从Benz到Otto:内燃机充满传奇的一个世纪

从尼古拉斯·奥托的四冲程发动机到奔驰Patent-Motorwagen,内燃机长达一个世纪的工程历程.
从尼古拉斯·奥托的四冲程发动机到奔驰Patent-Motorwagen,内燃机长达一个世纪的工程历程.

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内燃机的历史实际上始于1876年Nikolaus Otto的压缩式四冲程发动机; 1886年Karl Benz的Patent-Motorwagen将它变成了汽车,其后的一百年则是一场贯穿气缸架构、效率危机以及涡轮增压和柴油等旁支路线的工程竞赛. 本文以基于档案资料的编年史叙述,追溯这一百年历程.

要点

  • 四冲程循环的专利由Alphonse Beau de Rochas于1862年获得; 第一台实用的发动机则是Otto于1876年制造的.
  • 第一项汽车专利: 1886年1月29日,Benz Patent-Motorwagen,专利号37435.
  • 随着Otto专利被撤销, 1889年有50多家公司在生产同一设计.
  • 柴油在欧洲的市场份额2015年为52%,到2023年降至18%.
  • BMW 2002 Turbo比Porsche 911 Turbo早两年,成为欧洲首款批量生产涡轮增压汽车.

从Lenoir到Otto: 四冲程发动机为何是一场革命?

这段历史的起点其实并非Otto,而是他之前最佳的解决方案. 1860年,Étienne Lenoir制造了一台以照明煤气为燃料的双作用内燃机; 但这台机器既庞大又低效: 从18升的容积中仅能获得2马力(约1.5千瓦),四分之三的燃料被浪费掉了. 走街串巷的推销员Nikolaus Otto通过一则报纸广告了解到这台发动机,并于1861年测试了一台复制品. 测试教给他的道理简单却具有决定性: 燃烧前对燃料混合气进行压缩,是效率的关键. 1862年他的首次压缩尝试以失败告终,因为发动机在几分钟内就损毁了; 但思路是正确的.

汽车史上最具讽刺意味的专利事件也正发生在这里. 四冲程循环——进气、压缩、做功和排气; 在两个发动机循环内完成四次活塞冲程——其专利由法国工程师Alphonse Beau de Rochas于1862年获得,但他从未制造过这台机器. 由于是Otto首先造出了这台发动机,这一循环如今以他的名字命名. Otto通过与儿子以及1864年与Eugen Langen共同创立的世界第一家内燃机公司NA Otto & Cie,一步一步开辟了这条道路: 在1867年巴黎世界博览会上,他们的大气式发动机赢得了金牌; 这台机器的煤气消耗量不到竞争性煤气发动机的一半,可输出12%的效率和0.5马力. 公司于1869年迁至Deutz,并更名为Gasmotoren-Fabrik Deutz ——也就是今天的Deutz AG,世界上最古老的发动机制造商.

真正的飞跃出现在14年研发之后: 1876年5月9日,Otto创造出以压缩充量原理工作的四冲程发动机. 借助他称之为分层充量的方法,这一设计使燃烧变得可控,同年秋天便以Rings-Schumm发动机之名达到商用成熟度,成为首台成功商用并采用缸内压缩的机器. 凭借其可靠性、高效率和相对安静的运转,在接下来的10年里生产了超过30000台奥托循环发动机. 这一数字所揭示的技术飞跃是显而易见的: 向压缩式的转变使效率在1880-1890年间从5%提升到了15%; 相比蒸汽时代效率低于5%的发动机,提升了三倍. 火花点火的四冲程循环至今仍在路上大多数汽车中运转.

这段故事的法律结局同样具有启发性. 1886年,随着Beau de Rochas更早日期的专利被曝光,奥托的专利被撤销; 道依茨公司无法向法院证明自己的分层充气系统与那项法国专利有所不同. 这一结果对工程界而言是一次解放: 到1889年,已有超过50家公司生产奥托设计的发动机. 这种实用发明与专利优先权之间的经典矛盾,为整个时代的工业敞开了大门. 这场争论的一方至今依然活跃: 在法国,这一循环有时被称为"Beau de Rochas循环",也有人指出Reithmann的贡献——三位发明家的贡献不是彼此的替代,而是互补.

通往汽车之路: 戴姆勒、迈巴赫与奔驰的Patent-Motorwagen

奥托想要的是大型固定式发动机; 而道依茨的技术总监戈特利布·戴姆勒和首席设计师威廉·迈巴赫则致力于让发动机可移动,也就是缩小到可以安装在车辆上的尺寸. 这种生产理念上的分歧导致两人在1882年离开了公司. 离开的成果很快到来: 1883年推出了0.5马力的小型高效发动机, 1885年则推出了绰号为"座钟"的首台高转速汽油发动机. 围绕这台发动机构建的戴姆勒骑行马车(Daimler Reitwagen),是首辆搭载内燃机的机动车辆.

而汽车的出生证明则是在曼海姆、而非科隆签发的. 卡尔·奔驰于1886年1月29日为其"燃气动力车辆"申请的37435号专利载入史册. 奔驰专利汽车(Benz Patent-Motorwagen)完成于1885年; 它由单缸汽油发动机驱动,结构轻巧,有三个车轮,并同时拥有两项头衔: 首辆以汽油内燃机驱动的真正汽车,以及首辆投入批量生产的汽车. 当然,在奔驰之前并非一片空白——包括1769年尼古拉-约瑟夫·居纽的蒸汽车辆在内,机动车辆的探索已持续了近一个世纪; 但从勒努瓦效率仅4%的机器到奥托压缩循环的这一发展脉络,只有借助汽油和奔驰的轻量化底盘才真正驶上了公路.

道依茨在这一链条中的贡献也不容忽视: 1884年开发的化油器与可靠的低压点火系统,使液态石油燃料首次得以在发动机上使用. 汽车的燃料,作为一项技术副产品而诞生. 而戴姆勒与迈巴赫的这条产品线,则在1890年代末以Emil Jellinek开发的汽车登上巅峰: 这台35马力发动机的车辆可达到约90 km/h的速度,以Jellinek的女儿Mercedes的名字命名. 当时的评价是残酷的——Benz的第一辆汽车在1880年代还不如一匹马; 但它所开启的进步在一个世纪中不断深化,未曾间断.

气缸布局: 直列、V型与水平对置布局诉说着什么?

在奥托循环保持不变的情况下,一个世纪的竞争很大程度上围绕着气缸如何排列展开. 共有三种基本布局,每一种都回应着不同的工程优先级:

  • 直列(Inline): 气缸排成一列. 结构简单且平衡; 代价是长度——在相同气缸数下,比V型布局占用明显更长的缸体空间.
  • V型:气缸分成两列,呈一定角度排列; V8通常以60°-90°的夹角构建,每列为四缸. 它缩短了长度,提供了紧凑的发动机舱.
  • 水平对置:两列之间的夹角为180°. 凭借低重心和振动平衡,它在性能导向的应用中提供了独特的平衡与性能表现.

这一三角形的历史脉络也清晰可见: 在战前和战后时期,发动机排量和气缸数不断增长; 到1970年代,美国市场的默认发动机几乎完全是V8. 正如我们将在下文看到的,石油危机产生了在一夜之间扭转这些架构选择的压力.

战后小型汽车时代: Beetle、Fiat 500与Mini

两次世界大战之后,发动机的故事不是以庞大、而是以小巧书写的. 战后欧洲的家庭轿车Volkswagen Beetle ——正式名称为Type 1 ——在1938-2003期间持续生产,其风冷与后置发动机的布局定义了当时微型汽车的模板. 这一布局的影响是直接的: 初代Fiat 500从1938年Beetle的架构中汲取灵感,并在1957-1975年间售出340万辆,成为经典. 而Mini则于1959年加入. 三者的共同点不是廉价,而是可靠性和简洁性; 经典时期的欧洲小型汽车曾被视作简洁性与低运营成本的巅峰之作. 在工程语言中,这是这样一个时期的名字:缩小气缸数和排量、提高可靠性,变得比增大功率更具销售价值.

1973年石油危机如何改变了发动机设计? 小型化与涡轮增压革命

1973 petrol krizinin ardından turboşarj devrimini başlatan BMW 2002 Turbo, Avrupa'nın ilk seri üretim turboşarjlı yol otomobili olarak tarihe geçti.

1973年,OPEC的石油禁运使每桶价格先翻了一倍、后又翻了两番,赤裸裸地暴露出美国这个嗜油如命的汽车车队有多么脆弱. 发动机设计的术语正是在这次冲击中诞生的: 定义那个时代的Malaise era (萧条时代)概念始于汽油成本的突然飙升; 制造商告别了超大车身和大排量发动机的时代,转向效率. 在美国,默认V8发动机的排量几乎被削减了一半; 我们今天所说的 "downsizing"(小型化)这一理念的根源,正是要追溯到 OPEC 危机. 丰田的官方历史也印证了同样的阵痛: 石油供应下降和价格上涨,进一步加剧了那个时代的材料和产品短缺.

效率压力在性能方面的回应,则是回收废气中的能量: 涡轮增压. 有三个名字被视为这场革命的先驱,按时间顺序如下:

  1. BMW 2002 Turbo - 1973年在法兰克福车展上,经过三年的研发后亮相; 它采用 KKK 涡轮增压器、2.0 升 (1990 cc) SOHC 直列四缸 M10 发动机和 Kugelfischer 喷射系统生产,比保时捷的类似方案早了 两年,成为欧洲首款量产涡轮增压公路汽车.
  2. Porsche 911 Carrera Turbo (930) - 将涡轮增压置于品牌性能形象的核心.
  3. Saab 99 Turbo - 1978年将涡轮带入普通家庭轿车,培养了一个持续数十年的狂热车迷群体; Volvo 240 Turbo 也沿袭了这一务实路线.

均衡的解读是: 如果说 2002 Turbo 和 911 Turbo 让涡轮增压成为性能的象征,那么 99 Turbo 和 240 Turbo 则将其转化为日常使用的奢侈. 这三款先驱车型的总体影响,是将涡轮增压从一个小众赛车技术转变为大众化的效率工具 - 这是对石油危机强加给工程界的无奈要求的优雅回应.

柴油的崛起与 Dieselgate 带来的崩塌

二十世纪末,柴油曾是效率浪潮的受益者之一; 而到二十一世纪的前四分之一,它却演变成一场诚信危机. 转折点是 2015年 9 月: 在 Dieselgate 排放丑闻中,大众在数百万辆柴油车上安装了被称为 "defeat device"(失效保护器)的作弊软件,以欺骗世界各地的排放测试. 根据美国 EPA 的调查,在 2009-2016 车型年间,该公司以约 590,000 辆柴油车违反了《清洁空气法》. 科学文献证实,作弊软件以非法方式产生了虚假的NOx排放结果. 这场丑闻也并非只是一家公司的档案; 许多制造商在测试中放宽CO₂数值和油耗,这在行业内被视为众所周知的事实. VW在丑闻后暂停了现款柴油车的销售,直到能满足新标准的技术出现为止.

结果是可衡量且严厉的. 在欧洲,柴油轿车的市场份额从丑闻爆发的 2015年的 52% 下滑至 2023年的 18%; 同一时期,电动汽车的份额迅速上升. 说柴油 "已死" 虽然言过其实,但毫无疑问,欧洲道路上一个时代的终结已然到来 - 而这一终结为电的崛起创造了主要的空缺.

支线: 汪克尔发动机与马自达 45 年的执拗

主线之外最受欢迎的分支,是德国工程师 Felix Wankel 发明的转子发动机; 其起源可追溯至1929年的概念方案,并在1950年代走向成熟. 这一用旋转转子取代活塞和气缸来完成工作循环的精妙构想,在日本找到了它最忠实的拥趸: 马自达于 1959年与NSU签署了一份开发协议,早早作出了持久承诺. 转子发动机之旅始于 1967年的 Cosmo Sport (Mazda 110S); 借助R100等车型延续到1960年代末,并在之后的45年里通过不断增大排量和增加涡轮增压,使这款发动机日臻成熟. 尽管始终游离于主流之外,汪克尔发动机作为展示奥托循环并非唯一选择的最具生命力的实验路线,永载工程史册.

日本爆发: 石油危机如何改变了时代的主人?

这一百年间最后一次重大变革发生在生产版图之上. 在1970年代,日本汽车在老一辈眼中仍是一种禁忌,而1973年石油危机是否引发了这场爆发,至今仍是争论不休的问题. 争论的两端都很明确: 一方面,危机让省油的小排量汽车一夜之间成为全球最抢手的商品; 另一方面,日本制造商的崛起不能仅仅归因于一场被定价的石油冲击. 丰田将第一次石油危机的应对写入了其企业历史的独立章节——也就是说,这并非危机带来的偶然顺风,而是公司战略中系统应对的一个转折点. 从工程师的视角看,这个等式是自洽的: 效率从此成为设计的输入项,而从1973年起,最能驾驭这一输入的文化接管了时代的市场. 涡轮增压的先驱中也不乏Saab和Volvo这样注重效率的欧洲制造商,这正是同一逻辑在欧洲的体现.

结语: 150年循环的今天

从奥托1876年的机器到柴油门事件后空置的发动机舱,这条脉络只用一个逻辑便可读懂: 每个时代的约束,书写着下一个时代的设计优先级. 勒努瓦4%的效率逼出了压缩; 压缩催生了汽车; 战后的匮乏让它变小; 石油危机强推了效率和涡轮; 排放法规先是捧高了柴油,随后又将其打入低谷. 火花点火的四冲程循环至今仍在路上运转 - 但要指出这场150年长跑的终点线如今已画在电动一侧,则是读史者的职责.

参考资料