《人類科學(xué)技術(shù)史-317》內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明與發(fā)展

內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明與發(fā)展

蒸汽機(jī)作為一種強(qiáng)大的工業(yè)動(dòng)力機(jī)械，自18世紀(jì)發(fā)明以來不斷得到改進(jìn)，對(duì)當(dāng)時(shí)的工業(yè)革命產(chǎn)生了巨大的作用和影響，并導(dǎo)致了火車和輪船的發(fā)明。其后，在陸路和水路運(yùn)輸業(yè)中都迅速得到了應(yīng)用。然而蒸汽機(jī)又存在著許多難以克服的缺點(diǎn)，諸如效率低(熱效率一般在5-8％）、速度慢、體積大、運(yùn)轉(zhuǎn)笨、安全性差(時(shí)常發(fā)生爆炸）。由于其在性能方面難以取得突破，因此不易在更大的范圍推廣，應(yīng)用便受到了限制，因此，人們祈盼著發(fā)明理想的熱機(jī)。1859年8月29日，美國(guó)采礦工程師德萊克在賓夕法尼亞州利用地下取鹽的鉆機(jī)打出了世界上第一口油井，從此，石油成為化學(xué)工業(yè)的重要原料，亦為內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展提供了能源條件。在這種情況下，內(nèi)燃機(jī)便應(yīng)運(yùn)而生了。

說起內(nèi)燃機(jī)發(fā)明來，應(yīng)當(dāng)說首先是火炮給了人們重要啟迪，甚至可以說火炮是內(nèi)燃機(jī)的雛形。最早利用火炮原理進(jìn)行動(dòng)力機(jī)械研究的是著名物理學(xué)家惠更斯。由于發(fā)明內(nèi)燃機(jī)的條件尚不具備，結(jié)果是盡管內(nèi)燃機(jī)的設(shè)想在蒸汽機(jī)之前，而內(nèi)燃機(jī)的誕生卻在蒸汽機(jī)之后。

1.從煤氣機(jī)的問世到汽油機(jī)的成功

18-19世紀(jì)隨著煤炭、石油工業(yè)的發(fā)展，煤氣的生成和石油的分餾使內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明成為可能。在年燃機(jī)的發(fā)展過程中，不少國(guó)家的工程師、發(fā)明家對(duì)內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)做出了開拓性的貢獻(xiàn)。而第一臺(tái)可以實(shí)際應(yīng)用并投入生產(chǎn)的內(nèi)燃機(jī)是一部二沖程、無壓縮、電點(diǎn)火的煤氣機(jī)，其功勞當(dāng)歸法國(guó)人雷諾(1821-1900)，制造成功時(shí)為1860年。雖然其熱效率只有4％，但它畢竟是一種非蒸汽動(dòng)力的新型熱機(jī)。其后，隨著熱力學(xué)理論的發(fā)展，法國(guó)工程師德.羅沙在1862年提出了制造高效率內(nèi)燃機(jī)的四沖程循環(huán)原理。這一原理的實(shí)現(xiàn)是由德國(guó)人奧托(1832-1891）率先完成的。他研制出第一臺(tái)四沖程活塞式內(nèi)燃機(jī)并于1876年獲得專利，1877年在巴黎博覽會(huì)上展出便很快得到推廣。奧托內(nèi)燃機(jī)是一種煤氣機(jī)，其熱效率達(dá)14％。奧托在35年中，一直從事內(nèi)燃機(jī)的研究，后來又把熱效率提高到20％以上。他因此而獲得了內(nèi)燃機(jī)發(fā)明者的榮譽(yù)。

內(nèi)燃機(jī)在其發(fā)展過程中不斷改進(jìn)和完善，但其向小型化、高速化轉(zhuǎn)變則是在石油燃料出現(xiàn)之后，確切地說是采用汽油作燃料之后才實(shí)現(xiàn)的。在奧托成功地研制出四沖程活塞式內(nèi)燃機(jī)之后，他創(chuàng)立了德意志煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)股份公司，其合作者德國(guó)人戴姆勒(1834-1900)在奧托內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)上，改用汽油作燃料，于1883年成功地制造出第一臺(tái)現(xiàn)代四沖程往復(fù)式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。其中的關(guān)鍵部分是戴姆勒發(fā)明的汽化器。于是發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)由煤氣機(jī)的每分種200轉(zhuǎn)迅速提高到900轉(zhuǎn)。1889年，戴姆勒又制成了V型雙缸汽油機(jī)，用于汽車并獲得了專利。

2.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生

在石油中的輕質(zhì)部分——汽油，用來充當(dāng)燃料驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)獲得成功之后，人們自然想到了石油中的重油成份。于是許多人開始研制煤油機(jī)和柴油機(jī)。1886年，滕特和卜雷斯特曼研制成功100馬力的煤油機(jī)，并用于農(nóng)業(yè)耕作。1892年，德國(guó)機(jī)械工程師狄塞爾(1858-1913)研制成功了柴油機(jī)。這是一種不用點(diǎn)火裝置的壓燃式內(nèi)燃機(jī)。它加長(zhǎng)了燃燒過程前的壓縮過程，增大了壓縮比，使熱效率大幅度提高到27-32％，取得了內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的重大突破。狄塞爾研制的第一臺(tái)18馬力的壓燃式內(nèi)燃機(jī)，1897年在慕尼黑展覽會(huì)上一展出，立即引起了人們的注目和贊賞。狄塞爾看到自己發(fā)明的商業(yè)價(jià)值之后，迅速申請(qǐng)了專利，并廣為推銷其發(fā)明，他還開辦了自己的柴油機(jī)制造廠，于是很快成了百萬富翁。由于這種新型的柴油機(jī)還不夠成熟，狄塞爾又無暇進(jìn)行繼續(xù)研究和改進(jìn)，于是他的柴油機(jī)制造廠所生產(chǎn)的第一批產(chǎn)品，由于運(yùn)轉(zhuǎn)不良，用戶紛紛退貨。狄塞爾和他的柴油機(jī)一下子弄得聲名狼籍，在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中，不僅賠光了家產(chǎn)，而且負(fù)下了20萬美元的債務(wù)。面對(duì)這一沉重打擊，狄塞爾悲觀之極自殺身亡。此后，狄塞爾柴油機(jī)經(jīng)過30年的改進(jìn)才日趨完善，并成為重型運(yùn)轉(zhuǎn)工具中無可替代的原動(dòng)機(jī)。

3.汽輪機(jī)的研制

在內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的同時(shí)，另外兩種新型熱機(jī)也在加緊研制之中。一種是蒸汽渦輪機(jī)。另一種是燃汽輪機(jī)。蒸汽渦輪機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件是轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子在蒸汽反沖力的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，由此帶動(dòng)其他部件的運(yùn)動(dòng)。英國(guó)人查爾斯.帕森斯(1854-1931）在1884年取得了蒸汽渦輪機(jī)的專利。這部渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子以每分鐘750-18000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn)。1889年瑞典人拉瓦爾(1845-1913)制造的沖擊式高速汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速竟高達(dá)每分種10000-30000轉(zhuǎn)。由于汽輪機(jī)較之蒸汽機(jī)具有明顯的高速、強(qiáng)力、高效等優(yōu)點(diǎn)，因此汽輪機(jī)成為更加理想的熱機(jī)。

燃汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)與蒸汽輪機(jī)類似，所不同的是使用燃料，通常是用煤油作燃料，使燃料與高壓空氣混合后，連續(xù)燃燒，產(chǎn)生的燃燒氣體推動(dòng)轉(zhuǎn)子的渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。在燃汽輪機(jī)的發(fā)明、改進(jìn)過程中，不少人為此進(jìn)行了不懈的探索，1872年德國(guó)人斯托茲第一個(gè)實(shí)際制造出具有現(xiàn)代特征的燃汽輪機(jī)，因其熱效率很低，并未獲得應(yīng)用。進(jìn)入20世紀(jì)后，幾經(jīng)改進(jìn)燃汽輪機(jī)才達(dá)到實(shí)用階段。由于燃汽輪機(jī)存在難以克服的缺點(diǎn)：熱效率低、噪聲大、成本高、壽命短、污染嚴(yán)重，因而僅用于發(fā)電、飛機(jī)、船舶等幾個(gè)有限的方面。