходила через слои проволочной сетки, где постоянно горел небольшой запальный факел. Запальный факел поддерживался непрерывной небольшой подачей смеси воздуха и топлива. Когда заряд проходил через проволочную сетку и попадал в цилиндр, он воспламенялся от пламени запала. Сгорающие и расширяющиеся газы создавали давление около 4,1 бар, которое заставляло большой поршень двигаться в цилиндре, создавая рабочий ход. В то же время малый поршень перемещался к верхней мертвой точке в своем цилиндре, сжимая еще один заряд для продолжения работы.
Цилиндр сгорания (рабочий) был примерно в два раза больше цилиндра сжатия (насос), а резервуар был не более чем в два раза больше объема цилиндра сгорания. Давление в резервуаре всегда было больше давления в цилиндре сгорания. Водяная рубашка окружала цилиндр сгорания, обеспечивая охлаждение.
В то время как патент 1872 года иллюстрировал двигатель, использующий отдельный поршень сжатия, Брайтон объяснил в патенте, что те же принципы его двигателя могут быть применены с использованием обеих сторон одного и того же поршня. Одна сторона поршня будет сжимать рабочую смесь, в то время как другая сторона поршня будет приводиться в движение расширяющимися газами. На чертеже патента также показан маховик, установленный на распределительном валу. Мощность двигателя будет распределяться от ведущего шкива на противоположном конце маховика. Однако изображения ранних двигателей Брайтона показывают тяги, установленные на шатуне, который приводил в движение маховик и ведущий шкив.
Около 1873 года Брайтон установил двигатель мощностью 4 л. с. (3,0 кВт) в трамвае в Провиденсе. Трамвай мог развивать скорость 24 км/ч, но он едва двигался с полной нагрузкой и с трудом поднимался на холм. Затем он был заменен более мощным двигателем мощностью 12 л. с. (8,9 кВт), поскольку это был самый мощный двигатель Брайтона, который помещался в имеющееся пространство. Двигатель занимал место одного пассажира и позволял трамваю подниматься на 5-процентный подъем. В общей сложности трамвай испытывался в течение 18 месяцев. Однако испытания выявили проблемы с пробуксовкой колес на рельсах, особенно на снегу или льду, а финансовые проблемы положили конец эксперименту.
Недостатком двигателя 1872 года было хранение газовой смеси в резервуаре. Если бы пламя проникло сквозь проволочную сетку и продолжило гореть обратно в резервуар, содержимое резервуара взорвалось бы. Предохранительный клапан предотвращал это, но такое событие было очень тревожным для любого, кто находился рядом с двигателем. Использование легкого, газообразного топлива усугубило проблему. В 1874 году Брайтон перешел на тяжелое нефтяное топливо и запатентовал усовершенствованный двигатель, в котором в резервуаре хранился только воздух. Небольшой запас топлива закачивался в абсорбирующий пористый материал, содержащийся в камере, которая окружала впускную трубу. Верхняя часть камеры образовывала то, что по сути было горелкой. Когда жидкое топливо нагревалось двигателем и испарялось, оно соединялось с воздушным зарядом, поступавшим в цилиндр через клапан с приводом от кулачкового вала. Затем смесь воспламенялась, проходя через секцию горелки и попадая в цилиндр. Горелка горела за счет остаточного топлива из абсорбирующего материала, смешивавшегося с небольшим количеством воздуха из резервуара, который постоянно проходил через горелку.
Скорость двигателя контролировалась впускным клапаном, который регулировал количество воздуха, проходящего в цилиндр. Хотя количество топлива, подаваемого в камеру, измерялось и зависело от скорости двигателя, вносить изменения в скорость двигателя оказалось сложно. Любое изменение количества подаваемого воздуха означало, что на короткий период топлива было либо слишком много, либо слишком мало, и это иногда приводило к гашению пламени горелки. К 1876 году эта проблема была решена путем внедрения нового процесса подачи топлива. Входящий воздух проходил через абсорбирующий пористый материал, который был насыщен топливом. Струя воздуха дула по всей площади абсорбирующего материала. Этот метод подачи оказался более отзывчивым, чем более ранний процесс испарения.
Разработка двигателя Brayton Ready продолжалась, и к 1875 году цилиндр сжатия был полностью отделен от цилиндра сгорания. Оба цилиндра имели одинаковый диаметр, но ход поршня цилиндра сжатия был примерно вдвое меньше, чем у цилиндра сгорания. Было построено несколько различных моделей, как вертикальных, так и горизонтальных.
К 1875 году (а возможно, и к 1873 году) в Филадельфии была основана компания Pennsylvania Ready Motor Company для продажи двигателей Брайтона, но двигатели были построены на заводе Exeter Machine Works в Эксетере. Brayton Ready Motor, возможно, был первым коммерчески доступным двигателем внутреннего сгорания. Двигатели, основанные на цикле Брайтона, также продавались рядом других компаний, включая New York & New Jersey Motor Company (к 1877 году) и Louis Simon & Sons в Ноттингеме, Англия, в 1878 году.
В 1878 году Джон Холланд использовал вертикальный двигатель Брайтона мощностью 4 л. с. (3,0 кВт) на первой подводной лодке с двигателем внутреннего сгорания, Holland I. Несмотря на свою работоспособность, эта подводная лодка не имела настоящего успеха. Вторая подводная лодка Холланда, Fenian Ram , использовала горизонтальный двигатель Брайтона мощностью 15 л. с. (11,2 кВт) и была спущена на воду в 1881 году.
Также в 1878 году вертикальный двигатель был испытан в омнибусе в Питтсбурге, но местные власти не разрешили использовать его для перевозки пассажиров. Шотландский пионер двигателей Дугалд Клерк переделал двигатель Брайтона мощностью 5 л. с. (3,7 кВт) на искровое зажигание. Этот двигатель был первым двухтактным двигателем с искровым зажиганием, когда-либо построенным. Горизонтальные двигатели были установлены на нескольких лодках, которые работали на реке Гудзон. В 1880 году USS Tallapoosa был оснащен двигателем Брайтона, способным развивать 300 об/мин. Другие двигатели Брайтона использовались в промышленных целях, таких как питание насосов, хлопкоочистительных машин или мельниц. Эти двигатели Брайтона были первыми практическими "нефтяными" двигателями и отличались легкостью запуска и устойчивой работой.
Джордж Селден был вдохновлен двигателем Брайтона мощностью 10 л. с., который он увидел на выставке Centennial Exposition в Филадельфии в 1876 году, и почувствовал, что двигатель можно адаптировать для привода практичного колесного транспортного средства (автомобиля). В 1879 году Селден подал заявку на патент на свой трехцилиндровый дорожный двигатель, который приводил в движение четырехколесную повозку. Селден продолжал откладывать свой патент с небольшими модификациями до 1895 года, когда патент был наконец выдан, несмотря на то, что Селден никогда не строил само транспортное средство. Это не помешало Селдену заявить, что он изобрел автомобиль, и потребовать от всех производителей автомобилей роялти — подавая в суд на тех, кто отказывался платить. Генри Форд возглавил восстание против Селдена и проиграл судебное дело в 1909 году. Однако это решение было отменено апелляцией в 1911 году. Для успешной апелляции Форд продемонстрировал, что автомобиль Селдена использовал двигатель, основанный на цикле Брайтона (двухтактный и цикл постоянного давления), в то время как Форд и другие использовали двигатели, основанные на конструкции Николауса Отто (цикл Отто: четырехтактный и цикл постоянного объема). Ни один автомобиль не был построен с двигателем, работающим по циклу Брайтона; следовательно, производители автомобилей не нарушали патент Селдена.
К концу 1880-х годов стало ясно, что цикл Брайтона для поршневых двигателей внутреннего сгорания уступает более эффективному циклу Отто. Главной проблемой двигателя Брайтона было его относительно низкое давление (4,1–5,5 бар) в сочетании с чрезмерным трением, насосными и тепловыми потерями между цилиндрами сжатия и сгорания.
В 1890 году Брайтон запатентовал свой последний двигатель, вертикальный четырехтактный. Когда поршень двигался вниз на такте впуска, клапан в головке поршня открывался и позволял воздуху из картера поступать в "вакуум" в цилиндре. Когда поршень двигался вверх на такте сжатия, выпускной клапан открывался на короткое время, чтобы удалить все оставшиеся продукты сгорания. Когда все клапаны были закрыты, оставшийся воздух сжимался, и топливо впрыскивалось в пространство камеры сгорания над поршнем. Шатун соединял поршень с качающейся балкой, а противоположный конец этой балки был соединен с коленчатым валом. Небольшой воздушный насос приводился в действие от стержня, соединенного с качающейся балкой. Воздушный насос обеспечивал давление для системы впрыска топлива, позволяя потоку воздуха распылять топливо в мелкий распыл, когда оно нагнеталось в камеру сгорания. Топливо воспламенялось калильной горелкой и продолжало гореть по мере впрыскивания большего количества топлива и перемещения поршня вниз на рабочем такте. Последний двигатель Брайтона работал по тому же принципу, что и двигатели, которые Рудольф Дизель начал разрабатывать в 1893 году, но Дизель использовал гораздо более высокое давление в цилиндрах.
Путешествуя по Англии и все еще экспериментируя с двигателями, Брайтон скончался в 1892 году в возрасте 62 лет. Производство его двигателей уже сократилось к моменту его смерти, но, возможно, продолжалось до начала 1900-х годов. Хотя имена Отто и Дизеля известны многим сегодня, Брайтон относительно неизвестен, несмотря на его новаторскую работу. Двигатели Брайтона использовались в наземных транспортных средствах, лодках и подводных лодках до того, как двигатели Отто или Дизеля успешно заработали. Несомненно, инженерный вклад Брайтона помог проложить путь для многих последующих. Из сотен выпущенных двигателей Brayton Ready Motors до наших дней сохранилось всего около шести оригинальных двигателей.