Важную роль в двигателе играла система распределения, наполняющая цилиндры горючей смесью и очищающая их от газов. У первых двигателей впуск смеси в цилиндр осуществлялся автоматическим клапаном на стержне. Он открывался благодаря разрежению в цилиндре при впуске смеси, а все остальное время удерживался в закрытом положении пружиной и давлением в цилиндре. Выпускной клапан управлялся при помощи эксцентрика. Увеличение числа цилиндров привело к созданию кулачкового вала с приводом от коленчатого вала. В нужный момент кулачки приподнимали стержни клапанов, а при дальнейшем движении кулачка пружина удерживала клапан закрытым.
Хотя автомобильный двигатель можно охлаждать и потоком встречного воздуха, более эффективным оказалось водяное охлаждение. Долгое время были популярны змеевиковые радиаторы, часто опоясывавшие капот двигателя. В 1901 г. на «мерседесе» впервые был установлен сотовый радиатор с большой поверхностью охлаждения. В конце XIX в. появились водяные насосы, вращавшиеся от коленвала. Для продувки воздуха через радиатор применили радиатор.
Смазка двигателя осуществлялась при помощи разбрызгивания. Черпачки на нижних головках шатунов взбалтывали масло в картере и смазывали им цилиндры и подшипники.
Для распыления бензина применялись хитроумные приспособления, такие как карбюратор Маркуса. Его работа напоминала процесс стряхивания краски со щетки. А во взбалтывающем карбюраторе Бенца воздух проходил через бензин в баке. По мере расходования бензина смесь становилась беднее.
В конце концов остановились на карбюраторе, работавшем по принципу пульверизатора. Пульверизационный карбюратор Бенца и Майбаха состоял из поплавковой и смесительной камер. В поплавковой камере автоматически поддерживался постоянный уровнень топлива. Благодаря разрежению бензин выходил из жиклера смесительной камеры распыленной струей. Схожая конструкция применяется и до сих пор.
Большие сложности были с зажиганием. На первом автомобиле Бенца были установлено ленуаровское зажигание, и он работал на ровной дороге в сухую погоду с запасом сухих элементов. Динамо-машина при малых оборотах не работала, поэтому для запуска двигателя было необходимо сильно раскрутить вал или разогнать автомобиль. Кислотный аккумулятор был тяжелым, заряд был малым.
До конца XIX в. на «Даймлерах» устанавливались платиновые калильные трубки, несмотря на их дороговизну и пожароопасность. Позже Даймлер применил на своих автомобилях магнитоэлектрическую машину инженера Боша. Она вырабатывала ток благодаря движению якоря в электрическом поле между полюсами магнита. В момент наибольшей силы тока электрическую цепь разрывала тяга, соединенная с якорем. Разрыв происходил в камере сгорания, вызывая искру, воспламенявшую смесь. Машину Боша назвали «магнето высокого напряжения».
Пуск двигателя имел не меньшее значение, чем зажигание. Вращая рукоятку, нужно было преодолевать давление в цилиндрах двигателя. Обратные удары рукоятки травмировали руки водителей. Конструкторы принимали меры к тому, чтобы заменить рукоятку более удобным устройством. Простым и надежным оказался электромотор с шестеренкой, сцепляемой в нужный момент с зубчатым венцом на маховике двигателя. Маховик начинал вращаться и запускал двигатель. Стартер изобрел американский конструктор Ч. Кеттеринг.
Особую роль в развитии двигателей внутреннего сгорания сыграл немецкий инженер Рудольф Дизель. В 1892 г. он получил патент на двигатель нового типа, общие принципы работы которого изложил в брошюре «Теория и конструкция рационального теплового двигателя», вышедшей в 1893 году.
Предложение Дизеля сводилось к осуществлению в полости двигателя высокого сжатия воздуха с целью повышения его температуры выше температуры воспламенения горючего. Поданное в полость двигателя в конце хода сжатия горючее воспламенялось от нагретого воздуха и нагнетаемое постепенно, осуществляло процесс подвода тепла без изменения температуры в соответствии с циклом Карно. Произведя тепловой расчет своего двигателя мощностью 100 л. с., Дизель получил в конце сжатия температуру 1 073 °C, давление 250 атм и КПД, равный 0,73.
Предлагая свой рациональный двигатель, Дизель считал, что широкое распространение его «будет противодействовать развитию централей», что мелкая промышленность будет размещаться вне больших городов, не будет «…централизованной в городах без света, без воздуха и без достаточного пространства…». Работа Дизеля получила широкий отклик среди ученых-теплотехников. Многие отрицательно высказывались об идее Дизеля. Но наряду с отрицательными отзывами имелось и восторженные, принадлежавших весьма авторитетным ученым, среди которых были К. Линде, Г. А. Цейнер и М. Шредер.
Положительные отзывы о работе Дизеля помогли ему заинтересовать два крупных предприятия: фирму Круппа и Общество аугсбургских машиностроительных заводов. В 1893 г. были подписаны договоры, по которым фирма Круппа брала на себя финансирование разработки нового двигателя; Аугсбургский завод предоставлял помещение и оборудование в одном из своих цехов.
Первый двигатель, отличавшийся рядом необычных свойств, был готов летом 1893 г. Он должен был работать на угольной пыли, вводимой в полость двигателя насосом в конце хода сжатия, когда давление в полости достигало 90 атм, а температура – 800 °C. Охлаждение двигателя отсутствовало, так как предполагалось, что горение не вызовет большого повышения температуры, а эффективность цикла будет настолько велика, что лишнее тепло будет успешно эвакуироваться из полости двигателя с выхлопными газами. Двигатель был запущен от трансмиссии и взорвался, чуть не покалечив изобретателя. В этом же месяце был готов второй двигатель. Дизель, учтя неудачу с первым опытным образцом, отказался от угольной пыли и применил водяное охлаждение. В этом двигателе удавалось получить лишь одну вспышки при впрыскивании бензина. В августе испытанию подвергся третий опытный двигатель, который уже делал несколько оборотов на холостом ходу. Испытания показали несовпадение результатов с предварительными расчетами Дизеля.
Дизель с исключительным остроумием вышел из казалось бы безвыходного положения. В ноябре 1893 г. он получил новый патент (являющийся дополнением к основному патенту), который предусматривал метод регулирования мощности двигателя «…путем видоизменения характера кривой процесса сгорания…». При этом, несмотря на снижение давления в конце сжатия с 90 до 35–40 атм, в связи с чем температура в конце сжатия достигала величины 600 °C вместо 900 °C, в конце сгорания температура повышалась до 1500 °C. Это потребовало интенсивного охлаждения стенок цилиндра.
Упорные работы над усовершенствованием нового двигателя продолжались. Двигатель 1894 г. работал только на холостом ходу. Двигатель 1895 г. с распыливанием керосина от компрессора и хорошим водяным охлаждением был первым опытным двигателем, способным работать с небольшой нагрузкой. Только в 1896 г. испытание нового опытного образца принесло успех. Но в этом образце двигателя был сделан ряд отступлений от принципов, изложенных в брошюре Дизеля в 1893 г.: вместо угольной пыли – керосин, вместо насоса – компрессор, сжатие вместо 35 атм – 90 атм, вместо полного отсутствия охлаждения – интенсивное водяное охлаждение. Испытание опытного образца 1896 г. было проведено в начале 1897 г. М. Шредером и показало, что КПД двигателя не достиг расчетной величины: индикаторный КПД оказался равным 33,4 %, что при сравнительно низком механическом КПД (75,0 %) давало экономический КПД 25,0 %.
В то время КПД лучших газовых двигателей достигали 24,0 %, но они были связаны с источником газа (газогенератор, домна) и не могли работать на транспортных установках. КПД калоризаторных двигателей низкого сжатия не превышал 16,0 %.
После демонстрации на Парижской выставке 1900 г. двигателя Дизеля, усовершенствованного Аугсбургским заводом и получившего впоследствии название «дизель», ряд заводов приступили к «дизелестроению». Вначале дизели получили распространение в силовых установках небольших заводов и фабрик, но тенденция капиталистической концентрации стала предъявлять требования к повышению их мощности. Завод Зульцера, сконструировав двухтактный двигатель в первом десятилетии XX в., довел его мощность до 2400 л. с. Кроме Германии, дизели стали строить в Англии, Дании, Австро-Венгрии.
Сам Дизель вынужден был до конца своей жизни (1913 г.) защищать свои патентные права в ряде стран, так как горение при постоянном давлении (правда, без высокого сжатия), к которому он постепенно пришел, было запатентовано рядом авторов в разных странах.
У дизеля есть существенные преимущества по сравнению с карбюраторным двигателем: он не нуждается в электрическом зажигании, может работать на более тяжелом и дешевом топливе. Расход топлива в дизеле в 1,5 раза меньше, чем у карбюраторного двигателя. Экономия достигается за счет более высокой степени сжатия.
