Амперметр, часть первая

Итак, почему комбинации приборов и кнопки светят тем или иным цветом, мы подробно разобрали. Но у каждого прибора, который вы видите перед глазами, садясь за руль автомобиля, была своя интересная история. А у отдельных устройств — еще и довольно драматичная, вполне достойная романа или экранизации.

Небольшое отступление. Все посты в этом блоге объединяет название rusty gauges: ржавые приборы или ржавые датчики. Это мое давнее, с детства, увлечение — приборы и их шкалы. Будь то наручные часы, радиола, пульт управления космическим кораблем или атомной электростанцией.

И начать новую серию постов я хотел бы с двух родственных приборов: речь пойдет сначала об амперметре как исторически более раннем индикаторе электрических параметров автомобиля, а затем перейдем и к вольтметру.

Но прежде два небольших уточнения.
Во-первых, я заранее прошу прощения у читателя за периодические отступления от основной темы, особенно в начальном посте: порой сложно понять, что и как появилось в автомобиле без знания физических основ, хода технического прогресса, а порой и курьезов истории. Надеюсь, от этого повествование не станет слишком скучным: я не собираюсь превращать свой блог в цитирование Википедии, однако без понимания основ нам не обойтись. Что ж, попробую найти этот хрупкий баланс.

Во-вторых, здесь и далее в блоге иногда будет идти речь о патентах и изобретениях. Так уж получилось, что еще с аспирантуры я в большей степени увлекаюсь историей науки и техники, а не их будущим. Возможно, где-то в тексте вам будут встречаться неточности, касающиеся приоритета ученых и изобретателей на те или иные изобретения. Я не против, если в этом случае вы поделитесь в комментариях своим мнением: посты в личном блоге отражают, соответственно, мой личный субъективный взгляд. Основная цель моего блога — показать, каким путем технически эволюционировал автомобиль или отдельные его узлы, претензий на историческую достоверность у меня нет.

Так в чем суть проблемы? Дело в том, что патентное, равно как и авторское право изначально имеют существенные недостатки и являются объектом дискуссий до сих пор. В средние века многие авторы считали свои изобретения и художественные произведения достоянием общественности. В самом деле, разве может человек владеть откровением, которое тогда считалось исключительно божественным? Поэтому авторское право в том или ином виде уже существовало, однако труды и произведения далеко не всегда юридически закрепляли за их авторами.

Развитое патентное право это прямое следствие промышленной революции XVIII–XIX века. Способы защиты своих профессиональных секретов существовали задолго до ее начала, однако именно в XIX веке бурное развитие науки и техники приводит к созданию отдельного направления деятельности. Произошло «изобретение изобретения» — простой и законный способ заработать, а то и сказочно разбогатеть. Первоначально на своих знаниях, а позже и на чужих. Направления противоречивого настолько, что в самый разгар викторианской эпохи, начиная где-то с середины XIX века, антипатентные настроения достигли своего максимума и грозили привести к отмене патентов. А в отдельных странах отсрочили введение патентной системы на десятилетия.

Просто представьте: эпоха бурных и впечатляющих открытий, многие из которых способны полностью перевернуть не просто отдельную отрасль промышленности, а жизненный уклад миллионов людей в десятках стран. Изобретение может принести баснословное состояние, а где большие деньги — там и большая власть. Так исторически сложилось, а позднее закрепилось и в международном праве, что есть три вида приоритета: научный (собственно изобретение), научно-технический или технический (полезная модель) и промышленный (промышленный образец). Первым закрепив или оспорив в суде чьи-то права на любой из трех объектов интеллектуальной собственности, можно сравнительно легко и изящно избавиться от конкурентов, обогатиться, получить признание в научной среде или власть.

Чем, собственно, и занимаются патентные тролли, по существу делая деньги из воздуха. Забавно, что первый патентный тролль, американский юрист и изобретатель Джордж Селден, появился именно в пору бурного развития промышленности в конце XIX века и решил поправить свое материальное состояние на стремительно взлетевшей к этому моменту автомобильной индустрии.

Поэтому и авторство многих изобретений приписывают одновременно нескольким людям. Во-первых, независимо друг от друга два конструктора или ученых действительно могли прийти к одинаковым выводам или по отдельности изобрести одну и ту же вещь. Во-вторых, прекрасно зная, что на этом можно неплохо заработать, не говоря уже о признании общественности и научного сообщества, многие изобретатели стремились как можно скорее юридически закрепить свой приоритет.

В нашей стране было и есть много талантливых инженеров, порой — самородков. Но большинство из них придерживалось мнения средневековых авторов: знания это общественное достояние, а основная задача ученого — осветить человечеству тернистый путь в светлое будущее. Да и не особо-то поизобретаешь в стране, где крепостное право отменили только в 1861 году, а фактически вплоть до революции подавляющее большинство населения было нищим, в лучшем случае небогатым. Что ж, это прошлое и его не изменить.

Наши ученые и конструкторы внесли огромный вклад в развитие науки и техники: нет технического или промышленного приоритета — есть научный, нет научного — есть технический или промышленный. Важно, что изобретение улучшило условия труда, спасло чью-то жизнь, расширило границы знаний — тем или иным способом движет прогресс. А споры об авторских правах оставим историкам: отечественный и зарубежный взгляды на приоритет изобретений разойдутся еще не раз.

Итак, амперметр появился в автомобиле одним из первых. Собственно, еще раньше его начали ставить на электромобили, но это отдельная история. Позже на смену амперметру пришел вольтметр, а со временем — и вовсе контрольная лампа.
В отечественных автомобилях амперметр можно было встретить на отдельных моделях ГАЗ или МЗМА/АЗЛК. Первый ВАЗ сошел с конвейера лишь в 1970 году, поэтому в стандартном оснащении амперметра уже не было: где-то в середине прошлого века производители как раз стали чаще ставить именно вольтметры. Не было амперметра и на прародителе модели — FIAT 124.

Впрочем, на первых УАЗах, тоже появившихся во второй половине XX века, амперметр еще был. Полагаю, он просто перекочевал с комбинации приборов ГАЗ-69, а на отечественный внедорожник — соответственно, с зарубежных прообразов. В принципе, амперметр более информативен, чем вольтметр и тем более контрольная лампа: он показывает ток заряда или разряда, а при заглушенном двигателе — еще и ток утечки, если таковой имеется. То есть обнаружить проблемы с генератором и вообще с бортовой электросетью можно несколько раньше, чем по стрелке вольтметра. Однако руководствовались ли заводские инженеры именно такой логикой или какой-то другой, я не знаю…

XIX век был веком впечатляющих открытий, багаж знаний человечества пополнился совершенно новыми сведениями об электричестве и магнетизме. Именно тогда электротехника стала полноценным и самостоятельным направлением физики, в том числе благодаря заметному вкладу отечественных ученых и изобретателей. Однако по ряду объективных и не очень причин автомобилестроение появилось и стремительно развивалось в отдельных странах Европы, а затем — и в США.

Например, «первый русский бензиномотор», представленный императору и публике в 1896 году на Всероссийской промышленно-художественной выставке инженерами-конструкторами Евгением Яковлевым и Петром Фрезе, большого интереса не вызвал. Интересно, что идея построить совместными усилиями безлошадный экипаж пришла к ним после посещения Всемирной торгово-промышленной выставки 1893 года в Чикаго. Фрезе к тому моменту был владельцем экипажной фабрики, а Яковлев — машиностроительного, чугунного и меднолитейного завода. На этой же выставке присутствовал и Готлиб Даймлер, однако по мнению исследователей прообразом российского «бензомотора» послужил автомобиль его соперника, Карла Бенца: Victoria.

Несмотря на дальнейшие конструкторские успехи Фрезе (Яковлев умер в 1898 году) и других русских инженеров, несмотря на мелкосерийное производство Руссо-Балтов и автомобилей Ивана Пузырева, сколько-нибудь массовый (да и тот — грузовой) автомобиль в народном хозяйстве появился только через пару десятилетий, уже после Гражданской войны и становления власти большевиков. Впрочем, и тогда отечественный автопром в основном базировался на готовых иностранных моделях и технических решениях, поэтому историю развития инженерной мысли мы можем отследить в большей степени по зарубежным автомобилям. Как мы помним, история сослагательного наклонения не терпит…

«Самым многообещающим типом автомобиля в будущем можно считать электрический, но пока он ещё недостаточно усовершенствован. Электрические двигатели не дают ни шума, ни копоти, они, бесспорно, удобнее и совершеннее всех других, но автомобиль должен везти свой источник энергии: аккумуляторную батарею, которая пока ещё слишком тяжела и непрочна»

Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона

Да, именно так. В конце XVII века большие надежды возлагали на паровой двигатель, а через столетие ему на смену пришел двигатель электрический. На рубеже XX века именно электромобиль был практичным, качественным и надежным транспортным средством для города. Недостаток аккумулятора, проблема, которой до сих пор нет надежного решения — значительный вес вкупе с недостаточной емкостью — тогда еще не был настолько критичным, как сейчас: ни в США, ни в Европе, ни в Российской империи, да нигде в мире еще не существовало развитой сети ровных и удобных дорог, хотя в крупных городах Америки уже была инфраструктура зарядных станций. При том, что бензин в то время продавался в аптеках или керосиновых лавках, а, например, первая американская АЗС появилась только в 1907 году в Сиэтле.

Для дальних путешествий больше подходил конный экипаж, а лучше — железнодорожный транспорт, да и в городах гужевого или парового транспорта было предостаточно.
И все же именно в городе тихий безлошадный, предельно простой в эксплуатации и, что немаловажно, безотходный электромобиль заслуженно пользовался спросом и популярностью. Минимальное обслуживание при среднем запасе хода 50 км — что еще нужно городскому жителю? Электромобили Baker Electrics, Rausch&Langs, Detroit Electrics годами не требовали ремонта силовой части.

Своей простотой они особенно привлекали женщин. Посмотрите видеоролик: там показан процесс управления. Пара рычагов, педаль и несколько кнопок. Освоится даже ребенок. Впрочем, покупатели с толстыми чековыми книжками не гнушались электромобилем независимо от пола.

Но города росли и развивались, формировался спрос на более емкие аккумуляторы, которые позволили бы увеличить запас хода электромобиля. И с 1900 года мистер Электричество Томас Эдисон полностью погружается в разработку «100-мильного» аккумулятора. Через четыре года Edison Electric Illuminating Company предлагает рынку железоникелевую батарею, и в самом деле двукратно превосходящую по емкости свинцовые аналоги. Но уже в 1905 батарею приходится отзывать: значительный саморазряд при хранении, отказы из-за окисления контактов, резкое падение емкости при низких температурах. Усовершенствованная версия щелочной батареи была представлена в 1909 году. Однако от коммерческого провала это ее уже не спасло: при всех недостатках обычная свинцово-кислотная Exide стоила почти в 4 раза дешевле.

Впрочем, были и другие причины. Здесь надо вспомнить о старинном друге Эдисона. Да, это мистер Автомобиль Генри Форд. 1903 год: появляется Ford Motor Company, а в 1908 — первый Model T. Позже «Жестяная Лиззи» разойдется по миру тиражом более 15 миллионов экземпляров. Именно Форд сделал автомобиль доступным средством передвижения.

В конце XIX века бензин в основном применяли как антисептик, чистящее средство или топливо для примусов: основным продуктом перегонки нефти был керосин. Собственно о бензине к этому времени знали уже несколько десятилетий (официальным первооткрывателем признан физик Майкл Фарадей, синтезировавший из нефти в 1824–1825 году легко воспламеняющееся углеводородное соединение), да и двигатель внутреннего сгорания, пусть поначалу и работавший не на бензине, новинкой не был.

Но только в 1885 году Даймлер совместно с Вильгельмом Майбахом усовершенствовали его конструкцию настолько, что бензиновый ДВС можно было без затруднений использовать на транспорте. Ранние версии таких двигателей ввиду несовершенства конструкции работали недолго и обычно в лабораторных условиях, плюс зачастую были маломощными, но при этом довольно громоздкими. Попросту — стационарными, а не транспортными. Примечательно, что русский изобретатель Огнеслав Костович построил бензиновый карбюраторный двигатель в 1884 году, то есть за год до Даймлера и Майбаха, однако подал заявку на изобретение только через четыре года, а патент получил и вовсе в 1892 году. Так или иначе, миру был представлен легкий, сравнительно мощный и надежный двигатель внутреннего сгорания на бензине.

Однако на конец XIX — начало XX века пришелся пик расцвета электротранспорта: такси, личные электромобили, грузовики. На рубеже веков в структуре автопарка США примерно по 40 процентов приходилось на паровые и электромобили, а на бензиновые — чуть больше 20 процентов. Поэтому с 1912 по 1914 годы Форд и Эдисон вели совместную работу по созданию электромобиля с запасом хода до 100 миль и ценой 600–750 долларов. Эдисон вообще искренне считал, что за электричеством будущее.

С учетом опыта полутора столетий: так ли он был не прав? Разве что Эдисон возлагал надежды на постоянный ток, тогда как его конкурент Джордж Вестингауз на основе достижений и патентов гениального Николы Теслы отстаивал технические преимущества переменного тока. Их противостоянию, длившемуся в течение десяти лет, дали название «война токов» (Battle of the currents), а в 2017 году вышел фильм с одноименным названием. Я ведь вам говорил в самом начале поста, что эта история будет местами очень даже драматичной и захватывающей? 110 вольт в американских розетках — это заслуга Эдисона. К сожалению, сбыться планам Форда и Эдисона было не суждено.

1847 год. Возле Баку, на территории современного Азербайджана, а тогда Российской империи, промышленным способом начинают добывать нефть. В 1859 году Эдвин Дрейк успешно пробурил первую американскую скважину, а в 1887 году были открыты крупные залежи нефти в Техасе. Так начался нефтяной век. Буквально через несколько лет благодаря достижениям Бенца, Даймлера и Майбаха на одном континенте, и Форда — на другом, появляется спрос на бензин как топливо и из побочного продукта добычи нефти он становится основным. А увеличение спроса неизбежно привело к снижению цены на бензин.

На рубеже веков скорость и запас хода у электрических и бензиновых автомобилей были примерно одинаковые. С начала XX века в США постепенно увеличивается сеть дорог, появляются трансамериканские хайвэи, бензоколонки Standard Oil Company появляются в любой глуши. И если типичные характеристики электромобиля остаются прежними и уже недостаточны для длительных поездок, то автомобиль с ДВС стремительно совершенствуется: к 20-м годам скорость и запас хода удвоились.

«Золотая эпоха» электротранспорта подходит к концу, компании-производители электромобилей разоряются, объединяются или переориентируют производство на другую продукцию. Несмотря на попытки использования электрического транспорта в служебных целях (почтовые, развозные или внутризаводские), ближе к 1930 году серийное производство «электричек» прекращается почти на целый век. Электричество не выдержало конкуренции с дешевым бензином. Впрочем, отдельные историки вроде Деборы Кларк считают, что всему виной маркетинг по половому признаку.

В самом деле, каждая ли женщина захочет возиться с капризным и сложным бензиновым двигателем, а также запутанной системой управления трансмиссией, когда есть прекрасная альтернатива — тихий, комфортный, надежный и простой в управлении электромобиль? Но оставим этот вопрос за рамками поста. Что там с амперметром? Ну, амперметр с вольтметром со временем стали неизменными атрибутами электрического транспорта: как контролировать состояние батареи и процесс заряда без этих приборов?

Но зачем амперметр бензиновому двигателю? Увлекаясь наукой ближе к концу XIX века, я бы тоже задался этим вопросом.
Дело в том, что электричество для ранних двигателей внутреннего сгорания, где смесь воспламенялась от искры, вряд ли получали различными способами: самый простой из них на тот момент — применение химических источников тока.

Итальянец Алессандро Вольта в 1800 году собирает элемент, впоследствии названный его именем. Элемент Вольта и батарея элементов — «вольтов столб» долгие десятилетия были единственным химическим источником тока, совершенствовали только их конструкцию. В 1859 году французский химик Гастон Плантэ изобретает свинцово-кислотный элемент, ставший привычным нам автомобильным аккумулятором: в бензиновом ли автомобиле, дизельном или электрическом. В чем принципиальная разница между двумя элементами? Вольта реализовал первичный источник тока, то есть гальванический элемент. Его основной недостаток — необратимые физико-химические процессы, то есть такой элемент нельзя перезаряжать. А Плантэ собрал вторичный источник тока, перезаряжаемый. Это именно аккумулятор.

В середине XIX века французский изобретатель Этьен Ленуар, работая на гальваническом заводе, пришел к мысли, что топливо-воздушную смесь можно воспламенять электрической искрой. В его двигателе источниками тока были два гальванических элемента Бунзена (хром-цинковых химических источника тока, славу создания которых — привет, авторские права — делят три химика: Уильям Грове, собственно Роберт Бунзен и Иоганн Поггендорф). А для получения искры Ленуар использовал индукционную катушку Румкорфа.

В качестве прерывателя использовался скользящий контакт. Он двигался вдоль станины, жестко соединенный с шатуном, и замыкал контакты в двух конечных положениях коленвала. Почему в двух? Ну, вы наверное знаете, что у поршня в двигателе Ленуара были две рабочие стороны по аналогии с паровыми двигателями? То есть это была машина двойного действия: в свое время подобным способом добились примерно двукратного роста мощности паровых машин вкупе с уменьшением их веса и габаритов. Однако «зуммерная» система зажигания была ненадежной и при достижении коленвалом частоты вращения 100 оборотов в минуту работала с перебоями. Ленуар тем временем разбогател на успешной продаже своих двигателей, а деньги обычно плохо соседствуют с духом новаторства, поэтому от дальнейшей модернизации он отказался.

Примечательно, что Николаус Отто, приняв эстафету, переосмыслив двигатель Ленуара и добившись увеличения КПД, не имел при этом достаточных знаний электротехники, поэтому поджиг смеси осуществлял открытым пламенем с помощью горелки в запальной камере. Впрочем, это не помешало ему работать над совершенствованием конструкции дальше и запатентовать в 1877 году четырехтактный ДВС. Правда в 1889 году патент был аннулирован: оказалось, что француз Альфонс Бо де Роша опубликовал теоретические принципы работы четырехтактного двигателя на 16 лет раньше Отто. Заслуги Отто в дальнейшем все же признали и рабочий цикл назвали его именем. Но рабочим телом в двигателях Ленуара и Отто был газ.

А в 1883 году Даймлер создает калильный бензиновый двигатель, то есть двигатель именно на жидком топливе. Для его работы больше не нужен газогенератор или баллон со сжатым газом. И если первый двигатель Даймлера мог работать на газе или жидком топливе, то поздние версии были уже исключительно бензиновыми и специфически транспортными: компактными, оборотистыми, экономичными и с высокой удельной мощностью.

Чуть ранее, в 1881 году, конструктор посещает Российскую империю: двигателю нужен новый вид легкого нефтяного топлива, а Германии и собственно Даймлеру — потенциальный рынок сбыта двигателей. Успехи российских инженеров и предпринимателей по добыче и переработке нефти, надо полагать, тогда уже были на слуху. Например, в 1877 году химик Александр Летний патентует технологию пиролиза нефти, а после 1879 проектирует ряд заводов по ее переработке. Даже Дмитрий Менделеев одним только вопросам нефти и ее переработки посвятил порядка 150 работ!

Ну, и не из Штатов ведь бензин везти. Да, трансконтинентальная перевозка нефти парусными судами существовала с 1861 года. Но первый именно нефтеналивной паровой танкер «Зороастр» был спущен на воду всего лишь за четыре года до визита Даймлера в Россию и перевозил керосин из Баку в Царицын и Астрахань. Лишь в 1886 году на основании российского опыта постройки и эксплуатации нефтеналивных судов в Англии построили танкер «Glückauf», а к 1889 году более полусотни судов такого типа привозили в Европу североамериканскую нефть. В общем, бензин в необходимых объемах Даймлеру тогда было проще покупать в Российской империи. Похожим путем двигался и его конкурент Карл Бенц. Позже Даймлер и Бенц продали свои патенты французам. Так появился французский автопром, и он тоже оставил заметный след в истории.

В конце 70-х Бенц патентует двухтактный бензиновый двигатель, а позднее и другие новшества. Как собственные, так и других изобретателей, но на свое имя: патент дается на определенный срок. Так, 31 декабря 1878 года истекает срок патента Отто на четырехтактный двигатель, и в этот же день его на себя патентует Бенц.

Первый автомобиль Бенца (1885) был оснащен бунзеновскими элементами и катушкой Румкорфа, аналогичное зажигание применял, как мы помним, еще Ленуар. Недавно изобретенный кислотный аккумулятор на тот момент был слишком громоздким для легкого автомобиля с «велосипедными» колесами, основным его применением были электромобили. Двигатель с зажиганием от калильной трубки уже тогда общепризнанно считался огнеопасным и ненадежным, поэтому Бенц в начале изысканий пробовал применить свечи зажигания, но не сумел подобрать подходящие материалы для изолятора и электрода и на время оставил затею. Однако на его первом автомобиле уже присутствуют и свеча зажигания с прерывателем, и карбюратор, и коробка передач со сцеплением. Само собой, все подкреплено патентами: работая над устройством автомобиля, Бенц проявил себя и как предприниматель, то есть создавал именно коммерческий продукт.

Однако обороты двигателей постепенно росли, требовалась принципиально иная система зажигания с достаточным быстродействием и надежной искрой. Как решали проблему зажигания двигателей в конце XIX века?

Об этом я расскажу в следующей части.