Могучая смесь: этапы развития автомобильного топлива

В 1876-м немецкий инженер Николаус Август Отто построил первый  в мире двигатель внутреннего сгорания. Ключевым устройством мотора был карбюратор, в котором горючее распылялось и смешивалось с воздухом. Дальше смесь подавалась в цилиндр, сжималась и поджигалась от электрической искры. Горячие газы толкали поршень, а тот поворачивал коленчатый вал, который в свою очередь через цепь или вал вращал колеса. Такой принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Для него используют различные типы топлива. Наиболее традиционны бензин, дизельное топливо и керосин. Все они возникли задолго до появления автомобилей.

Первые технологические манипуляции с нефтью проводили на Ухтинском (Россия) нефтяном промысле в 1745 г. Именно там был построен первый завод по очистке нефти. Он был очень прост: в печь ставили котел с трубкой, которая через бочку с водой вела в пустую бочку. Бочка с водой играла роль холодильника. Очищенную нефть использовали преимущественно в бытовых целях. В то время многие помещения освещались лампадами, в которые наливалась смесь очищенной нефти с растительным маслом.
А вот бензин официально первым получил английский физик Майкл Фарадей. Из всех соединений углерода и водорода в 1825 году он выделил одно, способное быстро загораться. А так как он синтезировал его из нефти, добытой где-то в Малой Азии, то и назвал его арабским словом. Бензин – благовонное вещество. Так переводится слово с арабского.

В 1891 году русский инженер Шухов изобрел крекинг (от англ. cracking – расщепление). Это процесс разложения углеводородов нефти на более летучие вещества. Благодаря крекингу значительно увеличивается выход бензина из нефти.
Бензин в качестве горючего был использован только в конце XIX века, когда господин Даймлер усовершенствовал двигатель внутреннего сгорания и сделал его движущей силой на автомобилях. Вот когда были проблемы с бензином, так это в конце XIX века! К примеру, есть письменные свидетельства автомобилистов, путешествовавших по Германии в 1905 году. Автотуристы в одном из городов страны никак не могли найти место для заправки. За советом обратились к местным жителям, те предложили поискать бензин в городской аптеке. Однако там выяснилось, что запас этого "снадобья" иссяк, и провизор посоветовал обратиться к врачу. О, счастье! Дома у врача нашлось несколько бочек нужного "лекарства".

Несколько позже топливо для первых автомобилей можно было приобрести более-менее централизованно, но в ведрах или бутылях. Время шло, появлялись специализированные склады и специальные емкости. Правда, пользоваться ими было неудобно.  Процесс был крайне трудоемким и длительным. На такую немудреную операцию, как заправка, запросто уходило часа полтора.

Проблема решилась с появлением бензоколонок. История АЗС как специализированных магазинов началась с 1907 года, когда в Сиэтле компанией Standard Oil of California (сейчас ChevronTexaco) была открыта первая АЗС. В двадцатых годах появись первые механические дозирующие колонки, а в тридцатых – колонки с электрическими дозаторами. Интересна история сервисов на АЗС, в первую очередь, магазинов при АЗС. Например, в нашей стране магазины при АЗС рассматриваются как приложение к заправочному бизнесу. На Западе ситуация развивалась с точностью наоборот – АЗС начинались при магазине.

Но не бензином единым жило человечество в начале века. Альтернативой и конкурентом бензину было дизельное топливо – в современном обиходе "дизель". Понятие "дизель" в наше время стало нарицательным, и у большинства людей вызывает ассоциации с топливом, а ведь понятие "дизельное топливо" произошло от названия двигателя, а двигатель этот назван по имени немецкого инженера Рудольфа Дизеля. Причем дизель по сути своей не имел никакого отношения к дизельному топливу. По замыслу изобретателя, конструкция должна была работать на дешевой угольной пыли. Однако эксперименты показали невозможность использования её в качестве горючего по причине проблемной подачи в цилиндры. Тогда было решено попробовать вместо неё тяжёлые фракции нефти типа керосина и мазута.

Принцип же работы дизельного двигателя был следующим: в цилиндры засасывалось топливо, и под давлением сжималось до такой степени, что происходило самовозгорание. Идея была поистине революционной, и была оформлена как патент в 1893 году, но ещё пять лет ушло на конструирование работоспособного мотора. Он был очень далек от современного дизельного мотора. Агрегат высотой в три метра с одним цилиндром развивал 172 об/мин и "выдавал" от 17 до 19 л. с. При этом КПД составлял 26% – вдвое выше, чем у паровой машины! Работал первый такой двигатель на керосине.
Как стало уже понятно, "дизель" в свое время не был топливом, а мотором, причем работал он на керосине. Дизельное топливо же он стал потреблять с подачи  российского "нефтяного короля"  Эммануила Нобеля. Нобель заплатил бешеные деньги за покупку лицензии у Дизеля и решил организовать производство моторов на своем машиностроительном заводе в Петербурге. Правда его не устраивало, что конструкция работала на керосине. Он заставил конструкторов своего завода переработать двигатель, и тот стал работать на сырой нефти, а позже на солярке.

То есть не Рудольфу принадлежит идея заливать дизельное топливо в "дизель". Более того, при жизни все попытки Дизеля оснастить автомобиль двигателем своего производства были тщетны. Это удалось только его последователям через десяток лет.
Сам же Дизель скоропостижно умер (точнее исчез) при загадочных обстоятельствах в ночь с 29 на 30 сентября 1913 года.

Работу, которую вёл Рудольф Дизель по созданию автомобильных моторов, продолжил инженер Проспер Леранж из небезызвестной фирмы Benz & Cie. Леранж изобрел и запатентовал дизельный мотор с предкамерой. Но главным препятствием оставался компрессор – он отличался большим размером и не мог работать на больших оборотах. В 1922 году эту проблему решил немецкий инженер Роберт Бош, сконструировавший топливный насос высокого давления (ТНВД), который сделал возможным появление высокооборотистого дизельного двигателя. В 1923 году был выпущен первый в мире дизельный грузовик Benz 5К3. Это была 5-тонная машина, на которую установили 4-цилиндровый 8,8-литровый двигатель с предкамерой, развивающий мощность от 45 до 50 л. с. при 1000 об/мин.

Эксперименты с дизелями для легковых автомобилей концерн начал в 1933-м году. Только после длительных исследований и испытаний удалось создать мотор меньшего литража и с приемлемым уровнем вибрации при работе.

Mercedes-Benz с дизельным двигателем получил индекс 260D. На нем стоял четырехцилиндровый мотор объемом 2545 куб. см (отсюда и обозначение 260) развивавший 45 л. с. при 3000 об/мин. Главным его достоинством стала экономичность. Средний расход горючего составил чуть больше 9 л/100 км, в то время как его бензиновый аналог потреблял 13 л/100 км.

Такая вот запутанная история с появлением дизельного топлива. Неизвестно, кто и когда первым употребил слово "дизель" в качестве обозначения топлива, зато одно можно сказать точно: дизель – это двигатель внутреннего сгорания с самовоспламенением топлива от сжатия. В настоящий момент под словосочетанием дизельное топливо (соляровое масло, солярка) понимают жидкий продукт, использующийся как топливо в дизельном двигателе.

Казалось бы, бензин и дизельное топливо – неизменные попутчики автомобильных двигателей. Но это далеко не так. В начале  20 века бензин долгое время соревновался со спиртом и растительным маслом в борьбе за любовь автолюбителей. Нефтяное топливо победило лишь в конце  1930-х годов.

Еще Николас Отто, автор первого в мире четырехтактного двигателя внутрен-него сгорания, заправлял свое детище этанолом. Да и Дизель поначалу экспериментировал с арахисовым маслом в качестве топлива.

Главный аргумент в пользу биотоплива последовал от Генри Форда, который в 1908 году выпустил в продажу свою знаменитую Model T, которая могла работать на бензине, этаноле или их смеси.

Да что там Форд, если во время Первой мировой войны автомобили большинства стран мира использовали этанол в качестве топлива. После войны позиции этанола были сильны как никогда. Казалось, что вот-вот бензин исчезнет навсегда из обихода автолюбителей.
Но Вторая мировая война спутала все карты. Произошло резкое снижение цен на нефть и бензин, которые вытеснили спирт из баков.

Все вернулось на круги своя после масштабного топливного кризиса, возникшего в 1973 году. Как известно, тогда арабские государства-экспортеры ввели эмбарго на поставку нефти в США, Японию и Западную Европу, из-за чего цены на бензин выросли в пять раз.
Возник новый всплеск интереса к этанолу. В последние годы эта идея стала актуальной как никогда. Виной тому неуклонно повышающиеся цены на нефть.
В мире четко прослеживается тенденция перехода на горючее биологического типа. Наиболее перспективные его виды – этанол и биодизель. Как правило, этанол получают из сахарного тростника, кукурузы. Вообще, этиловый спирт можно получать из любых растений, лишь бы там в достаточном количестве содержались сахар и крахмал. Картофель, свёкла, ячмень, пшеница – всё подходит. Но лучший вариант – сахарный тростник.

Бразилия является передовой страной в производстве топлива растительного происхождения, которое принято называть биотопливом. Там с 1975-го года функционирует целая отрасль по выращиванию сахарного тростника. Но не только огромными плантациями тростника славна Бразилия. Начиная с 70-х годов машины там проектировались под определенный вид горючего – часть под бензин, а часть под спирт. В течение последних 10 лет почти 90% выпускаемых бразильских автомобилей могут работать на спирте или бензине, можно также смешивать эти виды в любой пропорции. Электроника, управляющая двигателем, самостоятельно распознает состав горючего, адаптируя под него двигатель.

Ни для кого не секрет, что сжигание бензина и дизельного топлива приводит к выбросу в атмосферу двуокиси углерода – главного врага человечества, так как он вызывает парниковый эффект.

Разумеется, что при использовании этилового спирта выхлоп автомобилей становится чище. Проблема тут в другом – при производстве этанола в атмосферу попадает немало углекислого газа. Хотя сторонники этанола уверяют, что в процессе производства в атмосферу попадает ровно столько же CO2, сколько до этого было поглощено (в результате фотосинтеза) теми же растениями, что поддаются переработке. Получается, этанол сам себя нейтрализует и абсолютно безвреден для окружающей среды.
Из каждых 100 производимых сегодня в мире машин 17 могут работать только на этаноле, а 70 – на смеси E85 (85% этанола и 15% бензина). Зато абсолютно все могут эффективно работать на бензине с добавлением 10-15% этанола (такая пропорция безопасна для традиционных двигателей).

Уже сейчас автоконструкторы начинают выводить на рынки модели с гибридными двигателями. Гибридный двигатель – это фактически система из двух двигателей – электрического и бензинового, которые работают попеременно или вместе. Пока работает бензиновый двигатель, заряжается аккумулятор.
Отдельно стоит упомянуть о разработках, работающих на водороде, а также об электромоторах.

Автомобили, функционирующие на водородных топливных элементах, приводятся в действие энергией двигателя, в котором происходит химическая реакция между водородом и кислородом. Результатом этой реакции является электричество, которое и запускает двигатель.

Электромоторы. Силовая установка такого типа подразумевает использование мощных аккумуляторов, энергия которых идет на работу двигателя. Зарядка этих батарей в большинстве случаев возможна с помощью обычной розетки. Есть тут и другая сторона медали. При частой подзарядке через розетку батареи довольно быстро приходят в негодность. А утилизация большого количества аккумуляторов связана с огромным ущербом окружающей среды.

Есть и другие менее популярные, но от этого не менее эффективные альтернативы. Например, процесс превращения угля в жидкое топливо для автотранспорта. Эту технологию изобрели немцы еще перед Второй мировой войной. Технология не отличается особой сложностью. Сначала уголь приводят в газообразное состояние, потом горючую смесь газов преобразовывают в жидкие продукты, эквивалентные бензину, дизельному или авиационному топливу. В США заводы по преобразованию угля в жидкое транспортное топливо применяют технологии связывания углерода. Главное ее преимущество в том, что из газа удаляются вредные примеси, такие как сера и ртуть.
Раз речь уже зашла о газах, то сделаем небольшое отступление и в сторону газа, как топлива для автомобилей. Еще в 30-е годы ХIX века был создан двигатель, работающий на газо-воздушной смеси. Однако с изобретением автомобиля предпочтение было отдано бензину. О газе вспомнили лишь в 30-е годы прошлого века. Сначала были газогенераторные двигатели, топливом для которых выступали древесные чурки.

Их сжигали в специальных емкостях, именуемых газогенераторами, при недостатке кислорода – в результате образовывалось большое количество недоокисленных продуктов, которые с успехом могли гореть в цилиндрах двигателя. Газогенераторные установки были довольно громоздкими и тяжелыми. Их масса колебалась от 400 до 600 кг. Розжиг газогенератора занимал 10-14 минут, расход древесных чурок равнялся около 53 кг/100 км пути, а запас хода – 60-70 км. Поэтому немедленно развернулись работы над газобаллонными автомобилями. Первым в этом деле выступил Советский Союз.

В конце 30-х годов с конвейеров советских автозаводов начали сходить газобаллонные грузовики ЗИС-30 и ГАЗ-44, в двигателях которых применялся газ, вырабатываемый не газогенераторами, а подаваемый из баллонов. А в западных странах об использовании газа всерьез задумались после нефтяного кризиса середины 70-ых годов.
Из экстраординарных способов получения топлива можно отметить старания японцев.

Как Вам заправлять двигатель автомобиля водой? Разработчики из японской Genepax заявили, что в двигателе такой модели вода расщепляется на водород и кислород. Вследствие чего автомобиль работает на водороде, по принципу описанному чуть выше. Подробных деталей этого процесса никто, однако, так и не представил.
Сегодня уже существуют сотни разновидностей топлива. Правда стоит заметить, что большинство из них используются единично и относятся больше к эксклюзивам, и вряд ли когда-либо станут массовыми.