第三十三章历史的动力
往复活塞式内燃机的发明
内燃机作为动力机械，自19世纪60年代诞生以来，在国民经济各部门和国防工业中获得广泛
应用，同时也发展出多种形式，是人类社会生产活动的基本装备之一。
青出于蓝而胜于蓝
1690年巴本设计制造了用水蒸汽作工质的活塞式发动机，从而成为近代蒸汽机的创始人。蒸
汽机以煤做燃料，采用外燃的方法，因而立即引起了广泛的研究和改进。在瓦特以后的一个
世纪里，蒸汽机几乎成为
惟一的动力机，经历了它的全盛时期。
由于蒸汽机是活塞式外燃机，在生产中暴露出来一系列固有的缺点：第一，热效率较低。当
时一般只有5～8%，最高也不过10～13%。第二，结构笨重，其体积庞大，不易
移动。第三，操作不便，运行不够安全。锅炉需要预热两个多小时，不能随意启动和停止，
由于锅炉储能很大还容易发生爆炸。第四，价格昂贵。人们迫切需要一部没有锅炉，比蒸汽
机更小、更便宜、适应性更大、运行更灵活的发动机。
到19世纪，随着自然科学和各项工程技术的发展，发明内燃机的有利条件终于出现。在机械
制造方面，自18世纪末以来，先后出现了以蒸汽机为动力的车床、铣床、磨床、刨床、齿轮
及螺旋加工机床等。在冶金技术方面，1878年英国
托马斯用碱性炉衬转炉炼钢，成功地使生铁去磷；1880年德国西门子创造了电弧炉炼钢。这
些都为制造高性能的内燃机提供了材料和加工等条件。煤气工业和石油工业的发展则为内燃
机的应用准备了必要的燃料，在蒸汽机的基础上，热力学也发展起来了。在1824年法国物理
学家卡诺提出理想热机的卡诺循环以后，到19世纪中叶已先后建立了热力学第一定律和第二
定律，为完成内燃机的发明准备了理论基础。最后，蒸汽机在其发展过程中不断改进完善活
塞、活塞环、轴承、气阀及曲柄连杆机构等，也为内燃机准备了结构基础。正是这种技术上
继承性，使初期的内燃机与蒸汽机十分相似。总之，蒸汽机培育了内燃机，内燃机又超过了
它。这就是技术发展的辩证法。
到19世纪，往复式内燃机产生的有利条件逐步成熟，“内燃”这种运行方式的优越性日益显
示出来了。第一，既简单又经济。内燃机不需要庞大的锅炉和蒸汽管道系统，结构紧凑；它
去了蒸汽作中介工质，从而减少了热能损失，大大提高了热效率。第二，既适用又方便。内
燃机体积小、重量轻，可以作为中小企业实用的动力，和用来装备不适于安装庞大蒸汽机的
小型车辆和各种交通运输工具；它操作方便，可以随时启动和停机。由于内燃机具有上述
本质上的先进性，这就决定了它终将取代蒸汽机。
走向实用踏上征程
1794年英国人斯垂特制造了一种内燃机，但操作起来非常粗笨，它需要用人工把空气压入汽
缸；然后喷入液体燃料并点火，再靠燃气推动活塞上升；最后，因燃气冷却收缩，再使活塞
下降。这是内燃机走向实用阶段的重要一步。到1799年，法国工程师蓝蓬第一个提出了用照
明煤气作燃料，用电火花点火的内燃机设计方案。
19世纪初，不少发明家发展了斯垂特机的技术思想：利用冷却燃气产生真空，用大气压力推
动活塞作功，这种发动机称为真空活塞机。
1833年提出了所谓“爆发”发动机，它直接利用燃气压力推动活塞作功，从而结束了真空活
塞机的历史。
1854年意大利人巴尔桑奇和玛特依西试验自由活塞发动机实现了爆发作功。但它采用齿条—
—齿轮装置连接活塞和输出轴，没有在蒸汽机上久经考验的曲柄连杆机构合理而有效，结果
以失败而告终。
1855年英国机械工程师南斯波登发明了自身涨缩的弹力活塞环，使气缸密封性能大大提高。
1860年法国发明家里诺制成了第一台实用内燃机——单缸、二冲程、无压缩和电点火的煤气
机，输出功率1马力～2马力，转速为每分钟100转。它和二冲程卧式蒸汽机很类似，仅仅以
煤气
代替了蒸汽。由于它能平稳运转，很受中小企业的欢迎。内燃机第一次批量生产。它的缺点
是燃料消耗很高，每马力小时需要100立方英尺煤气，而热效率仅4%，且动作缓慢，电点火
也不可靠，其性能还比不上当时已充分发展的蒸汽机。里诺的内燃机虽然没有被推广应用，
但他第一个打开了实用内燃机的大门。
法国工程师德罗沙在对内燃机热力过程进行理论分析之后，提出了提高内燃机热效率的关键
措施，即预先压缩空气和燃气的混合物。他已认识到压缩比是决定内燃机效率的重要因素。
此外，他还预见了压燃原
理，提出了四冲程循环：进气、压缩、燃烧和膨胀、排气。后来这一循环由德国人奥托实现
，被称为奥托循环。
日臻完善最大成就
1876年德国工程师奥托和朗根戴姆勒、迈巴赫制成第一台四冲程活塞式内燃机。
奥托是德国科隆的一个年轻的商人。1860年德国报纸报道了里诺的发明使他决心深入研究内
机问题。1862年，他在一个小车间内制成一台煤气机，功率仅有半马力。奥
托依据最初蒸汽机利用的大气压原理，他想：要是进入汽缸中的混合气体非常稀薄，爆发力
就很弱，随着活塞的推进和混合气的冷却，气缸内压力下降，形成负压，在大气压作用下，
活塞又将被推下来，这样就能实现连续运转。正当奥托作为一个业余发明家为研制大气式发
动机而花光了钱时，他和德国工程师朗根结成了幸运的伙伴。1864年，他们创办了奥托公司
，制造“奥托型常压式煤气发
动机”，成为世界上第一家专门生产内燃机的工厂。
1867年奥托制造的煤气机参加了巴黎万国博览会，当人们知道它比里诺发动机少耗2/3的燃
料时，对它予以很大的重视。但这种大气式内燃机仍存在功率小、体积大、效率低和噪音大
等缺点。后来，朗根的朋友、工程师里拉克斯提出了压缩混合气体的内燃技术方案。根据这
个方案，1876年奥托制成了第一台四冲程往复活塞式内燃机，它是单缸卧式、以照明煤气为
燃料、功率大约3马力、每分钟180转、自重每马力约1磅～2000磅。由于它每两转中只有一
动力冲程，所以必须有一个飞轮，使运转平稳。他把进气道加长，又改进了气缸盖，使混合
气充分形成。从热力学角度看，点火前压缩，使燃烧得以在较高温度下进行，热效率可以大
大提高。这是一部非常成功的发动机，其热效率相当于蒸汽机的两倍。他把三个关键的技术
想：内燃、压缩燃气、四冲程，三位一体，使这种内燃机具有效率高、体积小、重量轻和马
力大等一系列优点，在1878年巴黎万国博览会上，被誉为“瓦特以来动力机方面最大的成就
”。
在奥托之后，英国工程师克拉克制造了二冲程循环的内燃机，它在每两个冲程中就有一个动
力冲程。在内燃机的气缸直径、活塞冲程和转速等相同情况下，二冲程式的功率比四冲程式
大。他还在内燃机上装了两个汽缸，当一个汽缸处于回复阶段时，
让另一汽缸燃爆作功，这样就能使输出的动力较为均匀，且提高了效率。
上述的内燃机都是煤气机，虽然比蒸汽机已有很大优越性，但与社会化大生产下交通运输业
的要求仍然是不相适应的。要使发动机自重轻
，并仍有足够的功率去驱动车辆，惟一的方法是提高转速。而提高转速的关键之一便是改进
点火技术。到19世纪下半叶，随着石油工业的兴起，用石油产品取代煤气作燃料已成为大
势所趋。
石油产品最佳动力
汽油机的首次研制成功，应归功于德国工程师戴姆勒和本茨。
1875年迈巴赫曾将汽油燃料用于奥托发动机。后来，他设计成了汽化器的现代形式，还用
白炽灯管解决了点火问题。1883年制成了第一台现代四冲程往复式汽油机。以往内燃机的转
速都不超过200转每分，而戴姆勒汽油机的转速一跃为每分800转～1000转。它的特点是
马力大、
重量轻、体积小、转速快和效率高，特别适用于交通工具。1885年制成封闭式发动机——今
天仍有效的车辆发动机，并很快制成了第一台摩托车。1886年第一辆四轮汽车和第一艘摩托
船问世。19世纪末由迈巴赫设计制造的蜂房冷却器使戴
姆勒发动机发展成为大功率的车辆发动机。
与此同时，德国工程师本茨于1883年成立了莱茵煤气发动机厂本茨公司，生产当时急需的固
定式发动机。1885年制成第一辆四冲程引擎的三轮汽车，它起动方便，时速约15公里，
装有后来汽车都有的电点火装置和水冷式冷却器，并且发动机与车架作为一个整体来设计，
此本茨被称为“汽车之父”。这部汽车使本茨第一次获得汽车专利。1890年本茨从生产三轮
汽车转而生产四轮汽车，发动机功率为三匹半马力，采用差动传动装置，并于1893年首次成
批生产。
戴姆勒和本茨的汽车发动机都以汽油为燃料，而在分馏原油时剩下的重油价格虽低却无法加
以利用。狄塞尔早在慕尼黑技术大学学习时就思考着一种新的发动机工作方式，1892年他提
出了在内燃机中使用压缩点火的技术专利。他设想将压缩比提高
到250∶1，以压缩气体产生的高温来点火。这样，不但可以
省去汽化器和点火装置，提高热效率，而且可以使用比汽油便宜得多的柴油作燃料。1897年
狄塞尔得到奥格斯堡—纽伦堡机械厂和弗里德里希·克虏伯公司
的支持，根据他的设计制成了第一台压缩点火的柴油机，即“狄塞尔”内燃机。
到20世纪20年代研制出适用的燃
油喷射系统之后，柴油机才开始广泛应用于卡车、拖拉机、公共汽车、机床和舰船等重要运
输工具。
柴油机的问世，标志着往复活塞式内燃机的发明基本完成。以后的任务在于应用，并在应用
中不断改进其性能。