奥托和内燃机的发明

人类的技术发明史告诉我们，任何一项成功的发明都不是—蹴而就，一成功就达到尽善尽美的。瓦特自1769年取得第一项关于制造蒸汽机的专利后，仍不断研究与改进。直到1781-1784年制成双作用蒸汽机，才算基本完成了蒸汽机的发明。瓦特之后，蒸汽机又经过多次较大的改进，历时100多年，才使其日臻完善。

　　蒸汽机的改进，基本上是在不断发展的热力学理论的指导下，沿着提高蒸汽压强、多级分段膨胀和增加转速的方向进行的。第一次改进以1802年英国工程师特里维西克制成的“高压蒸汽机”为标志。他通过改进锅炉，使蒸汽压强从瓦特蒸汽机的0．8个大气压提高到3．5个大气压。第二次大改进是英国工程师沃尔夫于1816年制成的“复合式蒸汽机”，它比瓦特蒸汽机节省1／2燃料，机械效率(即转变为机械功的能量与消耗的总热能的比)达到7．5％。又经过第三、第四、第五次……大改进，到20世纪初，蒸汽压强已达20个大气压，机械效率提高到23％，功率超过2400马力。直到20世纪20年代以后，内燃机和汽轮机迅速发展起来，蒸汽机才逐渐被取代。

　　在蒸汽机不断改进和发展的历程中，人们也越来越深刻地认识到蒸汽机的“天然”不足：蒸汽机必须有锅炉，体积庞大、笨重，机动性很差；热能要通过蒸汽介质再转化成机械功，效率很低……这些缺点都与燃料必须在汽缸外部燃烧——“外燃”有关。所以，早就有人开始研究把“外燃”改为“内燃”——把锅炉和气缸合而为一，省掉蒸汽介质，让燃气燃烧膨胀的高压气体直接推动活塞做功——这就是内燃机。

　　1860年前后，有关内燃机的发明设想很多，但大都未能解决实用性的问题。这是因为当时对内燃机工作原理的研究很少，缺乏理论指导；另外，当时也缺少能在气缸内迅速燃烧的燃料。1862年，法国人德罗夏公布了他的内燃机理论。提出了提高效率和经济性能的条件：点火前要升压，燃烧后要迅速膨胀到最大膨胀比……他还提出了四冲程内燃机的工作流程：活塞下移，进燃气，活塞上移，压缩燃气；点火，燃气迅速燃烧膨胀，推动活塞下移做功；活塞上移排出废气。这是德罗夏对内燃机理论做出的贡献，可惜他没有制造出内燃机。

　　第一台四冲程内燃机是德国人奥托于1876年根据德罗夏的原理制造出来的，因此通常把内燃机的发明归功于奥托。

　　奥托(Otto，Nikolaus August 1832．6．10-1891．1．26)是德国工程师。1861年，他制成了第一台煤气内燃机。3午后与兰根合作研制成改进发动机，并于1867年在巴黎博览会上获得金奖。1876年奥托制成第一台四冲程内燃机，这是第一台可以替代蒸汽机的实用内燃机。奥托内燃机结构小巧紧凑，性能稳定可靠，转速为80～150转／分，机械效率为12％～14％，重量功率比为200千克／马力。奥托内燃机通常用汽油做燃料，故也称为汽油机。1859年，美国打出了第一口油井。从此，石油工业很快发展起来，汽油和柴油逐渐成为普通商品，并成为内燃机发展的物质基础。奥托内燃机诞生以后，在17年中共制造、销售出5万多台。

　　内燃机的发展史也是一部不断改进和完善的技术发明史。1885年，德国人戴姆勒按奥托机原理研制出定容内燃机，利用他发明的表面汽化器形成的汽油雾为燃料，转速可达800转／分，压缩比达3：1。次年，德国人本茨(K．Benz)又发明了混合器和电点火装置，使汽油机更臻完善。到了20世纪，为适应汽车工业和飞机工业的需要，内燃机更是取得了长足的发展。

　　最初20年的发展课题是提高功率和降低重量功率比。采取的主要措施是提高转速、增加缸数。这一阶段内燃机的转速已达到1500转／分，由此提出的点火、起动、汽化及冷却等技术问题也逐一得到基本解决。“多缸制”是降低重量功率比的主要技术措施。先后出现的4缸、8缸直线型，V型排列及12缸、16缸V型排列；使重量功率比逐步降低到4千克／马力，达到了飞机实用水平。法国人塞甘设计的星形排列风冷飞机发动机，至1920年其重量功率比达到1千克／马力。

　　20世纪30～50年代的主要研究课题是解决内燃机的“爆震障”难题，以进一步提高压缩比。压缩比是吸人气缸的混合气与压缩后混合气的体积之比，这个参数影响着内燃机的功率及机械效率。然而，当压缩比提高到4：1左右时，由压缩产生的高温使混合气无需点火就会发生剧烈的爆燃。爆燃时发动机产生剧烈冲击，影响发动机正常运转并损坏发动机。“爆震障”难题是美国通用汽车公司的米格雷和鲍义德解决的。他们在汽油中掺入少许四乙基铅，以干扰氧和汽油分子的化合过程，从而使压缩比从4：1提高到8：1，使辛烷值(也称抗爆值，评定内燃机气缸中?昆合气抗爆震性能的指标)在1920-1950年间从55提高到85，大大提高了汽油机的功率和效率。

　　在这个时期，还有一个研究课题是在汽油机上加装增压器。飞机在高空飞行时由于空气稀薄而供氧不足，严重阻碍了飞机的发展。20年代起，英国就出现了用空气压缩机向汽油机供气的增压设备，可使气压达到1．5个大气压。30年代末发明燃气涡轮后，用其驱动增压器，可使气压增至1．6个大气压。增压器的采用，使汽油机的重量功率比降至0．5千克／马力，功率增至3500马力，转速增至3400转／分，油耗降至0．2千克／马力·小时，而维修寿命也从20年代的200小时增至70年代的3000小时。

　　1956年，内燃机发展史上出现了一项革命性的新设计，这就是德国人万克尔(F．Wankel)发明的旋转活塞发动机，也称转子发动机。在万克尔转子发动机中，等边三角形的转子在特殊形状的气缸中旋转。在转子边和缸体曲线壁之间形成月牙形的燃烧室。转子的3个顶角装有弹簧和密封片，密封片与缸体内壁永远保持滑动接触和密封。燃烧室的容积随着转子的旋转而依次增大和缩小。从化油器吸人燃烧室的混合气，随着转子旋转使燃烧室缩小而被压缩，压缩到最小时火花塞点火，随即推动转子旋转使燃烧室增大……这种发动机直接使输出轴旋转，大大减小了振动，同时革除了曲轴连杆和配气机构。其零件数减少了40％，重量减轻了50％，体积小了一半，转速高、功率大、油耗小，因而引起各国重视。

　　从100多年的内燃机发展史中我们看到，是连续不断的一项又一项发明，推动着内燃机技术的不断进步。这历史再一次印证了那句名言：“发明创造是人类社会进步的阶梯。”今后，只要人们的创造活动不终止，内燃机的发展和进步就不会停止。