1.3 内燃机的产生与发展

鉴于蒸汽机体积大、过于笨重、热效率低和起动时间长等问题，17世纪70年代就已经有人提出制造内燃机的想法。

内燃机是相对于蒸汽机来说的。蒸汽机是利用煤等燃料的燃烧来加热锅炉内的水，使水变成蒸汽，且蒸汽具有较高的压力，将这种蒸汽引入气缸，从而推动活塞使曲柄连杆机构工作。因为燃料是在气缸外面燃烧的，所以可以说蒸汽机是一种“外燃机”。由此可以推想，如果用某种适当的燃料，让它在气缸内燃烧，以推动活塞使曲柄连杆机构工作，则可称为“内燃机”了。内燃机是将燃料在气缸内部燃烧产生的热能直接转化为机械能的动力装置，其工作原理是：吸入空气和燃料到气缸，压缩并点燃混合气，燃料燃烧推动活塞和曲柄连杆机构做功，最后排出燃烧后生成的废气，按照这样固定的行程顺序连续运行。通常所说的内燃机是指活塞式内燃机，活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。

要说清楚谁发明了内燃机是一件困难的事，但是从现代汽车技术的观点看来，最重大的进步是德国工程师尼古拉斯·奥托1876年发明的四冲程内燃机。

1.3.1 内燃机的早期阶段

1673年，荷兰物理学家惠更斯提出了真空活塞式火药内燃机的方案，尝试用火药爆炸燃烧的高温燃气在缸内冷却后形成的真空，使大气压力推动活塞做功，但因火药爆炸燃烧难以控制而未获成功。

1794年，英国人斯特里特首次提出了将燃料与空气混合形成可燃混合气以供燃烧，以此从燃料的燃烧中获取动力的设想。

1801年，法国人勒本提出了煤气机的原理。

1824年，法国热力工程师萨迪·卡诺在《关于火力动力及其发生的内燃机考察》一书中，提出了“卡诺循环”的学说，以分析热机的工作过程，为提高热机效率指明了方向。

1833年，英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动活塞做功的设想。

1838年，英国人巴尼特研制了原始的二冲程煤气机，巴尼特曾提倡将可燃混合气在点火之前进行压缩。

1860年，比利时机械师勒诺瓦模仿蒸汽机的结构，由水平放置的—个气缸和双侧做功的活塞组成，用煤气和空气混合气取代往复式蒸汽机的蒸汽，设计制造出一种无压缩、电点火的二冲程煤气内燃机（图1-16），通过电池和感应线圈产生电火花点火燃烧，并申请了专利。这是第一台实用的煤气内燃机，在法国和英国都进行了小批量生产。由于没有压缩行程，热效率很低，为4%左右。

1861年，法国铁路工程师德·罗夏在发表的论文中提出了进气、压缩、膨胀做功、排气等容燃烧的四冲程内燃机工作循环方式，并指出压缩混合气是提高热效率的重要措施，这一理论后来成为内燃机发展的基础。他于1862年1月16日被法国当局授予了专利，但因罗夏拖欠专利费，使其专利申请失败。

1.3.2 奥托循环内燃机

1866年，德国工程师尼古拉斯·奥托偶然在报纸上看到一篇关于勒诺瓦内燃机的报道，下决心对其内燃机进行改进，并研究了罗夏的四冲程内燃机的论文，成功地试制出动力史上有划时代意义的立式单缸四冲程煤气内燃机（图1-17）。这台内燃机的特点是气缸为立式，气缸很长、活塞较重，转速为80～100r/min，热效率高出勒诺瓦煤气机30%左右。1869年，奥托建立了道依茨煤气发动机公司，这种发动机5年内销售了10000台，在商业上是非常成功的。

1876年，奥托又试制出了第一台实用的卧式单缸四冲程内燃机（图1-18）。这台单缸、往复活塞式四冲程内燃机仍以煤气为燃料，采用火焰点火，功率2.9kW，转速250r/min，压缩比2.5，热效率达到14%，运转平稳。在当时，无论是功率还是热效率，它都是最高的。1877年8月4日，奥托取得了往复活塞式四冲程内燃机的专利，在1878年的巴黎万国博览会上受到了工程技术界极高的评价，被认为是“自瓦特以来在动力方面取得的最大成就”，后来人们一直将四冲程循环称为“奥托循环”。尼古拉斯·奥托为内燃机的突破性进展做出了重大的贡献，作为内燃机奠基人被载入史册。

不过，奥托的内燃机仍以煤气为燃料，需要庞大的煤气发生炉和管道系统，而且由于煤气的热值低，故煤气机体积较大（重量约有1t），转速慢，比功率小，还不能用在汽车上。

1.3.3 汽油发动机

19世纪下半叶，随着石油的开发和石油工业的兴起，比煤气易于运输携带的汽油和柴油引起了人们的注意，首先获得试用的是易于挥发的汽油。

1872年，德国工程师戈特利布·戴姆勒就职于奥托和朗琴开办的道依茨煤气机工厂，担任技术总监。戴姆勒对汽油机更感兴趣，并认为奥托煤气内燃机虽质量大、转速低，但只要稍加改进即可安装在汽车上使用。奥托看到煤气机销路好，并认为内燃机在汽车上应用没有前途，不同意戴姆勒对他的内燃机进行改进。1881年，戴姆勒辞去道依茨公司的一切职务，与他的同事威廉·迈巴赫在坎施塔特建起一个试验车间，开始进行“轻便快速”发动机的研制。

1883年8月15日，戈特利布·戴姆勒和他的同伴威廉·迈巴赫在奥托四冲程煤气发动机的基础上，通过改进开发出了第一台用汽油代替煤气作为燃料的卧式汽油发动机（图1-19），并在1884年创造了发动机转速600r/min的纪录。1885年，他们再接再厉，尽可能缩小发动机体积，终于制成了一台风冷型、垂直单缸、化油器式、电点火的小型汽油机，转速达到了当时创纪录的750r/min。这是世界上第一台立式汽油发动机，轻便小巧，由于外形的缘故，取名为“立钟”（图1-20），在1885年4月3日取得德国专利。同年，戴姆勒将这台发动机装在一辆木制自行车上，1885年8月29日，又取得了“骑式双轮车”的德国专利，这就是世界上第一辆摩托车（图1-21）。这辆摩托车采用橡木车架、真皮坐垫、木制车轮、带传动，利用压带轮控制带传动，一级齿轮变速，前轮34in（1in=0.0254m）、后轮26in，最高车速可达12.2km/h。遗憾的是，这件世上第一辆摩托车珍品在第二次世界大战期间毁于战火。

1.3.4 狄塞尔柴油机

奥托发明的是煤气机，戴姆勒发明的是汽油机。当时的人们在尝试用汽油作为燃料的同时，也尝试用其他燃油作为燃料。1897年，德国人鲁道夫·狄塞尔成功地试制出了第一台柴油机。

在慕尼黑高等技术学校读书期间，狄塞尔就萌发了研制新型经济型发动机的念头。毕业后，狄塞尔利用业余时间在一些作坊式的小工厂里以自己的设备开始实验。他不仅富于想象，而且坚毅苦干，不怕冷嘲热讽。在一次利用制冷剂氨气作为燃料进行实验时，发生爆炸，险些丧命。

1890年，狄塞尔受面粉厂粉尘爆炸的启发，在题为《转动式热机的原理和结构》的论文中，他设想将吸入气缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高压空气将燃料吹入气缸，使之燃烧，这是压燃式内燃机（柴油机）的基本理论，并在1892年2月27日申请了专利，1893年制造出试验样机。这台试验样机热效率达到了26%，大大高于那时的其他热力机。1894年2月7日，第二台试验样机试验运转了1min，证明这种原动机有强大的发展潜力。之后，狄塞尔不断完善发动机的各方面性能。1897年，他首创的压燃式柴油机（图1-22）终于研制成功，并于1898年投入商业生产。因为那时没有高压液体燃油泵，狄塞尔借助高压空气将燃油（柴油）喷入气缸。空气喷射需要高成本的高压空气泵和大容积储气罐，使得柴油机只能用于固定发电装置和轮船。直到1920年，小型高速压燃式柴油机才开始用作汽车动力。

柴油机从设想变为现实经历了20年的时间。狄塞尔虽然未能活到柴油机用于汽车的那一天，晚年生活依然穷困潦倒、债务重重，但他亲眼看到自己的发明用于造船业，以绝对优势取代了蒸汽机。柴油机的出现不仅为柴油找到了用武之地，而且它比汽油机省油、动力大、污染小。鲁道夫·狄塞尔的发明改变了整个世界，人们为了纪念他，就把柴油机称作狄塞尔柴油机。

活塞式内燃机自19世纪60年代问世以来，经过不断的改进，已经比较完善。它热效率高，功率和速度范围宽，为汽车技术的进步奠定了坚实的基础，搭载内燃机（汽油机或柴油机）作为动力的现代汽车的诞生已经是“呼之欲出”“指日可待”了。从此，人类进入了一个全新的时代。