第二节 汽车的发明

一、车的起源

1.车轮的出现

车轮是车上最重要的部件，“察车自轮始”（《考工记》）。因此，轮转工具的出现和使用是车子问世的先决条件。在我国新石器时代，随着手工业的不断发展，人们创制出许多轮转工具，如纺线用的纺轮、制陶用的陶车和琢玉用的轮形工具等。纺轮出现的时间最早，考古工作者在浙江余姚河姆渡新石器时代早期（距今七千多年）遗址中就发现了它的踪迹。继纺轮之后，陶车出现了。山东、河南、河北、湖北、浙江、广东等地的新石器时代晚期遗址中，都出土了轮制陶器，这标志着陶车在当时已普遍使用，其技术也达到了相当高的水准。某些自然现象，也给古人以启示，“圣人见飞蓬转而知为车”（《淮南子·说山训》），“上古圣人，见转蓬始知为轮”（《续汉书·舆服志》），“蓬”，指蓬草，“转蓬”，即蓬草团随风旋转。

古人运送物品，最初主要靠背负肩扛或手提臂抱。进而采用绳拽法，即将绳子系在物品上用人力拉拽。但这种运输方法，物体着地面积大，因而摩擦阻力很大。为减小摩擦，后来利用树枝为架，两杈之间绑以横木，横木触地，其上载物，即所谓橇载法。但是这种木橇在平滑的地面上行进，还比较省力，如遇颠簸不平的路面时，仍很费力。古人进而把圆木垫在木橇之下，借其滚动而移动木橇。这种圆木与木橇的结合，可以说是车的雏形，装在木橇下的圆木可以视为一对装在车轴上的最原始的特殊形式的“车轮”，其车轴的直径恰好等于车轮的直径，而且两者是一个整体。这种车轮的出现，是人类在更高的阶段上对轮子的功能的利用。因为陶轮仅在转动中带动泥坯作回旋运动，而车轮则在滚动中减轻了车子对地面的摩擦，因此，陶轮这一类轮转工具可认为是车轮的前驱。在古代西亚美索不达米亚苏末（Sumer）部族生活过的地区的岩画中，就有在一个木橇底下加上两个圆点的运载工具图形。这两个圆点就代表着圆木。这种原始车的图形虽然在我国目前尚未发现，但可以推论，我国古车也必然经历过类似的演变过程。由于圆木触地面积仍然较大，滚动时要以人作为原动力，靠杠杆撬动，依然很费力，于是人们便缩小车轴的直径，以减小圆木的触地面积。最初的车轮和轴是固定的，轴与车辕之间有一个滑动槽，轴在滑槽中转动，车轮就随着车轴滚动。车轮是一对用圆木砍制成的没有辐条的圆盘，后来为了不受圆木直径大小的限制，改用木板拼接，这种圆盘式车轮在古代叫做“辁”。有了车轮，车的创制就成为可能的事情了。

利用车轮滚动而行，减小了车与地面的摩擦，既省人力，又可多载重物，还可以长途运输。车的问世，标志着古代交通工具的发展进入了一个新的里程。

2.车的发明

据考证，车的出现最早在《荀子·解蔽》就有记载，“奚仲作车”中“奚仲，夏禹时车正。黄帝时已有车服，故谓之轩辕”。轩，就是古代一种前顶较高而有帐幕的车子，供大夫以上乘坐。目前所能见到的最早的车形象和实物在商代中晚期，即公元前14世纪前后。在甲骨文、青铜器铭文中，都有车的象形文字，见图1-31。

车的实物，在河南安阳殷墟先后发现了十八辆，由于深埋地下，年深岁久，出土时车的木质结构已全部腐朽。根据黄土中保留下来的朽木痕迹对它们进行剥剔和清理，经过复原，使距今三千多年的商车完整地再现在人们面前，见图1-32。

最初的车辆都是由人力来推动的，称为人力车。后来人们开始用牛、马拉车，称为畜力车。据传说，畜力车是商汤的先祖相土和王亥共同发明的。在历代车辆发展过程中，有重要技术价值的还要数指南车（见图1-33）和计里鼓车（见图1-34）。指南车是中国古代用于指示方向的一种轮车式机械，又称“司南车”。传说远古时期，黄帝在与蚩尤作战时遇到大雾，黄帝的部落虽然英勇善战，却也无法取胜。为此，黄帝特意制造了一辆指南车，利用它来识别方向，终于打败了九黎部落，生擒了蚩尤，为统一华夏奠定了基础。但传说终归是传说，因未能见到实物，这个谜一直蒙盖了两千年，到三国时期才被解开。计里鼓车是世界上最早的能够记录里程的车辆，大约在东汉时被制造出来。其原理是利用车轮在地面的转动带动齿轮转动，变换为凸轮杠杆作用使木人抬手击鼓，每行走一里击鼓一次，现代车辆的计程器即由此发展而来。从三国时代开始，历代史书就有计里鼓车的记载，但比较简略。直到宋代，《宋史·舆服志》才详细地记载了它的内部齿轮构造。

二、自走式车辆的幻想与探索

尽管古代的人们对车辆不断改进探索，但总要靠牲畜拉，速度和载重量都受到很大的限制，而且增添了饲养马匹的麻烦。人们渴望着能制造出多拉快跑的自动车辆。在1250年的英国，现代实验科学的鼻祖、著名的哲学家培根预言：“我们大概能造出比用一群水手使船航行得更快，而且为了操纵这艘船只要一名舵手的机器；我们似乎也可以造出不借用任何畜力就能以惊人的速度奔跑的车辆；进而我们也可以造出用翅膀、像鸟一样飞翔的那种机器。”

继而，人们在寻找原动力的过程中，做过许多尝试。1600年荷兰的西蒙·斯蒂芬根据帆船靠风力推进行驶的原理，造出了“双桅帆车”，见图1-35。它实际上是在帆船上装上四个车轮而已，或者说是在马车上装上了桅帆。该车在海边的试验中最高车速达到24km/h，令人难以置信。然而，风力车的致命弱点在于风时有时无，时大时小，且风向不定，用来驱动车辆只能笑话百出、难顺人意。但它却反映了当时人们对“自动驱动”车辆的追求。

1420年，有人制造出了一种滑轮车，见图1-36。人坐在车内，借用人力使绳子不停地转动滑轮。车虽然走了起来，但由于人力有限，这辆车的速度就不能充分地得以发挥，比步行还要慢。

后来，大画家达·芬奇设想了一种车，利用发条机构使一个带齿的圆盘进行水平旋转，旋转的力通过带有齿轮的车轴和车轮连接起来，车就可以前进了。但他仅仅提出了设想，并没有进行实际的研究。1649年，德国一个钟表匠汉斯·郝丘，制造了一台发条式的汽车，见图1-37。但是这台发条车的速度不到1.6km/h，而且每前进230m，就必须把钢制发条卷紧一次，这个工作的强度太大了，所以发条车也没有能够得到发展。

三、蒸汽机的发明

人类在对“代步工具”的探索历程中，尽管经历了无数的失败，但他们那种坚忍的创造精神和严谨的科学态度，是永远值得后人景仰和学习的。正如英国大科学家牛顿所说的那样：我之所以看得远，不过是站在前人的肩膀上的缘故。沿着前人开拓的道路，后来者更是始终不渝地追求着一个目标：为车辆装上一颗跳动的“心脏”——发动机。

1.纽科门蒸汽机

17世纪末，英国完成了资产阶级民主革命，工业有了前所未有的发展，对于燃料的需求量剧增，煤矿开采的规模越来越大，但面临的尖锐问题就是如何解决矿井的积水问题，很多工程师都在潜心研制可用于生产的非人力抽水机。到1698年，英国工程师萨维利在抽气机的原理基础上制造了第一台用蒸汽作为动力的抽水机，但由于机器结构不合理，故工人操作不便，劳动强度很大，能量损耗很多，抽水效率极低。在萨维利机用于矿井的同时，法国物理学家巴本也设计出一种利用蒸汽的动力机，在汽缸里加上了可移动的活塞，活塞的出现，拓宽了蒸汽机的应用范围，但是由于当时法国生产落后，对动力机的需求还不迫切，加之巴本的设计仍然存在很多缺陷，因而巴本蒸汽机没有能够在生产中得到应用。

纽科门（Thomas Newcomen）是英国工程师，蒸汽机发明人之一。他发明的常压蒸汽机是瓦特蒸汽机的前身。纽科门综合了萨维利机和巴本机的优点，于1705-1706年制成了纽科门蒸汽机，并于1705年取得“冷凝进入活塞下部的蒸汽和把活塞与连杆连接以产生运动”的专利权。纽科门机较之萨维利机可更为方便地用于矿井抽水，他采用了杠杆、链条等装置，利用杠杆的摇臂使吸筒抽水做功。虽然纽科门做了许多改进，但基本原理仍和萨维利机一样，因此，纽科门机的热效率依然很低。即使如此，由于工人操作纽科门机的劳动强度较之萨维利机减小了，因此在当时纽科门机已广泛应用于矿井抽水和农田灌溉等方面。纽科门蒸汽机被广泛应用了60多年，在瓦特完善蒸汽机的发明后很长时间还在使用。纽科门蒸汽机是第一个实用的蒸汽机。他为后来蒸汽机的发展和完善奠定了基础。

2.瓦特改进蒸汽机

瓦特（James Watt，1736—1819）是英国发明家、工程师，见图1-38。

1736年1月19日，瓦特生于苏格兰的一个小镇格里诺克。瓦特幼年多病，辍学在家，由他母亲教他读书写字。由于父亲的职业关系，少年瓦特看到和接触的机械较多，并对机械产生了兴趣，经常用父亲的工具、机械零件拼装一些小玩意儿。1764年，学校请瓦特修理一台纽科门式蒸汽机，在修理的过程中，瓦特熟悉了蒸汽机的构造和原理，并且发现了这种蒸汽机的两大缺点：活塞动作不连续而且慢；蒸汽利用率低，浪费原料。以后，瓦特开始思考改进的办法。直到1765年的春天，在一次散步时，瓦特想到，既然纽科门蒸汽机的热效率低是蒸汽在缸内冷凝造成的，那么为什么不能让蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特产生了采用分离冷凝器的最初设想。

在产生这种设想以后，瓦特在同年设计了一种带有分离冷凝器的蒸汽机。按照设计，冷凝器与汽缸之间由一个调节阀门相连，使它们既能连通又能分开。这样，既能把做工后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使汽缸内产生同样的真空，避免了汽缸在一冷一热过程中热量的消耗，据瓦特理论计算，这种新的蒸汽机的热效率将是纽科门蒸汽机的三倍。从理论上说，瓦特的这种带有分离冷凝器的蒸汽机显然优于纽科门蒸汽机，但是，要把理论上的东西变为实际上的东西，把图纸上的蒸汽机变为实在的蒸汽机，还要走很长的路。瓦特辛辛苦苦造出了几台蒸汽机，但效果反而不如纽科门蒸汽机，甚至四处漏气，无法开动。尽管耗资巨大的试验使他债台高筑，但他没有在困难面前却步，继续进行试验。当布莱克知道瓦特的奋斗目标和困难处境时，他把瓦特介绍给了自己一个十分富有的朋友—化工技师罗巴克。当时罗巴克是一个十分富有的企业家，他在苏格兰的卡隆开办了第一座规模较大的炼铁厂。虽然当时罗巴克已近50岁，但对科学技术的新发明仍然倾注着极大的热情。他对当时只有三十来岁的瓦特的新装置很是赞许，当即与瓦特签订合同，赞助瓦特进行新式蒸汽机的试制。

从1766年开始，在三年多的时间里，瓦特克服了在材料和工艺等各方面的困难，终于在1769年制出了第一台样机。同年，瓦特因发明冷凝器而获得他在革新纽科门蒸汽机的过程中的第一项专利。第一台带有冷凝器的蒸汽机虽然试制成功了，但它与纽科门蒸汽机相比，除了热效率有显著提高外，在作为动力机来带动其他工作机的性能方面仍未取得实质性进展。就是说，瓦特的这种蒸汽机还是无法作为真正的动力机。

由于瓦特的这种蒸汽机仍不够理想，销路并不广。当瓦特继续进行探索时，罗巴克本人已濒于破产，他又把瓦特介绍给了自己的朋友、工程师兼企业家博尔顿，以便瓦特能得到赞助继续进行他的研制工作。博尔顿当时已经四十多岁，是位能干的工程师和企业家。他对瓦特的创新精神表示赞赏，并愿意赞助瓦特。博尔顿经常参加社会活动，他是当时伯明翰地区著名的科学社团“圆月学社”的主要成员之一。参加这个学社的大多都是本地的一些科学家、工程师、学者以及科学爱好者。经博尔顿的介绍，瓦特也参加了圆月学社。在圆月学社活动期间，由于与化学家普列斯特列等交往，瓦特对当时人们关注的气体化学与热化学有了更多的了解，为他后来参加水的化学成分的争论奠定了基础。更重要的是，圆月学社的活动使瓦特进一步增长了科学见识，活跃了科学思想。

瓦特自与博尔顿合作之后即在资金、设备、材料等方面得到大力支持。瓦特又生产了两台带分离冷凝器的蒸汽机，由于没有显著的改进，这两台蒸汽机并没有得到社会的关注。这两台蒸汽机耗资巨大，使博尔顿也濒临破产，但他仍然给瓦特以慷慨的赞助。在他的支持下，瓦特以百折不挠的毅力继续研究。自1769年试制出带有分离冷凝器的蒸汽机样机之后，瓦特就已看出热效率低已不是他的蒸汽机的主要弊病，而活塞只能作往返的直线运动才是它的根本局限。1781年，瓦特仍然在参加圆月学社的活动，也许在聚会中会员们提到天文学家赫舍尔在当年发现的天王星以及由此引出的行星绕日的圆周运动启发了他，也许是钟表中的齿轮的圆周运动启发了他，他想到了把活塞往返的直线运动变为旋转的圆周运动，就可以使动力传给任何工作机。同年，他研制出了一套被称为“太阳和行星”的齿轮联动装置，终于把活塞的往返的直线运动转变为齿轮的旋转运动。为了使旋转的轮轴增加惯性，从而使圆周运动更加均匀，瓦特还在轮轴上加装了一个飞轮。由于对传统机构的这一重大革新，瓦特的这种蒸汽机才真正成为能带动一切工作机的动力机。1781年年底，瓦特以发明带有齿轮和拉杆的机械联动装置获得第二个专利。

由于这种蒸汽机加上了轮轴和飞轮，这时的蒸汽机在把活塞的往返直线运动转变为轮轴的旋转运动时，多消耗了不少能量。这样，蒸汽机的效率不是很高，动力不是很大。为了进一步提高蒸汽机的效率，增大蒸汽机的效率，瓦特在发明齿轮联动装置之后，对汽缸本身进行了研究。他发现，他虽然把纽科门蒸汽机的内部冷凝变成了外部冷凝，使蒸汽机的热效率有了显著提高，但他的蒸汽机中蒸汽推动活塞的冲程工艺与纽科门蒸汽机没有不同。两者的蒸汽都是单向运动，从一端进入、另一端出来。他想，如果让蒸汽能够从两端进入和排出，就可以让蒸汽既能推动活塞向上运动又能推动活塞向下运动。那么，它的效率就可以提高一倍。1782年，瓦特根据这一设想，试制出了一种带有双向装置的新汽缸。由此瓦特获得了他的第三项专利，把原来的单向汽缸装置改装成双向汽缸，并首次把引入汽缸的蒸汽由低压蒸汽变为高压蒸汽，这是瓦特在改进纽科门蒸汽机的过程中的第三次飞跃。通过这三次技术飞跃，纽科门蒸汽机完全演变为瓦特蒸汽机。

从最初接触蒸汽技术到瓦特蒸汽机研制成功，瓦特走过了二十多年的艰难历程。瓦特虽然多次受挫、屡遭失败，但他仍然坚持不懈、百折不回，终于完成了对纽科门蒸汽机的三次革新。使蒸汽机得到了更广泛的应用，成为改造世界的动力。

1784年，瓦特以带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的高压蒸汽机的综合组装取得了他在革新纽科门蒸汽机过程中的第四项专利。1788年，瓦特发明了离心调速器和节气阀；1790年，他又发明了汽缸示功器，至此瓦特完成了蒸汽机发明的全过程。1785年，瓦特当选为英国皇家学会会员。1814年，他被法国科学家学会接纳为外国会员。1790年以后，优厚的专利税使瓦特成为一个很有钱的名人。1819年8月5日，瓦特在希思菲尔德郡的家里去世，遗体埋葬在汉德沃尔斯郊区的教堂里。

瓦特生活在18、19世纪的英国，所以在他的身上不可避免地带有时代和阶级的局限性。他曾经阻挠双筒蒸汽机和高压蒸汽机的发明和推广，还嘲笑别人用蒸汽机来驱动车辆的努力。总的来说，瓦特为蒸汽机的推广使用做出了不可磨灭的重要贡献，有力地推动了社会的前进。恩格斯在《自然辩证法》中这样写道：“蒸汽机是第一个真正国际性的发明……瓦特给它加上了一个分离的冷凝器，这就使蒸汽机在原则上达到了现在的水平。”后人为了纪念这位伟大的发明家，把功率的单位定为“瓦特”。

四、蒸汽汽车

1.第一台蒸汽车

蒸汽机发明以后，发明家们纷纷将它应用于车辆的研究上，最早的是一位叫南怀仁的比利时传教士在中国进行的。1670年，南怀仁在北京制造出了“蒸汽涡轮车”。这辆“车”长60cm，有四个车轮和一个导向轮，车身中央安置一个煤炉，上置盛水的金属曲颈瓶。水被加热到沸腾至汽化，产生一定的压力，蒸汽由弯曲的瓶口高速射出，叶轮在蒸汽的冲击下转动，产生的动力通过齿轮传递给车轮，驱动车辆前进。从原理上讲，这已称得上是很成功的一种“蒸汽涡轮车”。遗憾的是，由于当时清政府不重视科学技术，他的这项发明没有得到进一步的发展。迄今在北京南怀仁的墓地前仍矗立着一块镌有“耶稣南公之墓”字样的石碑，成为中国和西欧人民友好交往的象征。

1769年，法国军事工程师尼古拉斯·柯诺特（Nicholas Joseph Cugnot）所在的兵工厂生产一种炮身由生铁铸成的大炮，需要几匹强壮的马才能拉动。柯诺特希望将蒸汽力作为拉大炮车辆的牵引力，并且向陆军部提出了制造一台样机的建议。他很快得到了法国陆军大臣肖瓦兹尔公爵的支持，拨给他20000英镑进行试制。经过6年努力，1769年，柯诺特制成了他设想中的蒸汽车，见图1-39。这辆木制的蒸汽车机车前面有一个轮作驱动和转向，后面两个车轮，车前部吊一个锅炉，锅炉产生的蒸汽推动汽缸中的活塞以驱动前轮。它每走大约15min就得停下来，给锅炉添水加煤，大约经过15min，待锅炉里重新喷出蒸汽以后才能继续行走。这辆车由于方向杆操纵困难，试车中不断发生事故。一次在兵工厂附近下坡时，因转弯不及时而撞到了兵工厂的墙上，值得纪念的世界第一辆汽车，被撞得七零八落，面目全非。由于这并非是现代意义上的汽车，所以我们称之为蒸汽车，这是汽车发展史上的第一个里程碑。

又经过反复改进，这台蒸汽车上已经可以乘坐4个人，速度也提高到9km/h。陆军部下令柯诺特制造更大的蒸汽车，要求达到载重4580kg的标准。1771年，一台更大型的蒸汽车经过改进，已经可以达到牵引4～5t重物的水平。但这辆车造成后，法国政府对此已经没有什么兴趣了。尽管如此，柯诺特的试验蒸汽动力车却是自车轮发明以来，有关陆地运输的最大事件。在此之前，车轮只是一种被动性装置，用以减小车辆与地面之间的摩擦。只有柯诺特的机器是将蒸汽机的动力通过齿轮传到车轮本身，使车轮变成实际推动车辆运行的工具。这是今日所有火车、汽车与货车行驶时的基本原理。车轮第一次可借人力或畜力以外的动力向任何方向行驶，而且车轮的基本作用已完全改变了。

2.蒸汽车的黄金年代

在柯诺特之后，欧洲大地上掀起了研制蒸汽车的热潮。蒸汽车的技术水平迅速提高，到19世纪初已经达到实用水平。在英国、法国、德国等国家都开始用蒸汽车进行运输，并逐渐繁荣起来。到19世纪中叶，出现了蒸汽车与马车并驾齐驱的局面。由于蒸汽车马力大，运量多，逐渐占了上风。当时的中国正处于鸦片战争和太平天国运动时期，生产力处于下降阶段，在车辆技术方面没有任何进展。

1801年，理查德·特雷威蒂克制造了英国最早的蒸汽汽车。两年后，他又制成了形状类似公共马车的蒸汽汽车。这辆公共汽车能乘坐8个人，创造了在平路上时速为9.6km/h，坡道上时速为6.4km/h的世界纪录。

1825年英国公爵嘉内制成了第一辆蒸汽公共汽车，见图1-40。这辆车的发动机装在后部，后轴驱动，前轴转向。它采用了巧妙的专用转向轴设计，最前面两个轮并不承担车重，可由驾驶者利用方向舵柄轻便地转动，然后通过一个车辕，引导前轴转动，使转向可以轻松自如。1831年嘉内利用这辆车开始了世界上最早的公共汽车运营业务，所以这辆车也被认为是世界最早的公共汽车。

1828年，哈恩格克制成了比嘉内的汽车性能更好的蒸汽公共汽车，并开始了公共运输事业的企业化。他的车可以乘载22名乘客，时速32km/h，营运后很受欢迎。1834年，发展成立了世界上最早的公共汽车运输公司——“苏格兰蒸汽汽车公司”。

1805年，美国人艾文思首次制造了装蒸汽发动机的水陆两用汽车。这种水陆两用汽车是费城港当局为了疏通费城港，委托艾文思负责制造的，原来打算是制造疏浚船，不料船制成以后，因发列作业场地不在海岸边，于是不得不考虑将这艘蒸汽船运送到有港口的地方。艾文思在船底装上了四个车轮，用船上的蒸汽发动机驱动。这样便把船运到了港。因此疏浚船成了水陆两用车。它也成为现代水陆两用汽车的鼻祖。

1928年，法国人配夸尔制造了一辆蒸汽牵引汽车。这辆汽车首次采用将发动机置于车的前端，而由后轴驱动的总布置方案。在发动机和后轴之间，用链条传动。为了转弯灵活，后轴系由两根半轴构成，当中由差速齿轮连接，这就是最早发明的差速器。此外，两个小小的前轮，是各自与车架弹性相接的，这称做独立悬挂。这种独立悬挂设计，在当时有划时代的意义。配夸尔的链条传动、差速器、独立悬挂等设计，对汽车的发展贡献极大，至今仍在汽车上广泛地应用。

3.蒸汽车的衰落

在蒸汽车的最初发展时期，它们的设计都很简单，就是把一个蒸汽机装上底架和轮子。为了达到一定的输出功率，就要有个尽可能大的锅炉；为了达到一定的行程，又要备有充足的水和煤；车身重了，就要求有一副结实的底架和坚固的车轮。就这样，恶性循环，车越来越笨重，操纵越来越困难。所以，这些大型蒸汽车仅适用于定班的往返行驶，路线固定，沿途又有煤、水供应。即便如此，仍有许多不可避免的缺陷，如制动困难，车太重，车轮窄，惯性大，转向不灵敏。有时候明知要减速转弯就是慢不下来，转不过去，只能眼睁睁地看着车撞上障碍物，要么就是制动太狠，轮轴断裂。更可怕的是，炉压过高，一时难以控制，经常发生锅炉爆炸事件。而且，乘坐这种车还得看天气：下雨天车上遮盖不严，道路泥泞不安全；严寒天烧水难，易熄灭，行驶也慢；热天坐在锅炉边没人愿意忍受；刮风天要看风向，顺风时车尾的浓烟会把乘车人熏得喘不过气来。

由于当时的道路基本上都是土路或碎石路，蒸汽汽车的车轮也与马车一样是用木头或铁木混合制成的，车轮很窄，对路面的压力较大，常把不很平坦的路面压成一条条的车辙。加之当时道路行驶法规也极不完善，因此，操纵失控而导致的事故时有发生，甚至不断有锅炉爆炸伤人的严重事故。蒸汽车的振动、噪声和放出的蒸汽又经常惊吓马车的马匹，引起马车的交通事故。

1865年，英国颁布了世界上第一部机动车安全法规——红旗法，见图1-41。红旗法规定，蒸汽车的行驶速度不能超过6.5km/h，行驶中遇到马车应有人在前面手执红旗开路，警告马车和行人退让，在繁华街区应停车避让马车。红旗法限制了蒸汽车的发展，使蒸汽车这一尚不完善的新生事物受到严重挫折。时至今日，一些汽车史学家认为，英国的汽车工业不及法、德、美等国，与当年的红旗法不无关系。

1896年1月20日，一名叫沃尔塔·阿诺尔德的英国人因为违反了限速规定被处以罚款，成为世界上第一个因为超速而被罚的汽车司机。当时他的车速是13km/h。

另外，蒸汽车的迅速发展引起了马车商人的不满，他们利用各种自己的势力使政府不支持蒸汽车，并且对蒸汽车横加指责。这种情况下，在19世纪中叶以后，蒸汽车事业日趋衰落。尽管存在上述的不足而阻碍了蒸汽车成为一种理想方便的运输工具，但蒸汽机汽车在汽车发展史上占有重要的一页，它是现代汽车的奠基者，在汽车的“家谱”中，它应是“自动车”的祖先。

五、内燃机的发明

由于用蒸汽机作为汽车的动力存在着许多不足，它们不符合汽车灵活机动这一基本要求。为了获取更灵巧、更方便、更经济的发动机，又有许多科学家和工程师献身这一领域。

蒸汽机的燃料是在发动机外面燃烧，是将汽缸中的水加热产生蒸汽以推动活塞，进而驱动车轮前进的，所以也称蒸汽机为“外燃机”。1670年，荷兰的物理、数学和天文学家惠更斯发明了采用火药在汽缸内燃烧膨胀推动活塞做功的机械，即“内燃机”。用火药做燃料的火药发动机是现代内燃机原理的萌芽。

第二个“吃螃蟹”的人是法国化学家菲利浦·勒本。他采用煤干馏得到的煤气和氢气做燃料，于1801年制成了一台将煤气和氢气与空气混合后点燃产生膨胀力推动活塞的发动机，这项发明被誉为内燃机发展史上开拓性的一步。可惜的是，年仅37岁的勒本在参加当年拿破仑皇帝的加冕典礼时被暗杀。这是工业革命史上的一次悲剧，否则内燃机的发明也许会提前许多年。

1862年，法国的莱诺成功创制了二冲程卧式内燃机。它以天然气为燃料，转速为100r/h。1867年，装有这种发动机的车辆在世界博览会上当众表演，深受赞许。可惜他后来放弃了研究且没有申请专利，否则“汽车之父”的美名可能会落在他的头上，这也是汽车史上的一段遗憾。

尼古拉·奥古斯特·奥托（Nikolaus August Otto）是德国近代著名机械工程师，四冲程内燃机的发明者和推广者。他独自钻研，反复研究，最终也提出了内燃机动力方式的四冲程思想。这一原理是这样的：在煤气进入汽缸之前，先与空气混合成一种可燃性的混合气体，然后进入汽缸，在汽缸内进行空气压缩，使其在这种提高了压力的空气中进行燃烧，这样使汽缸内的温度升高，而后，膨胀了的空气逐步减压到初始状态时的大气压力，并推动气阀运动，由气阀运动产生的能量推动机车的运动，最后，汽缸排出所有的气体。这是对四冲程内燃机原理和特征的第一次简单而清楚的概括。因此，人们把内燃机的四冲程循环亲切地简称为“奥托循环”。采用这种循环原理的内燃机用蒸汽液体或气体作为燃料，由两个介于两等容过程之间的可逆绝热过程所组成。这种内燃机的负荷调节，即产生能量的多少，通常是借助控制进入汽缸内的可燃性气体的数量来完成的，且点火方式也比较特殊，即通过采用外来火焰或电火花的方式来实现点火的，因而点火的时间可以控制。

奥托于1866年成功地研制出在动力史上有划时代意义的“活塞式四冲程奥托内燃机”，见图1-42。此机为固定式煤气发动机。翌年，该发动机荣获巴黎博览会金质奖章。后来又不断改进提高，于1876年取得专利并成批投入生产。奥托是继瓦特之后又一名伟大的动力工程学家。他发明的四冲程循环内燃机，是继蒸汽机出现之后，人类机械史上，动力工程领域当中的又一个巨大贡献。

尽管奥托内燃机当时还不能用在汽车上，但是作为动力源在其他行业中表现出的高效率、质量轻、体积小、使用方便、运转有力、速度平稳等优点，为汽车的发明解决了最关键的技术难题，为汽车的诞生奠定了坚实的基础。

六、汽车的发明

1.第一张汽车专利证书

世界著名的汽车公司——奔驰汽车公司，在其公司的简介中，以这样骄傲的开头阐述了汽车、奔驰与人的关系：“人们对一辆现代轿车的各种期盼大半可追溯至奔驰。准确地说，这一切是从1886年1月29日那天开始的。在那天，卡尔·本茨成功地为他所研制的0.9匹马力的三轮汽车取得了第37435号帝国专利证书”。

世界首张汽车专利证（见图1-43）属于卡尔·本茨，在1886年1月29日他为自己设计的车子向德国专利局申请，但直到同年的11月2日才得到批准。专利证的号码为37435，类别属于空气及气态动力机械类，专利名为气态发动机车。即公认的世界上第一辆三轮汽车“奔驰1号”。

2.本茨的第一辆汽车

卡尔·本茨（Karl Benz，1844—1929）是现代汽车工业的先驱者之一，人称“汽车之父”，见图1-44。卡尔·本茨1844年出生在德国西部的卡尔斯鲁厄一个手工业者的家庭。他的父亲是一名火车司机，在他快要降生人世的时候，父亲就在一次事故中不幸遇难，小本茨还没出生就失去了父亲，所以他的童年生活境况很艰难。

1860年卡尔·本茨依从母亲的意愿进入了卡尔斯鲁厄综合科技学校学习。在这里，卡尔·本茨学习了机械构造、机械原理、发动机制造、机械制造经济核算等课程，这为他以后在汽车工业的事业和发展打下了良好的基础。从学校毕业后，卡尔·本茨先在卡尔斯鲁厄机械工厂当学徒，在制秤厂里成为“绘画者和设计者”，在桥梁建筑公司担任工长，在卡尔斯鲁厄机械工厂，他认识了比他大十岁的戈特利布·戴姆勒。以后的日子里，他们成为事业上的好伙伴，也是发明汽车的竞争对手。

1872年，卡尔·本茨下决心要创建一个工厂，他向朋友借了款组建了铁器铸造和机械工厂，但由于当时经济不景气，他的生产也受到影响，到1877年卡尔还无力偿还朋友的2千万马克的借款，工厂也面临倒闭的危险。卡尔·本茨决定要制造发动机，他学习了奥托的煤气发动机，并领到了制造四冲程发动机和双冲程发动机的营业执照。卡尔·本茨在前人的基础上发展的新贡献，就是在新的混合气体进入汽缸之前，使废气净化变为新鲜空气再进入汽缸，这样可以避免爆炸危险。

1879年，卡尔·本茨研制成功火花塞点火内燃机。随后他又将内燃机改进为汽油发动机安装在三轮车上，车上装有三个实心橡胶轮胎的车轮，装有卧置单缸二冲程汽油发动机，785mL容积，0.89匹马力，虽然它的时速只有16km，但在当时人们的路上交通工具还是马车，因此这一速度足以令人“窒息”。该车前轮小，后轮大，发动机置于后桥上方，动力通过链和齿轮驱动后轮前进，行驶方向靠操纵杆控制，为了提高人员乘坐的舒适感，在车架和车轴间装有钢板弹簧悬架。该车已具备了现代汽车的一些基本特点，如电点火、水冷循环、钢管车架、钢板弹簧悬挂、后轮驱动、前轮转向和制动手把等。其齿轮齿条转向器是现代汽车转向器的鼻祖，见图1-45。卡尔向德国皇家专利局申报专利并在1886年1月29日获得批准，因此1月29日被认为是世界汽车诞生日，1886年为世界汽车诞生年。这辆每小时行走16km的三轮汽车被命名为“奔驰1号”。

第一辆三轮汽车的问世，虽然为本茨带来了荣誉，但是这个不断散发臭气的怪物总是抛锚，因而遭到不少人的冷嘲热讽，本茨虽然多次对它进行改进，但毛病还是不少；为了不在大庭广众之下出洋相，本茨几乎没有勇气在公开场合驾驶它上街。但本茨的夫人贝尔塔对本茨的发明深信不疑，她不怕旁人的白眼带着两个孩子，勇敢地开始了汽车的第一次长途旅行。

1888年8月的一天早上5点多钟，本茨还在梦乡，贝尔塔就唤醒两个孩子，把汽车推出来，然后发动马达，向100多公里之外的普福尔茨海姆进发，探望孩子的祖母。当时全世界还没有任何一辆汽车跑过这么远的路程。汽车离开曼海姆市不久东方就渐渐亮了，马路两旁早起的人们一听到其怪异的响声都从窗口伸出头看这个“飞奔”的怪物，有的人还壮着胆子走近它，但一闻到汽油机那难闻的气味又走开了。

行驶14km，燃料没有了，只好到一家药房购买粗汽油；行驶70km后，被一个陡坡拦住了去路，只得由小儿子驾车，贝尔塔和大儿子在车后推，终于把汽车推过陡坡；发动机的油路堵塞了，就用发针把它修复；电气设备发生短路，只好用袜带作为绝缘垫。直到日落西山，母子三人才又饿又累到达目的地。孩子的祖母惊叹不已，小城的人都跑出来围观这个“怪物”。兴奋的贝尔塔立即给丈夫拍了一个电报：“汽车经受了考验，请速申请参加慕尼黑博览会。”本茨接到电报两手发抖，几乎不相信这是事实，但妻子确实驾着自己发明的三轮车到了普福尔茨海姆。他很快办妥了参展手续，在慕尼黑工业博览会上，他成功地展示了自己的汽车，一下吸引了大批客户，从此他的事业蓬勃发展，拥有了德国最大的汽车制造厂，生产名扬四海的奔驰牌汽车。而本茨太太也因为这次历史性的试验而被称为世界上第一位汽车驾驶员。如今，这辆奔驰1号车陈列在德国汽车发源地斯图加特市的奔驰汽车博物馆中。

3.戴姆勒的第一辆汽车

戈特利布·戴姆勒（见图1-46）于1833年3月17日出生在德国汉诺威南部，14岁的戴姆勒便开始在铁炮锻造工厂中学习，18岁时进入斯图加特的工业补修学校学习，1857年进入斯图加特高等工业学校学习。少年时代的戴姆勒就对燃气发动机产生了浓厚的兴趣，并开始学习研制奥托式燃气发动机。

1872年，戴姆勒设计出四冲程发动机。1883年，他与好友——著名的发明家威尔赫姆·迈巴赫（Wilhelm Maybach）合作，成功研制出使用汽油的发动机，并于1885年将此发动机安装于木制双轮车上，从而发明了摩托车。1886年，戴姆勒把这种发动机安装在他为妻子43岁生日而购买的马车上，创造了第一辆戴姆勒汽车，见图1-47。

七、世界上第一台柴油机

当以煤气和汽油为燃料的内燃机刚刚发明时，压缩压力不超过20～30个大气压，如果再高，混合气就要发生“爆燃”，因此热效率一般都在20%以下。狄塞尔根据前辈卡诺等人关于热功转化的理论，信心百倍地从事一种高效率内燃机的研究。经过理论计算和三十多次的初步试验，1892年2月提出专利：改用纯空气可以避免“爆燃”，压缩压力可提高到200～250个大气压，压缩机内温度可达800℃；在这样高压高温下喷入煤粉进行等温燃烧，热效率可提高到70%～80%。

鲁道夫·狄塞尔（1858—1913）出生在德国一个城市贫民的家庭，青年时代留学法国，后来回到德国，成为一名冷藏工程师，见图1-48。他起先致力于氨气发动机的研究，企图以氨气作为工作介质代替水蒸气做功，改进蒸汽机。经过六年的努力，他的设想完全失败了，但是他并不灰心，丢下蒸汽机，转向内燃机。

与致力于改造奥托发动机的奔驰和戴姆勒不同，狄塞尔的想法更为超前，他想完全舍去发动机中的点火系统，靠压缩空气发热，喷入燃料后自燃做功，这种方式完全区别于吸入燃气混合气点燃做功的方式，后人称狄塞尔的原理为“压缩式内燃机”原理。当然狄塞尔产生这样的设想也并不是空穴来风，因为当时并没有发明分电器和高压点火线圈，点火装置非常简陋和不稳定，狄塞尔想跳过这个技术障碍完全是可以理解的。不久，他在法国人约瑟夫·莫勒特发明的气动打火机上找到了灵感，并坚持不懈地探索下去。

狄塞尔没有料到，他的想法实现起来远远比发明点火系统复杂得多，他所遇到的第一个就是燃料问题。常用的汽油非常活跃，也非常容易点燃，但汽油却不能适应有很高的压缩比的压燃式发动机，一旦把汽油雾化喷入含有高温、高压空气的燃烧室，就会发生猛烈的敲缸甚至爆炸。舍去汽油是必然的，狄塞尔创造性地把他的目标指向了植物油。经过一系列试验，对于植物油的尝试也失败了，但他是第一个把植物油料引入内燃机的人，因而近现代鼓吹“绿色燃料”者都把狄塞尔尊为鼻祖。

最终燃料选择锁定在了石油裂解产物中一直未被重视的柴油上。柴油相对于汽油来说性质非常稳定，比较难于点燃，同时柴油一旦点燃会冒出大量的黑烟，因而它又不能像煤油那样用做照明。但柴油稳定的特性恰恰适合于压燃式内燃机，在压缩比非常高的情况下柴油也不会出现爆震，这正是狄塞尔所需要的。经过近20年的潜心研究，狄塞尔终于在1892年试制成了第一台压燃式内燃机，也就是柴油机。

这台柴油机用汽缸吸入纯空气，再用活塞强力压缩，使空气体积缩小到1/15左右，温度上升到500～700℃，然后用压缩空气把雾状柴油喷入汽缸，与缸中高温纯空气混合，由于汽缸这时已经有了较高的温度，因而柴油喷入后自行燃烧做功。1892年2月27日，狄塞尔取得了此项技术的专利。

柴油机的最大特点是省油，热效率高，但狄塞尔最初试制的柴油机却很不稳定。1894年，狄塞尔改进了柴油机并使其能运行1min左右，尽管他的柴油机还不稳定，但狄赛尔却迫不及待地把它投入了商业生产，因为他的竞争对手早在1886年就把汽油机安装在车辆上，而8年之后，汽油机汽车已经投入了商业运作。这位只了解技术并不了解商业运作的发明家犯下了一生中最大的一次错误，他急于推向市场的20台柴油机由于技术不过关，纷纷遭到了退货，这不但给了他巨大的经济负担，更重要的是影响了柴油机在公众中的印象，在随后的几年里几乎没有厂家或个人乐意装配柴油机。没有了资金来源又负债累累，这就使得狄塞尔的晚年陷入了极端贫困。1913年10月29日，55岁的狄塞尔独自一人呆站在横渡英吉利海峡的轮船甲板上，被巨浪卷入了大海（多数历史学家认为狄塞尔是跳海自尽的）。为了纪念狄塞尔，人们把柴油发动机命名为Diesel。

柴油轿车目前在以欧洲为首的发达地区已经十分普及，2006年欧洲每两辆新车就有一辆柴油轿车，业界越来越多的人认为“21世纪将是柴油车的世纪”。据有关专家介绍，2000年世界柴油车产量为1200万辆，占所有汽车的20%，2005年则增长到1850万辆，占所有汽车产量的28%，预计到2015年，柴油车将至少占到所有汽车产量的32%。

据国务院发展研究中心产业经济研究部预计，2020年，中国汽车销量应该在1400万～1500万辆左右，如果到时候中国柴油车的保有量能达到30%的水平，那将有420万辆的巨大空间，可以肯定，中国柴油轿车的市场前景十分广阔。2002年，一汽大众销售柴油轿车1 018辆，2003年为5042辆，2004年为15269辆，一汽大众柴油车销售连年快速增长，也说明柴油车正得到越来越多消费者的认可。

一汽大众有关人士在展望未来时说：“随着柴油轿车市场进一步扩大，一汽大众所有轿车（包括后续车型）将全系列实现柴油化。与此同时，我们将采用国际领先的柴油机技术，尤其是进一步提高电控技术、尾气后处理技术，同时努力使发动机结构优化，如使用四气阀技术等相结合，一汽大众未来柴油轿车将显示出无可比拟的经济性、低排放和驾驶乐趣，真正反映出节约型社会人与自然和谐发展的精神。”