1.2 蒸汽汽车的产生与发展

马车是人类历史上使用时间最长和最有影响力的陆地交通运输工具。人类永远不会满足现状，坐在马车上的人们期望着出现比马更具耐力、比马跑得更快的移动工具，而近代蒸汽机和内燃机的使用为汽车的发明开辟了道路。

1.2.1 蒸汽机的发明

蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。

早在2000年前，古罗马数学家希罗就发明出了利用蒸汽驱动小球旋转的装置——汽转球，它是一个装有两个弯管喷嘴的空心铜球，喷管与铜球的轴成直角，各弯向相反的方向，如图1-9所示。蒸汽通过金属导管从汽化皿传到铜球中，再由喷嘴喷出时，球体便绕轴转动。这是已知最早以蒸汽为动力的机器，虽然只能算个新奇的蒸汽玩具，并未予以任何实际应用，但却是蒸汽机的雏形。

近代蒸汽动力技术的产生，主要源于当时的社会生产的直接推动和当时的实验科学的长期孕育。在16世纪末和17世纪初，意大利物理学家包尔塔进行了蒸汽压力实验，流体力学奠基人意大利物理学家托里拆利和帕斯卡等进行了大气压力实验，格里凯进行了真空作用实验。这三大实验基础的相继形成，使人们得以从实验上开始认识蒸汽、大气和真空的相互作用。而这些重大的实验成果也就为早期蒸汽动力技术的产生奠定了牢固的实验科学基础。

1. 纽科门蒸汽机的诞生

1698年，英国工程师托马斯·赛维利根据巴本的模型，发明制造出一台应用于矿井的蒸汽机，取名为“矿工之友”，并取得专利。他将一个蛋形容器先充满蒸汽，然后关闭进气阀，在容器外喷淋冷水使容器内蒸汽冷凝而形成真空，如图1-10所示。打开进水阀，矿井底的水受大气压力作用经进水管吸入容器中；关闭进水阀，重开进气阀，靠蒸汽压力将容器中的水经排水阀压出。待容器中的水被排空而充满蒸汽时，关闭进气阀和排水阀，重新喷水使蒸汽冷凝。如此反复循环，用两个蛋形容器交替工作，可连续排水。在赛维利的这台用于抽水的蒸汽机中，除了阀门外，没有任何可运动的部件，由于结构设计不合理，工人操作不便，劳动强度大，能量损耗多，抽水效率低。但赛维利发明的这台蒸汽机是人类继自然力——人、畜、水、火、风之后，首次把蒸汽作为一种人为制造动力，靠机械做功的机器。这样，蒸汽动力技术基本完成了从实验科学到应用技术的转变。

1705年，英国工程师托马斯·纽科门在对赛维利蒸汽机进行认真的研究后，认为赛维利蒸汽机还不能称为动力机械，只能是一个水泵，因为它没有活塞，无法将燃料的热能转变为机械能。针对这一问题，纽科门引入了活塞装置，使蒸汽压力、大气压和真空在相互作用下推动活塞做往复式机械运动，取得了“冷凝进入活塞下部的蒸汽和把活塞与连杆连接以产生可变运动”的专利权。1712年，他制造出一台可供实际使用的大气式蒸汽机——纽科门蒸汽机，采用了杠杆、链条等装置，如图1-11所示。纽科门蒸汽机将蒸汽引入气缸，然后向气缸中喷水冷却，冷却后的气缸内压下降，气缸里的活塞在大气压力的推动下向上运动，带动抽水泵抽水。这台蒸汽机活塞直径30.48cm，每分钟往复运动12次，功率5.5马力（1马力=735.5W），热效率低，燃煤消耗量大，但已经极大地提高了矿井抽水的效率。纽科门蒸汽机是第一个实用的蒸汽机，在欧洲被广泛使用了半个多世纪，在瓦特完善了蒸汽机后很长时间仍被继续使用，“火车之父”斯蒂芬森就曾经是纽科门蒸汽机的操作者。纽科门蒸汽机的诞生为后来蒸汽机的发展和完善奠定了基础，拉开了“划时代”的序幕。

2. 瓦特对蒸汽机的改进

1757年，英国人詹姆斯·瓦特被英国格拉斯戈大学聘为实验室技师，专门从事修理教学仪器工作。瓦特小时候因为身体较弱，去学校的时间不多，主要的教育都由母亲在家里进行。由于父亲的职业关系，少年瓦特对机械非常感兴趣，表现出了精巧的动手能力以及数学上的天分。

1763年，格拉斯戈大学一台纽科门蒸汽机的教学模型运转不灵，瓦特接了修理这台机器的差事，对纽科门蒸汽机产生了兴趣。瓦特虽然只受过一年的机械制造训练，但却具有非凡的发明天赋。他在修理纽科门蒸汽机模型时，发现纽科门蒸汽机的冷凝装置很不合理，其冷凝水蒸气是在气缸里进行的，冷凝蒸汽的同时也冷却了气缸，白白浪费了大量的能量，这正是纽科门蒸汽机热效率低、燃料消耗大的原因。瓦特在经过一段时间的思考后认为，要解决这一问题，应将蒸汽冷却过程移出气缸，增加一个与气缸分离的冷凝器，在冷凝器中将蒸汽冷却，这样只冷却蒸汽，而不冷却气缸。

1765年，瓦特下决心对纽科门蒸汽机进行改进，他的这一想法得到了格拉斯戈大学著名的布莱克教授的支持，约翰·罗巴克、马修·博尔顿等一些企业家也提供了一些设备和资金上的资助。1768年，在翻砂工罗伯克的帮助下，瓦特研制出了一台试验样机。由于这台机器采用了冷凝器与气缸相分离的设计，使得蒸汽机的效率大为提高，1769年取得了专利。1776年，在经过多次试验改进后，瓦特将一台蒸汽机安装在煤矿中用于抽水，将另一台安装在一家炼铁厂用于高炉鼓风。1782年，瓦特进一步改进了气缸的结构，制成了双冲程的蒸汽机。这种双冲程的蒸汽机在工作时，蒸汽可以从气缸的两头分别进入气缸，由蒸汽来推动活塞做往复运动，变单动为双动，彻底改变了纽科门蒸汽机利用大气压力摆动活塞的情况。连同一些较小的革新一起，这些发明使蒸汽机的效率至少提高了四倍。1784年，为了便于速度变换，瓦特把纽科门蒸汽机的杠杆转动改变为曲轴和齿轮转动，使活塞的直线运动变为圆周运动，从而制成了能够连续转动的、双动通用蒸汽机，如图1-12所示。这种蒸汽机经济、有效，获得了广泛应用。随后，瓦特又陆续发明了自动调节蒸汽机运转速度的离心式调速器、测量蒸汽压力的压力计、节流阀以及许多其他仪器。至此，瓦特在总结前人经验教训的基础上，经过二十多年的不懈努力，完成了现代蒸汽机的研制。

瓦特的创造性工作，使蒸汽机的热效率成倍提高，推进和扩大了蒸汽机的应用范围，在采矿、冶炼、纺织、机器制造等行业中都迅速推广，开创了动力革命的新时代，为之后一个多世纪人类利用动力机械提供了强有力的保证，为世界工业的迅猛发展做出了历史性的巨大贡献。

1.2.2 蒸汽机汽车的发明

蒸汽机发明后，人们就设想把蒸汽机装在车上，让车自己行走。

1. 第一辆蒸汽汽车

1769年，法国陆军工程师、炮兵大尉尼古拉斯·居纽经过研究，将一台简陋的蒸汽机装在了一辆木制三轮车上，这是世界上第一辆蒸汽驱动的三轮汽车，也是第一辆完全凭借自身的动力实现行走的蒸汽汽车（汽车由此而得名）。如图1-13所示，这辆被命名为“卡布奥雷”号的蒸汽汽车，车架上放置着一个50L像梨一样的大锅炉，车长7.32m，车高2.2m，前轮直径为1.28m，后轮直径为1.5m，前进时靠前轮控制方向，每前进12～15min需停车加热15min，运行速度为3.5～3.9km/h。前轮在驱动的同时还是转向轮，因为上面压着很重的锅炉，所以操纵转向杆非常费力。令人沮丧的是，在这辆蒸汽汽车的试车途中，由于操纵困难，结果下坡时撞到了石头墙上，值得纪念的世界上第一辆蒸汽汽车就这样被撞得七零八落，成了一堆废铜烂铁，这也是世界上第一起机动车交通事故。

尼古拉斯·居纽的“卡布奥雷”号是世界上第一辆蒸汽汽车，虽然落得如此悲惨的结局，但它作为汽车发展史上一座重要里程碑的地位是无可非议的，标志着人类以机械力驱动车辆时代的开始，具有划时代意义。后来居纽又花了18个月的时间，造出了一辆更大的蒸汽汽车，能牵引5t重的大炮，每小时可行驶9km，可乘坐4个人。现在，这辆车仍珍藏在法国巴黎的国家博物馆内。

2. 蒸汽汽车的全盛时期

尼古拉斯·居纽的尝试给后人以极大的启发和激励。18世纪末，欧美各国出现了一个研究和制造蒸汽汽车的热潮，各种用途的蒸汽汽车相继问世，汽车的车身和其他机构也在迅速改进。到了19世纪初，出现了一个蒸汽汽车的全盛时期，英法等国已开始利用蒸汽汽车进行客运和货运。

1801年，英国工程师里查德·特雷维西克将他改进设计的高压蒸汽机装在一辆大型三轮车上，经过反复的试验和研制，成功制造出能够乘坐8人、车速为9.6km/h的世界上第一辆载客蒸汽汽车（图1-14）。

1825年，英国公爵哥尔斯瓦底·嘉内制成了一辆18个座位、车速为19km/h的蒸汽公共汽车（图1-15）。这辆车的蒸汽机安装在车的后部，采用后轮驱动，前轮转向。它采用了巧妙的专用转向轴设计，最前面2个小轮并不承重，可由驾驶人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，这是世界上第一辆营业性质的公共汽车。

1828年，英国人瓦尔塔·汉考克制造出了一辆性能更好的蒸汽汽车，具有转向盘、差速器和前轮独立悬架，可以乘坐22名乘客，最高车速可达32km/h。由于蒸汽汽车的生意很好，1834年，世界上第一家公共汽车运输公司“苏格兰蒸汽汽车运输公司”成立，他们以伦敦为中心，规定了票价和行驶路线，使蒸汽汽车的营运进入企业化。到1836年，英国已有20多辆蒸汽汽车行驶在公路上，大部分是公共汽车。

19世纪，随着蒸汽汽车运输的兴旺，出现了汽车与马车之争。蒸汽汽车的出现引起马车商的不满，欧洲各国的马车公司势力很大，对政府政策的制定起着举足轻重的作用。由于蒸汽机是一种外燃机，热效率很低，蒸汽汽车体积大、速度慢，行驶起来浓烟滚滚、噪声隆隆，吓得鸡飞狗跳，简直就是怪物，美国人称其为“魔鬼之车”。因此，政府官员也不支持蒸汽汽车。1865年，英国议会颁布了一部《机动车法案》，即所谓“红旗法案”。“红旗法案”规定了在市区、郊区行驶的蒸汽汽车的车速不得超过6.4km/h，行车时在蒸汽汽车前方的55m处要有一个车务员挥动红旗，以警示路上的行人和马车，并严禁驾驶人鸣笛，以免惊吓马匹。当汽车与马车狭路相逢时，汽车要为马车让路。1896年1月20日，一名叫沃尔塔·阿诺尔德的英国人因违反限速规定而被处以罚款（当时他的车速只有13km/h），成为世界上第一个因超速而被罚的汽车驾驶人。

受当时技术的限制以及来自保守势力的严重阻碍，到19世纪中叶以后，蒸汽汽车就开始衰落了，始终未能发展起来。到了20世纪，随着内燃机汽车的大量涌现和性能的不断提高，蒸汽汽车开始渐渐退出历史舞台。