奧托和內(nèi)燃機的發(fā)明

人類的技術(shù)發(fā)明史告訴我們，任何一項成功的發(fā)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(guān)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(fā)明。瓦特之后，蒸汽機又經(jīng)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(fā)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(zhuǎn)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(jié)省1／2燃料，機械效率(即轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功的能量與消耗的總熱能的比)達到7．5％。又經(jīng)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(nèi)燃機和汽輪機迅速發(fā)展起來，蒸汽機才逐漸被取代。

在蒸汽機不斷改進和發(fā)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(zhì)再轉(zhuǎn)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(guān)。所以，早就有人開始研究把“外燃”改為“內(nèi)燃”——把鍋爐和氣缸合而為一，省掉蒸汽介質(zhì)，讓燃氣燃燒膨脹的高壓氣體直接推動活塞做功——這就是內(nèi)燃機。

1860年前后，有關(guān)內(nèi)燃機的發(fā)明設(shè)想很多，但大都未能解決實用性的問題。這是因為當時對內(nèi)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(nèi)迅速燃燒的燃料。1862年，法國人德羅夏公布了他的內(nèi)燃機理論。提出了提高效率和經(jīng)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(nèi)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(nèi)燃機理論做出的貢獻，可惜他沒有制造出內(nèi)燃機。

第一臺四沖程內(nèi)燃機是德國人奧托于1876年根據(jù)德羅夏的原理制造出來的，因此通常把內(nèi)燃機的發(fā)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(nèi)燃機。3午后與蘭根合作研制成改進發(fā)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(nèi)燃機，這是第一臺可以替代蒸汽機的實用內(nèi)燃機。奧托內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)小巧緊湊，性能穩(wěn)定可靠，轉(zhuǎn)速為80～150轉(zhuǎn)／分，機械效率為12％～14％，重量功率比為200千克／馬力。奧托內(nèi)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(yè)很快發(fā)展起來，汽油和柴油逐漸成為普通商品，并成為內(nèi)燃機發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。奧托內(nèi)燃機誕生以后，在17年中共制造、銷售出5萬多臺。

內(nèi)燃機的發(fā)展史也是一部不斷改進和完善的技術(shù)發(fā)明史。1885年，德國人戴姆勒按奧托機原理研制出定容內(nèi)燃機，利用他發(fā)明的表面汽化器形成的汽油霧為燃料，轉(zhuǎn)速可達800轉(zhuǎn)／分，壓縮比達3：1。次年，德國人本茨(K．Benz)又發(fā)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(yīng)汽車工業(yè)和飛機工業(yè)的需要，內(nèi)燃機更是取得了長足的發(fā)展。

最初20年的發(fā)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(zhuǎn)速、增加缸數(shù)。這一階段內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速已達到1500轉(zhuǎn)／分，由此提出的點火、起動、汽化及冷卻等技術(shù)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(shù)措施。先后出現(xiàn)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(shè)計的星形排列風冷飛機發(fā)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(nèi)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(shù)影響著內(nèi)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(chǎn)生的高溫使混合氣無需點火就會發(fā)生劇烈的爆燃。爆燃時發(fā)動機產(chǎn)生劇烈沖擊，影響發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)并損壞發(fā)動機。“爆震障”難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(nèi)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(fā)展。20年代起，英國就出現(xiàn)了用空氣壓縮機向汽油機供氣的增壓設(shè)備，可使氣壓達到1．5個大氣壓。30年代末發(fā)明燃氣渦輪后，用其驅(qū)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(zhuǎn)速增至3400轉(zhuǎn)／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(nèi)燃機發(fā)展史上出現(xiàn)了一項革命性的新設(shè)計，這就是德國人萬克爾(F．Wankel)發(fā)明的旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動機，也稱轉(zhuǎn)子發(fā)動機。在萬克爾轉(zhuǎn)子發(fā)動機中，等邊三角形的轉(zhuǎn)子在特殊形狀的氣缸中旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)子邊和缸體曲線壁之間形成月牙形的燃燒室。轉(zhuǎn)子的3個頂角裝有彈簧和密封片，密封片與缸體內(nèi)壁永遠保持滑動接觸和密封。燃燒室的容積隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而依次增大和縮小。從化油器吸人燃燒室的混合氣，隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使燃燒室增大……這種發(fā)動機直接使輸出軸旋轉(zhuǎn)，大大減小了振動，同時革除了曲軸連桿和配氣機構(gòu)。其零件數(shù)減少了40％，重量減輕了50％，體積小了一半，轉(zhuǎn)速高、功率大、油耗小，因而引起各國重視。

從100多年的內(nèi)燃機發(fā)展史中我們看到，是連續(xù)不斷的一項又一項發(fā)明，推動著內(nèi)燃機技術(shù)的不斷進步。這歷史再一次印證了那句名言：“發(fā)明創(chuàng)造是人類社會進步的階梯。”今后，只要人們的創(chuàng)造活動不終止，內(nèi)燃機的發(fā)展和進步就不會停止。