2.4 内燃机汽车的发明史

2.4.1 内燃机的发明

现代汽车是伴随着内燃机的发明而出现的，而内燃机的发明可以追溯到17世纪70年代。早在1670年，荷兰的数学、物理和天文学家海更斯用火药作为燃料，利用其点燃后迅速产生的气体膨胀推力推动活塞运动，就制造出了世界上第一台“内燃机”。虽然内燃机起源于用火药爆炸获取动力，但因火药燃烧难以控制而未获成功。

1794年，英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力，并且第一次提出了燃料与空气混合的概念。1833年，英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动活塞做功的设计。直到1860年，比利时出生的法国发明家雷诺尔（Lenoir）模仿蒸汽机的结构，设计制造出第一台实用的煤气机（图2-17）。这是一种无压缩、电点火、使用照明煤气的内燃机。雷诺尔首先在内燃机中采用了弹力活塞环，安装了蓄电池点火系统，这台煤气机的热效率为4%左右。

1876年，德国发明家尼古拉·奥托（Nikolaus August Otto）依据四冲程工作原理，首创四冲程活塞循环，设计并制造出较为经济的四冲程往复式活塞内燃机（图2-18），仍以煤气为燃料，采用火焰点火，转速为156.7 r/min，压缩比为2.66，热效率达到14%，运转平稳。在当时，无论是功率还是热效率，都是最高的。它与现代内燃机的原理很接近，是第一台能代替蒸汽机的实用内燃机。奥托内燃机获得推广，性能也在提高。1880年单机功率达到11～15 kW（15～20马力），到1893年又提高到150 kW。由于压缩比的提高，热效率也随之增高，1886年热效率为15.5%, 1897年已高达20%～26%。

德国人戴姆勒（Daimler）是第一个尝试通过提高发动机转速（500～1000 r/min）来提高发动机功率并将其用于驱动汽车的人。戴姆勒的发动机专利可以追溯到1884年，他于1889年申请了双缸Ⅴ型发动机专利，并大批量生产。1890年，德国人狄塞尔（Diesel）提出了压缩空气带燃油喷射后同时着火的概念，并在1892年申请了专利，于1893年制造出了样机（图2-19）。该样机的热效率达到26%，大大高于同时期的其他热力机。狄塞尔借助高压（7 MPa）空气将燃油喷入气缸，因为那时没有高压液体燃油泵，空气喷射需要高成本的高压空气泵和大容积储气罐，限制柴油机只能用于固定发电装置和轮船。直到1920年，小型高速压燃发动机才开始用作汽车动力源。

1957年，德国人汪克尔（Wankel）发明了转子发动机（图2-20）。转子发动机的特点是利用内转子圆外旋轮线和外转子圆内旋轮线相结合的机构，无曲轴连杆和配气机构，可将三角活塞运动直接转换为旋转运动，其零件数比往复活塞式汽油机少40%，质量轻、体积小、转速高、功率大。1958年，汪克尔将外转子改为固定转子行星运动，制成了功率为22.79 kW、转速为5500 r/min的新型旋转活塞发动机。该机具有重要的开发价值，因而引起了各国的重视。但是，汪克尔发动机存在密封难、油耗和排放高等问题，因此在20世纪70年代的石油危机后，转子发动机又被往复活塞式发动机取代。目前，只有马自达汽车公司买下转子发动机生产许可证后，一直在少量生产转子发动机，主要安装在高档跑车上。可以说，转子发动机是生在德国，长在日本。

2.4.2 内燃机汽车的发明

1885年，卡尔·本茨造出了一台单缸汽油发动机，并将它装在一辆三轮车上，这也是世界公认的第一辆汽车（图2-21）。该车自身质量为254 kg，装有3个实心轮胎的车轮，发动机为单缸四冲程汽油机，排量为785 mL，最大输出功率为0.655 kW（0.89马力），最高时速为15 km。该车具备现代汽车的一些基本特征，如采用电火花点火、水冷、钢管车架、钢板弹簧、后轮驱动、前轮转向、手把制动等。本茨的汽车噪声极大，因而遭到人们的厌恶，但本茨并未因此而放弃。也正是这辆其貌不扬、其声如雷的汽车，开辟了汽车历史的新时代。1886年1月29日，本茨在德国取得汽车专利证（No.37435），一代“世界汽车之父”也就宣告诞生了。1886年1月29日也被公认为汽车的诞生日。

同样在1885年，就在卡尔·本茨研制三轮汽车的同时，另一位德国工程师戈特利布·戴姆勒（Gottlieb Daimler）和他的助手威廉姆·迈巴赫（Wilhelm Maybach），也在坎施塔特从事以汽油机为动力的车辆的研究，并于1885年制造出一台风冷立式单缸二冲程汽油机，排量为264 mL，最大功率达到2.72 kW（3.7马力）（600 r/min）。由于外形的缘故，这一专利发动机又被称为“老爷钟”。两人把这台发动机安装在以橡木为车架的单车上，从而制成了世界上第一辆摩托车（图2-22）。戴姆勒于同年8月29日获得专利，成为世界摩托车工业的鼻祖；而他的助手迈巴赫则是世界上第一位摩托车骑士。

1886年8月，戴姆勒以妻子生日礼物的名义，订购了一辆四轮马车，将卧式发动机改成了立式，取名“立钟”，并把“立钟”装在了为妻子生日买的马车上。就这样，世界上第一辆四轮汽车（图2-23）诞生了。这辆车发动机排量为0.462 L，最大功率为0.81 kW（1.1马力），最高时速为16 km，并且取得了从斯图加特到康斯塔特的试车成功。

虽然本茨和戴姆勒在同一个国度相距不到100 km的两个地方从事汽车研制，但他们从未见过面，所以本茨和戴姆勒的研究成果均得到承认，他们均被公认为世界第一辆现代汽车的发明者。

1895年，法国科学院正式把这种乘人的车辆定名为“汽车”（Automobile），该词源自希腊文的“Auto”（自己）和拉丁文的“mobile”（运动），即自己运动的车辆。

2.4.3 汽车技术的发展完善

汽车刚发明时，并没有马上在各种路面车辆中显示出很强的竞争力。20世纪初，销量最大的还是蒸汽车，电动车也比汽车发展得充分。在欧洲的城市公共交通中，有轨电车和无轨电车占据着优势地位。汽车经过几十年的发展完善，才在路面车辆中占据了主导地位。德国人发明了汽车，但在促进汽车初期发展方面作出贡献最多的却是法国人。1889年法国人标致（Peugeot）研制成功齿轮变速器、差速器；1891年法国人首次采用前置发动机后轮驱动，开发出摩擦片式离合器；1895年法国人开发出充气式橡胶轮胎；1898年法国的雷诺1号车采用了箱式变速器、万向节传动轴和齿轮主减速器；1902年法国的狄第安采用了流传至今的狄第安后桥半独立悬架。其次，1893年德国人发明了化油器；1896年英国人首次采用石棉制动片和转向盘。

1）发动机的完善

1901年，迈巴赫又发明了蜂窝状的冷却水箱，为高效率的冷却打下了基础。早期的汽车是靠手摇转动曲轴来起动发动机的，这种方式既费力又不方便，1917年，美国凯迪拉克公司研制了第一个电起动器，它是用一个小电动机带动与曲轴相连的飞轮转动来起动发动机的。这项发明的关键在于认识到电动机能在瞬时超负荷运转，所以一个小电动机就可以带动曲轴转动至发动机点火起动。该项成果在本质上解决了内燃机汽车起动不便的问题，在一定程度上促进了内燃机汽车的产业化发展和当时处于优势的电动汽车的消亡。

2）传动系统的完善

汽车在传动轴与发动机之间安装变速器以达到发动机在一定的转速内工作，而汽车可以有不同的行驶速度。变速器主动齿轮与发动机连接，从动齿轮与驱动轴连接，行驶中换挡时，由于两个齿轮转速不同而啮合困难，强行啮合就有打齿的危险。开始人们在变速器的前后各装一个离合器，换挡时，用这两个离合器将变速器中的齿轮轴与发动机和驱动轴都脱开。但是由于惯性，两齿轮转速达到同步还得有一段时间，再加上两个离合器配合操纵很复杂，使行驶换挡非常困难。1929年，凯迪拉克公司首先研制出同步器，它是通过同步器中锥面相互摩擦使两个齿轮转速相同时才允许啮合。这样只要有一个离合器就行了，换挡时既轻便又不打齿，换挡时间也大大缩短了。

3）制动系统的完善

汽车制动器开始是照搬马车上的结构，即用手制动器带动一个单支点的摩擦片来抱住后轮。但是汽车所需的制动力要比马车大得多，而且汽车倒退时这种制动器常常失灵。当时一些汽车在底部安装一根拖针，当汽车在坡路上下滑时，拖针会扎入地下使车停住。后来在车上又增加了脚制动器，控制传动轴的转动。1914年开始出现轮内鼓式制动器。1919年，法国海斯柏诺—索扎公司制成用脚踏板统一控制的四轮鼓式制动器，并由变速器驱动一个机械伺服机构来增加制动力，使制动效果大为改善。1921年，美国的杜森伯格公司又推出了液压助力器，由一个主液压缸来放大制动力。以后又出现了气动助力的制动器。制动装置逐渐形成了脚制动控制轮边制动、手制动控制传动轴制动的普遍的结构形式。

4）行驶系统的完善

初期的汽车还有使用实心木轮的，但很快大部分汽车都采用了自行车所用的辐条式铁制车轮，外套实心橡胶轮。这种实心轮当车速超过16 km/h时，车就会振动严重，使驾驶人和乘客颠簸得无法忍受。1888年，邓禄普发明了用于自行车的充气轮胎后，1895年，法国的米其林兄弟（Andre and Edouard Michelin）制造出了用于汽车的充气轮胎。当时这种轮胎虽然改善了汽车的舒适性，但漏气问题却成了驾驶人最头痛的事。当时汽车轮子还是不可拆卸的，所以补胎和换胎都要费很多时间。为了解决这个问题，先是出现了辅助轮缘（stepney）。当轮胎漏气后，靠这个轮缘行驶到最近的修车场去更换轮胎。后来出现了可拆卸的车轮，轮胎也分为内胎和外胎两层，外胎中用金属丝予以加强，从而使轮胎寿命大大延长，更换轮子也成了一件比较容易的事。

5）对道路建设的促进

当汽车发展起来后，公路却还是由碎石和土填成的，汽车行驶时不仅颠簸，而且扬起大量尘土。后来发现沥青既可以消除尘土又可使路面平坦。1910年，英国成立了“公路署”，专门负责修筑沥青公路。1914年开始出现水泥公路。1924年，意大利首先建造了高速公路，当然它还达不到现代高速公路的标准。1942年，为了战时的需要，德国修筑了符合现代标准的高速公路。以后，尤其是第二次世界大战之后，欧美各国都相继修筑大量的高速公路，其中美国的高速公路修得最长，多达70000 km。高速公路的特点是每个行驶方向都有两条以上的行车道，相反方向的行车道之间有草地或灌木的隔离带，行车道之间没有平面交叉，也没有陡坡、急弯和其他不利于汽车行驶的障碍。在高速公路上行驶的汽车车速一般都在80 km/h以上，欧洲一些国家车速可超过120 km/h，这就使得汽车的运行效率大为提高。

2.4.4 汽车的大量生产和销售

汽车技术的日益成熟使生产销售成为可能。1901年，美国人奥得尔生产和销售了425辆奥斯莫比尔牌（Oldsmobile）轿车，1905年达6500辆，从此开始了汽车大量生产的新纪元。1913年，福特首先发明了科学设计的汽车流水生产线，并且很快被其他汽车厂商所仿效而广泛采用。福特汽车公司的T型轿车从1908年到1927年共生产1500万辆，这一大量生产的世界纪录，到20世纪60年代才被德国大众公司的甲壳虫型轿车打破。据记载，到1923年美国已有2/3的家庭拥有一辆轿车。为了使汽车能大量销售，在1927年以前，汽车技术集中解决经济性（包括购置、使用和维修费用在内）、可靠性和耐久性这类基本要求。例如1915年以前，前轮因转向而没有装设制动装置。而在这以后，出现了机械式四轮制动方式，大大提高了汽车的安全可靠性。1926年，汽车上开始有了液压制动器。为了提高燃油经济性，这一时期汽油机的压缩比有了提高，一些载货车上采用了更省油的柴油发动机。1905年，在美国的圣·路易斯发生了最早的汽车被盗事件，于是发明了带钥匙的点火开关。刮水器、制动灯和反光镜等也逐渐在这一时期被开发和使用。1922年，在仪表板上出现了燃油表。1929年出现了车用收音机。随着技术的发展，现代汽车的基本要素均已具备。