Николаус Отто

Николаус Отто (нем. Nicolaus August Otto; 10 июня 1832, Хольцхаузен-ан-дер-Хайде, герцогство Нассау — 26 января 1891, Кёльн, Германская империя) — немецкий инженер-самоучка и изобретатель, наиболее известный созданием первого практически пригодного четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания. Разработанный Отто в 1876 году двигатель, работающий по так называемому «циклу Отто», стал основой для развития автомобильной, мотоциклетной и авиационной техники, а также для стационарных силовых установок. Изобретение Отто считается одним из ключевых событий в истории техники, ознаменовавшим переход от паровых машин к компактным и эффективным двигателям, работающим на жидком топливе.

Биография

Ранние годы и образование

Николаус Август Отто родился 10 июня 1832 года в небольшом городке Хольцхаузен-ан-дер-Хайде (ныне часть общины Хюнштеттен, земля Рейнланд-Пфальц) в семье трактирщика и фермера Филиппа Вильгельма Отто. После смерти отца в 1836 году семья переехала в городок Узинген. Отто получил начальное образование в местной школе, а затем, с 1848 по 1850 год, обучался в гимназии в городе Висбаден. Однако из-за финансовых трудностей он не смог продолжить обучение в университете и в 1850 году был вынужден бросить учёбу.

Начало карьеры

После оставления гимназии Отто переехал во Франкфурт-на-Майне, где начал работать помощником в торговой конторе. В 1854 году он переехал в Кёльн, где устроился коммивояжёром в компанию, торгующую сахаром и чаем. Работа требовала частых поездок, что дало Отто возможность наблюдать за работой паровых машин и газовых двигателей, которые тогда только начинали входить в промышленное использование. Интерес к механике и двигателям привёл его к самостоятельному изучению технической литературы, в том числе трудов французского инженера Этьена Ленуара, создавшего в 1860 году первый коммерчески успешный газовый двигатель.

Первые изобретения

В 1861 году Отто разработал собственную конструкцию газового двигателя, основанную на принципе сжатия топливной смеси перед воспламенением. Однако первые прототипы оказались неработоспособными из-за вибраций и нестабильности работы. В 1863 году он познакомился с механиком Михаэлем Йозефом Ойгеном Лангеном (1833–1895), который стал его финансовым и техническим партнёром. Вместе они основали компанию «N. A. Otto & Cie.» в Кёльне, которая занималась производством газовых двигателей.

В 1864 году Отто и Ланген представили двигатель, работающий по двухтактному принципу. Этот двигатель, хотя и был громоздким и неэффективным, получил золотую медаль на Парижской всемирной выставке 1867 года, что привлекло к нему внимание инженеров и инвесторов. Однако настоящий прорыв произошёл в 1876 году.

Создание четырёхтактного двигателя

В 1876 году Отто, работая в своей мастерской в Кёльне, завершил разработку первого в мире четырёхтактного газового двигателя. Патент на это изобретение был получен в Германии в 1877 году (патент № 532). Двигатель Отто работал по циклу, состоящему из четырёх тактов: впуск, сжатие, рабочий ход (воспламенение и расширение) и выпуск. В отличие от двигателя Ленуара, который требовал постоянного поджигания смеси электрической искрой, двигатель Отто использовал сжатие смеси перед воспламенением, что значительно повышало КПД и мощность. Первый работающий образец имел мощность около 3 лошадиных сил (2,2 кВт) и работал на светильном газе.

Это изобретение произвело революцию в технике. Двигатель Отто был компактнее, экономичнее и надёжнее паровых машин, что позволило использовать его в самых разных областях — от привода станков до первых автомобилей. В 1882 году компания Отто и Лангена была преобразована в «Gasmotorenfabrik Deutz AG» (ныне Deutz AG), которая стала одним из крупнейших производителей двигателей в Европе.

Поздние годы и смерть

В 1886 году патент Отто на четырёхтактный двигатель был оспорен в суде. Выяснилось, что аналогичная идея была предложена французским инженером Альфонсом Бо де Роша в 1862 году, хотя тот не построил рабочего прототипа. В результате суд аннулировал патент Отто, что позволило другим компаниям, в том числе «Daimler-Benz», использовать четырёхтактный цикл без лицензионных отчислений. Несмотря на это, Отто продолжал работать над усовершенствованием двигателей, но его здоровье ухудшилось. Он умер 26 января 1891 года в Кёльне от сердечной недостаточности.

Цикл Отто

Принцип работы

Цикл Отто — термодинамический цикл, лежащий в основе работы большинства бензиновых двигателей внутреннего сгорания. Он состоит из четырёх тактов, каждый из которых соответствует одному ходу поршня (пол-оборота коленчатого вала):

1. Впуск: Поршень движется от верхней мёртвой точки (ВМТ) к нижней мёртвой точке (НМТ). Впускной клапан открыт, и в цилиндр поступает топливно-воздушная смесь (или воздух для дизельных двигателей, но в оригинальном двигателе Отто — смесь).
2. Сжатие: Поршень движется от НМТ к ВМТ. Оба клапана закрыты. Смесь сжимается, её температура и давление повышаются.
3. Рабочий ход: В момент, когда поршень достигает ВМТ, свеча зажигания воспламеняет сжатую смесь. Происходит взрывное расширение газов, которое толкает поршень вниз к НМТ. Этот такт — единственный, в котором совершается полезная работа.
4. Выпуск: Поршень движется от НМТ к ВМТ. Выпускной клапан открыт, и отработавшие газы выталкиваются из цилиндра.

КПД цикла Отто

Теоретический КПД цикла Отто зависит от степени сжатия (отношения объёма цилиндра при НМТ к объёму при ВМТ). Чем выше степень сжатия, тем выше КПД. Для типичных бензиновых двигателей степень сжатия составляет от 8:1 до 12:1, что даёт КПД около 25–30% (на практике — с учётом потерь на трение, теплоотвод и т.д.). В оригинальном двигателе Отто 1876 года степень сжатия составляла около 2,5:1, что давало КПД около 10–12%.

Влияние на технику

Автомобильная промышленность

Двигатель Отто стал основой для создания первых автомобилей. В 1885–1886 годах Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах, работавшие ранее на заводе Отто в Кёльне, установили модифицированный четырёхтактный двигатель на повозку, создав один из первых автомобилей. Карл Бенц также использовал цикл Отто в своём трёхколёсном автомобиле 1886 года. К началу XX века двигатели Отто стали стандартом для легковых автомобилей, мотоциклов и грузовиков.

Авиация

Четырёхтактные двигатели, работающие по циклу Отто, использовались в первых самолётах. Например, двигатель «Райт» на самолёте братьев Райт (1903) был четырёхтактным. До появления реактивных двигателей в середине XX века поршневые авиационные двигатели (в том числе V-образные и звездообразные) оставались основным типом силовых установок для самолётов.

Стационарные установки

Двигатели Отто использовались для привода насосов, генераторов, станков и других промышленных механизмов. Благодаря компактности и независимости от паровых котлов, они стали популярны на небольших предприятиях, в сельском хозяйстве и на судах.

Критика и ограничения

Патентные споры

Основной критикой в адрес Отто была его попытка монополизировать четырёхтактный цикл, который, как выяснилось, был описан ранее. Аннулирование патента в 1886 году привело к быстрому распространению технологии, что, с одной стороны, ускорило технический прогресс, но с другой — лишило Отто значительной части доходов. Некоторые историки техники считают, что Отто сознательно умолчал о работе Бо де Роша, хотя прямых доказательств этому нет.

Экологические аспекты

Двигатели Отто, работающие на бензине, являются источником выбросов углекислого газа, оксидов азота и других загрязнителей. В XX–XXI веках это привело к ужесточению экологических норм и разработке альтернативных силовых установок (электродвигатели, водородные двигатели). Однако сам цикл Отто остаётся основой для большинства современных бензиновых двигателей, которые оснащаются системами нейтрализации выхлопа.

Память

• Именем Николауса Отто названы улицы в нескольких городах Германии, в том числе в Кёльне и Узингене.
• В 1936 году в Хольцхаузене был установлен памятник изобретателю.
• Компания Deutz AG, основанная Отто и Лангеном, продолжает выпускать дизельные и газовые двигатели.
• Термин «цикл Отто» используется в термодинамике для обозначения идеализированного цикла с подводом тепла при постоянном объёме.

Источники

• Николаус Отто. Биографический очерк. — М.: Издательство «Техника», 1958.
• История двигателестроения. Под ред. А. Н. Ларина. — СПб.: Политехника, 2001.
• Патент Германии № 532 от 1877 года на четырёхтактный двигатель.
• Статья «Nicolaus Otto» в энциклопедии Britannica (издание 1911 года).
• Материалы музея Deutz AG (Кёльн).