人类史上最大雾霾（它曾是人类最伟大的发明之一）

一到雾霾天，有关部门就会说机动车是引发雾霾的罪魁祸首，进而对各种私家车限行。其实我国对待汽车还算客气的，早在去年，德国就宣布为了实现2050年全国二氧化碳减排80-95%的目标，将在2030年后禁止内燃机汽车的出售，而挪威甚至将内燃机汽车的“死期”提前到了2025年。此外，英国、荷兰及美国部分州也都宣布到2050年不许销售内燃机汽车。

汽车尾气带来的污染（图源汽车之家）

内燃机（网络图）

面对日益临近的末日，内燃机若有思想，也会长叹：宝宝心里苦啊，一百多年来辛辛苦苦地为人类谋福利促发展，尽管带来了一些环境污染和交通事故，但毕竟功大于过，不至于被抛弃嘛！

内燃机蓦然回首，不禁回想起曾经快乐的日子，那时候，众多科学家和工程师为了发明它而焚膏继晷，无数的人为它的诞生而欢呼雀跃……

那是十九世纪初，距离瓦特制造出第一台实用的蒸汽机已有几十年。人们一方面受惠于蒸汽机带来的社会进步，另一方面却又对蒸汽机不甚满意：它的锅炉十分庞大笨重，操作又很复杂，最令人烦恼的是它的热效率太低，还不足10%。

笨重的蒸汽机（网络图）

蒸汽机其实还有个名称——外燃机，顾名思义，它是在汽缸外完成燃烧的。也就是说，煤炭等燃料先将锅炉内的水加热产生蒸汽，蒸汽再进入气缸推动活塞运动，这无疑加大了热损失，效率低也就不足为奇了。因此，很多人都在琢磨：能否发明一种不需要锅炉和蒸汽介质，燃料可以直接在气缸内燃烧做功的内燃机呢？

单流式蒸汽机原理动画（图源：wikipedia）

然而，尽管很多科学家和工程师都使出了洪荒之力，但效果并不理想，他们所研制的内燃机很不实用，热效率比蒸汽机还低得多。法国物理学家卡诺对此也很纠结，不过他很快就明白过来：大家都在动手蛮干，却没人从理论上考虑内燃机合不合理，实践应该遵从理论指导才对，我要先把理论搞清楚！

卡诺（Nicolas Léonard Sadi Carnot，1796-1832，网络图）

从1814年开始，卡诺全身心投入到内燃机的理论研究，他勤奋钻研热机运转中的基本问题，反复比较输入的热量和做功的最大值之间的关系。正所谓“苦心人，天不负”，在深入研究了十年后，卡诺终于搞懂了热与机械能转换的关系，于1824年提出了热力学上著名的“卡诺循环”学说。

什么是“卡诺循环”呢？它是一种理想的热力循环，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、低温两个热源交换热量，并据此计算出了热效率的最高值。没学过热力学的小伙伴可能有些迷糊，你可以这样简单理解：“卡诺循环”将热力学和动力联系了起来，如果提高高温热源的温度，降低低温热源的温度，热效率就会提高。

卡诺循环示意（网络图）

分别采用温度-熵（左）和压力-容积（右）表示的卡诺循环（网络图）

“卡诺循环”为提高热机效率指明了方向，然而不幸的是，卡诺提出这一学说后没几年便感染霍乱英年早逝了，他的理论也随之埋没，未得到重视。

直到1862年，“卡诺循环”的妙处才被法国科学家德罗夏发现。他在认真研究“卡诺循环”后认为，要提高内燃机的效率，应当减小单位气缸容积的冷却面积，同时提高气体膨胀前的压力、气体膨胀的范围及活塞速率。德罗夏据此提出了内燃机的四冲程工作原理：吸气、压缩、燃烧膨胀、排气。不过多数法国人对他的理论反响平平，德罗夏也就仅止步于理论了，没有制造出实物。

德罗夏（Alphonse Beau de Rochas，1815-1893，图源：太平洋汽车网）

然而，在邻邦德国，一位叫奥托的工程师却对德罗夏的理论表现得很激动：德罗夏的想法太妙了，我一定要制造出四冲程的内燃机！说做就做，奥托立马行动起来。

奥托（Nikolaus August Otto，1832-1891，网络图）

奥托很快制作出一台样机，他选择了当时常用的煤气作燃料，首先将煤气与空气混合，然后把混合气引入气缸内。可刚一点火，零件接头和轴承就因气体强大的爆发力而损坏了。多次实验后，除了一堆废铁，奥托一无所获。他不免有些沮丧，却又丈二和尚摸不着头脑，不知原因所在，便出国散心去了。

奥托设计的四冲程内燃机结构示意图（网络图）

回国的路上，奥托陷入了沉思，他忽然灵光一闪：将混合气变得足够稀薄不就可以了吗！如此一来，不但会减小爆发力，燃烧后还可以在气缸内形成负压，活塞便可在大气压的作用下逆行，机器就能连续运转。真是简单而又绝妙的做法！想到此，奥托急匆匆赶回实验室，重新开始实验。

经过反复尝试，奥托终于在1876年成功研制出了世界上第一台实用的四冲程内燃机。奥托的内燃机结构小巧，运行平稳，热效率更是达到了蒸汽机难以企及的14%。

奥托于1876年发明的四冲程内燃机（网络图）

奥托发明的内燃机很快就用到了生产生活中，当时的人们将它称为“瓦特以来动力机方面最大的成就”。奥托后来还成立了一家内燃机公司，对内燃机进行大规模生产，数年内就卖出3万多台，赚得盆满钵满。

一石激起千层浪，奥托的巨大成功，吸引了大量工程师投入到内燃机的改造事业中。

奥托的内燃机采用煤气作燃料，因而又叫煤气机。煤气机虽比蒸汽机进步得多，但煤气仍然不便携带，需要煤气发生炉和管道系统，人们很希望能找到替代煤气的燃料，以去掉这些冗余的装置。

十八世纪后半叶，随着石油工业的兴起，人们将目光投向了易于挥发的汽油，其中便包括现代汽车工业的先驱之一——戴姆勒。戴姆勒曾和奥托一起研制煤气机，但他后来认为汽油等液体燃料才是内燃机的未来，而奥托则依然对煤气机情有独钟，二人意见不合便分道扬镳了。

戴姆勒（Gottlieb Wilhelm Daimler，1834-1900，网络图）

戴姆勒找来了杰出的工程师迈巴赫，二人在煤气机的基础上增加了化油器，点火装置则采用了白炽灯管。研制过程似乎很顺利，1883年他们成功制造出第一台汽油机。此前的内燃机转速从未超过200转/分，而戴姆勒和迈巴赫则一举将转速提高到了800~1000转/分。

迈巴赫（Wilhelm Maybach，1846-1929，网络图）

戴姆勒和迈巴赫研制的汽油机（网络图）

戴姆勒于1886年研制的汽油机汽车（网络图）

几乎与戴姆勒同时，本茨（后人称为“汽车之父”）也成功发明出了类似的汽油机。戴姆勒和本茨的汽油机由于体积小、质量轻、效率高，一发明出来就立刻被用到了汽车上，轰轰烈烈的汽车时代到来了！（请戳：“臭怪物”开启汽车时代）

本茨（Karl Friedrich Benz，1844-1929，网络图）

本茨研制的汽油机（网络图）

本茨于1885年研制的汽油机汽车（网络图）

汽油机被发明后，很快取代了煤气机，可谓一时风头无两，集万千宠爱于一身。当时，有个叫狄塞尔的德国工程师也对汽油机产生了浓厚兴致，但他觉得汽油有些昂贵，他想：能否采用价格低廉的柴油作燃料呢？

狄塞尔（Rudolf Diesel，1858-1913，网络图）

1893年，狄塞尔制造出了第一台样机，他兴奋地邀请了很多人围观实验。然而，当柴油进入气缸时，却忽然发生了巨响，只见排气管不停向外喷着黑烟和火光，气缸盖上的仪器也瞬间飞了出去。围观的群众都受到了惊吓，纷纷表示：狄塞尔同志不行，狄塞尔同志的柴油机是没有前途的。

狄塞尔没把别人的冷嘲热讽放在心上，他认为虽然实验失败了，但至少证明了柴油喷入高压空气中可以自行燃烧。七个月后，狄塞尔总算小有成就，他的新机器终于可以运转了，尽管只运转了短短一分钟，却让他信心大增。1897年初，狄塞尔终于研制出第一台实用的柴油机。

狄塞尔于1893年第一次实验时所用的样机（网络图）

如今的柴油机（网络图）

柴油不但比汽油便宜，热效率也提高到了26%，柴油机很快便被用到了汽车、轮船、火车上。

二十世纪初，内燃机又被用到飞机上，催生了航空工业的兴起。

四冲程汽油机（左）和柴油机（右）工作示意（图源：360doc）

内燃机是人类继蒸汽机之后，动力领域最伟大的发明之一。尽管内燃机终将在不远的未来退出历史舞台，但过去的一百多年来，内燃机一直在交通和工程机械领域占据绝对的统治地位，它对世界经济发展和交通运输进步所做出的巨大贡献是有目共睹的。

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参考文献

[1] 内燃机的末日到了？将于2030年停止销售内燃机[EB/OL]. (2016-06-21)[2017-02-24].

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[5] 陈燮阳,乔慧英. 内燃机的发明——为现代交通运输大发展奠定了基础[J]. 汽车研究与开发,2000(4):56-58.

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