工业革命的启蒙系列(一)

工业革命的启蒙系列(一)——从蒸汽机到内燃机

为什么我向来不看好我们民族的东西? 为什么我不喜欢吹捧和放大我们民族的闪光点? 因为我太知道人类的“好东西”和人类的“闪光点”在哪里? 因为我太明白我们民族的盲点在在哪里? 每个人对自己的认识都有盲点，这个盲点就是自己的缺点。每个人都喜欢别人夸奖自己，都反感别人批评和贬低自己。一个民族也是一样的，民族的盲点在哪里? 这正是我经常提到的“东西方的差距”这个问题。但是，历来统治阶级为什么都喜欢维护民族的东西? 因为只要他们维护民族的东西，就等于维护了列祖列先们那些既定传统的东西，也就可以混淆是非的糊弄人民说他们是爱祖国的，从而维护他们自己统治的合法性。

现在我常听到这句话——“民族的就是世界的”，这也是—种含糊不清的鬼话! 应该先搞清楚“民族的”究竟是代表世界先进的，还是代表落后的? 是有创意的，还是平庸的，甚至倒退的。并不是所有各民族的东西都是值得全世界欢迎的。每当我想起工业革命的那些创造发明，无论它来自哪一个民族，哪一个人物，它都是那么激动着我，总是想冲动地要把它们一一讲述出来。那些能推动人类文明进步的发明创造，这才是真正代表世界的，真正属于世界的! 才能被所有的民族吸收、滋养而壮大。从今天开始，我想尝试着叙述我多年的这个愿望——回眸人类走过的工业发展史，题名为“工业革命的启蒙系列”。

一、蒸汽机

为什么工业革命必须先从蒸汽机开始叙述? 因为整个工业革命也就是动能革命! 即动力和能源的革命。人类过去所创造的一切工具，都只能通过人力的动力才得以发挥其作用，那是非常微小微弱的力量。也有少数简单地借助风力、水力的动能，但也形成不了规模。所以人类的生产力一直很低很落后，几千年，几万年，乃至几十万年以来，这种状况没有谁能改变，谁能实破。

直到1679年，法国物理学家丹尼斯·巴本在观察蒸汽逃离他的高压锅后，才制造了第一台蒸汽机的工作模型，这才使后人注意到蒸汽机可将蒸汽的能量转换为机械功，并不断改进使之成为往复式动力机械。同时发明蒸汽机的还有萨缪尔·莫兰，以及后继的发明者——英国人托马斯·塞维利(1698年)、托马斯·纽科门(1712年)。至于英国人瓦特，他并不是蒸汽机的发明者，而是蒸汽机关健技术的改良者，才使得蒸汽机可以使用到机车、轮船和各种机器上，实现了蒸汽机现代化。瓦特的故事是这样发生的。

1764年，格拉斯哥大学请来仪器修理工詹姆斯·瓦特修理一台纽可门式蒸汽机，在修理的过程中，瓦特熟悉了蒸汽机的构造和原理。早期纽可门式的蒸汽机使用蒸汽凝结时产生的真空来做功，后来的则使用蒸汽膨胀来做功。将蒸汽引入气缸后阀门被关闭，然后冷水被撒入汽缸，蒸汽凝结时造成真空，活塞另一面的空气压力推动活塞产生动力。纽可门这种大气式蒸汽机，主要毛病是由于蒸汽进入汽缸时，在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量，只在煤价低廉的产煤区才得到推广，而且都是用来抽煤矿井里的水，在矿井中联结一根深入竖井的杆来驱动一个泵，蒸汽机活塞的运动通过这根杆传到泵的活塞来将水抽到井外。

瓦特发现了这种蒸汽机的两大缺点：活塞动作不连续而且慢；蒸汽利用率低，浪费原料。以后，瓦特开始思考改进的办法，直到1765年的春天，在一次散步时，瓦特想到，既然纽可门蒸汽机的热效率低是蒸汽在缸内冷凝造成的，那么为什么不能让蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特产生了采用分离冷凝器的最初设想。冷凝器作用就是把蒸气转变成液体的装置。在产生这种设想以后，瓦特在同年设计了一种带有分离冷凝器的蒸汽机。按照设计，冷凝器与汽缸之间有一个调节阀门相连，使他们既能连通又能分开。这样，既能把做工后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使汽缸内产生同样的真空，避免了汽缸在一冷一热过程中热量的消耗，据瓦特理论计算，这种新的蒸汽机的热效率将是纽可门蒸汽机的三倍。

从理论上说，瓦特的这种带有分离器冷凝器的蒸汽机显然优于纽可门蒸汽机，但是，要把理论上的东西变为实际上的东西，把图纸上的蒸汽机变为实在的蒸汽机，还要走很长的路。瓦特辛辛苦苦造出了几台蒸汽机，但效果反而不如纽可门蒸汽机，甚至四处漏气，无法开动。尽管耗资巨大的试验使他债台高筑，但他没有在困难面前怯步，继续进行试验。当布莱克知道瓦特的奋斗目标和困难处境时，他把瓦特介绍给了自己一个十分富有的朋友——化工技师罗巴克。当时罗巴克是一个十分富有的企业家，他在苏格兰的卡隆开办了第一座规模较大的炼铁厂。虽然当时罗巴克已近50岁，但对科学技术的新发明仍然倾注着极大的热情。他对当时只有三十来岁的瓦特的新装置很是赞许，当即与瓦特签订合同，赞助瓦特进行新式蒸汽机的试制。

从1766年开始，在三年多的时间里，瓦特克服了在材料和工艺等各方面的困难，终于在1769年制出了第一台样机。设有与汽缸壁分开的凝汽器的蒸汽机，使冷凝器与汽缸分离，发明曲轴和齿轮传动以及离心调速器等。获得第一项专利。第一台带有冷凝器的蒸汽机虽然试制成功了，但它同纽可门蒸汽机相比，除了热效率有显著提高外，在作为动力机来带动其他工作机的性能方面仍未取得实质性进展。就是说，瓦特的这种蒸汽机还是无法作为真正的动力机。初期的瓦特蒸汽机仍用平衡杠杆和拉杆机构来驱动提水泵，为了从凝汽器中抽除凝结水和空气，瓦特装设了抽气泵。他还在汽缸外壁加装夹层，用蒸汽加热汽缸壁，以减少冷凝损失。大大提高了蒸汽机的效率。瓦特的这些发明，仍使用在现代蒸汽机中，为纪念瓦特的贡献，物理学中的功率的单位名称以其姓氏命名。

蒸汽机需要一个使水沸腾产生高压蒸汽的锅炉，这个锅炉可以使用木头、煤、石油或天然气甚至垃圾作为热源。蒸汽机工作原理是，蒸汽锅炉通过燃烧过程水沸腾为蒸汽。通过管道蒸汽被送到汽缸。阀门控制蒸汽到达汽缸的时间，经主汽阀和节流阀进入滑阀室，受滑阀控制交替地进入汽缸的左侧或右侧，推动活塞运动。蒸汽在汽缸内推动活塞做功，冷却的蒸汽通过管道被引入冷凝器重新凝结为水。这个过程在蒸汽机运动时不断重复。简单的蒸汽机主要由汽缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、调速机构和飞轮等部分组成，汽缸和底座是静止部分。

1807年，美国的富尔顿制成了第一艘实用的明轮推进的蒸汽机船“克莱蒙”号。此后，蒸汽机在船舶上作为推进动力历百余年之久。1800年，英国的特里维西克设计了可安装在较大车体上的高压蒸汽机。英国的史蒂芬孙将机车不断改进，于1829年创造了“火箭”号蒸汽机车，该机车拖带一节载有30位乘客的车厢，时速达46公里/时，引起了各国的重视，开创了铁路时代。19世纪末，随着电力应用的兴起，蒸汽机曾一度作为电站中的主要动力机械。1900年，美国纽约曾有单机功率达五兆瓦的蒸汽机电站。蒸汽机的发展在20世纪初达到了顶峰。它具有恒扭矩、可变速、可逆转、运行可靠、制造和维修方便等优点，因此曾被广泛用于电站、工厂、机车和船舶等各个领域中，特别在军舰上成了当时唯一的原动机。

蒸汽机的发展首先体现在功率和效率的提高。初期蒸汽机的蒸汽压力仅为0.11～0.13兆帕，19世纪初才达到0.35～0.7兆帕，20世纪20年代曾用到6～10兆帕。在蒸汽温度上，19世纪末还不超过250℃，而到20世纪30年代曾用到450～480℃。至于效率，瓦特初期连续运转的蒸汽机，按燃料热值计总效率不超过3%；到1840年，最好的凝汽式蒸汽机总效率可达8%；到20世纪，蒸汽机最高效率可达到20%以上。在转速方面，18世纪末瓦特蒸汽机仅40～50转/分；20世纪初转速达到100～300转/分，个别蒸汽机曾达到2500转/分。在功率方面，最初单机功率仅几马力，20世纪初的一台船用蒸汽机的功率可达25000马力。

随着蒸汽参数和功率的提高，蒸汽已不可能在一个汽缸中继续膨胀，还必须在相连接的汽缸中继续膨胀，于是出现了多级膨胀的蒸汽机。蒸汽机因受到润滑油闪点的限制，所用蒸汽的最高温度一般都不超过400℃，机车，船用等移动式蒸汽机还略低一些，多数不高于350℃。考虑到膨胀的可能性和结构的经济性，常用压力在2.5兆帕以下。蒸汽参数受到限制，从而也限制了蒸汽机功率的进一步提高。

现代蒸汽机的最大的优点是它几乎可以利用所有的燃料将热能转化为机械能。不象内燃机那样它对其燃料不挑剔。此外没有蒸汽机的话原子能无法被使用。原子反应堆即不直接产生机械能，又不直接产生电能，原子反应堆实际上只是加热水，这个水被沸腾后的蒸汽通过蒸汽机来转化为有用的功。蒸汽不一定需要通过燃烧来产生，比如使用太阳能聚热器也可以产生蒸汽推动蒸汽机。

蒸汽机的弱点是离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大；蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高；它是一种往复式机器，惯性力限制了转速的提高；工作过程是不连续的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。因此，抛弃了笨重锅炉的内燃机，最终以其重量轻，体积小、热效率高和操作灵活等优点，在船舶和机车上逐渐取代了蒸汽机。汽轮机则以其热效率高、单机功率大、转速高、单位功率重量轻和运行平稳等优点，将蒸汽机排挤出了电站。接着电动机又以其使用方便，代替了蒸汽机在工业设备中的应用。然而小功率蒸汽机热效率比汽轮机高，只有在产煤区或只有劣质燃料的地区或某些特殊场合，蒸汽机仍有发挥作用的余地。

二、内燃机

全世界各种类型的汽车、拖拉机、农业机械、工程机械、小型移动电站和战车等都以内燃机为动力。海上商船、内河船舶和常规舰艇，以及某些小型飞机也都由内燃机来推进。世界上内燃机的保有量在动力机械中居首位，它在人类活动中占有非常重要的地位。但是我们可知道它的发展史和工作原理? 内燃机的设计思路起源于用火药爆炸获取动力，如枪械原理一模一样的思路，怎样才能产生强大的压力将子弹推出去? 但因火药燃烧难以控制而未获得成功，这才转而从煤气和燃油上去考虑，如何利用它们燃烧的压力来推动活塞作功。

1794年，英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力，并且第一次提出了燃料与空气混合的概念。1833年，英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动活塞作功的设计。之后人们又提出过各种各样的内燃机方案，但在十九世纪中叶以前均未付诸实用。直到1860年，法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构，采用了弹力活塞环，设计制造出第一台实用的煤气机。这是一种无压缩、电点火、使用照明煤气的内燃机，这台煤气机的热效率为4%左右。1862年，法国科学家罗沙对内燃机热力过程进行理论分析之后，提出提高内燃机效率的要求，这就是最早的四冲程工作循环。

1876年，德国发明家奥托运用罗沙的原理，创制成功第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2千瓦(4.4马力)的四冲程内燃机，仍以煤气为燃料，采用火焰点火，转速为156.7转/分，压缩比为2.66，热效率达到14%，运转平稳。在当时，无论是功率还是热效率，它都是最高的。奥托内燃机获得推广，性能也在提高。1880年单机功率达到11～15千瓦(15～20马力)，到1893年又提高到150千瓦。由于压缩比的提高，热效率也随之增高，1886年热效率为15.5%，1897年已高达20～26%。1881年，英国工程师克拉克研制成功第一台二冲程的煤气机，并在巴黎博览会上展出。

随着石油的开发，比煤气易于运输携带的汽油和柴油引起了人们的注意，首先获得试用的是易于挥发的汽油。1883年，德国的戴姆勒创制成功第一台立式汽油机，它的特点是轻型和高速。当时其他内燃机的转速不超过200转/分，它却一跃而达到800转/分，特别适应交通动输机械的要求。1885～1886年，汽油机作为汽车动力运行成功，大大推动了汽车的发展。同时，汽车的发展又促进了汽油机的改进和提高。

1892年，德国工程师狄塞尔受面粉厂粉尘爆炸的启发，设想将吸入气缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高压空气将燃料吹入气缸，使之着火燃烧。他首创的压缩点火式内燃机(柴油机)于1897年研制成功，为内燃机的发展开拓了新途径。狄塞尔开始力图使内燃机实现卡诺循环，以求获得最高的热效率，但实际上做到的是近似的等压燃烧，其热效率达26%。压缩点火式内燃机的问世，引起了世界机械业的极大兴趣，压缩点火式内燃机也以发明者而命名为狄塞尔引擎。这种内燃机以后大多用柴油为燃料，故又称为柴油机。1898年，柴油机首先用于固定式发电机组，1903年用作商船动力，1904年装于舰艇，1913年第一台以柴油机为动力的内燃机车制成，1920年左右开始用于汽车和农业机械。

发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器。无论是汽油机，还是柴油机；无论是四行程发动机，还是二行程发动机；无论是单缸发动机，还是多缸发动机。要完成能量转换，实现工作循环，保证长时间连续正常工作，汽油机由以上两大机构和五大系统组成——曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、起动系统。柴油机由以上两大机构和四大系统组成，即由曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系和起动系组成，柴油机是压燃的，不需要点火系统。

内燃机的分类方法很多，按照不同的分类方法可以把内燃机分成不同的类型。

1. 根据所用燃料分：汽油机、柴油机、天然气、LPG发动机、乙醇发动机、双燃料发动机、灵活燃料发动机；

2. 根据缸内着火方式分：电燃式发动机、点燃式发动机、压燃式发动机；

3. 根据冲程数分：二冲程、四冲程；

4. 根据活塞运动方式分：往复式、旋转式；

5. 根据气缸冷却方式分：水冷式、风冷式；

6. 根据气缸数目分：单缸机、多缸机，如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等；

7. 根据内燃机转速分：低速(<300r/min)、中速(300 ~ 1000 r/min)、高速(>1000 r/min)；

8. 根据进气充量压力分：自然吸气式(非增压)、增压式(强制进气) ；

9. 根据气缸排列分：立式、卧式直列、V型、对置X型、星型。

船上用的内燃机通用柴油作燃料，故称柴油机。烧汽油的内燃机叫汽油机。汽油机与柴油机比较各有特点；汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本低；柴油机压缩比大，热效率高，经济性能和排放性能都比汽油机好。烧煤气的叫煤气机。汽油机、煤气机功率小，仅用在小型船舶上。汽车发动机广泛使用四行程内燃机，发动机多采用四缸、六缸、八缸发动机。

内燃机是将液体或气体燃料与空气混合后，直接输入汽缸内部的高压燃烧室燃烧爆发产生动力。这也是将热能转化为机械能的一种热机。内燃机具有体积小、质量小、便于移动、热效率高、起动性能好的特点。但是内燃机一般使用石油燃料，同时排出的废气中含有害气体的成分较高。内燃机，是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。内燃机的工作原理如下：

气缸盖中有进气道和排气道，内装进、排气门。新鲜充量(即空气或空气与燃料的可燃混合气)经空气滤清器、进气管、进气道和进气门充入气缸。膨胀后的燃气经排气门、排气道和排气管，最后经排气消声器排入大气。进、排气门的开启和关闭是由凸轮轴上的进、排气凸轮，通过挺柱、推杆、摇臂和气门弹簧等传动件分别加以控制的，这一套机件称为内燃机配气机构。通常由空气滤清器、进气管、排气管和排气消声器组成进排气系统。

　　为了向气缸内供入燃料，内燃机均设有供油系统。汽油机通过安装在进气管入口端的化油器将空气与汽油按一定比例(空燃比)混合，然后经进气管供入气缸，由汽油机点火系统控制的电火花定时点燃。柴油机的燃油则通过柴油机喷油系统喷入燃烧室，在高温高压下自行着火燃烧。内燃机气缸内的燃料燃烧使活塞、气缸套、气缸盖和气门等零件受热，温度升高。为了保证内燃机正常运转，上述零件必须在许可的温度下工作，不致因过热而损坏，所以必须备有冷却系统。内燃机不能从停车状态自行转入运转状态，必须由外力转动曲轴，使之起动。这种产生外力的装置称为起动装置。常用的有电起动、压缩空气起动、汽油机起动和人力起动等方式。

　　内燃机的工作循环由进气、压缩、燃烧和膨胀、排气等过程组成。这些过程中只有膨胀过程是对外作功的过程，其他过程都是为更好地实现作功过程而需要的过程。按实现一个工作循环的行程数，工作循环可分为四冲程和二冲程两类。四冲程是指在进气、压缩、做功（膨胀）和排气四个行程内完成一个工作循环，此间曲轴旋转两圈。进气行程时，此时进气门开启，排气门关闭。流过空气滤清器的空气，或经化油器与汽油混合形成的可燃混合气，经进气管道、进气门进入气缸；压缩行程时，气缸内气体受到压缩，压力增高，温度上升；膨胀行程是在压缩上止点前喷油或点火，使混合气燃烧，产生高温、高压，推动活塞下行并作功；排气行程时，活塞推挤气缸内废气经排气门排出。此后再由进气行程开始，进行下一个工作循环。

二冲程是指在两个行程内完成一个工作循环，此期间曲轴旋转一圈。首先，当活塞在下止点时，进、排气口都开启，新鲜充量由进气口充入气缸，并扫除气缸内的废气，使之从排气口排出；随后活塞上行，将进、排气口均关闭，气缸内充量开始受到压缩，直至活塞接近上止点时点火或喷油，使气缸内可燃混合气燃烧；然后气缸内燃气膨胀，推动活塞下行做功；当活塞下行使排气口开启时，废气即由此排出，活塞继续下行至下止点，即完成一个工作循环。内燃机按照完成一个工作循环所需的行程数可分为四行程内燃机和二行程内燃机。把曲轴转两圈(720°)，活塞在气缸内上下往复运动四个行程，完成一个工作循环的内燃机称为四行程内燃机；而把曲轴转一圈(360°)，活塞在气缸内上下往复运动两个行程，完成一个工作循环的内燃机称为二行程内燃机。

　　内燃机的排气过程和进气过程统称为换气过程。换气的主要作用是尽可能把上一循环的废气排除干净，使本循环供入尽可能多的新鲜充量，以使尽可能多的燃料在气缸内完全燃烧，从而发出更大的功率。换气过程的好坏直接影响内燃机的性能。为此除了降低进、排气系统的流动阻力外，主要是使进、排气门在最适当的时刻开启和关闭。实际上，进气门是在上止点前即开启，以保证活塞下行时进气门有较大的开度，这样可在进气过程开始时减小流动阻力，减少吸气所消耗的功，同时也可充入较多的新鲜充量。当活塞在进气行程中运行到下止点时，由于气流惯性，新鲜充量仍可继续充入气缸，故使进气门在下止点后延迟关闭。排气门也在下止点前提前开启，即在膨胀行程后部分即开始排气，这是为了利用气缸内较高的燃气压力，使废气自动流出气缸，从而使活塞从下止点向上止点运动时气缸内气体压力低些，以减少活塞将废气排挤出气缸所消耗的功。排气门在上止点后关闭的目的是利用排气流动的惯性，使气缸内的残余废气排除得更为干净。

广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机，也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等，但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其汽缸内燃烧，释放出的热能使汽缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作功，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。

2012.8.9