内燃机的发明与改进

为了提高蒸汽机效率，卡诺建立起热机的卡诺定理，指出热效率由两个热源的温差所决定。19世纪中期，焦耳、赫尔姆霍茨、开尔文、克劳修斯等人建立了热力学第一定律和第二定律，这是热机工作的基本理论。蒸汽机将热量转化为机械能是通过外燃的方式，即热量主要在气缸外流通，锅炉和烟囱几乎将大部分热量都散发出去了，这样它的热效率非常之低。当时的蒸汽机一般都在5%—8%之间。此外，为了得到高温高压蒸汽，起动之前还需要一段时间的预热，使用起来很不方便。

限制热效率提高的根本原因是热源在外，只有热源在内部才能解决热效率不高的问题；其研究结论成为发明“内燃机”的思路。历史上，蒸汽机的先驱、法国物理学家巴本一开始研究的就是用火药作燃料的内燃动力技术，但是内燃机对汽缸材料、活塞加工精度、内燃燃料等均有很高的要求，汽缸材料如不结实，则容易发生爆炸，活塞加工如不够精密，则不能产生应有的高压驱动力，当然最重要的还是燃料，它必须是气体或者至少是易于蒸发的液体，使废气易于排出气缸。这些条件在巴本的时代均不具备，所以他不可能实现他的设想。巴本在多次失败后才想到用蒸汽代替火药，于1690年试制成功历史上第一台蒸汽机。

18世纪末，在蒸馏煤炭中生成的煤气成了一种廉价的燃料，发明家们马上注意到这是一种可以用来作为内燃材料的新燃料。1799年，法国工程师勒朋设计了一种以煤气作燃料，用电火花作点火装置的内燃机；1820年，英国工程师西塞尔勾画了更完整的设计蓝图，他试图让煤气在气缸内燃烧产生高温气体，尔后冷却形成真空，由大气对活塞做功。这种设计思想还局限于大气机的框架。1833年，英国另一位工程师赖特提出了单靠燃烧气体的压力推动活塞做功的爆发式内燃机设计蓝图。这些设计思想最后在法国发明家莱努瓦（1822年—1900年） 的手里得以首次实现。1860年，莱努瓦首次造出了一台用煤气作燃料、用电火花作点火装置的内燃机。世界历史上的这第一台内燃机完全可以投入使用，莱努瓦用它装了一辆车子，还装了一只汽船，效果很好。但它的燃料消耗量很大，热效率只有4%，体积也很大。

1862年，法国工程师德罗夏（1815年—1891年）总结卡诺的热机理论和内燃机的研制实践，提出了内燃机的四冲程理论。该理论指出，通过如下四个冲程（快速往复的过程） 内燃热机可取得最大的热效率：第一冲程是外冲程也即吸收冲程，它通过汽缸的向外运动造成的真空将混合气体燃料吸入气缸；第二冲程是内冲程也即压缩冲程，它通过汽缸的向内运动对进入汽缸里的燃料进行压缩，并在最后的瞬间点火，产生最大的爆发力；第三冲程是外冲程称为爆发冲程，它是由高压燃烧气体产生的巨大爆发力做功的过程；第四冲程是内冲程称为排气冲程，它将已经燃烧的废气从气缸中排出去，为下一次第一冲程做准备。德罗夏的四冲程理论未引起当时的重视。

1876年初，德国工程师奥托（1832年—1891年）偶然看到刊物上登载的德罗夏的四冲程理论，受到很大启发，决心以此理论为基础进行内燃机的研制。奥托从1854年就开始研制内燃机，但屡遭失败。1876年底，奥托造出了一台新的以四冲程理论为依据的煤气内燃机。他发现，利用飞轮的惯性可以使四冲程自动实现循环往复，这就成功地将德罗夏的四冲程理论付诸实践。这台内燃机的热效率一下子提高到了14%。

奥托继续试验和改进，内燃机的性能更趋稳定和完善，到1880年，机器功率已由原来的4马力提高到20马力。他的公司生产的内燃机成了热门货，直到1890年，世界各地已到处是奥托公司的内燃机，大有取代蒸汽机之势。由于奥托声名大振，人们往往认为他就是四冲程理论的创始人，把四冲程循环称为奥托循环，而德罗夏往往不为人提及。

奥托内燃机采用的是煤气作为燃料，而煤气必须由煤气发生炉这样大的装置提供，这就产生了许多不便之处，例如，这种内燃机无法用在车、船这种远程移动性机械上。

然而，19世纪中叶以来，燃料工业已经在发生着巨大的变革。1854年，美国工程师西里曼成功地发明了石油的分馏方法，汽油、煤油、柴油等优质燃油投入应用。1859年，美国人在宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井，从此开始了对石油的大量开采和利用。1883年，德国工程师、发明家戴姆勒（1834年—1900年）研制成功了第一台以汽油为燃料的内燃机，由于汽油的燃烧值远远高于煤气，所产生的动力也远大于煤气内燃机。1885年，戴姆勒和德国工程师、发明家本茨（1844年—1929年）两人以汽油机为动力，分别独立地研制出最早的可供实用的汽车。1892年德国机械工程师狄塞尔（1858年—1913年）发明了柴油机，它是一种结构更简单燃料更便宜的内燃机；这种机器由于增加了压缩过程，使热效率进一步提高，达到27%—32%。狄塞尔机的问世，标志着往复式活塞内燃机的发明已基本完成，被广泛地运用于卡车、拖拉机、公共汽车、船舶及机车等，成为重型运输工具中无可争议的原动机。

内燃机的问世还使人类飞上天空的美梦成真，1903年美国工程师赖特兄弟以一台8马力的汽油内燃机为引擎制造了一架飞机，并成功地在天上停留了59秒，飞行260米。飞机使人类进入了航空运输时代，这已经是20世纪的事情了。

正像蒸汽机的发明及其实用化构成了第一次技术革命的主要内容一样，内燃机作为一种新的动力机械与电动机一起掀起第二次技术革命的高潮。

内燃机的发明终于使农业生产技术发生了重大的革命。在资本主义发展史上，农业生产发展曾比较缓慢。当城市工业普遍使用蒸汽机时，农作物的耕种和收割仍主要依靠畜力，因为蒸汽机过于笨重。甚至在19世纪中叶已发明了收割卷轧机和收割机，但动力仍为畜力。而内燃机一出现，立即就成为农业生产的动力机而取代了畜力。1892年，由汽油机驱动的拖拉机奔驰在田野上；1901年，拖拉机开始批量生产。拖拉机的使用又促进了农用工作机的大量制造，使长期处于落后状态的农业面貌大为改观，完成了农业机械化进程，极大地提高了农业劳动生产率。从1890年—1930年，美国农业劳动生产率增长了4倍，农村人口由约占总人口的60%降低到36%。

内燃机的广泛应用使石油需求量大大增加，石油工业的发展又使燃料化学工业与合成化学工业大大发展起来。