它曾改变世界，如今却将被抛弃

在雾天，有关部门会说机动车是造成雾霾的罪魁祸首，然后限制各种私家车。事实上，中国对汽车很有礼貌。早在去年，德国就宣布将在2030年后禁止销售内燃机，以实现到2050年全国二氧化碳减排80-95%的目标。挪威甚至将内燃机的“死亡日期”提前到了2025年。此外，英国、荷兰和美国一些州也宣布，他们直到2050年才会出售柴油汽车。

汽车尾气污染(土元汽车之家)

内燃机(网络图)

面对即将到来的末日，如果内燃机有想法，它会叹息:婴儿的心在受苦。100多年来，他一直努力促进人类福利和发展。虽然他带来了一些环境污染和交通事故，毕竟，他做了比他已经做的更多，不会被抛弃。

内燃机突然回头一看，不禁回想起许多科学家和工程师燃烧日晷发明它的快乐时光，无数人为它的诞生欢呼。

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那是在19世纪早期，瓦特发明第一台实用蒸汽机之前的几十年。一方面，人们受益于蒸汽机带来的社会进步，另一方面，他们对蒸汽机不满意:它的锅炉又大又重，操作也很复杂。最令人不安的是它的热效率太低，不到10%。

重型蒸汽机(网络图)

蒸汽机实际上还有另一个名字——外燃发动机。顾名思义，它在圆筒外燃烧。换句话说，煤和其他燃料首先加热锅炉中的水，产生蒸汽，然后蒸汽进入汽缸，推动活塞运动。这无疑增加了热损失，效率低也就不足为奇了。因此，许多人都在想:能不能发明一种内燃机，它不需要锅炉和蒸汽介质，可以直接在汽缸里燃烧燃料做功？

单流蒸汽机原理动画(来源:*)

然而，尽管许多科学家和工程师做出了巨大贡献，效果并不理想。他们开发的内燃机非常不实用，其热效率比蒸汽机低得多。法国物理学家卡诺也对此感到困扰，但他很快明白每个人都在做一些鲁莽的事情，但没有人从理论上考虑内燃机是否合理。实践应该遵循理论指导。我需要先搞清楚这个理论！

卡诺(尼古拉斯·莱昂纳尔·萨迪克阿诺特，1791832，网络图)

从1814年开始，卡诺致力于内燃机的理论研究。他孜孜不倦地研究热机运行中的基本问题，并反复比较输入热量和最大做功量之间的关系。俗话说，“谁下了苦功，上天就不会兑现他的诺言。”经过十年的深入研究，卡诺终于明白了热能和机械能转换的关系，并于1824年提出了著名的热力学“卡诺循环”理论。

什么是“卡诺循环”？这是一个理想的热力学循环，包括两个等温过程和两个等熵过程。卡诺假设系统只与高温和低温两种热源进行热交换，并计算最高热效率。没有学习热力学的小伙伴可能会有点困惑。你可以简单地理解“卡诺循环”将热力学和功率联系起来。如果高温热源的温度升高，低温热源的温度降低，热效率就会提高。

卡诺循环示意图(网络图)

卡诺循环(网络图)分别由温度-熵(左)和压力-体积(右)表示

“卡诺循环”为提高热机效率指明了方向。不幸的是，卡诺在提出这一理论后几年内就因霍乱早逝，他的理论被埋没和忽视了。

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直到1862年，法国科学家德·罗查才发现卡诺循环的美丽。在仔细研究了卡诺循环之后，他认为为了提高内燃机的效率，每缸容积的冷却面积应该减少，而气体膨胀前的压力、气体膨胀的范围和活塞速度应该增加。据此，德·罗查提出了内燃机的四冲程工作原理:进气、压缩、燃烧膨胀和排气。然而，大多数法国人对他的理论反应平平，而德·罗查停止了这一理论，没有生产任何实物。

Alekse beau de rochas，1811893，资料来源:太平洋汽车网络

然而，在邻国德国，一位名叫奥托的工程师对德罗斯菲亚的理论非常兴奋:德罗斯菲亚的想法太棒了，我必须制造一台四冲程内燃机！照你说的做，奥托立即采取了行动。

奥托(尼古拉·奥古斯托，1831891，网络图)

奥托很快做了一个原型。他选择了当时常用的气体作为燃料。首先，他将气体与空气混合，然后将混合物引入钢瓶。但只是一点点火，零件接头和轴承就被强烈的气体爆炸力损坏了。经过多次实验，奥托除了一堆废金属什么也没得到。他有些沮丧，但是两个和尚很困惑，不知道为什么，所以他去国外放松。

奥托设计的四冲程内燃机示意图(网络图)

在回家的路上，奥托陷入了沉思，突然他灵光一闪:难道这还不足以让混合物变得足够稀薄吗？这样，不仅爆炸力会减小，而且燃烧后气缸内会形成负压，活塞会在大气压力的作用下后退，机器可以连续运转。多么简单而奇妙的方法啊！考虑到这一点，奥托匆匆回到实验室，再次开始实验。

经过反复尝试，奥托于1876年成功开发出世界上第一台实用的四冲程内燃机。奥托的内燃机结构紧凑，运转平稳，热效率比蒸汽机高14%。

奥托在1876年发明了四冲程内燃机(网络图)

奥托发明的内燃机很快被用于生产和生活。当时人们称之为“自瓦特以来最伟大的动力机器成就”。奥托后来成立了一家内燃机公司，进行内燃机的大规模生产，在几年内销售了3万多台，赚了很多钱。

一石激起千层浪，奥托的巨大成功吸引了大量工程师投资内燃机改造。

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奥托的内燃机使用气体作为燃料，这也被称为气体发动机。尽管燃气发生器比蒸汽机先进得多，但燃气仍然不便于携带，需要燃气发生器和管道系统。人们非常渴望找到替代燃料来去除这些多余的设备。

18世纪下半叶，随着石油工业的兴起，人们将目光转向了不稳定的汽油，包括现代汽车工业的先驱之一戴姆勒。戴姆勒与奥托合作开发燃气发动机，但他后来认为汽油等液体燃料是内燃机的未来，而奥托仍然特别喜欢燃气发动机，两人意见不一时分道扬镳。

戴姆勒(戈特利布·威廉·戴姆勒，1831900，网络图)

戴姆勒引进了一位杰出的工程师——麦巴赫。当点火装置使用白炽灯泡时，这两个发动机增加了化油器。开发过程似乎进展顺利，1883年他们成功地生产了第一台汽油发动机。在此之前，发动机转速从未超过200转/分，而戴姆勒和麦巴克在一个冲程中将转速提高到800~1000转/分。

麦加(威廉·迈巴赫，1841929，网络图)

戴姆勒和麦巴克开发的汽油发动机(网络图)

戴姆勒1886年开发的汽油发动机(网络图)

几乎与戴姆勒同时，本茨(后来被称为“汽车之父”)也成功地发明了类似的汽油发动机。戴姆勒和本茨的汽油发动机因其体积小、重量轻和效率高而在汽车上使用。充满活力的汽车时代已经到来！(请盖章:“臭怪物”启动汽车时代)

本茨(卡尔·弗里特立奇·本茨，1841929，网络图)

本茨开发的汽油机(网络图)

1885年本茨开发的汽油发动机汽车(网络图)

汽油发动机发明后，很快就取代了汽油发动机。有一段时间它就像一个聚光灯。它受到成千上万人的喜爱。当时，一位名叫柴油机的德国工程师也对汽油发动机感兴趣，但他认为汽油有点贵。他想:我们能使用廉价的柴油作为燃料吗？

(鲁道夫·狄塞尔，1851913，网络图)

1893年，狄塞尔制造了第一个原型。他兴奋地邀请许多人观看实验。然而，当柴油进入气缸时，突然传来一声巨响。只有排气管不断喷出黑烟和火焰，气缸盖上的仪器瞬间飞出。旁观者吓坏了，说:迪塞尔同志做不到。迪塞尔同志的柴油机没有前途。

迪塞尔没有把别人的冷嘲热讽放在心上。他认为，尽管实验失败了，但至少证明了柴油注入高压空气后会燃烧。七个月后，狄塞尔最终没有取得什么成就。他的新机器终于能够运转了。虽然它只跑了一分钟，但它大大增加了他的信心。1897年初，柴油机终于开发出第一台实用柴油机。

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狄塞尔在1893年第一次实验中使用的原型(网络图)

当今的柴油发动机(网络图)

柴油不仅比汽油便宜，而且热效率也提高到了26%。柴油发动机很快被用于汽车、轮船和火车。

20世纪初，内燃机再次用于飞机上，这催生了航空工业的兴起。

四冲程汽油机(左)和柴油机(右)工作原理图(来源:360摄氏度)

内燃机是继蒸汽机之后动力领域最伟大的发明之一。虽然内燃机在不久的将来最终会退出历史舞台，但在过去的100年里，内燃机在交通运输和工程机械领域占据了绝对的主导地位，它对世界经济发展和交通运输进步的巨大贡献是有目共睹的。

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参考

[1]内燃机的末日来了吗？内燃机销售[EB/OL]。(201021) [201024]将于2030年停止。

瞿发春。内燃机的历史[。内燃机，1986(2):40-41。

刘基。内燃机发明的灵感[。内燃机工程，1980(S1):9。

魏，何广帆。国外内燃机早期发展简史[[·J]。内燃机，1986(1):337。

陈燮阳，乔惠英。内燃机的发明为现代交通的巨大发展奠定了基础[[]。汽车研发，2000(4):558。