Нефть и двигатели внутреннего сгорания

Начальный этап крупномасштабной добычи и использования нефти занял всего несколько десятилетий в конце XIX века. Конечно, углеводороды (сырая нефть и природный газ) были известны тысячелетиями благодаря просачиванию нефти на поверхность и «пылающим столбам», широко распространенным на Ближнем Востоке (особенно в северном Ираке), но обнаруживаемым по всему миру.

Перечень имущества, приложенный к завещанию Джорджа Вашингтона, описывает пылающий источник в долине реки Канова в Западной Виргинии: «Участок, из которого 125 акров составляют половину, был взят генералом Эндрю Льюисом и мной благодаря тому битуминозному источнику, который тот содержит, столь воспламеняемому по природе, что горит он столь же свободно как спирт, и почти столь же сложен для тушения» (Upham 1851, 385).

Но использование углеводородов в древности было ограничено почти исключительно строительными материалами или защитной одеждой. Их сжигание для того, чтобы получить тепло, например, в термах Константинополя во времена поздней Римской империи, было редким (Forbes 1964). Знаменательное исключение – сжигание природного газа в Китае для выпаривания соляного раствора в лишенной выхода к морю провинции Сычуань (Adshead 1992). Этот процесс стал возможным благодаря изобретению в Китае вибрационно-вращательного бурения и осуществлялся по меньшей мере с начала династии Хань (около 200 до н. э.; Needham 1964). Тяжелый железный наконечник, прикрепленный к длинному бамбуковому трубопроводу, закрепленному на бамбуковой вышке, ритмично поднимала команда от 2 до 6 человек с помощью рычага. Самые глубокие из описанных скважин были всего 10 метров во времена династии Хань, но к III веку они достигли 150 м, и в Цинхай в 1835 году – 1 км (Vogel 1993). Природный газ, доставляемый по бамбуковым трубопроводам, использовался для выпаривания рассола в огромных железных сосудах.

Эта китайская практика оставалась изолированной, и эра углеводородов во всем мире началась только через два тысячелетия. В Северной Америке нефть собирали из естественных выходов на поверхность в западной Пенсильвании в конце XVIII века и продавали в качестве лечебного «масла Сенеки», а во Франции нефтеносные пески эксплуатировались с 1745 года в Эльзасе, около Мерквиллер-Пешельбронн, где в 1857 году был построен первый маленький очистительный завод (Walther 2007). Но в доиндустриальном мире было только одно место с долгой историей добычи сырой нефти, Апшеронский полуостров на Каспийском море в современном Азербайджане.

Район Баку с большим количеством нефтяных бассейнов и колодцев был описан в средневековых источниках, в тексте 1593 года упоминается колодец в 35 метров, который был выкопан вручную в Балахани (Mir-Babaev 2004). К 1806 году, когда царская Россия заняла этот регион, на Апшероне находилось множество неглубоких колодцев, из которых собирали более легкую нефть, чтобы затем с помощью дистилляции получить керосин для освещения на месте и для экспорта с помощью верблюдов, в кожаных мешках и в деревянных бочках. Первая в мире коммерческая фабрика по переработке нефти была построена русскими в 1837 году в Балахани, и в 1846-м они же пробили первую (21 м в глубину) нефтяную скважину в Биби-Эйбат и тем самым начали эксплуатацию одного из крупнейших нефтяных полей, которая продолжается до сих пор.

Историки нефтяной промышленности на Западе либо упускают разработку в Баку из вида, либо начинают рассказ с США, с уже упомянутой выше Пенсильвании. Добыча нефти в Америке была мотивирована необходимостью найти заменитель для дорогого китового жира, который получали из ворвани и использовали для освещения (Brantly 1971). Америка имела самый большой в мире китобойный флот – общее число достигло пика в 700 судов около 1846 года – ив начале 1840-х они привозили около 160 тысяч бочек ворвани в порты Новой Англии каждый год (Starbuck 1878; Francis 1990).

Но первую нефтяную скважину в Северной Америке выкопали вручную в Канаде в 1858 году, и сделали это Чарльз Трипп и Джеймс Миллер Уильям около Блэк-Крик в графстве Лэмбтон в юго-западном Онтарио, следствием чего стал первый в мире нефтяной бум и переименование поселка в Ойл-Спрингс[12] (Bott 2004). Первую скважину, которую не выкопали, а пробурили, и которая попала во все истории нефтяной индустрии, организовал Эдвин Дрейк (1819–1880), бывший машинист поездов, нанятый Джорджем Генри Бисселом (1821–1884), основателем Pennsylvania Rock Oil Company (Dickey 1959). Скважина находилась на нефтяных выходах у Ойл-Крик рядом с Тайтусвиллем, Пенсильвания, бурильщики получили нефть с глубины 21 метр 27 августа 1859 года, и эту дату обычно называют началом современной нефтяной эры. Задача была выполнена с помощью перкуссионного бура, приводимого в движение небольшой паровой машиной.

На протяжении 1860-х годов только три страны могли похвастаться новой развивающейся нефтяной промышленностью – США, Канада и Россия. Добыча в Канаде выросла с первым фонтаном в Ойл-Спрингс в 1862 году и с новыми открытиями в окрестностях Петролео в 1865-м, но еще до конца века она снизилась почти до нулевого уровня, так что в число лидеров в производстве нефти страна вернулась лишь после Второй мировой войны с открытием нефтяных полей в Альберте. По контрасту, добыча в США только росла, сначала за счет многочисленных небольших полей в районе Аппалачей (от Нью-Йорка через Пенсильванию в Западную Виргинию), затем, начиная с 1865 года, за счет Калифорнии. Добыча в районе Лос-Анджелеса началась в 1880 году, в Сан-Хоакине в 1891-м (громадные поля Мидуэй-Сансет и Керн-Ривер до сих пор дают нефть) и в Санта-Барбаре после 1890 года (включая первые морские скважины, пробуренные с деревянных пирсов).

Канзас присоединился к числу нефтепроизводящих штатов в 1892 году, Техас (поле Корсикана) в 1894-м, Оклахома в 1897-м. В 1901 году Энтони Френсис Лукас открыл нефтяное поле Спиндлтоп около Бомонта, и нефтяной фонтан дал 100 тысяч баррелей нефти за день 10 января 1901 года (Linsley, Rienstra and Stiles 2002; рис. 5.6). Новорожденная русская нефтяная промышленность получила много инвестиций из-за границы, особенно значимые – от Людвига и Роберта Нобелей, открывших в 1875 году Nobel Brothers Petroleum Company, а также от братьев Ротшильд через их Caspian and Black Sea Oil Industry and Trade Society, основанное в 1883-м. К 1890 году Россия производила больше энергии в нефти, чем в угле, и в 1899-м, до открытия нефти в южном Техасе, она ненадолго стала крупнейшим в мире производителем сырой нефти, давая более 9 Мт/год (Samedov 1988). Большая часть топлива экспортировалась иностранными инвесторами. Добыча в районе Баку начала падать после 1900 года, и к 1913-му угля в стране потреблялось в два раза больше, чем нефти. Другие значимые нефтеносные районы были обнаружены в XIX веке в Румынии, Индонезии (Суматра в 1883 году) и Бирме (производство началось в 1887-м). Мексика вошла в число производителей нефти в 1901 году, в 1908-м последовало первое открытие на Ближнем Востоке: Месджеде-Солейман в Иране. Тринидадская нефть впервые была получена в 1913 году, громадное поле Мене-Гранде в Венесуэле на побережье озера Маракайбо начало давать продукцию в 1914-м.

Рисунок 5.6. Нефтяной фонтан на поле Спиндлтоп около Бомона, Техас, в январе 1901 года (Corbis)

В результате поисков обычно обнаруживали углеводородные поля, содержащие как сырую нефть, так и попутный природный газ, но в первые десятилетия добычи газ редко использовали, поскольку без компрессоров и стальных труб его нельзя было передавать на большие расстояния, и его просто выпускали в воздух. Жидкое топливо, полученное из сырой нефти, обладало высокой плотностью энергии. Бензин, керосин и дизельное топливо можно было перевозить, и эти вещества стали превосходным источником энергии для транспорта, а изобретение и распространение двигателя внутреннего сгорания открыло для них новый громадный рынок.

Добывать сырую нефть начали для того, чтобы обеспечить более удобный источник энергии для освещения, но менее чем через 25 лет в США коммерческая генерация электричества и лампы накаливания (см. следующий раздел) дали лучшую альтернативу. Когда нефтяная индустрия начала расширяться в 1860-х годах, не существовало коммерческих двигателей внутреннего сгорания, способных приводить в движение средства транспорта, но через те же 25 лет два германских инженера создали первый практичный автомобильный двигатель, ставший основой для глобального спроса на новое топливо, который достиг пика более чем через 130 лет.

Развитие двигателя внутреннего сгорания, нового первичного движителя, в котором топливо сгорает внутри цилиндра, происходило очень быстро. Конструкция была усовершенствована за первое поколение его коммерческого использования между 1886 и 1905 годами, после чего она оставалась в основе неизменной (хотя улучшалась во многих отношениях) большую часть XX века (Smil 2005). После нескольких десятилетий неудачных экспериментов и отброшенных вариантов конструкции первый коммерчески успешный двигатель внутреннего сгорания был запатентован в 1860 году Этьеном Ленуаром (1822–1900). Но его двигатель совершенно не подходил для мобильного использования: это была горизонтальная машина двойного действия, которая сжигала несжатую смесь осветительного газа и воздуха, воспламеняемую электрической искрой, и эффективность устройства составляла всего 4 % (Smil 2005).

В 1862 году Альфонс Бо де Роша (1815–1893) создал концепцию четырехтактного двигателя, но понадобилось еще 15 лет, прежде чем Николаус Август Отто (1832–1891) запатентовал такую машину (в 1877 году), и впоследствии продал почти 50 тысяч единиц (средняя мощность 6 кВт с коэффициентом сжатия всего 2,6) маленьким мастерским, которые не могли себе позволить паровой двигатель (Clerk 1909). Эта медленная машина, работавшая на угольном газе, не могла служить первичным движителем в транспорте. Способный выполнить эту задачу механизм создали Готтлиб Даймлер (1834–1900), бывший работник компании Отто, и Вильгельм Майбах (1846–1929), чтобы сжигать бензин в своей мастерской в Штутгарте (Walz and Niemann 1997). Бензин имеет энергетическую плотность 33 МДж/л (примерно в 1600 раз больше, чем газ, который использовал Отто), и низкую точку возгорания (примерно 40 °C), что облегчает старт.

Даймлер и Майбах собрали первый прототип в 1883 году, а в ноябре 1885-го они использовали двигатель с воздушным охлаждением, чтобы сдвинуть с места первый в мире мотоцикл. В марте 1886 года их более крупная (0,462 л, 820 Вт, 600 оборотов в минуту) конструкция с водяным охлаждением была установлена на экипаже с деревянными колесами (Walz and Niemann 1997). В то же самое время работавший в Манхейме Карл-Фридрих Бенц (1844–1929) спроектировал свой первый двухтактный бензиновый двигатель в 1883 году и (после того, как истек патент Отто) четырехтактный двигатель, который запатентовал в январе 1886-го. Бенц установил механизм в 500 Вт, 250 оборотов в минуту на трехколесном шасси и предъявил устройство публике 3 июля 1886 года. Комбинация революционного двигателя Даймлера, электрического зажигания Бенца и поплавкового карбюратора Вильгельма Майбаха обеспечила ключевые компоненты современного дорожного транспорта. Новая эра началась, и ведущий германский производитель сконструировал первый, по сути, современный автомобиль (примечание 5.6., рис. 5.7).

Примечание 5.6. Первый современный автомобиль

Автомобиль был немецким изобретением, но французский инженер Эмиль Левассор (1844–1897) разработал первую машину, которая не являлась просто каретой без лошади. При этом она была снабжена лучшим немецким двигателем. Лавассору показали германский V-образный движок, созданный Daimler-Motoren-Gesellschaft в 1891 году, и он придумал новое шасси, достойное этого мотора. На протяжении 1890-х годов автомобили с двигателями DMG постоянно выигрывали европейские гонки, но вошедший в историю автомобиль имел полностью коммерческое происхождение (Robson 1983; Adler 2006). Когда Эмиль Еллинек (1853–1918), предприниматель и генеральный консул Австро-Венгрии в Монако, основал дилерскую сеть по продаже автомобилей «Даймлер» 2 апреля 1900 года, он заказал 36 машин, и вскоре удвоил заказ. В ответ на столь щедрую сделку он потребовал эксклюзивные права на торговлю в Австро-Венгерской империи, Франции, Бельгии и США, и торговую марку «Мерседес» по имени его дочери.

Для этого уникального заказа Майбах сконструировал автомобиль, который его компания-преемник, «Мерседес-Бенц» назвала «первым современным во всех отношениях автомобилем» (Flink 1988, 33). «Мерседес 35» воспринимался как гоночный автомобиль с удлиненным профилем, он имел очень низкий центр тяжести и общий вес в 1200 кг. Машина несла исключительно мощный для своего времени четырехцилиндровый двигатель (5,9 л, 26 кВт или 35 л. с., 950 оборотов в минуту) с двумя карбюраторами и механизированными впускными клапанами. Майбах снизил вес двигателя до 230 кг, использовав алюминий, в результате чего соотношение масса/мощность оказалось меньше 9 г/Вт, на 70 % ниже, чем у лучшего двигателя DMG, изготовленного в 1895 году. Новый автомобиль скоро установил мировой рекорд (64,4 км/ч), и еще более мощный «Мерседес 60» с лучшим корпусом был создан в 1903 году, положив начало марке, которая успешно продается до сих пор.

Компания Daimler-Motoren-Gesellschaft производила автомобили высочайшего качества, и в начале XX века она сосредоточилась на рынке предметов роскоши. Двумя десятилетиями позже после своего дебюта на германском рынке в середине 1880-х годов пассажирский автомобиль оставался дорогой машиной, их изготавливали небольшими сериями ремесленными методами. В американских автомобилях тогда не было ничего особенного: ведущий британский автомобильный эксперт писал в 1906 году, что «прогресс в конструкции и производстве моторных экипажей в Америке не принес чего-либо заслуживающего внимания, каких-либо прорывов по сравнению с нашей страной или континентом» (Beaumont 1906, 268). Все изменилось двумя годами позже, когда Генри Форд (1863–1947) представил «Модель Т», удобную, производимую в больших количествах, причем так, чтобы оправдать чаяния американских водителей. О его достижениях и наследии будет рассказано в следующей главе.

Рисунок 5.7. «Мерседес 35», сконструированный Вильгельмом Майбахом и Паулем Даймлером в 1901 году. Фотография с сайта Даймлера

Два брата – Уилбур Райт (1867–1912) и Орвилл Райт (1871–1948), изготовители велосипедов из Дейтона, Огайо – оказались первыми изобретателями, сумевшими совершить полет с помощью легкого двигателя внутреннего сгорания. Их аэроплан поднялся ненадолго над дюнами Китти-Хок в Северной Каролине 17 декабря 1903 года (McCullough 2015). Они были далеко не первыми, кто пытался это сделать. Девятью днями ранее Чарльз М. Мэнли предпринял вторую попытку запустить Aerodrome А с помощью катапульты с баржи на реке Потомак. Его самолет был построен благодаря гранту правительства США, полученному Сэмюэлом Пирпонтом Лэнгли (1834–1906), секретарем Смитсоновского института, и оснащен мощным (39 кВт, 950 об./мин.) пятицилиндровым радиальным двигателем. Но, как и во время первой попытки Мэнли 7 октября 1903 года, самолет немедленно рухнул в воду.

Каким образом преуспели Райты и почему ухитрились добиться успеха за пять лет с того момента, когда они, не имея никаких знаний, написали в Смитсоновский институт, чтобы получить информацию о полете? После того, как производители двигателей отказались создать машину по их спецификации, братья сконструировали двигатель самостоятельно и их механик, Чарльз Тейлор, построил его всего за шесть недель. Двигатель имел корпус из алюминия, у него не было карбюратора и запальных свечей, но четыре его стальных цилиндра объемом 3,29 л выдавали 6 кВт мощности (Gaunston 1986). Он весил 91 кг и в конечном итоге выдал 12 кВт в полете, соотношение масса/мощность у него равнялось 7,6 г/Вт. Но двигатель, пусть легкий и мощный, был далеко не единственным основанием для успеха. Братья изучили аэродинамику и осознали важность баланса, стабильности и контроля в полете, и для исследования этих свойств построили сначала планер (Jakab 1990). Они обогатили свой опыт точными и систематическими испытаниями разных профилей и форм крыла и экспериментальными полетами планеров. Их первые полеты 17 декабря 1903 года хорошо документированы (примечание 5.7, рис. 5.8).

Примечание 5.7. Первые полеты

Девятью днями позже после второго нырка Мэнли братья Райт были готовы испытать свой Flyer в Китти-Хок. Их летательный аппарат представлял собой хрупкий биплан с носовым управлением (хвостовой стабилизатор располагался перед крыльями) с деревянной (ель) рамой и покрытием из плотной хлопковой ткани; размах крыльев был 12 м, а вес – всего 283 кг. Цепь зубчатой передачи приводила в движение два пропеллера, вращавшихся в противоположных направлениях. Во время первого полета, примерно в 10:35, Орвилл был пилотом, он лежал на животе на нижнем крыле и управлял бипланом с помощью рычага, который был присоединен к тяжам, идущим к крыльям и рулю. Первый полет скорее напоминал прыжок на 37 метров, и пилот находился в воздухе всего 12 секунд.

Второй полет, совершенный после устранения повреждений, полученных во время первого, покрыл 53 метра, третий – 61 метров. Во время четвертой попытки биплан начал рыскать вверх-вниз, пока Уилбур не вернул контроль, а затем внезапно упал, в результате чего сломалась рама для руля, но до этого он провел в небе 57 секунд и оставил позади 260 метров. Перед тем как отправиться обратно в Дейтон, братья послали телеграмму отцу, преподобному Милтону Райту: «Успех четыре полета утром четверг все против ветра в двадцать одну милю начали с уровня мощности двигателя только средняя скорость в воздухе тридцать одна миля длиннейший 57 секунд информируй прессу дома к Рождеству» (World Digital Library 2014).

Патент (U.S. 821393) был выдан только в мае 1906 года, и он не раз нарушался по мере того как конструкторы во многих странах начали строить собственные аэропланы. Прогресс в контроле над полетом и в его продолжительности оказался быстрым. 20 сентября 1904 года Райты пролетели первый полный круг и 9 ноября преодолели три мили (McCUllough 2015). Менее чем пятью годами позже, после периода интенсивной международной конкуренции, Луи Блерио (1872–1936), до этого создавший первый в мире моноплан, пересек Английский канал 25 июля 1909 года (Bleriot 2015), и к 1914 году основные воюющие силы имели новорожденные ВВС, которые сильно увеличились за время Первой мировой.

Рисунок 5.8. Первый полет но самодвижущейся машине тяжелее воздуха в Китти-Хок, Северная Каролина, в 10:35 17 декабря 1903 года, Орвилл Райт на месте пилота. Фотография из библиотеки Конгресса

Когда бензиновые двигатели с искровым зажиганием уже вышли на дорогу к коммерческому успеху, Рудольф Дизель (1858–1913) предложил совершенно иной способ зажигания, и запатентовал его в 1892 году (Diesel 1913). В дизельных двигателях топливо впрыскивается в цилиндр и воспламеняется самопроизвольно при высокой температуре, которая возникает при степени сжатия в 14–24, по сравнению с 7-10 в бензиновом двигателе Отто. Этот процесс требует большей массы двигателя и меньшей скорости, но дизели изначально более эффективны. Даже во время первых сертификационных тестов новой машины в феврале 1897 года прототип имел эффективность выше 25 % (по сравнению с 14–17 % для лучших бензиновых движков того времени). К 1911 году значение достигло 41 %, и сейчас лучшие дизельные машины немного превосходят 50 %, то есть они в два раза эффективнее бензиновых сородичей (Smil 2010b). Кроме того, они используют более тяжелое и дешевое топливо: дизель примерно на 14 % тяжелее бензина (820–850 г/л против 720–750 г/л), а плотность энергии на единицу массы у них одинакова, что значит – энергетическая плотность дизельного двигателя на объем, почти 36 МДж/л, будет на 12 % выше.

Дизель принял решение создать более эффективную машину внутреннего сгорания уже во время учебы в университете, и в декабре 1892 года он в конечном итоге (после двух отказов) получил патент на «двигатель внутреннего сгорания, характеризующийся тем, что в цилиндре чистый воздух… столь сильно сжат поршнем, что полученная температура находится много выше температуры воспламенения топлива… и добавление топлива… происходит так постепенно, что сгорание имеет место без значительного роста температуры или давления, поскольку поршень движется наружу и сжатый воздух расширяется…» (Diesel 1893а, 1).

Как упоминалось, по патенту нельзя было построить работающий двигатель; второй патент выдали в 1895 году, и Дизель получил практическую помощь от Генриха фон Буца (1833–1918), генерального директора Maschinenfabrik Augsburg, ведущего инженерного предприятия страны, и от магната стальной отрасли Фридриха Альфреда Круппа (1854–1902), оба вложили достаточно денег, чтобы получить работающую машину. Официальный сертификационный тест с двигателем в 13,5 кВт состоялся 17 февраля 1897 года, он показал полезную эффективность в 26,2 % и максимум давления в 34 атмосферы, одну десятую от оригинальной спецификации Дизеля (Diesel 1913). К осени того же года эффективность удалось поднять до 30,2 %, и это значило, что Дизель изготовил лучший двигатель, воплотил свою мечту, но социальное влияние двигателя оказалось совсем не таким, как надеялся его создатель (примечание 5.8).

Коммерциализация нового двигателя шла более медленно, чем изначально предполагалось, менее 300 штук было продано до конца 1901 года (Smil 2010b). В 1903-м первое судно на дизеле, маленький нефтяной танкер «Вандал», начал ходить по Волге и Каспийскому морю; в 1904-м первая электростанция на дизеле открылась в Киеве, и французская Aigrette стала первой подводной лодкой, приводимой в движение дизелем. Но большой успех пришел только в феврале 1912 года, когда датская Selandia (грузопассажирское судно в 6200 тонн водоизмещением) стала первым океанским кораблем с дизельным двигателем. За год до смерти в середине 1912 года, Дизель писал «Появилось новое слово в морских кругах: дизель. Нам нужен только дизель… так говорят повсеместно» (Diesel 1937, 421).

И все же быстрый успех двигателей внутреннего сгорания – проникших в самолеты, дорожный транспорт и корабли, начавших заменять тягловых животных в сельском хозяйстве на Западе – не завершил эпоху пара. Другой первичный движитель обрел коммерческую значимость в конце XIX века, и его дальнейшее развитие определило промышленный прогресс века двадцатого. Этим изобретением стала паровая турбина, быстро нашедшая себе место в производстве электричества во все больших и больших объемах.

Примечание 5.8. Двигатель Дизеля: намерения и результат

Мечта Дизеля состояла в том, чтобы создать легкий, маленький (размером со швейную машинку того времени) дешевый двигатель, который могли бы покупать независимые предприниматели (механики, часовщики, владельцы ресторанов). Результатом стала бы значительная децентрализация промышленности, как писал изобретатель: «Безо всяких сомнений, лучше децентрализовать промышленность до такой степени, до какой только возможно, и попытаться разместить ее в окрестностях города, даже в сельской местности, а не концентрировать ее в больших городах, где все скучено без воздуха, света или пространства. Эта цель может быть достигнута с помощью независимой машины вроде той, которая предложена здесь и которую легко обслуживать. Без сомнений, новый двигатель может дать более прочные основания развитию малых промышленных предприятий, увести нас в сторону от фальшивых современных трендов, на которые опирается все в экономике, политике, гуманитарной и гигиенической сферах» (Diesel 1893b, 89).

Десятилетием позже в работе под названием Solidarismus: NatQrliche wirtschaftliche Erlosung des Menschen[13] (Diesel 1903) он предлагал создать управляемые рабочими фабрики и мечтал о веке честности, правосудия, братства, мира, сострадания и любви. Дизель видел рабочие кооперативы как ульи, а рабочих как пчел с идентификационными картами и контрактами. Но из 10 тысяч экземпляров книги было продано всего 300, и современное общество вовсе не организовано вокруг рабочих кооперативов. Дизель говорил сыну, что его «главное достижение в том, что я решил социальный вопрос» (Diesel 1937, 395), но его двигатели нашли применение вовсе не в маленьких мастерских, а в тяжелых механизмах, в грузовиках и локомотивах, а после Второй мировой войны в больших танкерах, сухогрузах и контейнеровозах. Они помогли создать нечто противоположное тому, о чем мечтал изобретатель, беспрецедентную централизацию масштабного производства и дешевого распределения продуктов в новой глобальной экономике (Smil 2010b).