奧托和內燃機的發明

人類的技術發明史告訴我們，任何一項成功的發明都不是—蹴而就，一成功就達到盡善盡美的。瓦特自1769年取得第一項關于制造蒸汽機的專利后，仍不斷研究與改進。直到1781-1784年制成雙作用蒸汽機，才算基本完成了蒸汽機的發明。瓦特之后，蒸汽機又經過多次較大的改進，歷時100多年，才使其日臻完善。

蒸汽機的改進，基本上是在不斷發展的熱力學理論的指導下，沿著提高蒸汽壓強、多級分段膨脹和增加轉速的方向進行的。第一次改進以1802年英國工程師特里維西克制成的“高壓蒸汽機”為標志。他通過改進鍋爐，使蒸汽壓強從瓦特蒸汽機的0．8個大氣壓提高到3．5個大氣壓。第二次大改進是英國工程師沃爾夫于1816年制成的“復合式蒸汽機”，它比瓦特蒸汽機節省1／2燃料，機械效率(即轉變為機械功的能量與消耗的總熱能的比)達到7．5％。又經過第三、第四、第五次……大改進，到20世紀初，蒸汽壓強已達20個大氣壓，機械效率提高到23％，功率超過2400馬力。直到20世紀20年代以后，內燃機和汽輪機迅速發展起來，蒸汽機才逐漸被取代。

在蒸汽機不斷改進和發展的歷程中，人們也越來越深刻地認識到蒸汽機的“天然”不足：蒸汽機必須有鍋爐，體積龐大、笨重，機動性很差；熱能要通過蒸汽介質再轉化成機械功，效率很低……這些缺點都與燃料必須在汽缸外部燃燒——“外燃”有關。所以，早就有人開始研究把“外燃”改為“內燃”——把鍋爐和氣缸合而為一，省掉蒸汽介質，讓燃氣燃燒膨脹的高壓氣體直接推動活塞做功——這就是內燃機。

1860年前后，有關內燃機的發明設想很多，但大都未能解決實用性的問題。這是因為當時對內燃機工作原理的研究很少，缺乏理論指導；另外，當時也缺少能在氣缸內迅速燃燒的燃料。1862年，法國人德羅夏公布了他的內燃機理論。提出了提高效率和經濟性能的條件：點火前要升壓，燃燒后要迅速膨脹到最大膨脹比……他還提出了四沖程內燃機的工作流程：活塞下移，進燃氣，活塞上移，壓縮燃氣；點火，燃氣迅速燃燒膨脹，推動活塞下移做功；活塞上移排出廢氣。這是德羅夏對內燃機理論做出的貢獻，可惜他沒有制造出內燃機。

第一臺四沖程內燃機是德國人奧托于1876年根據德羅夏的原理制造出來的，因此通常把內燃機的發明歸功于奧托。

奧托(Otto，Nikolaus August 1832．6．10-1891．1．26)是德國工程師。1861年，他制成了第一臺煤氣內燃機。3午后與蘭根合作研制成改進發動機，并于1867年在巴黎博覽會上獲得金獎。1876年奧托制成第一臺四沖程內燃機，這是第一臺可以替代蒸汽機的實用內燃機。奧托內燃機結構小巧緊湊，性能穩定可靠，轉速為80～150轉／分，機械效率為12％～14％，重量功率比為200千克／馬力。奧托內燃機通常用汽油做燃料，故也稱為汽油機。1859年，美國打出了第一口油井。從此，石油工業很快發展起來，汽油和柴油逐漸成為普通商品，并成為內燃機發展的物質基礎。奧托內燃機誕生以后，在17年中共制造、銷售出5萬多臺。

內燃機的發展史也是一部不斷改進和完善的技術發明史。1885年，德國人戴姆勒按奧托機原理研制出定容內燃機，利用他發明的表面汽化器形成的汽油霧為燃料，轉速可達800轉／分，壓縮比達3：1。次年，德國人本茨(K．Benz)又發明了混合器和電點火裝置，使汽油機更臻完善。到了20世紀，為適應汽車工業和飛機工業的需要，內燃機更是取得了長足的發展。

最初20年的發展課題是提高功率和降低重量功率比。采取的主要措施是提高轉速、增加缸數。這一階段內燃機的轉速已達到1500轉／分，由此提出的點火、起動、汽化及冷卻等技術問題也逐一得到基本解決?！岸喔字啤笔墙档椭亓抗β时鹊闹饕夹g措施。先后出現的4缸、8缸直線型，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／馬力，達到了飛機實用水平。法國人塞甘設計的星形排列風冷飛機發動機，至1920年其重量功率比達到1千克／馬力。

20世紀30～50年代的主要研究課題是解決內燃機的“爆震障”難題，以進一步提高壓縮比。壓縮比是吸人氣缸的混合氣與壓縮后混合氣的體積之比，這個參數影響著內燃機的功率及機械效率。然而，當壓縮比提高到4：1左右時，由壓縮產生的高溫使混合氣無需點火就會發生劇烈的爆燃。爆燃時發動機產生劇烈沖擊，影響發動機正常運轉并損壞發動機?！氨鹫稀彪y題是美國通用汽車公司的米格雷和鮑義德解決的。他們在汽油中摻入少許四乙基鉛，以干擾氧和汽油分子的化合過程，從而使壓縮比從4：1提高到8：1，使辛烷值(也稱抗爆值，評定內燃機氣缸中?昆合氣抗爆震性能的指標)在1920-1950年間從55提高到85，大大提高了汽油機的功率和效率。

在這個時期，還有一個研究課題是在汽油機上加裝增壓器。飛機在高空飛行時由于空氣稀薄而供氧不足，嚴重阻礙了飛機的發展。20年代起，英國就出現了用空氣壓縮機向汽油機供氣的增壓設備，可使氣壓達到1．5個大氣壓。30年代末發明燃氣渦輪后，用其驅動增壓器，可使氣壓增至1．6個大氣壓。增壓器的采用，使汽油機的重量功率比降至0．5千克／馬力，功率增至3500馬力，轉速增至3400轉／分，油耗降至0．2千克／馬力·小時，而維修壽命也從20年代的200小時增至70年代的3000小時。

1956年，內燃機發展史上出現了一項革命性的新設計，這就是德國人萬克爾(F．Wankel)發明的旋轉活塞發動機，也稱轉子發動機。在萬克爾轉子發動機中，等邊三角形的轉子在特殊形狀的氣缸中旋轉。在轉子邊和缸體曲線壁之間形成月牙形的燃燒室。轉子的3個頂角裝有彈簧和密封片，密封片與缸體內壁永遠保持滑動接觸和密封。燃燒室的容積隨著轉子的旋轉而依次增大和縮小。從化油器吸人燃燒室的混合氣，隨著轉子旋轉使燃燒室縮小而被壓縮，壓縮到最小時火花塞點火，隨即推動轉子旋轉使燃燒室增大……這種發動機直接使輸出軸旋轉，大大減小了振動，同時革除了曲軸連桿和配氣機構。其零件數減少了40％，重量減輕了50％，體積小了一半，轉速高、功率大、油耗小，因而引起各國重視。

從100多年的內燃機發展史中我們看到，是連續不斷的一項又一項發明，推動著內燃機技術的不斷進步。這歷史再一次印證了那句名言：“發明創造是人類社會進步的階梯?！苯窈?，只要人們的創造活動不終止，內燃機的發展和進步就不會停止。