魯?shù)婪颉さ屹悹枺≧udolfDiesel),柴油發(fā)動機的發(fā)明者,柴油用Diesel表示即用于紀念他在發(fā)動機史上的卓越貢獻。
自18世紀末瓦特改良了蒸汽機,蒸汽機成為世界發(fā)展的動力,但是早期的蒸汽機工作壓力很低,結(jié)構(gòu)笨重,效率不到5%。19世紀初,法國人薩迪·卡諾(Sadi Carnot)著眼熱力學理論研究熱機效率,提出了“卡諾循環(huán)”。
德國工程師奧拓(N.A Otto)效仿卡諾提出了“奧拓循環(huán)”,即定容加熱循環(huán)原理,其工作過程為:將可燃氣體在氣缸中壓縮,再點燃壓縮可燃氣體,產(chǎn)生很強的推力,從而提高熱效率和輸出功率。奧托創(chuàng)建的內(nèi)燃機工作原理一直在現(xiàn)代汽車發(fā)動機(汽油機)上沿用至今。1876奧托的第一臺內(nèi)燃機為單缸臥式,功率3.2千瓦(4.4馬力),四沖程,轉(zhuǎn)速為156轉(zhuǎn)/分,壓縮比為2.66,熱效率達到14%,大大超過了蒸汽機。不過當時石油工業(yè)尚未起步,更談不上汽油(第一臺汽油機還要等到1883年才問世),因此這臺發(fā)動機采用的燃料是煤氣。由于煤氣存儲不便,存在安全性較差的缺點。同時由于奧托的內(nèi)燃機采用的是點燃方式,當時完善的電點火裝置還沒有發(fā)明,點火裝置可靠性也不佳。
奧拓研制的世界首臺4沖程煤氣發(fā)動機的成功鼓舞了從事機械動力研究的許多工程師,包括著名的現(xiàn)代汽車先驅(qū)者卡爾·本茨和戈特利布·戴姆勒。同致力于改造奧拓發(fā)動機的本茨和戴姆勒不同的是,德國狄賽爾想法更為大膽超前,他想完全設計發(fā)動機的點火系統(tǒng),靠壓縮空氣發(fā)熱,噴入燃料后自然做工,這種區(qū)別于吸入燃氣混合氣點燃做功的方式被稱作“壓縮式內(nèi)燃機”
狄賽爾的這種想法是基于當時的環(huán)境條件提出的,當時還沒有發(fā)明分電器和高壓點火線圈,點火裝置簡陋且不穩(wěn)定,狄賽爾想通過這種方式回避技術(shù)障礙。他在氣動打火機上找到了靈感。但是狄賽爾又在燃料上陷入難題,常用汽油非常活躍,一旦把汽油霧化噴入含有高溫高壓空氣的燃燒室,就會猛烈的敲缸甚至爆炸。于是,狄賽爾轉(zhuǎn)向植物油的試驗,雖然植物油的嘗試也宣告失敗,但是作為第一個把植物油引入內(nèi)燃機的人,還是被現(xiàn)代鼓吹“綠色燃料”的人們奉為鼻祖。最終,狄賽爾將燃料鎖定在了石油裂解產(chǎn)物中一直未被重視的柴油,柴油較于汽油有其明顯的優(yōu)勢——性質(zhì)穩(wěn)定、難于點燃。柴油機的這種穩(wěn)定特性正適用于壓燃式內(nèi)燃機,即使在壓縮比非常高的情況下柴油機也不會出現(xiàn)爆震情況。經(jīng)過近20年的潛心研究狄賽爾終于在1892年試制成了第一臺壓燃式內(nèi)燃機,也就是柴油機,并申請了專利。
這臺柴油機用氣缸吸入純空氣,再用活塞強力壓縮,使空氣體積壓縮到15倍,溫度上升到500~700℃,然后用壓縮空氣把霧狀柴油噴入氣缸,與缸中高溫純空氣混合,由于氣缸這時已經(jīng)有了較高的溫度,因而柴油噴入后自行燃燒做功。
狄賽爾隨后找到了德國的奧格斯堡機器制造廠——曼恩(M.A.N)公司的前身,1897年第一臺能安全運轉(zhuǎn)的柴油機被制造出來,狄賽爾親自啟動了發(fā)動機。這臺單缸發(fā)動機的功率僅為14瓦,效率為26%,卻已遠超過當時的蒸汽機和奧拓式內(nèi)燃機。
狄賽爾最初試制的柴油機很不穩(wěn)定,1894年,改進后的柴油機能夠運行一分鐘左右。狄賽爾迫不及待將柴油機投入使用,但是由于他急于推向市場的20臺柴油機技術(shù)不過關遭到了退貨,不僅使狄賽爾經(jīng)濟出現(xiàn)狀況,同時也影響了柴油機的形象。隨后幾年幾乎沒有個人或廠家樂意裝配柴油機,1913年,狄賽爾被巨浪卷走(多數(shù)歷史學家認為他是跳海自盡),狄賽爾至死沒能看到柴油機能夠批量裝載在汽車上。
狄賽爾的柴油機本身存在不少的缺陷,其最大的問題便是重量。柴油機的內(nèi)部壓力比汽油機高很多,故而柴油機缸體比汽油機粗壯很多,同時早期為柴油機提供壓縮空氣的壓縮機質(zhì)量也非常巨大,最終柴油機整體十分笨重,并不適應當時骨架很小的汽車。
1924年,美國康明斯公司正式采用泵噴油器,使得柴油機質(zhì)量明顯降低。同年,曼恩公司在柏林汽車展上展示了一臺裝備柴油機的卡車。不久,博世公司開始正式生產(chǎn)泵噴油器,由于柱塞泵的普及為柴油機安裝在汽車上提供了基礎,1936年,本茨公司生產(chǎn)了第一臺柴油機轎車260D,距離狄賽爾逝世已有23年之久。
真正使柴油機站在鮮明地位的是在重型機械和裝甲車輛上的使用,二戰(zhàn)中,美國的舒爾曼坦克和德國虎式坦克都使用汽油機,護士坦克以其強大的火力和厚重的莊稼占得上風,美軍只能在數(shù)量上與虎式坦克一較高低。但是在蘇聯(lián)戰(zhàn)場上,蘇軍的T-34坦克的火力和裝甲雖不及虎式坦克,但是T-34的柴油發(fā)動機在中彈后不易起火,大大提高了戰(zhàn)場的生存能力。戰(zhàn)后,各國紛紛借鑒都將自己的坦克換成了柴油發(fā)動機。
20世紀50年代以后,兩大陣營在坦克功率方面進行了不斷的軍備競賽,這無形中大大加速了柴油機技術(shù)的發(fā)展。由噴油壓力決定柴油機功率和扭矩這一特點,世界各大柴油機制造公司拼命提高柴油機的噴油壓力,此時,康明斯公司已研究成功完全不同于柱塞泵的PT噴油系統(tǒng),大大提高了噴油壓力。70年代以后,博世公司把電控汽油機噴射技術(shù)引用到柴油機,自此柴油機的使用發(fā)展重新進入一個新的紀元。
電控噴油泵技術(shù)之后又發(fā)展出了電控泵噴嘴技術(shù)和高壓共軌噴射技術(shù),其后發(fā)展的兩種技術(shù)現(xiàn)在廣泛用于柴油機電控噴射技術(shù)。
柴油機——高扭矩、高壽命、低油耗、低排放,成為解決汽油能源問題最現(xiàn)實的手段。兩個世紀過去,柴油機由最初無人問津到現(xiàn)在廣泛應用于重型車輛和乘用車,但凡打開這些車的發(fā)動機蓋,都可以看到屬于狄賽爾的姓氏標記——Diesel,以教人銘記這個在柴油機發(fā)明人的卓越貢獻。