从蒸汽机到内燃机

通过对热机的研究，人们总结出了热力学第一定律和第二定律，它说明了热运动的一般规律，但是热运动的本质是什么呢？

从 19 世纪中期起，科学家们通过对气体分子运动的研究，对热现象进行微观解释，使热学进人到分子运动的水平。

通过对热力学和热学的研究，提高了蒸汽机的效率，但是蒸汽机本身有难以克服的缺点。

由于蒸汽机的锅炉需承受重压，必须用结实的材料制造，使蒸汽机很笨重；蒸汽机操纵复杂。锅炉的燃烧需有经验的人专门看管；蒸汽机启动慢， 不能随意停止；蒸汽机锅炉容易爆炸，危险性大。

更大的缺点是蒸汽机的热效率低，一般只有 5%～8%，最好的也不超过10%～13%。由于蒸汽机的锅炉和汽缸是分离的，锅炉在外面燃烧，把燃料的热能传给蒸汽机后再转化为机械功，这种外部燃烧的热损失较高，因此蒸汽机的效率难以提高。

在蒸汽机发展的同时，有人开始研究把外燃改为内燃，也就是不用蒸汽做工作介质，利用燃烧后的烟气直接推动活塞运动，把锅炉和汽缸合并起来， 这就是内燃机。

1794 年，英国工程师斯垂特在研究瓦特蒸汽机的基础上，制造了一台笨拙的内燃机，需要用人力把空气压人汽缸，然后喷人液体燃料，松节油或板油，再点火。

1799 年，法国工程师蓝蓬提出了以煤气作为燃料，用电火花来点火的内燃机设计方案。

其后，英国工程师赖特设计爆发式内燃机，意大利工程师巴尔桑第研制自由活塞式内燃机，等等。

到 1860 年，法国工程师雷诺终于制成第一台实用的爆发式内燃机。这是一台单缸双动发动机，以煤气为燃料，活塞在它的前半冲程吸入煤气和空气的混合气，接着用电火花点燃，于是膨胀气体推动活塞完成后半个冲程。汽缸的另半部进行同样的过程，将活塞推回。

这台内燃机的热效率只有 4%，电火花点火也不可靠，但它第一次成为带动其他机构的动力机。欧美报刊纷纷介绍，促进了内燃机的发展步伐。

雷诺内燃机的使用，使人们开始探索内燃机理论。卡诺在研究热力学时曾涉及到内燃机的基本原理，提出了压缩点火的可能性。

1862 年，法国工程师德罗夏发表了内燃机理论，阐述了取得最高效率和最佳经济性能所需要的条件。他明确指出，要制造性能好的内燃机，必须使气体尽快膨胀到最大，并尽量提高膨胀的初始压力，如不能很好地满足这些要求，就会浪费大量气体。

德罗夏提出了实现这些要求的具体步骤，就是把活塞运动分为四个冲程：

吸收冲程：活塞下移，汽缸形成真空，并吸入油气燃料； 压缩冲程：活塞上移，压缩进人汽缸的油气；

爆发冲程：当活塞升到顶端时，电火花引爆油气，气体迅速燃烧膨胀， 活塞下移带动传动机作功；

排气冲程：活塞再次上升时，把燃尽的气体排出汽缸，回到第一冲程开始前的状态。

这种发动机就是四冲程内燃机，在当时是不浪费气体的最好的内燃机， 以后的内燃机大多利用这个原理。

德罗夏提出四个冲程，只对内燃机理论作出了贡献，并没有实际制造出内燃机。他的理论发表在法国的一家地方刊物上，并没有引起人们的重视。当时，德国的奥古斯特·奥托也想发明比蒸汽机性能更好的内燃机，煞

费苦心地进行设计和研制，但进展不大。一个偶然的机会，他发现了德罗夏的论文，觉得很有道理，便按德罗夏的理论进行研制。

1876 年，奥托成功地制造了第一台四冲程内燃机，并取得了专利权，因此通常把内燃机的发明归功于他。奥托内燃机体积小，重量轻，消耗的煤气少，功率也比较大，在 1878 年巴黎万国博览会上展出，受到极高的评价。

自此，越来越多的工厂采用这种发动机来代替蒸汽机。内燃机的历史从此开始。

但是奥托煤气内燃机有许多不便之处，不能作为船舶、车辆等运输机械的动力。

1859 年，美国的宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井。此后，石油产量不断提高，汽油、煤油、柴油逐渐成为广泛应用的新燃料。

1883 年德国工程师完成了汽油内燃机，1885 年英国的普雷斯特曼研制出煤油内燃机，1892 年德国人狄塞尔制造了第一台自动点火的柴油内燃机。

内燃机的发明，产生了动力机的一次新革命。内燃机不仅效率高，而且种类多，用途广泛，它推动了交通运输业革命，使汽车和飞机制造业迅速发展起来；引起了农业生产的机械化变革⋯⋯