它曾改變世界，如今卻將被拋棄

一到霧霾天，有關部門就會說機動車是引發霧霾的罪魁禍首，進而對各種私家車限行。其實我國對待汽車還算客氣的，早在去年，德國就宣布為了實現2050年全國二氧化碳減排80-95%的目標，將在2030年後禁止內燃機汽車的出售，而挪威甚至將內燃機汽車的「死期」提前到了2025年。此外，英國、荷蘭及美國部分州也都宣布到2050年不許銷售內燃機汽車。

汽車尾氣帶來的污染（圖源汽車之家）

內燃機（網路圖）

面對日益臨近的末日，內燃機若有思想，也會長嘆：寶寶心裡苦啊，一百多年來辛辛苦苦地為人類謀福利促發展，儘管帶來了一些環境污染和交通事故，但畢竟功大於過，不至於被拋棄嘛！

內燃機驀然回首，不禁回想起曾經快樂的日子，那時候，眾多科學家和工程師為了發明它而焚膏繼晷，無數的人為它的誕生而歡呼雀躍……

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那是十九世紀初，距離瓦特製造出第一台實用的蒸汽機已有幾十年。人們一方面受惠於蒸汽機帶來的社會進步，另一方面卻又對蒸汽機不甚滿意：它的鍋爐十分龐大笨重，操作又很複雜，最令人煩惱的是它的熱效率太低，還不足10%。

笨重的蒸汽機（網路圖）

蒸汽機其實還有個名稱——外燃機，顧名思義，它是在汽缸外完成燃燒的。也就是說，煤炭等燃料先將鍋爐內的水加熱產生蒸汽，蒸汽再進入氣缸推動活塞運動，這無疑加大了熱損失，效率低也就不足為奇了。因此，很多人都在琢磨：能否發明一種不需要鍋爐和蒸汽介質，燃料可以直接在氣缸內燃燒做功的內燃機呢？

單流式蒸汽機原理動畫（圖源：wikipedia）

然而，儘管很多科學家和工程師都使出了洪荒之力，但效果並不理想，他們所研製的內燃機很不實用，熱效率比蒸汽機還低得多。法國物理學家卡諾對此也很糾結，不過他很快就明白過來：大家都在動手蠻幹，卻沒人從理論上考慮內燃機合不合理，實踐應該遵從理論指導才對，我要先把理論搞清楚！

卡諾（Nicolas Léonard Sadi Carnot，1796-1832，網路圖）

從1814年開始，卡諾全身心投入到內燃機的理論研究，他勤奮鑽研熱機運轉中的基本問題，反覆比較輸入的熱量和做功的最大值之間的關係。正所謂「苦心人，天不負」，在深入研究了十年後，卡諾終於搞懂了熱與機械能轉換的關係，於1824年提出了熱力學上著名的「卡諾循環」學說。

什麼是「卡諾循環」呢？它是一種理想的熱力循環，包括兩個等溫過程和兩個等熵過程，卡諾假設系統只與高溫、低溫兩個熱源交換熱量，並據此計算出了熱效率的最高值。沒學過熱力學的小夥伴可能有些迷糊，你可以這樣簡單理解：「卡諾循環」將熱力學和動力聯繫了起來，如果提高高溫熱源的溫度，降低低溫熱源的溫度，熱效率就會提高。

卡諾循環示意（網路圖）

分別採用溫度-熵（左）和壓力-容積（右）表示的卡諾循環（網路圖）

「卡諾循環」為提高熱機效率指明了方向，然而不幸的是，卡諾提出這一學說後沒幾年便感染霍亂英年早逝了，他的理論也隨之埋沒，未得到重視。

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直到1862年，「卡諾循環」的妙處才被法國科學家德羅夏發現。他在認真研究「卡諾循環」後認為，要提高內燃機的效率，應當減小單位氣缸容積的冷卻面積，同時提高氣體膨脹前的壓力、氣體膨脹的範圍及活塞速率。德羅夏據此提出了內燃機的四衝程工作原理：吸氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣。不過多數法國人對他的理論反響平平，德羅夏也就僅止步於理論了，沒有製造出實物。

德羅夏（Alphonse Beau de Rochas，1815-1893，圖源：太平洋汽車網）

然而，在鄰邦德國，一位叫奧托的工程師卻對德羅夏的理論表現得很激動：德羅夏的想法太妙了，我一定要製造出四衝程的內燃機！說做就做，奧托立馬行動起來。

奧托（Nikolaus August Otto，1832-1891，網路圖）

奧托很快製作出一台樣機，他選擇了當時常用的煤氣作燃料，首先將煤氣與空氣混合，然後把混合氣引入氣缸內。可剛一點火，零件接頭和軸承就因氣體強大的爆發力而損壞了。多次實驗後，除了一堆廢鐵，奧托一無所獲。他不免有些沮喪，卻又丈二和尚摸不著頭腦，不知原因所在，便出國散心去了。

奧托設計的四衝程內燃機結構示意圖（網路圖）

回國的路上，奧托陷入了沉思，他忽然靈光一閃：將混合氣變得足夠稀薄不就可以了嗎！如此一來，不但會減小爆發力，燃燒後還可以在氣缸內形成負壓，活塞便可在大氣壓的作用下逆行，機器就能連續運轉。真是簡單而又絕妙的做法！想到此，奧托急匆匆趕回實驗室，重新開始實驗。

經過反覆嘗試，奧托終於在1876年成功研製出了世界上第一台實用的四衝程內燃機。奧托的內燃機結構小巧，運行平穩，熱效率更是達到了蒸汽機難以企及的14%。

奧托於1876年發明的四衝程內燃機（網路圖）

奧托發明的內燃機很快就用到了生產生活中，當時的人們將它稱為「瓦特以來動力機方面最大的成就」。奧托後來還成立了一家內燃機公司，對內燃機進行大規模生產，數年內就賣出3萬多台，賺得盆滿缽滿。

一石激起千層浪，奧托的巨大成功，吸引了大量工程師投入到內燃機的改造事業中。

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奧托的內燃機採用煤氣作燃料，因而又叫煤氣機。煤氣機雖比蒸汽機進步得多，但煤氣仍然不便攜帶，需要煤氣發生爐和管道系統，人們很希望能找到替代煤氣的燃料，以去掉這些冗餘的裝置。

十八世紀後半葉，隨著石油工業的興起，人們將目光投向了易於揮發的汽油，其中便包括現代汽車工業的先驅之一——戴姆勒。戴姆勒曾和奧托一起研製煤氣機，但他後來認為汽油等液體燃料才是內燃機的未來，而奧托則依然對煤氣機情有獨鍾，二人意見不合便分道揚鑣了。

戴姆勒（Gottlieb Wilhelm Daimler，1834-1900，網路圖）

戴姆勒找來了傑出的工程師邁巴赫，二人在煤氣機的基礎上增加了化油器，點火裝置則採用了白熾燈管。研製過程似乎很順利，1883年他們成功製造出第一台汽油機。此前的內燃機轉速從未超過200轉/分，而戴姆勒和邁巴赫則一舉將轉速提高到了800~1000轉/分。

邁巴赫（Wilhelm Maybach，1846-1929，網路圖）

戴姆勒和邁巴赫研製的汽油機（網路圖）

戴姆勒於1886年研製的汽油機汽車（網路圖）

幾乎與戴姆勒同時，本茨（後人稱為「汽車之父」）也成功發明出了類似的汽油機。戴姆勒和本茨的汽油機由於體積小、質量輕、效率高，一發明出來就立刻被用到了汽車上，轟轟烈烈的汽車時代到來了！（請戳：「臭怪物」開啟汽車時代）

本茨（Karl Friedrich Benz，1844-1929，網路圖）

本茨研製的汽油機（網路圖）

本茨於1885年研製的汽油機汽車（網路圖）

汽油機被發明後，很快取代了煤氣機，可謂一時風頭無兩，集萬千寵愛於一身。當時，有個叫狄塞爾的德國工程師也對汽油機產生了濃厚興緻，但他覺得汽油有些昂貴，他想：能否採用價格低廉的柴油作燃料呢？

狄塞爾（Rudolf Diesel，1858-1913，網路圖）

1893年，狄塞爾製造出了第一台樣機，他興奮地邀請了很多人圍觀實驗。然而，當柴油進入氣缸時，卻忽然發生了巨響，只見排氣管不停向外噴著黑煙和火光，氣缸蓋上的儀器也瞬間飛了出去。圍觀的群眾都受到了驚嚇，紛紛表示：狄塞爾同志不行，狄塞爾同志的柴油機是沒有前途的。

狄塞爾沒把別人的冷嘲熱諷放在心上，他認為雖然實驗失敗了，但至少證明了柴油噴入高壓空氣中可以自行燃燒。七個月後，狄塞爾總算小有成就，他的新機器終於可以運轉了，儘管只運轉了短短一分鐘，卻讓他信心大增。1897年初，狄塞爾終於研製出第一台實用的柴油機。

狄塞爾於1893年第一次實驗時所用的樣機（網路圖）

如今的柴油機（網路圖）

柴油不但比汽油便宜，熱效率也提高到了26%，柴油機很快便被用到了汽車、輪船、火車上。

二十世紀初，內燃機又被用到飛機上，催生了航空工業的興起。

四衝程汽油機（左）和柴油機（右）工作示意（圖源：360doc）

內燃機是人類繼蒸汽機之後，動力領域最偉大的發明之一。儘管內燃機終將在不遠的未來退出歷史舞台，但過去的一百多年來，內燃機一直在交通和工程機械領域佔據絕對的統治地位，它對世界經濟發展和交通運輸進步所做出的巨大貢獻是有目共睹的。

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參考文獻

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