內燃機的發明與發展

蒸汽機作為一種強大的工業動力機械，自18世紀發明以來不斷得到改進，對當時的工業革命產生了巨大的作用和影響，并導致了火車和輪船的發明。其后，在陸路和水路運輸業中都迅速得到了應用。然而蒸汽機又存在著許多難以克服的缺點，諸如效率低(熱效率一般在5-8％）、速度慢、體積大、運轉笨、安全性差(時常發生爆炸）。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，應用便受到了限制，因此，人們祈盼著發明理想的熱機。1859年8月29日，美國采礦工程師德萊克在賓夕法尼亞州利用地下取鹽的鉆機打出了世界上第一口油井，從此，石油成為化學工業的重要原料，亦為內燃機的發展提供了能源條件。在這種情況下，內燃機便應運而生了。

說起內燃機發明來，應當說首先是火炮給了人們重要啟迪，甚至可以說火炮是內燃機的雛形。最早利用火炮原理進行動力機械研究的是著名物理學家惠更斯。由于發明內燃機的條件尚不具備，結果是盡管內燃機的設想在蒸汽機之前，而內燃機的誕生卻在蒸汽機之后。

1.從煤氣機的問世到汽油機的成功

18-19世紀隨著煤炭、石油工業的發展，煤氣的生成和石油的分餾使內燃機的發明成為可能。在年燃機的發展過程中，不少國家的工程師、發明家對內燃機的設計、改進做出了開拓性的貢獻。而第一臺可以實際應用并投入生產的內燃機是一部二沖程、無壓縮、電點火的煤氣機，其功勞當歸法國人雷諾(1821-1900)，制造成功時為1860年。雖然其熱效率只有4％，但它畢竟是一種非蒸汽動力的新型熱機。其后，隨著熱力學理論的發展，法國工程師德.羅沙在1862年提出了制造高效率內燃機的四沖程循環原理。這一原理的實現是由德國人奧托(1832-1891）率先完成的。他研制出第一臺四沖程活塞式內燃機并于1876年獲得專利，1877年在巴黎博覽會上展出便很快得到推廣。奧托內燃機是一種煤氣機，其熱效率達14％。奧托在35年中，一直從事內燃機的研究，后來又把熱效率提高到20％以上。他因此而獲得了內燃機發明者的榮譽。

內燃機在其發展過程中不斷改進和完善，但其向小型化、高速化轉變則是在石油燃料出現之后，確切地說是采用汽油作燃料之后才實現的。在奧托成功地研制出四沖程活塞式內燃機之后，他創立了德意志煤氣發動機股份公司，其合作者德國人戴姆勒(1834-1900)在奧托內燃機的基礎上，改用汽油作燃料，于1883年成功地制造出第一臺現代四沖程往復式汽油發動機。其中的關鍵部分是戴姆勒發明的汽化器。于是發動機的轉數由煤氣機的每分種200轉迅速提高到900轉。1889年，戴姆勒又制成了V型雙缸汽油機，用于汽車并獲得了專利。

2.柴油發動機的誕生

在石油中的輕質部分——汽油，用來充當燃料驅動內燃機獲得成功之后，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和柴油機。1886年，滕特和卜雷斯特曼研制成功100馬力的煤油機，并用于農業耕作。1892年，德國機械工程師狄塞爾(1858-1913)研制成功了柴油機。這是一種不用點火裝置的壓燃式內燃機。它加長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％，取得了內燃機技術的重大突破。狄塞爾研制的第一臺18馬力的壓燃式內燃機，1897年在慕尼黑展覽會上一展出，立即引起了人們的注目和贊賞。狄塞爾看到自己發明的商業價值之后，迅速申請了專利，并廣為推銷其發明，他還開辦了自己的柴油機制造廠，于是很快成了百萬富翁。由于這種新型的柴油機還不夠成熟，狄塞爾又無暇進行繼續研究和改進，于是他的柴油機制造廠所生產的第一批產品，由于運轉不良，用戶紛紛退貨。狄塞爾和他的柴油機一下子弄得聲名狼籍，在激烈的競爭中，不僅賠光了家產，而且負下了20萬美元的債務。面對這一沉重打擊，狄塞爾悲觀之極自殺身亡。此后，狄塞爾柴油機經過30年的改進才日趨完善，并成為重型運轉工具中無可替代的原動機。

3.汽輪機的研制

在內燃機發展的同時，另外兩種新型熱機也在加緊研制之中。一種是蒸汽渦輪機。另一種是燃汽輪機。蒸汽渦輪機的運動部件是轉子，轉子在蒸汽反沖力的作用下發生轉動，由此帶動其他部件的運動。英國人查爾斯.帕森斯(1854-1931）在1884年取得了蒸汽渦輪機的專利。這部渦輪機的轉子以每分鐘750-18000轉的轉速高速旋轉。1889年瑞典人拉瓦爾(1845-1913)制造的沖擊式高速汽輪機的轉速竟高達每分種10000-30000轉。由于汽輪機較之蒸汽機具有明顯的高速、強力、高效等優點，因此汽輪機成為更加理想的熱機。

燃汽輪機的結構與蒸汽輪機類似，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，連續燃燒，產生的燃燒氣體推動轉子的渦輪葉片轉動。在燃汽輪機的發明、改進過程中，不少人為此進行了不懈的探索，1872年德國人斯托茲第一個實際制造出具有現代特征的燃汽輪機，因其熱效率很低，并未獲得應用。進入20世紀后，幾經改進燃汽輪機才達到實用階段。由于燃汽輪機存在難以克服的缺點：熱效率低、噪聲大、成本高、壽命短、污染嚴重，因而僅用于發電、飛機、船舶等幾個有限的方面。