Парова машина як двигун для безрейкових самоходів володіла суттєвим недоліком: її паровий котел займав занадто багато місця і мав велику вагу. Крім того, для запуску парової машини було необхідно розігрівати котел, на що було потрібно багато часу. Винахідники давно замислювалися над тим, яким чином можна обійтися без котла і спалювати пальне безпосередньо в циліндрах двигуна. На це наштовхували, зокрема, використання пороху в артилерії. Перший практичний газовий двигун, який працював приблизно за тим же принципом, що і пароатмосферная машина Ньюкомена, був побудований в 1859 році Етьєном Ленуаром. Правда, і він був ще далеко недосконалий. Горюча суміш (суміш светильного газу з повітрям) засмоктувалася в циліндр на половині ходу поршня, після чого запалала електричної іскрою, виробленої індукційної котушкою.
В результаті поршень переміщався по циліндру (робочий такт), а при зворотному ході поршня продукти згоряння віддалялися з циліндра. Після цього цикл повторювався. Саме з цієї причини двигун став називатися двотактним. Двигун Ленуара був досить великим, але розвивав потужність всього в 2 л. с. при найбільшому тиску в циліндрі в 4 атмосфери. Проте, цього вистачало, щоб приводити в дію такі машини, як токарні верстати і насоси. Всього було виготовлено понад 400 двигунів.
Двигун Ленуара.
Перший повністю успішний газовий двигун був побудований німцем Николаусом Августом Отто в 1876 році. Він працював по так званому чотиритактному циклу Отто, який з тих пір став широко застосовуватися в більшості двигунів внутрішнього згоряння. У верхній частині циліндра в двигуні Отто були два клапана. Через один з них в циліндр надходила повітряно-газова суміш (впускний клапан), через інший віддалялися продукти згоряння (випускний клапан). Чотири такту, складові цикл, показані на схемі. Це впуск, стиснення, робочий хід і випуск.
Двигун Отто для стаціонарного використання
У 1877 році були побудовані газові двигуни внутрішнього згоряння, які при потужності 8 л. с. важили майже 2000 кг, т. е. на 1 л. с. припадало близько 250 кг. Про застосування таких важких двигунів на самохідних машинах не могло бути й мови. Крім того, газові двигуни були взагалі непридатні для транспортних машин, так як перевозити на самоході необхідну кількість газового пального тоді не вміли. Тому область застосування газових двигунів була обмежена стаціонарними установками. Як би там не було, двигуни Отто виявилися дійсно чудовими, і на час його смерті їх було продано більше 30000 штук. Якщо один з перших двигунів німецького винахідника розвивав потужність всього в 3 л. с., то до 1917 року вже випускалися двигуни потужністю 5000 л. с., які на рівних конкурували з паровими машинами. І все ж тільки дешеве і зручне для перевезення рідке пальне (бензин, гас і нафту) відкривало широкі можливості використання двигуна внутрішнього згоряння в самохідних машинах.
Перші бензинові двигуни були побудовані німецькими винахідниками Готлібом Даймлером в 1883 році і Карлом Бенцем в 1884 році. Для обох конструкцій загальною було те, що суміш бензину і повітря надходила з карбюратора в циліндр і там запалала. Двигуни відрізнялися типом карбюратора і методом запалювання. Бензинові двигуни працювали приблизно за тим же принципом, що і газові, але в порівнянні з ними мали ряд незаперечних переваг.
- По-перше, рідке паливо було легше зберігати і перевозити, ніж газоподібне.
- По-друге, бензиновий двигун розвивав більш високі обороти і мав більш високою питомою потужністю.
Перевага чотиритактних бензинових двигунів над ранніми двотактними газовими двигунами полягало в тому, що перед займанням паливна суміш в них піддавалася стиску. Це забезпечувало більш високу швидкість згоряння палива і давало більше енергії. Однак при цьому на кожен робочий хід потрібно чотири такту замість двох. Компроміс був знайдений шотландцем Дагалдом Клерком, який в 1878 році створив двотактний компресійний двигун внутрішнього згоряння, який використовується і понині.
Схема роботи двигуна Клерка
Його особливістю була відсутність клапанів. Їх функцію виконував поршень, який, рухаючись по циліндру, відкривав і закривав різні канали. Такий двигун був досить легкий і дешевий у виробництві, але за потужністю поступався своєму чотирьохтактному конкуренту.
Починаючи з 1885 року німецький механік Рудольф Дизель зайнявся розробкою двигуна нового типу, названого їм "раціональним тепловим мотором". Обслуговуючи рефрижераторні установки, він би вражений тим, яка кількість тепла виробляли їх аміачні компресори. Тоді-то йому і прийшла в голову думка використовувати тепло стисненого повітря для займання повітряно-паливної суміші в циліндрі двигуна. Дизель створив двигун, який працював у тій самій чотиритактному циклу, що і двигун Отто, але тільки без свічки запалювання. Повітря надходив в циліндр через впускний клапан при опусканні поршня, а під час зворотного ходу поршня стискувався до 1/22 свого початкового обсягу. Температура повітря при цьому різко зростала. Одночасно в циліндр через форсунку впорскується паливо (Дизель використовував гас). Точний момент уприскування досягався за рахунок того, що паливний насос наводився в дію від двигуна. Температура повітря була досить високою, щоб запалити в циліндрі тонко розпорошену паливо. В результаті поршень робив робочий хід. Коли він піднімався вгору, відпрацьовані гази віддалялися через випускний клапан. Після цього весь чотиритактний цикл - впуск, стиснення, робочий хід, випуск - повторювався. Теоретично ККД дизельного двигуна вище, ніж бензинового. Більш того, дизельні двигуни не потребують електричному запалюванні, а паливо для них дешевше бензину. З іншого боку - високий ступінь стиснення, від якої залежить їх ККД, може бути досягнута тільки в важкому і дорогому двигуні. Дизель запатентував свій двигун в 1892 році, і до 1897 року він вже широко використовувався в якості стаціонарної силової установки на електростанціях, судах і локомотивах.
Робота над створенням двигунів внутрішнього згоряння активно велася і в Росії. У 1887 році винахідник Ягодзинский звернувся в Головне інженерне управління з проханням використовувати для літальних апаратів побудований і випробуваний ним потужний бензиновий двигун з електричним запалюванням робочої суміші. У 80-х роках 19 століття в Росії проводилися і інші роботи по створенню потужних бензинових двигунів. У Москві в Центральному Будинку авіації імені М. В. Фрунзе до наших днів зберігся бензиновий двигун з горизонтальним протилежними розташуванням циліндрів і електричним запалюванням робочої суміші, спроектований і побудований О. С. Костович в 1888-1892 роках.
Огнеслав Костович і його двигун
Вертикальне розташування циліндрів в двигунах внутрішнього згоряння вперше застосував в 1885 році російський інженер Б. Г. Луцької. Він перший розробив і побудував 4-циліндрові і 6-циліндрові двигуни внутрішнього згоряння. У 1889 році Е. А. Яковлєв побудував новий двигун, який працював на гасі. Винахідник - колишній морський офіцер - розробив двигун простий конструкції, в якому робоча суміш запалала за допомогою гартівні трубки. Заснований Яковлєвим в 1891 році перший російський завод гасових двигунів випускав двигуни потужністю до 20 л. с. Після ряду удосконалень був створений варіант двигуна, придатний для використання в якості автомобільного. У 1896 році на Всеросійській промисловій і художній виставці в Нижньому Новгороді був показаний автомобіль Е. А. Яковлєва, оснащений двигуном його ж конструкції.
Автомобіль Фрезе і Яковлєва.
У 1899 році на заводі Нобеля в Петербурзі був побудований і випробуваний двигун внутрішнього згоряння, що працює із запалюванням від стиснення. Після успішного випробування першого зразка почалося серійне виробництво стаціонарних двигунів (дизелів), пальним для яких була нафта. Незабаром двигуни цього типу стали застосовуватися в якості суднових. У 1903 році в Росії був побудований вантажний теплохід "Вандал". Його силова установка складалася з трьох двигунів-дизелів по 120 л. с. кожен. Через рік з Петербурга в Рибінськ відправився другий російський теплохід "Сармат". На ньому були встановлені потужні і швидкохідні суднові дизелі, що працювали на нафті. Слідом за цими судами на російських заводах було побудовано кілька річкових і морських теплоходів, експлуатація яких переконливо довела переваги дизелів. Але щоб двигун цього типу був використаний для сухопутних транспортних засобів-потрібно було спростити його конструкцію, усунувши компресор. Двигун внутрішнього згоряння, спроектований і побудований О. С. Костович в 1888-1892 роках, зберігається в Москві в Центральному будинку авіації.
Сучасний танк важко уявити без надійного гусеничного рушія, що забезпечує йому здатність рухатися без доріг по важкодоступній місцевості. Прообраз сучасного гусеничного рушія вперше був створений в 1713 році д'Ерманом. Проект, що отримав позитивний відгук французької академії, був візок для важких вантажів, перекочується на нескінченних стрічках з дерев'яних ковзанок, кінці яких шарнірно з'єднувалися планками. Бескомпрессорний двигун внутрішнього згоряння, що працює на нафті із запалюванням робочої суміші при високому ступені стиснення, був розроблений і побудований відомим російським інженером Г. В. Трінклера. У 1900 році цей двигун був випробуваний на Путиловском заводі. Однак внаслідок протидії влаштувалися в Росії іноземних промисловців і фінансистів робота над двигуном Трінклера на Путиловском заводі була припинена, і винахідник отримав патент тільки в 1904 році після п'ятирічної зволікання.
У 1899 році стаціонарний бескомпрессорний двигун із займанням від стиснення побудував Я. В. Мамин. Трохи пізніше на його основі він створив транспортний бескомпрессорний двигун і в 1910 році вперше в світі застосував його на колісному тракторі, названому їм "російським трактором". Російські вчені внесли великий вклад в розробку теорії двигунів внутрішнього згоряння і в удосконалення їх робочого процесу. У 1906 році професор Московського вищого технічного училища В. І. Гриневецький розробив теорію робочого процесу двигунів внутрішнього згоряння, яку розвинули в подальшому професор Н Р. Брилинг і професор Е. К. Мазінг.
Колісний трактор, побудований Я. В. Маміним в 1910 році
Двотактний двигун з прямоточною продувкою, в циліндри якого свіже повітря надходить, не змішуючись з відпрацьованими газами, був винайдений професором Малєєвим і запатентований ним 1907 році. Професор Малєєв ввів випускні клапани для поліпшення роботи двотактного двигуна і збільшення його потужності. Теорія процесу випуску та продувки двотактних двигунів внутрішнього згоряння вперше була висунута в 1910 році в Петербурзькому технологічному інституті. Її детальна розробка була здійснена А. С. Орлиним і Н. Р. Брілінгом. У 1914-1915 роках останній створив основи теорії швидкохідних карбюраторних двигунів і визначив умови переведення двигунів на роботу з одного виду пального на інший. Як і парова машина свого часу, надійний і відносно легкий двигун внутрішнього згоряння підштовхнув винахідників до створення самохідних екіпажів - автомобілів.
У 1885 році Карл Бенц встановив один зі своїх двигунів над задньою віссю триколісній вози, маючи намір зробити двомісну машину, а в 1886 році Готліб Даймлер зробив те ж саме з чотириколісною кінної каретою. Двигуни обертали задні колеса за допомогою ремінного приводу і ланцюгів. Машина Бенца розвивала швидкість 13 км / год, а Даймлера - 19 км / ч. Роком створення гусеничного рушія можна вважати 1818 коли француз Дюбоше отримав патент на спосіб пристрою екіпажів з рухомими рейковими шляхами. У наступні роки розвиток ідеї Дюбоше і застосування рушія його конструкції як для військових, так і для цивільних цілей йшло надзвичайно швидко. У 1821 році англієць Джон Річард Беррі отримав патент на винахід нескінченних ланцюгів, намотаних на два задніх колеса воза, по одній з кожного боку. Перша парова гусенична машина англійського винахідника Джона Гілкота отримала патент в 1832 році і використовувалася протягом двох років на розробці болотистих земель в Ланкаширі.
Автомобіль Бенца.
У 1895 році два французьких інженера Рене Панар і Еміль Левассер створили перший автомобіль з кузовом типу "седан". Двигун Даймлера розташовувався попереду і був прикритий капотом, карданний вал передавав крутний момент на задні колеса; дах, стінки кузова і лобове скло захищали водія і пасажирів від негоди; машина мала міцні гумові шини, важіль для перемикання швидкостей і коробку передач. Це надихнуло сина Даймлера-Пауля, і в 1901 році він почав будівництво свого автомобіля. Він мав стільниковий радіатор, сталеве шасі, розвивав швидкість 85 км / год і вигравав всі гонки, в яких брав участь. Машина була названа "Мерседес" на честь дочки Еміля Еллінека, який надав Паулю Даймлеру фінансову підтримку. В кінці 19 століття самохідні екіпажі з двигуном внутрішнього згоряння будував австрієць Зігфрід Маркус (1870 г.); французи Арман Пежо (1896 г.) і брати Рено (1899 г.); англійці Ф. У. Ланчестер (1896 г.) і Герберт Остін (1895 г.); американець Генрі Форд (1896 г.).
12 березня 1837 року штабс-капітан російської армії Дмитро Загряжский звернувся до Міністерства фінансів з клопотанням про надання їй патенту на екіпаж з плоскозвенчатой металевої гусеницею. У протоколі комісії, яка розглядала пропозицію, представлене винахідником, йдеться: "З представлених Загряжским опису і креслень цього винаходу видно, що біля кожного звичайного колеса, на яких котиться екіпаж, обводиться залізний ланцюг, що натягується шестикутними колесами, які перебувають попереду звичайного. Бока шестикутних коліс дорівнюють ланкам ланцюга; ланцюга ці замінюють до деякої міри залізницю, представляючи колесу завжди гладку і тверду поверхню. Кожна ланцюг отримує свій рух від обикн венного колеса, яке, обертаючись на своїй осі, передає вперед звільняються з-під нього ланки, і, таким чином ланцюг, переходячи через шестикутне колесо, лягає знову під звичайне колесо екіпажу. Шестикутні колеса в разі ослаблення ланцюгів натягуються особливими гвинтами. Користь цього винаходу , за поясненням р Загряжского, полягає в тому, що кінь може везти в таких візках подвійну вагу; що для влаштування їх не потрібно великих витрат; вони можуть бути вживані як на шосе, так і на звичайних дорогах, переважно ж корисні на піщаних і брудних, де ланцюг, навколишнє колесо, не допускає його вросло в пісок або бруд, надаючи йому завжди тверду і гладку поверхню ... ".
Таким чином, мова йде про винахід гусеничного ходу з металевими гусеницями, подібного вживаному на сучасних гусеничних машинах. Цікаво те, що проект розроблений Загряжским у всіх деталях, аж до пристосування для натягу гусениць в разі їх ослаблення. Доля цього винаходу була вельми печальна. Загряжский за свій патент змушений був сплатити дуже велике мито. На подальші досліди у винахідника не було коштів, а грошову допомогу йому не надали.
Проект гусеничного парового трактора С. Маєвського
У 1876 году Департамент торгівлі и мануфактур видав патент штабс-капітана артілерії Стефану Маєвському на запропонованій ним "способ пересування поїздів и возів з помощью локомотива, за звичайний дорогах". У тексті патенту сказано: "Суть винаходи Полягає в пересуванні возів по Звичайний грунтових дорогах с помощью особлівої парової машини, что переміщається разом з поїздом по особливого пристрою нескінченному ланцюгу, причому парова машина не Тягном за собою потяг, а навпаки, рухає его перед собою. СКЛАДОВІ поїзд вагони и вози, а так само и сама машина забезпечені для пересування по ланцюгу особливо жолобчастім колесами, что розташовуються по одному з поздовжній осі їх, а отже, и Всього поїзда, причому з боків вагони и вози підтр живають ься гладкими колесами або дисками. Ланцюг, по Якій Котя колеса поїзда, при укладанні на землю отрімує вид особлівої форми плоского рейки, чому и названа Прохач-рейкового ". І далі: "Щоб рейкове коло могла служити" більш довгий час і щоб на тертя в зчленуваннях ланок її витрачалося якомога меншу кількість роботи парової машини, для цього в бічні ребра вертикальних ланок з внутрішньої сторони повинні бути вставлені спеціальні пластини ".
У своєму проекті Маєвський передбачає механізм, який дозволяє змінювати силу тяги на гусениці. Цей механізм трансмісії ми тепер називаємо коробкою передач. Пристрій коробки передач Маєвського описано в патенті так: "Вал, службовець для намотування рейкового кола, приводиться в обертання від двигуна за допомогою декількох зубчастих коліс, на ньому насаджених, різного діаметру, з метою зміни величини тяги при різних умовах, наприклад - підйомі. Зубчасті колеса ці з'єднані з валом парової машини за допомогою нескінченної ланцюга. Остання, зчіплюючи постійно з одним і тим же колесом парової машини, може чіплятися поперемінно з кожним з зубчастих коліс намотує вала, починаючи з самого большог про діаметра до найменшого. Для цієї мети зубчасте колесо, що сидить на валу, що наводиться в рух двигуном, може переміщатися уздовж його, залежно від необхідної швидкості ".
Коробки передач сучасних колісних і гусеничних машин мають два основних вала: ведучий, пов'язаний з двигуном, і ведений, пов'язаний з рушієм; на обох валах встановлені шестерні.
джерела:
- Г.Л. Холявський "Повна енциклопедія танків світу 1915 - 2000 рр";
- Олександр Олександрович Радциг "Історія теплотехніки";
- Велика Радянська Енциклопедія;
- Шугуров Л. М., Ширшов В. П. Автомобілі Країни Рад;
- Сергєєв Л.В. Теорія танка;
- Антонов А. С., Артамонов Б. А., Коробков Б. М., Магидович Е. І. "ТАНК" (1954 г.).
