К концу XVIII века Исаак де Риваз, франко-швейцарский офицер-артиллерист и изобретатель, разработал несколько успешных повозок с паровым двигателем — «charettes», как он называл их по-французски. Его армейский опыт привел его к мысли использовать для приведения в движение поршня не пар, а заряд взрывчатки. В 1804 году он начал экспериментировать со взрывами, создаваемыми внутри цилиндра с поршнем. В своих первых проектах он разрабатывал стационарный двигатель для питания насоса.

Двигатель приводился в действие газовой смесью водорода и кислорода, которая, воспламенялись, вызывала взрыв внутри цилиндра и выталкивала поршень. Газовая смесь воспламенялась от электрической искры, создаваемой между двумя проводами, это было прообразом современной свечи зажигания. В 1806 году он применил эту конструкцию к тому, что можно назвать первым в мире автомобилем с двигателем внутреннего сгорания, так же известной как повозка де Риваза. У двигателя не было системы газораспределения и системы циклической подачи топлива, смесь водорода и воздуха, а также их поджёг и отвод продуктов сгорания приходилось осуществлять вручную с помощью вентилей, после чего энергия, получаемая от взрыва, переходила в потенциальную энергию некоего механического аккумулятора и расходовалась на вращение колёс. Движение такой телеги было прерывистым и единственное её достижение было в том, что она могла ехать таким образом, но это было только начало становления ДВС. Достижение де Риваза было в том, что он показал, что такой механизм извлечения энергии из топлива внутри камеры сгорания и превращение её в работу по перемещению транспортного средства возможен.

30 января 1807 года Исаак де Риваз получил патент № 731 в Париже. Патент в патентном ведомстве кантона Вале (ныне Швейцария) также датируется 1807 годом.

Исторически первый серийно выпускавшийся двигатель внутреннего сгорания, запатентованный 24 января 1860 г. бельгийским изобретателем Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром.

На конструкцию одноцилиндрового двухтактного газового двигателя заметное влияние оказали технические решения, ранее использованные в паровой машине Уатта: поршень двойного действия (оппозитный), золотниковый механизм, управляющий подачей рабочего тела в цилиндр и удалением отработанного. Только рабочим веществом является не пар, а продукты сгорания смеси воздуха и светильного газа, вырабатываемого газогенератором.

Рабочий процесс двигателя Ленуара можно рассмотреть, начиная с движения поршня из одного из крайних положений. При этом золотники установлены в позицию, при которой в рабочую (расширяющуюся) полость цилиндра поступает воздух и светильный газ, а из другой полости поршнем вытесняются продукты сгорания, образовавшиеся в предшествующем такте. На этой стадии цикла движение механизма происходит за счёт инерции маховика. Когда объём рабочей полости достигнет некоторой величины, определяемой кинематикой механизма, золотник перекрывает подачу топливной смеси, и на свечу зажигания подаётся высоковольтный электрический разряд, топливная смесь воспламеняется и сгорает прежде, чем поршень успевает значительно продвинуться, то есть практически при постоянном объёме. При этом давление и температура газа в рабочей полости многократно увеличиваются, он расширяется и совершает работу, двигая поршень до крайнего положения, противоположного начальному, при этом золотник перемещается в позицию выпуска отработанного газа. После прохождения мёртвой точки (за счёт инерции маховика) процесс повторяется при обратном ходе поршня.

Газовый двигатель был менее громоздким и тяжёлым в сравнении с паровыми, проще в управлении, при запуске не требовал длительной подготовки (разогрева котла), а в стационарном режиме работал полностью автоматически, тогда как для работы паровой машины требовалось постоянное участие кочегара. Ввиду этих преимуществ газовый мотор Ленуара сразу привлёк к себе внимание потребителей.

Этих двигателей было выпущено свыше 300 единиц (по некоторым источникам — до 500) несколькими французскими фирмами, на которых Ленуар размещал заказы на изготовление. Они использовались как стационарные, судовые, как приводы локомотивов и дорожных экипажей. Но после появления в продаже четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания конструкции Николауса Отто (принцип действия которого широко используется и сегодня), двигатель Ленуара быстро потерял свои позиции на рынке и, в конце концов, был полностью вытеснен двигателем Отто.

В 1876 году Николаус Август Отто построил более совершенный четырёхтактный газовый двигатель внутреннего сгорания.

На первый взгляд, двигатель Отто представлял собой шаг назад по сравнению с двигателем Ленуара. Цилиндр был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Вдоль оси поршня к нему была прикреплена рейка, связанная с валом. Двигатель работал следующим образом. Вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разрежённое пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым запальным пламенем через трубку. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объём газа увеличивался и давление падало. При подъёме поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разрежение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15 %, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени.

Поскольку двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч. Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции. Вскоре зубчатую рейку заменила кривошипно-шатунная передача. Но самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто получил патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей. В следующем году новые двигатели уже были запущены в производство.

Данные двигатели применялись только в стационарном виде.

Главным недостатком двигателя Отто было то, что он так же оставался газовым, что означало большой вес агрегата из-за наличия газогенератора. Данную проблему решили устранить Готтлиб Даймлер и Вильгельм Майбах, попробовав перевести двигатель на лёгкую нефть (в дальнейшем бензин). В 1883 году был создан первый калильный бензиновый двигатель с зажиганием от раскалённой трубочки, вставляемой в цилиндр. Первая модель бензинового двигателя предназначалась для промышленной стационарной установки.

Процесс испарения жидкого топлива в первых бензиновых двигателях оставлял желать лучшего. Поэтому настоящую революцию в двигателестроении произвело изобретение карбюратора. Создателем его считается венгерский инженер Донат Банки. В 1883 году он получил патент на карбюратор с жиклёром, который был прообразом всех современных карбюраторов. В отличие от своих предшественников, Банки предлагал не испарять бензин, а мелко распылять его в воздухе. Это обеспечивало его равномерное распределение по цилиндру, а само испарение происходило уже в цилиндре под действием тепла сжатия. Для обеспечения распыления всасывание бензина происходило потоком воздуха через дозирующий жиклёр, а постоянство состава смеси достигалось за счёт поддержания постоянного уровня бензина в карбюраторе. Жиклёр выполнялся в виде одного или нескольких отверстий в трубке, располагавшейся перпендикулярно потоку воздуха. Для поддержания напора был предусмотрен маленький бачок с поплавком, который поддерживал уровень на заданной высоте, так что количество всасываемого бензина было пропорционально количеству поступающего воздуха.

Первые двигатели внутреннего сгорания были одноцилиндровыми, и, для того, чтобы увеличить мощность двигателя, обычно увеличивали объём цилиндра. Потом этого стали добиваться увеличением числа цилиндров. В конце XIX века появились двухцилиндровые двигатели, а с начала XX столетия стали распространяться четырёхцилиндровые.

В 1885 году немецкие инженеры Готтлиб Даймлер и Вильгельм Майбах разработали лёгкий бензиновый карбюраторный двигатель. Даймлер и Майбах использовали его для создания первого мотоцикла в 1885, а в 1886 году — на первом автомобиле.

Основной проблемой в создании ДВС всегда была организация поджога топливной смеси. В 1890 году Рудольф Дизель предложил свою систему ДВС, в которой смесь воспламенялась не от поджёга за счёт горячего элемента, а за счёт увеличения температуры от интенсивного сжатия. Рудоль получил патент на свой двигатель 23 февраля 1892 года (в США в 1895 году), в 1893 году выпустил брошюру. Ещё несколько вариантов конструкции были им запатентованы позднее. После нескольких неудач первый практически применимый образец, названный дизель-мотором, был построен Дизелем к началу 1897 года, и 28 января того же года он был успешно испытан. Дизель активно занялся продажей лицензий на новый двигатель. Несмотря на высокий КПД и удобство эксплуатации по сравнению с паровой машиной, практическое применение такого двигателя было ограниченным: он был больше и тяжелее паровых машин того времени.

Первые двигатели Дизеля работали на растительных маслах или лёгких нефтепродуктах. Интересно, что первоначально в качестве идеального топлива он предлагал каменноугольную пыль — Германия при больших запасах угля не имела нефти. Однако эксперименты показали невозможность использования угольной пыли в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания, прежде всего из-за высоких абразивных свойств как самой пыли, так и золы, получающейся при сгорании; также возникали большие проблемы с подачей пыли в цилиндры.

Независимо от Дизеля в 1898 году на Путиловском заводе в Петербурге инженером Густавом Тринклером был построен первый в мире «бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления», то есть дизельный двигатель в его современном виде с форкамерой, который назвали «Тринклер-мотором». При сопоставлении двигателей постройки «Дизель-мотора» и «Тринклер-мотора» русская конструкция, появившаяся на полтора года позднее немецкой и испытанная на год позднее, оказалась гораздо более совершенной и перспективной. Использование гидравлической системы для нагнетания и впрыска топлива позволило отказаться от отдельного воздушного компрессора и сделало возможным увеличение скорости вращения. «Тринклер-моторы» не имели воздушного компрессора, а подвод тепла в них был более постепенным и растянутым по времени по сравнению с двигателем Дизеля. Российская конструкция оказалась проще, надёжнее и перспективнее немецкой. Однако под давлением Нобелей и других обладателей лицензий Дизеля работы над двигателем в 1902 году были прекращены.

В 1898 году Эммануил Нобель приобрёл лицензию на двигатель внутреннего сгорания Рудольфа Дизеля. Двигатель приспособили для работы на нефти, а не на керосине. В 1899 году Механический завод «Людвиг Нобель» в Петербурге развернул массовое производство дизельных двигателей. В 1900 году на Всемирной выставке в Париже дизельный двигатель получил Гран-при, чему способствовало известие, что завод Нобеля в Петербурге наладил выпуск двигателей, работавших на сырой нефти. Этот двигатель получил в Европе название «русский дизель». Выдающийся русский инженер Аршаулов впервые построил и внедрил топливный насос высокого давления оригинальной конструкции — с приводом от сжимаемого в цилиндре воздуха, работавший с бескомпрессорной форсункой.

В настоящее время для обозначения ДВС с воспламенением от сжатия используется термин «двигатель Дизеля», «дизельный двигатель» или просто «дизель», так как теория Рудольфа Дизеля стала основой для создания современных двигателей этого типа. В дальнейшем около 20—30 лет такие двигатели широко применялись в стационарных механизмах и силовых установках морских судов, однако существовавшие тогда системы впрыска топлива с воздушными компрессорами не позволяли применять дизельные двигатели в высокооборотных агрегатах. Небольшая скорость вращения, значительный вес воздушного компрессора, необходимого для работы системы впрыска топлива сделали невозможным применение первых дизельных двигателей на автотранспорте.

Изобретатели первых ДВС понимали, каким образом можно повысить мощность их тепловых машин. Один из самых простых способов – увеличение числа сгораемого топлива, но чем больше топлива необходимо сжечь, тем больше воздуха (кислорода) потребуется, потому попытки создания наддува двигателя (системы подачи сжатого воздуха в камеру сгорания) были в самых первых ДВС. Ещё Готлиб Даймлер в 1885 году получил патент на применение системы наддува для собственного двигателя, однако первая попытка не показала итогового выигрыша в КПД, хоть и показала возможность увеличения мощности данным путём.

Дальнейшая история «восхождения» систем наддува в ДВС растянулась на весь ХХ век. Первым серийным автомобилем с бензиновым двигателем (с принудительным зажиганием) стал гоночный автомобиль «Мерседес 10/40» (1923 г.), на котором наддув поднял мощность двигателя с 40 л.с. до 65.

Системы наддува имеют отдельную сложную историю технического развития и применения на всех типах ДВС, с этой историей лучше ознакомиться в отдельной подробной статье: https://cyberleninka.ru/article/n/istoriya-izobreteniya-i-razvitiya-agregatov-nadduva-dvigateley-vnutrennego-sgoraniya/viewer

Ford Model T — автомобиль, выпускавшийся Ford Motor Company с 1908 по 1927 годы. Был первым в мире автомобилем, выпускавшимся миллионными сериями. Генри Форд, по мнению многих, «посадил Америку на колёса», сделав новый легковой автомобиль сравнительно доступным для американца среднего класса. Это стало возможным благодаря таким нововведениям, как применение конвейера вместо индивидуальной ручной сборки и разумного, не в ущерб качеству, упрощения конструкции автомобиля, что позволило снизить себестоимость. Первый экземпляр ModelT построен 27 сентября 1908 года на заводе Пикетт в Детройте, штат Мичиган.

Вопреки сложившемуся мнению, конструкция Model T, будучи великолепно адаптированной для технологий массового производства своего времени, при этом не была ни упрощённой, ни как-либо ухудшенной по сравнению с другими автомобилями тех лет — её особенности, сегодня кажущиеся «упрощенческими», вроде термосифонной системы охлаждения без водяного насоса или смазки всех узлов двигателя разбрызгиванием, в те годы были в ходу и на куда более дорогих марках, и даже считались прогрессивными, поскольку развитие автомобильной техники в 1910-х — 1920-х годах во многом шло по пути устранения ненужного, избыточного усложнения конструкции, характерного для предыдущей эпохи.

Двигатель Ford T — четырёхцилиндровый, рабочим объёмом 2893 см³ (177 кубических дюймов). Мощность 20 л. с. (15 кВт), максимальная развиваемая скорость автомобиля 64-72 км/час (40-45 миль в час). Блок цилиндров представлял собой цельную отливку из чугуна, головка блока — съёмная. Клапанный механизм — с нижним расположением клапанов. Регулировка клапанного зазора штатно не предусматривалась (в случае серьёзного нарушения работы иногда подпиливали или меняли толкатели).

Система охлаждения — жидкостная термосифонная, без водяного насоса, работала за счёт перепада температур. Смазка всех узлов осуществлялась разбрызгиванием, масляный насос отсутствовал — масло забиралось прямо из картера черпачками на шатунах и разбрызгивалось на подшипники коленчатого и распределительного валов, а к шестерням привода распредвала подавалось под воздействием силы тяжести через трубку, идущую от маховика, также снабжённого черпачками, которые поднимали масло из картера и разбрызгивали его на шестерни коробки передач (двигатель и коробка имели общий масляный картер). Карбюратор — однокамерный, с восходящим потоком. Зажигание — электрическое, от аккумулятора (при пуске двигателя) или магнето.

Это был массовый и наиболее показательный автомобильный двигатель первой половины XX века.

Первые дизельные двигатели не были приспособлены для легкового автотранспорта вплоть до 1936 года. Основными причинами тому были: большая масса дизелей (их корпуса отливали из чугуна), их большая вибрация и шумность (из-за взрывообразного характера сгорания рабочей смеси). Из-за этих недостатков рамы легковых автомобилей не были способны выдерживать подобные двигатели, а шум не позволял и думать о комфортном гражданском транспорте на базе дизельной установки. Но дизельные двигатели в те времена были уверенно превосходили по экономичности, мощности, надёжности и эффективности бензиновые двигатели, они широко использовались в энергетике на тяжёлых машинах (кораблях, тракторах, танках) и в качестве стационарных установок (дизель-генераторы, приводы крупных механизмов). Потому существовал большой соблазн адаптировать дизельные двигатели для применения их в легковом автотранспорте. Первым в мире серийным легковым автомобилем стал Mercedes-Benz 260 D с двигателем 260 D.

Экс­пе­ри­мен­ты с ди­зе­ля­ми для лег­ко­вых ав­то­мо­би­лей штут­гарт­с­кий кон­церн на­чал еще осе­нью 1933-го. Тог­да си­ло­вым аг­ре­га­том объ­­­емом 3818 см3 и мощ­но­с­тью 80 л.с. ос­нас­ти­ли мо­дель Mannheim. Но ви­б­ра­ция мо­то­ра, осо­бен­но на хо­ду, бы­ла на­столь­ко силь­на, что ис­поль­зо­вать ав­то­мо­биль для пе­ре­воз­ки пас­са­жи­ров ока­за­лось не­воз­мож­но. К то­му же по­сле зна­чи­тель­но­го про­бе­га по той же при­чи­не в ра­ме Mannheim об­на­ру­жи­лись тре­щи­ны. Толь­ко по­сле на­пря­жен­ных ис­сле­до­ва­ний и прак­ти­че­с­ких ис­пы­та­ний уда­лось со­здать мо­тор мень­ше­го ли­т­ра­жа и с при­ем­ле­мым уров­нем ви­б­ра­ции при ра­бо­те.

Но­вый Mercedes-Benz с ди­зе­лем ба­зи­ро­вал­ся на шас­си мо­де­ли 200 и по­лу­чил обо­зна­че­ние Mer­cedes-Benz 260D. На нем сто­ял 4-­ци­лин­д­ро­вый ди­зель ра­бо­чим объ­е­мом 2545 см3 (от­сю­да и обо­зна­че­ние 260) c пред­ка­ме­рой, раз­ви­вав­ший 45 л.с. при 3000 об/мин. Дви­га­тель ос­на­с­ти­ли впры­с­ко­вой си­с­те­мой фир­мы Bosch, ко­то­рая к 1935 го­ду уже рас­по­ла­га­ла боль­шим опы­том кон­ст­ру­и­ро­ва­ния впры­с­ко­вых на­со­сов для ди­зе­лей. Ра­бо­тать в этом на­прав­ле­нии ком­па­ния Bosch на­ча­ла еще в 20-е го­ды.

Глав­ным до­сто­ин­ст­вом но­вой мо­де­ли ста­ла эко­но­мич­ность. Сред­ний рас­ход го­рю­че­го у 260D со­ста­вил чуть боль­ше 9 л на 100 км, в то вре­мя как его бен­зи­но­вый ана­лог по­треб­лял при та­ком же про­бе­ге 13 л. Ес­ли учесть, что в 1936 го­ду ди­зель­ное топ­ли­во сто­и­ло в Гер­ма­нии 17 пфен­ни­гов, а бен­зин — бо­лее чем вдвое до­ро­же, то по­нят­но, по­че­му не­мец­кие так­со­пар­ки, счи­тав­шие каж­дый пфен­ниг, по­спе­ши­ли сме­нить бен­зи­но­вую тех­ни­ку на «со­ля­роч­ную». Этот не­ма­ло­важ­ный факт пе­ре­кры­вал да­же то, что ма­шин­ка еле-еле на­би­ра­ла ско­рость 95 км/ч, а на кру­тых подъ­е­мах вы­нуж­да­ла во­ди­те­ля пе­ре­хо­дить на низ­шую пе­ре­да­чу.

Первый серийный четырёхтактный двигатель инжекторного бензинового типа был использован на спортивном автомобиле Mercedes-Benz W198 и наименовался как M198.

Отклонённый от вертикали на 45 градусов рядный 6-цилиндровый (85 × 88 мм диаметр цилиндра и хода поршня соответственно) двигатель М198 (с марта 1962 года — M198-III) рабочим объёмом 2996 см развивал максимальную мощность 215 л. с. при 5800 об/мин (240 л. с. при 6000 об/мин со спортивным распредвалом) и оснащался первой в мире системой непосредственного впрыска топлива для четырёхтактных двигателей (несколькими годами ранее данная технология была применена на моделях с двухтактными двигателями компании Gutbrod) — центральным механическим впрыском работы Ганса Шеренберга (он же работал над данной системой в Gutbrod). Крутящий момент составлял 275 Н·м при 4600 об/мин. Степень сжатия равнялась 8.55:1. Клапаны (по два на цилиндр) приводились в действие с помощью распределительного вала посредством коромысел, движимых дуплексной роликовой цепью. Для обеспечения смазывания применялась система смазки с сухим картером, типичная для спортивных автомобилей.

Первые бензиновые инжекторные двигатели всё ещё не могли показать абсолютное превосходство над карбюраторными системами. Проблема была в том, что данная система подачи топлива могла раскрыть свой потенциал только при наличии управления регулировки подачи топлива через форсунки на различных режимах работы ДВС. Для данной задачи придумывались механические и гидравлические блоки управления, но идеальнее всего на роль управления подходит электроника, которая как раз начала интенсивно развиваться в 60-х годах XX века.

К 1959 году инженер Bosch, доктор Хайнрик Кнапп, разработал проект системы электронного впрыска. Прототип испытывали на корпоративном седане Mercedes-Benz 300, но официально система электронного центрального впрыска Bosch Jetronic (позже D-Jetronic) была представлена на Франкфуртском автосалоне 1967 года.

Это был достаточно работоспособный аналоговый блок управления и под него начали адаптировать различные инжекторные двигатели VolksWagen, BMW, Citroen, Jaguar, Lancia, Mercedes-Benz, Opel, Renault, Saab и Volvo.

После, опираясь на опыт данной системы, была создана система L-Jetronic, которой в нынешнее время пользуются почти все передовые бензиновые двигатели.