Двигатели внутреннего сгорания
Паровая машина как двигатель для безрельсовых самоходов обладала существенным недостатком: ее паровой котел занимал слишком много места и имел большой вес. Кроме того, для запуска паровой машины было необходимо разогревать котел, на что требовалось много времени. Изобретатели давно задумывались над тем, каким образом можно обойтись без котла и сжигать горючее непосредственно в цилиндрах двигателя. На это наталкивало, в частности, использование пороха в артиллерии. Первый практический газовый двигатель, который работал примерно по тому же принципу, что и пароатмосферная машина Ньюкомена, был построен в 1859 году Этьеном Ленуаром. Правда, и он был еще далеко несовершенен. Горючая смесь (смесь светильного газа с воздухом) засасывалась в цилиндр на половине хода поршня, после чего воспламенялась электрической искрой, производимой индукционной катушкой.
В результате поршень перемещался по цилиндру (рабочий такт), а при обратном ходе поршня продукты сгорания удалялись из цилиндра. После этого цикл повторялся. Именно по этой причине двигатель стал называться двухтактным. Двигатель Ленуара был довольно большим, но развивал мощность всего в 2 л. с. при наибольшем давлении в цилиндре в 4 атмосферы. Тем не менее, этого хватало, чтобы приводить в действие такие машины, как токарные станки и насосы. Всего было изготовлено более 400 двигателей.
Двигатель Ленуара.
Первый полностью успешный газовый двигатель был построен немцем Николаусом Августом Отто в 1876 году. Он работал по так называемому четырехтактному циклу Отто, который с тех пор стал широко применяться в большинстве двигателей внутреннего сгорания. В верхней части цилиндра в двигателе Отто имелись два клапана. Через один из них в цилиндр поступала воздушно-газовая смесь (впускной клапан), через другой удалялись продукты сгорания (выпускной клапан). Четыре такта, составляющие цикл, показаны на схеме. Это впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
Двигатель Отто для стационарного использования
В 1877 году были построены газовые двигатели внутреннего сгорания, которые при мощности 8 л. с. весили почти 2000 кг, т. е. на 1 л. с. приходилось около 250 кг. О применении таких тяжелых двигателей на самоходных машинах не могло быть и речи. Кроме того, газовые двигатели были вообще непригодны для транспортных машин, так как перевозить на самоходе необходимое количество газового горючего тогда не умели. Поэтому область применения газовых двигателей была ограничена стационарными установками. Как бы там ни было, двигатели Отто оказались действительно замечательными, и ко времени его смерти их было продано более 30000 штук. Если один из первых двигателей немецкого изобретателя развивал мощность всего в 3 л. с., то к 1917 году уже выпускались двигатели мощностью 5000 л. с., которые на равных конкурировали с паровыми машинами. И все же только дешевое и удобное для перевозки жидкое горючее (бензин, керосин и нефть) открывало широкие возможности использования двигателя внутреннего сгорания в самодвижущихся машинах.
Первые бензиновые двигатели были построены немецкими изобретателями Готлибом Даймлером в 1883 году и Карлом Бенцем в 1884 году. Для обеих конструкций общим было то, что смесь бензина и воздуха поступала из карбюратора в цилиндр и там воспламенялась. Двигатели отличались типом карбюратора и методом зажигания. Бензиновые двигатели работали примерно по тому же принципу, что и газовые, но по сравнению с ними имели ряд неоспоримых преимуществ.
- Во-первых, жидкое топливо было легче хранить и перевозить, чем газообразное.
- Во-вторых, бензиновый двигатель развивал более высокие обороты и обладал более высокой удельной мощностью.
Преимущество четырехтактных бензиновых двигателей над ранними двухтактными газовыми двигателями заключалось в том, что перед воспламенением топливная смесь в них подвергалась сжатию. Это обеспечивало более высокую скорость сгорания топлива и давало больше энергии. Однако при этом на каждый рабочий ход требовалось четыре такта вместо двух. Компромисс был найден шотландцем Дагалдом Клерком, который в 1878 году создал двухтактный компрессионный двигатель внутреннего сгорания, используемый и поныне.
Схема работы двигателя Клерка
Его особенностью являлось отсутствие клапанов. Их функцию выполнял поршень, который, двигаясь по цилиндру, открывал и закрывал различные каналы. Такой двигатель был довольно легок и дешев в производстве, но по мощности уступал своему четырехтактному конкуренту.
Начиная с 1885 года немецкий механик Рудольф Дизель занялся разработкой двигателя нового типа, названного им "рациональным тепловым мотором". Обслуживая рефрижераторные установки, он бы поражен тем, какое количество тепла вырабатывали их аммиачные компрессоры. Тогда-то ему и пришла в голову мысль использовать тепло сжатого воздуха для воспламенения воздушно-топливной смеси в цилиндре двигателя. Дизель создал двигатель, который работал по тому же четырехтактному циклу, что и двигатель Отто, но только без свечи зажигания. Воздух поступал в цилиндр через впускной клапан при опускании поршня, а во время обратного хода поршня сжимался до 1/22 своего первоначального объема. Температура воздуха при этом резко возрастала. Одновременно в цилиндр через форсунку впрыскивалось топливо (Дизель использовал керосин). Точный момент впрыска достигался за счет того, что топливный насос приводился в действие от двигателя. Температура воздуха была достаточно высокой, чтобы воспламенить в цилиндре тонко распыленное топливо. В результате поршень совершал рабочий ход. Когда он поднимался вверх, отработавшие газы удалялись через выпускной клапан. После этого весь четырехтактный цикл - впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск - повторялся. Теоретически КПД дизельного двигателя выше, чем бензинового. Более того, дизельные двигатели не нуждаются в электрическом зажигании, а топливо для них дешевле бензина. С другой стороны - высокая степень сжатия, от которой зависит их КПД, может быть достигнута только в тяжелом и дорогом двигателе. Дизель запатентовал свой двигатель в 1892 году, и к 1897 году он уже широко использовался в качестве стационарной силовой установки на электростанциях, судах и локомотивах.
Работа над созданием двигателей внутреннего сгорания активно велась и в России. В 1887 году изобретатель Ягодзинский обратился в Главное инженерное управление с прошением использовать для летательных аппаратов построенный и испытанный им мощный бензиновый двигатель с электрическим зажиганием рабочей смеси. В 80-х годах 19 века в России проводились и другие работы по созданию мощных бензиновых двигателей. В Москве в Центральном Доме авиации имени М. В. Фрунзе до наших дней сохранился бензиновый двигатель с горизонтальным противолежащим расположением цилиндров и электрическим зажиганием рабочей смеси, спроектированный и построенный О. С. Костовичем в 1888-1892 годах.
Огнеслав Костович и его двигатель
Вертикальное расположение цилиндров в двигателях внутреннего сгорания впервые применил в 1885 году русский инженер Б. Г. Луцкой. Он первый разработал и построил 4-цилиндровые и 6-цилиндровые двигатели внутреннего сгорания. В 1889 году Е. А. Яковлев построил новый двигатель, который работал на керосине. Изобретатель - бывший морской офицер - разработал двигатель простой конструкции, в котором рабочая смесь воспламенялась с помощью калильной трубки. Основанный Яковлевым в 1891 году первый русский завод керосиновых двигателей выпускал двигатели мощностью до 20 л. с. После ряда усовершенствований был создан вариант двигателя, пригодный для использования в качестве автомобильного. В 1896 году на Всероссийской промышленной и художественной выставке в Нижнем Новгороде был показан автомобиль Е. А. Яковлева, оснащенный двигателем его же конструкции.
Автомобиль Фрезе и Яковлева.
В 1899 году на заводе Нобеля в Петербурге был построен и испытан двигатель внутреннего сгорания, работающий с воспламенением от сжатия. После успешного испытания первого образца началось серийное производство стационарных двигателей (дизелей), горючим для которых являлась нефть. Вскоре двигатели этого типа стали применяться в качестве судовых. В 1903 году в России был построен грузовой теплоход "Вандал". Его силовая установка состояла из трех двигателей-дизелей по 120 л. с. каждый. Через год из Петербурга в Рыбинск отправился второй русский теплоход "Сармат". На нем были установлены мощные и быстроходные судовые дизели, работавшие на нефти. Вслед за этими судами на русских заводах было построено несколько речных и морских теплоходов, эксплуатация которых убедительно доказала преимущества дизелей. Но чтобы двигатель этого типа был использован для сухопутных транспортных средств-нужно было упростить его конструкцию, устранив компрессор. Двигатель внутреннего сгорания, спроектированный и построенный О. С. Костовичем в 1888-1892 годах, хранится в Москве в Центральном доме авиации.
Создание гусеничного движителя
Современный танк трудно представить без надежного гусеничного движителя, обеспечивающего ему способность двигаться без дорог по труднопроходимой местности. Прообраз современного гусеничного движителя впервые был создан в 1713 году д'Эрманом. Проект, получивший положительный отзыв французской академии, представлял собой тележку для тяжелых грузов, перекатывающуюся на бесконечных лентах из деревянных катков, концы которых шарнирно соединялись планками. Бескомпрессорный двигатель внутреннего сгорания, работающий на нефти с воспламенением рабочей смеси при высокой степени сжатия, был разработан и построен известным русским инженером Г. В. Тринклером. В 1900 году этот двигатель был испытан на Путиловском заводе. Однако вследствие противодействия обосновавшихся в России иностранных промышленников и финансистов работа над двигателем Тринклера на Путиловском заводе была прекращена, и изобретатель получил патент только в 1904 году после пятилетней проволочки.
В 1899 году стационарный бескомпрессорный двигатель с воспламенением от сжатия построил Я. В. Мамин. Несколько позже на его основе он создал транспортный бескомпрессорный двигатель и в 1910 году впервые в мире применил его на колесном тракторе, названном им "русским трактором". Русские ученые внесли большой вклад в разработку теории двигателей внутреннего сгорания и в усовершенствование их рабочего процесса. В 1906 году профессор Московского высшего технического училища В. И. Гриневецкий разработал теорию рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания, которую развили в дальнейшем профессор Н Р. Брилинг и профессор Е. К. Мазинг.
Колесный трактор, построенный Я. В. Маминым в 1910 году
Двухтактный двигатель с прямоточной продувкой, в цилиндры которого свежий воздух поступает, не смешиваясь с отработавшими газами, был изобретен профессором Малеевым и запатентован им 1907 году. Профессор Малеев ввел выпускные клапаны для улучшения работы двухтактного двигателя и увеличения его мощности. Теория процесса выпуска и продувки двухтактных двигателей внутреннего сгорания впервые была выдвинута в 1910 году в Петербургском технологическом институте. Ее детальная разработка была осуществлена А. С. Орлиным и Н. Р. Брилингом. В 1914-1915 годах последний создал основы теории быстроходных карбюраторных двигателей и определил условия перевода двигателей на работу с одного вида горючего на другой. Как и паровая машина в свое время, надежный и относительно легкий двигатель внутреннего сгорания подтолкнул изобретателей к созданию самоходных экипажей - автомобилей.
В 1885 году Карл Бенц установил один из своих двигателей над задней осью трехколесной повозки, намереваясь сделать двухместную машину, а в 1886 году Готлиб Даймлер сделал то же самое с четырехколесной конной каретой. Двигатели вращали задние колеса посредством ременного привода и цепей. Машина Бенца развивала скорость 13 км/ч, а Даймлера - 19 км/ч. Годом создания гусеничного движителя можно считать 1818, когда француз Дюбоше получил патент на способ устройства экипажей с подвижными рельсовыми путями. В последующие годы развитие идеи Дюбоше и применение движителя его конструкции как для военных, так и для гражданских целей шло чрезвычайно быстро. В 1821 году англичанин Джон Ричард Бэрри получил патент на изобретение бесконечных цепей, намотанных на два задних колеса повозки, по одной с каждой стороны. Первая паровая гусеничная машина английского изобретателя Джона Гилкота получила патент в 1832 году и использовалась в течении двух лет на разработке болотистых земель в Ланкашире.
Автомобиль Бенца.
В 1895 году два французских инженера Рене Панар и Эмиль Левассёр создали первый автомобиль с кузовом типа "седан". Двигатель Даймлера располагался впереди и был прикрыт капотом, карданный вал передавал крутящий момент на задние колеса; крыша, стенки кузова и лобовое стекло защищали водителя и пассажиров от непогоды; машина имела прочные резиновые шины, рычаг для переключения скоростей и коробку передач. Это вдохновило сына Даймлера-Пауля, и в 1901 году он начал постройку своего автомобиля. Он имел сотовый радиатор, стальное шасси, развивал скорость 85 км/ч и выигрывал все гонки, в которых принимал участие. Машина была названа "Мерседес" в честь дочери Эмиля Еллинека, который оказал Паулю Даймлеру финансовую поддержку. В конце 19 века самоходные экипажи с двигателем внутреннего сгорания строил австриец Зигфрид Маркус (1870 г.); французы Арман Пежо (1896 г.) и братья Рено (1899 г.); англичане Ф. У. Ланчестер (1896 г.) и Герберт Остин (1895 г.); американец Генри Форд (1896 г.).
12 марта 1837 года штабс-капитан русской армии Дмитрий Загряжский обратился в Министерство финансов с ходатайством о выдаче ему патента на экипаж с плоскозвенчатой металлической гусеницей. В протоколе комиссии, рассматривавшей предложение, представленное изобретателем, говорится: "Из представленных Загряжским описания и чертежей сего изобретения видно, что около каждого обыкновенного колеса, на которых катится экипаж, обводится железная цепь, натягиваемая шестиугольными колесами, находящимися впереди обыкновенного. Бока шестиугольных колес равняются звеньям цепи; цепи сии заменяют до некоторой степени железную дорогу, представляя колесу всегда гладкую и твердую поверхность. Каждая цепь получает свое движение от обыкновенного колеса, которое, вертясь на своей оси, передает вперед освобождающиеся из-под него звенья, и, таким образом цепь, переходя через шестиугольное колесо, ложится опять под обыкновенное колесо экипажа. Шестиугольные колеса в случае ослабления цепей натягиваются особыми винтами. Польза сего изобретения, по объяснению г. Загряжского, состоит в том, что лошадь может везти в таких повозках двойную тяжесть; что для устройства их не требуется больших издержек; они могут быть употребляемы как на шоссе, так и на обыкновенных дорогах, преимущественно же полезны на песчаных и грязных, где цепь, окружающая колесо, не допускает его врезываться в песок или грязь, предоставляя ему всегда твердую и гладкую поверхность...".
Таким образом, речь идет об изобретении гусеничного хода с металлическими гусеницами, подобного применяемому на современных гусеничных машинах. Интересно то, что проект разработан Загряжским во всех деталях, вплоть до приспособления для натяжения гусениц в случае их ослабления. Судьба этого изобретения была весьма печальна. Загряжский за свой патент вынужден был уплатить очень большую пошлину. На дальнейшие опыты у изобретателя не было средств, а денежную помощь ему не оказали.
Проект гусеничного парового трактора С. Маевского
В 1876 году Департамент торговли и мануфактур выдал патент штабс-капитану артиллерии Стефану Маевскому на предложенный им "способ передвижения поездов и повозок с помощью локомотива, по обыкновенным дорогам". В тексте патента сказано: "Сущность изобретения состоит в передвижении повозок по обыкновенным грунтовым дорогам посредством особой паровой машины, перемещающейся вместе с поездом по особого устройства бесконечной цепи, причем паровая машина не тянет за собой поезд, а наоборот, двигает его перед собою. Составляющие поезд вагоны и повозки, а равно и сама машина снабжены для передвижения по цепи особыми желобчатыми колесами, располагаемыми по одному по продольной оси их, а следовательно, и всего поезда, причем с боков вагоны и повозки поддерживаются гладкими колесами или дисками. Цепь, по которой катятся колеса поезда, при укладывании на землю получает вид особой формы плоского рельса, почему и названа просителем-рельсовою". И далее: "Чтобы рельсовая цепь могла служить "более долгое время и чтобы на трение в сочленениях звеньев ее расходовалось возможно меньшее количество работы паровой машины, для этого в боковые ребра вертикальных звеньев с внутренней стороны должны быть вставлены специальные пластины".
В своем проекте Маевский предусматривает механизм, который позволяет менять силу тяги на гусенице. Этот механизм трансмиссии мы теперь называем коробкой передач. Устройство коробки передач Маевского описано в патенте так: "Вал, служащий для наматывания рельсовой цепи, приводится во вращение от двигателя посредством нескольких зубчатых колес, на нем насаженных, разного диаметра, с целью изменения величины тяги при разных условиях, например - подъеме. Зубчатые колеса эти соединены с валом паровой машины посредством бесконечной цепи. Последняя, сцепляя постоянно с одним и тем же колесом паровой машины, может цепляться попеременно с каждым из зубчатых колес наматывающего вала, начиная с самого большого диаметра до наименьшего. Для этой цели зубчатое колесо, сидящее на вале, приводимом в движение двигателем, может перемещаться вдоль его, смотря по требуемой скорости".
Коробки передач современных колесных и гусеничных машин имеют два основных вала: ведущий, связанный с двигателем, и ведомый, связанный с движителем; на обоих валах установлены шестерни.
Источники:
- Г.Л. Холявский "Полная энциклопедия танков мира 1915 - 2000 гг";
- Александр Александрович Радциг "История теплотехники";
- Большая советская энциклопедия;
- Шугуров Л. М., Ширшов В. П. Автомобили страны советов;
- Сергеев Л.В. Теория танка;
- Антонов А. С., Артамонов Б. А., Коробков Б. М., Магидович Е. И. "ТАНК" (1954 г.).
