第14章 鲁道夫·狄塞尔：柴油机的发明者
拖拉机在田野里发出轰鸣，载重汽车在公路上奔驰，轮船在海洋上破浪前进，它们都需要柴油机提供的动力。柴油机的应用十分普遍。它作为一种热效率较高的动力机，直到今天，在许多地方和生产部门中仍然发挥着重要的作用。柴油机的发明者，是近代德国的一位工程师，名叫鲁道夫·狄塞尔。
1858年3月18日，狄塞尔出生在巴黎一个德国侨民的家庭里。
1879年，21岁的狄塞尔以优异成绩在慕尼黑工科大学毕业。毕业后，他成为林德教授的助手。不久，又到瑞士文特图尔的苏尔寿机器工厂进行短期实习。第二年，狄塞尔到达巴黎，在林德冷冻公司所属的巴黎制冰厂工作，担任这个厂的工程师。从1880年到1890年，狄塞尔在巴黎整整工作了10年。在这10年中，他一直致力于动力机的研究和改进。
研究工作是从对蒸气机的改造开始的。自从瓦特发明蒸汽机以来，蒸汽机作为惟一的动力机，得到了广泛的应用。但是，蒸汽机在使用过程中，暴露出它的很多缺点。例如：体积大、操作不方便、运行不够安全，等等。特别是它的效率不高，在10％以下，有的效率甚至只有5％～6％。随着工业生产的发展，需要一种使用方便、效率更高的动力机。
为了克服蒸汽机的缺点，很多人都在进行研究和改进。人们发现，蒸汽机的很多缺点，都是由于它的外部燃烧方式带来的。只有改变这种外部燃烧方式，使燃料直接在汽缸内部燃烧，热能直接做功，才会提高动力机的效率。正是根据这些设想，有位名叫里诺的法国工程师，曾在1860年制成一台煤气机。里诺的煤气机虽然是比蒸汽机体积要小的一种内燃机，但是燃料消耗很大，热效率也只有4％左右。
动力机的效率，指的是它在使用过程中，起动力作用的能量在使用的燃料能量中所占的比例。既然煤气机的效率还不如蒸汽机的效率高，当然也就没有应用价值厂。不过，煤气机的内部燃烧方式优于蒸汽机，因而是可取的。
狄塞尔在研究如何改造蒸汽机的时候，也是本着将外部燃烧方式改变为内部燃烧方式的思路，进行探索的。他花费了大量时间和精力，进行新型动力机的研究和制造工作。在这个过程中，他打算制造一部用氨气来驱动的新型动力机。在研究“氨气发动机”时，他深入地探讨了卡诺的理论。卡诺是法国的著名物理学家。他曾设想通过内燃来为热力发动机提供热源，从而提高热力发动机的效率。要想做到这一点，就需要找到一种比蒸汽更好的工质。所谓“212质”，是“工作介质”的简称，指的是机器中借以完成能量转化的媒介物质。卡诺认为，可以将空气作为工质。其他一些工程师也曾提出过用空气、碳酸和乙醇来代替蒸汽，作为工质。狄塞尔在卡诺理论的启发下，打算用氨气来作为工质。
狄塞尔为什么会想到用氨气来作为工质呢？这同他在巴黎期间的实际工作有着密切的关系。由于他是制冰厂的工程师，非常了解氨气的性质和用途。在制冰生产过程中，离不开氨。氨是一种制冷剂，它在制冷机中能够把热量从低温处传送到高温处。正因为氨气具有促使热量转移的性能，所以狄塞尔就想利用它来代替蒸汽。他想把氨气作为热力发动机中的媒介物质，促使热能转化为机械能，成为动力做功。
可是，狄塞尔花了大量时间进行研究和实验，结果都失败了。实践证明，利用氨气作为工质来制造热力发动机，是不可能做到的。他认识到这一点之后，就果断地把研制“氨气发动机”的计划放弃了。对“氨气发动机”的研究，可以说是狄塞尔走过的一段弯路。但是，这件事也说明，狄塞尔对在科学技术方面的发明创造，表现了实事求是的态度。
1890年，狄塞尔回到德国，到奥格斯堡机器制造厂工作。从这时起，他全力投入到内燃机的研究之中，决心制造出一部经济实用、效率更高的新型热力发动机。
当时，无论从理论上或者技术上来说，研制内燃机的条件都已经完全具备了。前面已经提到，将热力发动机从外部燃烧方式改变为内部燃烧方式，从而提高效率，这方面的研究工作早就有人进行了。里诺在1860年发明的煤气机，应用价值不高。1862年，法国人德罗夏提出了四冲程内燃机的理论。理论问题解决了，但是要制造出能够实际应用的内燃机，却不是一件容易的事情。直到1876年，有一位名叫奥托的德国工程师，才根据德罗夏的理论，经过反复研究试验，对里诺的煤气机进行重大改造，制成了一台四冲程内燃机，使热效率提高到了14％。但是，奥托的内燃机仍然用煤气作燃料，缺点不少。1883年，德国的另一位工程师戴姆勒制成了汽油发动机，进一步提高了效率。
狄塞尔早在大学学习期间，就已经萌发了研制内燃机的想法。这时，奥托和戴姆勒的成功又使他受到极大的鼓舞。于是，他便在奥托和戴姆勒发明的内燃机的基础上，进一步深入研究。狄塞尔雄心勃勃，希望超过他们。为了使发动机得到更广泛的应用，他打算使用价格低廉的燃料，作为内燃机的热能来源。
起初，狄塞尔也曾试图使用煤粉作燃料，设计出煤粉压燃式内燃机，并于1892年获得了专利。但是，这种内燃机在实际操作中并不成功。经过实验，发现利用压缩点火方法实现煤粉燃料，非常困难。于是，他便放弃煤粉，改用柴油作为内燃机的燃料了。
不过，使用柴油作燃料，仍然遇到了很多困难。例如：汽油的燃点（也叫“着火点”或“发火点”）低，容易点燃；而柴油的燃点比汽油要高，不容易点燃。因此。利用柴油作燃料，必须解决怎样在汽缸里点燃柴油的问题。
狄塞尔不畏困难，积极进取。他深入钻研卡诺等人的有关理论，反复进行计算和实验，终于找到了解决问题的办法：他将自己的研究心得加以总结，于1892年写成了题为《合理的热机的理论和设计》的论文。这篇论文发表后，得到了工程界和一些著名教授的重视。
狄塞尔在这篇论文中提出的“合理的热机”，就是他设计的一种新型内燃机。他认为，这种新型内燃机，可以代替蒸汽机以及当时正在使用的其他内燃机。那么，这种新型内燃机是怎样操作的呢？按照狄塞尔的设计，先向汽缸内送人空气，然后强力压缩空气，使空气的温度升高。接着，向汽缸内喷人柴油。在高温高压之下，柴油就会自然着火。汽缸内的温度由于柴油的燃烧而变得更高，使气体急剧膨胀，从而推动活塞做功。
这种内燃机不用设置点火装置，因此就结构来说比汽油发动机更为简化了。同时，它开始吸进汽缸内的是纯净的空气，而不是空气与燃料的混合物，因此，在加大压缩压力时，不会发生“爆燃”。这样，也就可以提高压缩压力，使压缩的空气温度达到或超过柴油的燃点，引燃柴油。狄塞尔认为，柴油燃烧时火力很强，因此，使用柴油的内燃机，是一种输出功率很大的发动机。
新式内燃机虽然研究设计出来了，但是要把它实际制造出来，还有很长一段路程。首先面临的是经费问题。为此，狄塞尔又不得不到各地去进行宣传。他耐心地向工厂老板们介绍这种机器的性能、优点和实用价值，希望得到他们的资助。经过不懈的努力，他终于说服了克虏伯公司和奥格斯堡机器制造厂的老板？他们表示，愿意在资金方面给予合作。要做成一件事，是多么不容易啊！
经费问题解决后，狄塞尔干劲倍增，1893年，他制成了第一台使用柴油的发动机，一般称之为柴油机。但是，这台柴油机在试验时却没有成功。据说，当时在场观看的人很多；他们怀着各种心态，注视着狄塞尔的试验操作。试验开始时，机器运转得还比较正常。可是，就在往汽缸里喷人燃料的瞬间，突然发生了爆炸。随着一声巨响，安装在汽缸盖上的测功指示器被炸飞了，一股浓烟从排气管内喷射出来，火花向四处飞溅。人们见到这种情景，吓得纷纷逃跑了。
第一次试验失败后，各种各样的议论接踵而来。除了冷嘲热讽之外，还有人对狄塞尔的设计是否合理表示怀疑。面对着失败带来的沉重打击，狄塞尔并没有灰心丧气。他镇静地总结经验教训，尤其是仔细检查机器结构和操作过程，以便发现问题，找到解决办法。狄塞尔认为，这次试验虽然总的说来没有成功，但是其中也有成功的地方。例如，通过试验证明，将燃料喷入高压空气中是能够自动着火的。这一点特别重要，因为它符合狄塞尔设计时所依据的原理。于是，狄塞尔的信心反而进一步增强了。
狄塞尔针对发现的问题，继续进行研究和改进。经过7个月的辛勤劳动，1894年2月，他又制成了一台柴油发动机。这台柴油机在试验时实现了运转，可是运转的时间很短，仅仅有1分钟，就停了下来。故障在哪里呢？经过检查发现，原因在于汽缸内承受的压力太大，使汽缸内壁产生了裂痕。这次试验虽然仍未完全成功，但是同第一次试验比较起来，显然是前进了一大步。
狄塞尔毫不气馁，鼓起干劲继续进行研究和改进。针对汽缸出现的问题，他取消了原来设计的等温燃烧过程，采用水冷式汽缸，并且适当降低了压缩空气的压力。这次重新设计和改制的柴油机，又花费了长达三年的时间，直到1897年，才算最后完成。
这是何等劳累的三年啊。狄塞尔在这次研制工作中，特别慎重。他根据前两次试验失败中获得的教训，重新审视了自己原来提出的理论和设计，经过反复推敲，毅然抛弃了不正确的部分。同时，他还把科学技术发展中出现的新知识，特别是有关内燃机方面的技术知识吸收进来。正因为如此，狄塞尔的内燃机理论，在几年的研制过程中进行了不断的修改，也就更为完善了。
当然，在新型柴油机制造过程中，狄塞尔还遇到了经费不足、材料缺乏和技术跟不上等困难。但是，所有这些困难，他都以顽强的精神一个个地克服了。他的研制工作，一直是在奥格斯堡机器制造厂进行的。除了奥格斯堡机器制造厂对他的支持外，他还得到了克虏伯公司在财力上的援助。应当承认，这些也都是狄塞尔获得成功的条件。
狄塞尔研制的柴油发动机，在1897年正式诞生了。它运转时输出的功率，起初为18马力，后来达到25马力。柴油机的热能损耗较少，使用时效率可以达到38％，超过了其他热力发动机的效率。1898年，在慕尼黑举行的国际展览会上，狄塞尔发明的新式柴油机首次公开展出，得到人们的普遍赞扬。由于柴油机与狄塞尔的名字是紧密联系在一起的，因此人们也将他的柴油机称为“狄塞尔机”。