内燃机推动工业革命

内燃机的发展是从蒸汽机中获得启发，在 19 世纪中叶发展起来的一种新的动力机器。自从蒸汽机产生以后，通过对其功能的观察和实际使用，人们体会到了它的许多优越性，同时也产生了一些新的改革的思想。蒸汽机的发明，给人类带来了巨大的动力，内燃机的发明和运用推动了工业革命的发展， 使科学技术的发展进入了一个新的历史阶段。

英国资产阶级革命掀开了西方近代史的新篇章。从此以后，资产阶级向封建专制统治政权展开了猛烈的攻势，取得了极大发展。

随着资本主义经济的发展，到了 18 世纪，资产阶级在工业领域里开展了一场轰轰烈烈的大变革，这就是著名的工业革命。这场产业革命是以生产工具的革新为起点，以发明蒸汽机为代表的深刻的大变动，在资本主义发展史上竖起了一块崭新的里程碑。蒸汽机的产生和运用是动力技术发展的第一次革命，也是 17 世纪以来资本主义生产发展的必然产物。

英国资产阶级最先取得了与封建政权斗争的胜利，资产阶级工业革命蓬勃发展起来。英国的棉纺织业是很发达的。传统的纺织业是将纺纱和织布分开的，且均为手工。1733～1738 年间，凯伊发明了飞梭，将织布速度提高了两倍。这样就造成了纺纱供不应求的局面。适应这种情况，1764 年织工兼木匠哈格里沃斯制造出了“珍妮机”。珍妮是他女儿的名字。据说有一天珍妮将纺纱车打翻了，哈格里沃斯看见横装的纺锤直竖起来仍然转动因而受到启发，将横装的纺锤改为竖装，并将数目增加到 80 个。这种纺车体积不大，结构简单，使用方便，费用低廉，给纺纱生产带来了最初的动力。恩格斯评价它是从根本上改变了英国工人状况的第一个发明。

后来，棉纺织业中的各种工作机陆续出现，且日渐完美。除了纺纱机和织布机外，还出现了净棉机、梳棉机、自动卷扬机、漂白机、整染机等，使得棉纺织业中的机械化形成了“一条龙”。不久，其他行业诸如毛纺工业、呢绒工业、冶金业、采煤业、印刷业等都有不少工作机发明问世。

随着各种工作机的出现，动力的需求越来越急迫。在这种要求的直接诱使下，蒸汽机动力出现了。

人们很早就有过运用蒸汽机动力的尝试。古罗马时代的希罗制作过一种用蒸汽推动的机械玩具；意大利的达·芬奇设计过用蒸汽开动的大炮图样； 16 世纪末包尔塔描述过蒸汽压力提水的工具；英国的大卫·拉姆齐于 1630 年创造了用“火力从矿井抽水的装置”；17 世纪中期，英国的伍斯特伯爵发明了制水引擎，一种“用蒸汽机使水上升控制水的机器”；1698 年，托马斯·萨弗里上尉根据包尔塔原理制造了一具蒸汽泵，用于矿井排水，被人称之为“矿工之友”。显然，这些都是热力技术发明的萌芽，是蒸汽机诞生前的可贵尝试。

1705 年，英国人托马斯·纽可门研制出了世界上第一台真正的蒸汽机。纽可门是一位铁匠和铁商，他所制造的这台“大气式”蒸汽机明显优于前人。它的装置除传统的蒸汽机外本身还附有一个能自身带动的抽水机。抽水机和蒸汽机的相连处有一根平衡横梁，梁的一端和活塞相连，另一端与抽水机相连，活塞在汽缸中上下移动，便能带动抽水机。它的工作原理是依靠汽缸内蒸汽的冷却使活塞上下运动，通过横梁带动抽水装置，即利用大气对真空的压力来做功。

纽可门蒸汽机发明后，立刻得到了广泛的使用。但是，这种机器只能作往复运动，限制了运用范围，耗煤量大，效率低，固此急需改进。

1765 年，瓦特设计了一台与纽可门机同样尺寸的新机器，其耗煤量只有原机的六分之一，这在当时的确是一个了不起的成果，但瓦特并没有因此而满足，他思考着如何进一步地提高效率。他针对蒸汽热量浪费的问题，设计了一个改进方案，把冷凝工序从汽缸中分离出来。通过一个阀门把蒸汽引到一个经常保持低湿的冷凝器内冷却，使汽缸始终保持着高温状态，同时还采用蒸汽泵排除汽缸内的空气和残余的积水。1769 年，瓦特的方案被批准，获得了专利，并制造出了第一部单动式蒸汽机。1776 年，第一部实用机研制成功，使蒸汽机逐渐在工厂矿山等地得到广泛的使用。

后来，瓦特花了 20 多年的光阴，克服了无数的困难，终于造出了效率高、体积小，可以带动多种机械的新的通用蒸汽机。它的耗煤量每马力只有萨弗里蒸汽机的二十分之一，纽可门蒸汽机的六分之一。这个新型的动力装置刚刚诞生，英国的矿业中心康沃尔使用的纽可门机几乎都被瓦特机所代替。

随着蒸汽机的改善和推广，资本主义工业革命急风暴雨般地向纵深发展。它的一个显著特点，就是以此为契机，引发了机器制造业的繁荣和飞速发展，并引起了多种运输工具的大变革。

当时，机械制造业中的发明是非常多的。例如，1855 年，有万能铣床问世；1867 年，有六角车床。此外如龙门刨床、牛头刨床、钻床、锯床等特别是标准螺纹规亦不断出现。

机器业的发展促使了煤炭工业和钢铁工业的形成和发展。这些都为交通运输革命的到来创造了必要条件。

1807 年，美国人富尔顿制造了第一艘蒸汽机动力金属轮船；1814 年，英国人斯蒂芬逊制造出了第一部蒸汽机动力火车；1825 年，英国正式建成了世界上第一条铁路，并试车成功。“轮船时代”和“火车时代”的到来，标志着资本主义机器化大工业生产的形成。

蒸汽技术的发明和运用是资本主义发展史上第一次动力革命。它的影响和意义都是十分巨大的。正是在这些影响和在前人取得的这些丰硕成果的基础上，内燃机应运而生了。

蒸汽技术的发展和应用对于资产阶级彻底战胜封建阶级和最终确立资本主义制度立下了不朽的功勋，使得“资产阶级在它的不到一百年的阶级统治中所创造的生产力，比过去一切世代创造的全部生产力还要多，还要大”（马克思），但是，随着蒸汽机的广泛推广和使用，人们在认识到了它的许多优点的同时，也越来越发现了它的局限性。例如，它体积庞大，应用复杂，效率偏低，特别是它还必须借助于外燃和蒸汽这个媒介方能工作。因此，研究制造一种新的动力机器来替代蒸汽机就越来越成为必然的和迫切的问题。

早在蒸汽机发明以前，就有人提出制造内燃机的想法。17 世纪时，有人曾做过利用燃烧烟气冷却产生真空进行抽水的实验。1673 年至 1680 年间， 荷兰物理学家惠更斯提出了利用火药爆炸作动力来制造内燃机的理论，并试图制造真空活塞式火药内燃机，但没有获得成功。他的弟子巴本尔做过制造这种内燃机的实验，但也失败了。

1791 年，英国人曹·巴尔贝尔拟定了气体燃料在气缸中点火的方案。三年后，另一位英国的技师斯垂特参考瓦特蒸汽机的杠杆原理，提出一种用松节油和柏油作燃料的内燃机并取得专利。他的设计在内燃机发展史上占有更

高的地位，因为这是第一次提出燃料与空气混合的原理。1799 年，法国化学家兰蓬第一次提出了用煤气作燃料的混合气式内燃机，并主张用电火花点火。然而这些设想在当时并没有得到人们的重视，所以亦未能获得应用。

1820 年，英国人塞歇尔（Cecilw）发表了关于以所谓氢煤气为燃料的内燃机报告，它的工作原理是利用爆发后的真空构成推动活塞的力量，它在实验室里曾获得了每分钟 60 转的成绩。

1833 年，另一个英国人莱特提出了所谓“爆发”发动机的专利，它直接利用燃气压力推动活塞作功，从而结束了真空机的历史。可是这个专利并未实行。1857 年意大利牧师巴尔桑奇和玛特依西试验了“自由活塞”发动机， 第一次实现了爆发成功。它采用的是齿条一齿轮装置联结活塞和输出轴，显然没有蒸汽机上的曲柄连杆结构合理有效，结果也失败了。

经过近七十年的探索，法国人里诺终于研制成功第一台足以适用的内燃机。它的外形和许多结构都和蒸汽机相似，它的燃料消耗极高，电点火也不可靠，但是它毕竟能平稳运转了。作为小型动力机很受中小企业的欢迎。内燃机第一次批量生产了。到此为止，不论是真空机还是爆发机，燃料混合气都是不压缩的，里诺发动机达到了这种无压缩发动机的最高峰。

里诺机投入批量生产以后，一方面掀起了研究内燃机的热潮，另一方面使人们在实践中逐步认识到预先压缩混合气可以产生更多的热效率。

1862 年，法国铁路工程师德·罗卡斯阐明了他的旨在提高内燃机的热效率的内燃机理论。罗卡斯认为，在内燃机点火前必须高压，燃气必须膨胀且迅速达到最大膨胀比等。为了达到这一目的，必须使活塞运动在四个冲程中完成，即实现四冲程循环。具体步骤为：活塞下移，进燃气；活塞上移，压缩燃气；上死点附近点火，气体迅速燃烧膨胀，活塞下移作功；活塞上移排出废气。罗卡斯内燃机理论的科学性在今天看来是显而易见的，但在当时却不能不说是工业史上的一次重大突破。遗憾的是，他的发明并没有引起人们的重视，只是在很久以后才被人们发现。于是这个发表于法国一家地方刊物上的内燃机等容燃烧四冲程循环理论直到十几年后才在实践中得以运用。在内燃机发展史上，人们通常认为，作为第一台真正的内燃机，应是德国工业家奥托于 1876 年制造火花点火式四冲程往复式活塞内燃机。这种内燃机的热效率较前有较大幅度的提高，已达到 12～14％，后来又提高到 20％。由于这种内燃机的显著特点，所以很快得到推广应用。据统计，仅 17 年时间，奥托

内燃机就销售了 5 万台，这一方面是由于内燃机自身的优越性，另一方面还

是因为自从 1859 年开始，美国开采了第一口油井，从此汽油和柴油逐渐成为普遍商品，为内燃机的发展提供了良好的新燃料。随着内燃机的使用和推广， 它很快又向新的方向——小尺寸发展了。与此同时，还有转动式内燃机（包括燃气轮机和转子发动机）的产生和演化。从而为运输式动力装置提供了高速发动机。1883 年，德国工程师戴姆勒制成了第一部现代四冲程往复活塞式汽油机，其转速一跃而达到 800—1000 转/分。

尽管内燃机在尺寸、便利等方面都胜过了蒸汽机，但是，气体燃料及昂贵的汽油都不能保证内燃机与蒸汽机竞争的能力。因此，在 19 世纪末叶，又开始出现了应用廉价燃料工作的重油发动机，这一阶段的发展是从德国工程师狄塞尔开始的。

1892 年，他最后研制成功了使用低质油的柴油机。这种内燃机设想通过提高压缩比以提高效率，采用压缩点火的方法。狄塞尔的试验并不是一帆风

顺的。他曾设想，在发动机中要采用高的预先压缩，以价格低廉的煤粉做燃料，保持燃烧过程的等温。这样既可以获得较大的经济效益，亦能避免气缸中过高的温度。为达到这个目的，他准备把气缸中的温度限制到可以接受的程度，并停止气缸和气缸盖的冷却。然而，他的设想失败了。后来，他将燃料由煤粉改为柴油，将等温燃烧过程改为等压过程，终于在 1892 年试制成功了完全靠压缩着火燃烧的柴油发动机。

狄塞尔内燃机的效率是空前的，已高达 30％。这种柴油内燃机的出现， 标志着往复活塞内燃机发明的基本完成。从此，这种内燃机进入了完全成熟的历史时期。

作为一种新型的动力设置，内燃机从其诞生后就被广泛地应用于交通、农业、工业、和手工业等各部门。它的一个极其明显的作用便是提高了整个世界的速度——交通运输因为拥有了它而日新月异。以内燃机为动力的飞机和汽车相继出现在静寂的地球上。特别是汽车业的飞速发展和繁荣更能说明这一问题。

最先使用内燃机作汽车动力的想法是在 1860 年提出来的。法国有一位工程师曾经在这方面做过实验，但失败了。他所遇到的主要问题是发动机的体积过大，而功率偏小。人们通常认为，以奥托内燃机和狄塞尔柴油机闻名于内燃机史上的德国亦是汽车工业的第一故乡。其功臣则为戴姆勒和威廉·迈巴赫。戴姆勒最初在军械所当学徒，学到一手出色的手艺，后来又专攻机器制造，学到了丰富的科学知识。1872 年，他进入多伊茨燃气发动机厂工作， 并认识了设计师迈巴赫。戴姆勒和迈巴赫的主要精力开始都集中在发动机上，其它附件并未引起他们多大的注意。不久，他们就在两轮车上安装了自己的发动机，初步获得成功。接着，戴姆勒又让车匠造了一辆马车，把车上的辕改为驾驶杆来操纵方向，由发动机驱动后轮，在比较平坦的马路上达到每小时 20 公里左右的速度。1889 年戴姆勒和迈巴赫在巴黎国际展览会上展出了他们设计的另一辆新车，用一个双汽缸的发动机作动力，架子是用钢制的，轮子是钢架实心橡胶带的，后人称其为“钢架车。”

真正与汽车的发明连在一起的是卡尔·本茨的名字。他的基本设想与戴姆勒和迈巴赫的根本不同。他的发明和设计活动一开始就把汽车作为一个整体，而不是只着眼于发动机。本茨首次解决的是制造一种高转速的新型发动机，然后在处理点火系统的困难时，又采用了新的高压电火花方法。1885 年10 月，他成功地制造了第一辆汽车，具有现代汽车结构的一些基本特点。它不仅可以在每一条平坦的道路上行驶，而且还可以爬较大的斜坡，一开始就受到人们的广泛推崇，并显示了汽车发展的广阔前景。

1893 年，巴黎举行了第一次汽车展览会，1894 年举行了第一次汽车比赛会。

1902 年，后来被称为“汽车大王”的美国人亨利·福特制造出了当时世界上最好的汽车——福特一号。为扩大生产规模，将汽车送进千家万户，福特成立了福特汽车公司，在大规模生产汽车的同时，也加强了技术攻关和革新。在不懈的努力下，福特汽车公司取得了一系列的成绩。例如，设计成功了Ｔ型汽车，改原来的固定轨道行驶为原野上的自由行驶。特别值得一提的是，大大降低了汽车的价格。1904 年的汽车售价为 8000 美元，而福特汽车公司所产的汽车由于革新技术和加强管理，售价降至 850 美元，几乎下降了

10 倍。于是，汽车从达官贵人的庭园中解放出来，变成了平民百姓的日用品。

美国的“汽车革命”带来了全世界汽车工业的飞速发展。美国的汽车畅销到世界各地，每年能销售百万辆之多。1914 年，全世界已有汽车 200 万辆。到了 1927 年，光是美国就达到了每年销售 1500 万辆的规模。从此以后，世界的每一个角落都出现了汽车的“足迹”。

内燃机发明以后，除了飞机和汽车外，在其他机械方面也得到了广泛的应用。例如：在机车、船舶和工业等领域都逐步使用了柴油发动机。1901 年， 美国还成功地研制出了第一批拖拉机，有力地推动了农业生产的大发展。

总之，只要人们翻开近代的历史，就会感到 18、19 世纪，是科学和技术全面发展的世纪。正如英国科学史学家贝尔纳在《历史上的科学》一书中说到的：“如果 18 世纪的好奇而有远见的人，曾感到机械工业的来临，那么，

到了 19 世纪中叶，世界上每一处，连最不经心的人，也不会不察觉它的影响。⋯⋯广大的新城市纷纷崛起，⋯⋯铁路把各工业中心联系起来⋯⋯。”