奔驰发动机之前经历了什么?
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卡尔·本茨1886年的Patent-Motorwagen作为汽车的诞生载入史册;但通往那台传奇发动机的道路,本身就是一段充满毅力与尝试的故事.如果没有1806年德·里瓦兹的氢动力车、1826年塞缪尔·布朗的爬坡试验、勒努瓦的Hippomobile以及奥托的四冲程循环,本茨的汽油发动机永远不会出现.这就是这条链条从头到尾的故事.
亮点回顾
- 1807年1月30日: 弗朗索瓦·艾萨克·德·里瓦兹在巴黎展示了以731号专利注册的首辆氢动力车.
- 1826年5月27日: 塞缪尔·布朗的燃气发动机在伦敦爬上了Shooter's Hill山坡.
- 1867年: 奥托和朗根的大气发动机在巴黎世界博览会上获奖.
- 1876年: 尼古劳斯·奥托凭借压缩燃料的四冲程发动机奠定了现代汽车发动机的基础.
- 1886年1月29日: 本茨获得了燃气发动机车辆的专利.
用爆炸推动活塞的想法是如何诞生的?
19世纪初,蒸汽机无处不在:它们驱动着工厂、船只,甚至最早的公路车辆.但存在一个问题——蒸汽锅炉太重,升温需要数小时.那么,如果燃料不是在锅炉里、而是在气缸内部燃烧呢?内燃机的想法正是源自这个问题.也就是说,把火搬到发动机自身,就像不是把锅放到炉子上,而是把炉子放到锅底下.
最早认真实现这一想法的人,是炮兵军官弗朗索瓦·艾萨克·德·里瓦兹.对于一个来自武器和火药世界的人来说,想到爆炸可以推动活塞并不困难——大炮本来就是这么工作的.他从1804年开始研究的发动机在1807年被安装到一辆车上,历史上第一辆内燃机车因此行驶了一小段距离.
氢气装在气球里,点火靠伏打电池
以今天的眼光看,德·里瓦兹的发动机包含了极其超前的现代概念:以氢气为燃料,用电火花点火.氢氧混合气体储存在一个气球中,伏打电池产生火花,活塞向上弹起.之后的机械过程则相当繁琐:阀门需要手动开关,没有配气机构.下行的活塞通过一套带摇臂的绞盘系统转动车轮.
这位法裔瑞士发明家于1807年1月30日在巴黎 取得了731号专利 ,并在瓦莱州进行了登记.他像一位执着的工程师一样不断改进,并在1813年制造出一台庞然大物:车长六米,车轮直径两米,重约 一吨 .在沃韦,它载着300公斤货物和四名乘客,在坡度为9%的道路上行驶了26米——速度 为3 km/s .每个冲程仅前进4-6米;不得不说,站起来走路都比这快.
更糟的是,没有人认真对待他.当时的科学界声称内燃机永远无法超越蒸汽机.历史终将证明谁是对的,但这需要半个世纪的时间.值得一提的是,同年,即1807年,Niépce兄弟为Pyreolophore申请了专利——这是一种可以利用水喷射驱动小艇的发动机——究竟哪个设计才是真正的第一,至今仍有争议.
Samuel Brown与爬坡的执着:1826年的燃气发动机
下一步来自英国.工程师Samuel Brown于1823年12月4日获得了内燃机专利.他的方法与Rivaz不同:他将一台老式Newcomen蒸汽机改造成燃气的发动机.他的发动机以氢气为燃料,并使用独立的燃烧室;实际上在某种程度上是一种依靠真空的燃气-真空型设计.
Brown的演示是发动机历史上最大胆的营销手法之一.1826年5月27日,他将发动机安装到一辆马车上,爬上了伦敦的Shooter's Hill山坡.虽然今天看来就像拍张汽车照片然后停在坡顶那么简单,但在当时这是无可比拟的壮举.然而,Brown的车辆还算不上实用的汽车——那只是一次演示,一次证明尝试.但证明已经完成:当燃烧发生在气缸内部时,车辆确实能够行驶.
Étienne Lenoir:首次商业成功与Hippomobile
从这里开始,事情变得严肃起来.比利时裔法国工程师Étienne Lenoir在1858年至1860年间开发的发动机,实现了内燃机的首次商业成功.这是一款不压缩混合气、采用火花塞点火的二冲程燃气发动机,1860年成为Lenoir的发动机被称为第一台内燃机的年份.巴黎对这些发动机有真正的需求;到1865年为止,大约售出了143台发动机,而有些计算则把连同非车辆专用发动机在内的总销量提高到350-400台——差异的原因在于统计的是什么:是车辆发动机,还是所有Lenoir燃气发动机.
但真正让Lenoir载入史册的,与其说是发动机,不如说是搭载它的那辆车.1863年,他推出了Hippomobile:一辆搭载自己发动机的三轮车辆.其发动机为单缸、 2543 cc 排量,功率仅为 1.5 hp .最初的版本使用通过电解水产生的氢气作为燃料;后来改用石油衍生燃料,并加装了一个原始的化油器.甚至有人认为它是有争议的最早的汽车.顺便说一句,燃料的更换颇具讽刺意味:第一辆氢动力车的构想可以追溯到1806年,Lenoir后来转向了汽油燃料,而如今氢发动机又重新被热议——历史有时会画出一个完整的圆.
问题从一开始就很明显:Lenoir发动机效率低下.由于没有压缩,大部分燃料被浪费掉了,几乎有一半被白白浪费.可以这样想:内部点火的思路是对的,但点火前必须压缩混合气——否则爆炸的力量会很弱.即将跨过这道门槛的人,已经在另一边的科隆开始工作了.
Otto与Langen:效率革命与四冲程循环
1864年,Nicolaus Otto和Eugen Langen在科隆创立了世界上第一家内燃机公司N. A. Otto & Co..三年后的1867年,他们推出了自由活塞式大气发动机.这台发动机的工作原理相当巧妙:燃烧将活塞向上弹射,活塞随后在真空效应下落下时做功.它在1867年巴黎世界博览会上夺得大奖,并赢得了当时最高效燃气发动机的头衔.它也是第一台成功投入批量生产的发动机——其中一台约0.5马力的版本至今仍能运转,这本身就已是一项工程壮举.
但Otto心中还有一个更大的想法.他在1861年制造了第一台发动机,并在当年年底构思出四冲程循环的概念.1876年,他终于实现了第一台压缩燃料的内燃机——也就是至今仍以他名字命名的Otto循环.区别在哪?压缩混合气能让爆炸的力量成倍增加.打个简单的比方:就像把同一个气球不是轻轻吹大,而是吹到极限再让它爆掉.在最初的测试中,发动机几分钟后就出了故障,Otto-Langen的合作关系也随之破裂,但这个想法已经成功了.没有压缩的旧式设计很快被淘汰;自Lenoir以来一直存在的低效问题终于得到解决.
Delamare-Deboutteville:迈向四个车轮的早期尝试
1876年之后,接下来就该把这台发动机合理地装到车辆上了.法国人Édouard Delamare-Deboutteville在研究了Lenoir和Otto的成果后,于1881年制造了他的第一台四冲程内燃机.1883年,他与Léon Malandin一起基于Otto的四冲程发动机开发了一台燃烧发动机,同年还设计了一辆以汽油为燃料、配备内燃机的车辆.
事情并非总是一帆风顺:第一次尝试时,汽车断成了两截——是的,字面意义上的.但在法国,这两人如今被誉为第一辆四轮汽车的发明者.这说明先驱权的争论有多么微妙:拥有名称和专利与真正面世并投入使用之间存在着巨大的差距.
Benz迈向专利的最后一步:1886年
Karl Benz的故事其实早在1886年的七年前就开始了.他的第一台固定式汽油发动机是单缸二冲程发动机,于 1879年岁末 首次运转.至于汽油这个想法是如何诞生的,故事实在再日常不过了:Benz在清洁手套时看到一碗苯被火花点燃,于是想到这种挥发性液体或许可以用作燃料.一场厨房里的小事故,就这样找到了开启汽车时代的燃料.
Benz Patent-Motorwagen 的 1886年1月29日 燃气发动机车辆专利申请获得批准.单缸四冲程汽油发动机输出约 0.55 kW (0.75马力),最高时速 16 km/h 相比Rivaz的3公里/小时,这个数字堪称革命性,但按今天的标准仍不足挂齿;关键不在于速度,而在于这种组合:轻量化底盘、强劲但小巧的发动机、石油基燃料——以及发动机输出与飞轮的平衡.这一切汇聚在一起,诞生了第一辆真正可用的汽车.许多历史学家将这项专利视为汽车的诞生.不久之后,Gottlieb Daimler也登上了舞台;许多人认为他是创造实用内燃机的第一人,并在1889年发明了V型双缸四冲程发动机,将这一进程又向前推进了一步.
纵观整条链条,我们看到了什么?
| 发明家 | 年份 | 贡献 |
|---|---|---|
| François Isaac de Rivaz | 1806-1807 | 首辆氢气内燃机汽车 |
| Samuel Brown | 1823-1826 | 燃气真空发动机,Shooter's Hill爬坡 |
| Étienne Lenoir | 1860-1863 | 首台商用发动机与Hippomobile |
| Otto和Langen | 1867 | 大气发动机,首次批量生产 |
| Nicolaus Otto | 1876 | 压缩式四冲程循环 |
| Delamare-Deboutteville和Malandin | 1883 | 基于Otto发动机的汽车尝试 |
| Karl Benz | 1886 | Patent-Motorwagen,汽车的诞生 |
每一个名字都承接了一棒:de Rivaz将火焰引入气缸,Brown证明了车辆可以行驶,Lenoir展示了可以出售的发动机,Otto解决了效率问题,Delamare-Deboutteville转向四个车轮,Benz则将这一切集于一车之中.缺少任何一环,其他都会失败——即使专利史上只记载了一位发明家的名字,那台发动机实际上凝聚了八十年的集体努力.
所以,下一次你转动钥匙、听到发动机启动时,请停一秒想一想:那个声音,是一段始于1807年氢气球、延续至今的漫长故事的最后一环.你觉得这条链条上哪一步最勇敢?我最喜欢的是Benz从一碗苯的意外中获得汽油燃料灵感的故事——不过de Rivaz那辆从未受到认真对待的氢气汽车也不该被忽视.