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鲁道夫的梦 – 柴油机的故事

2020-12-15  不沉俾斯麦
历史上重要的发明家很多,但被人们天天把名字挂在嘴边的不多,其中最出名的不是爱迪生、贝尔,更不是牛顿、爱因斯坦,而是鲁道夫·狄塞尔。以狄塞尔命名的柴油发动机在世界各地驱动着汽车、轮船、发电机、建筑机械和各种各样的东西,以狄塞尔命名的柴油的价格是很多开柴油车的人和股票市场的人每天关心的东西,给柴油加税甚至导致法国天下大乱。说鲁道夫·狄塞尔是最出名的发明家,实在是不为过。

鲁道夫·狄塞尔博士,人家这可是真博士,不像现在学位贬值,博士满地走

鲁道夫·狄塞尔于1858年出生在巴黎的一个巴伐利亚移民的家庭,家在11区的Rue de la Fountaine au Roi,离巴士底监狱和法国大革命的中心不远。自然,法国人把他当法国人,德国人把他当德国人。

小时候算不是小帅哥呢?

鲁道夫的父亲继承丈人家的皮革制品行当,生意很成功。鲁道夫从小聪颖,在家里说德语,在学校说法语,和家庭女教师(其实不光是家庭教师,也是管孩子的,教一点语言、社交等,电影《音乐之声》里的花尼姑玛利亚就是这个角色)说英语,因为她是英国人。

小鲁道夫从小喜欢捣鼓东西,对科技的事情有浓厚的兴趣,但1869年的普法战争打破了他家的中产阶级的生活。在战争期间的反德狂热中,大多数德国移民被迫离开了法国,鲁道夫一家搬到了英国伦敦,这一年鲁道夫11岁。

小鲁道夫对位于伦敦南肯辛顿区的科学博物馆特别感兴趣,这是维多利亚时代开辟的重要博物馆之一,用于展现工业革命以来的科技成就,主要展品来自不久前结束的世界博览会。举办水晶宫本身就是工业革命的一大成就,但不宜作为永久性展览场所。在普法战争结束后,小鲁道夫就被送到德国巴伐利亚的奥格斯堡,和在一个技术学校教数学的叔叔住在一起,父母则回到巴黎继续家传的皮革制品生意。

鲁道夫在德国完成基本学业,然后进奥格斯堡工业学校。毕业时,鲁道夫不顾父母的反对,拿着慕尼黑的皇家巴伐利亚理工学院(现慕尼黑技术大学)的奖学金进大学去了,而不是早早工作,帮助挣钱养家。不过鲁道夫学业优秀,最后以历史上最高分毕业,谁说高分一定低能?

鲁道夫·狄塞尔的第一个工作在瑞士的苏尔寿机器公司,不久就转为卡尔·冯·林德(Carl Von Linde)的公司工作,负责改进用于空气分离的制冷机械。林德是狄塞尔在慕尼黑大学里的教授,这时候下海自己开公司了。由于雇用合同的规定,狄塞尔不能用在Linde时代的工作成果申请专利。他的目光也老早就在动力机械上,这才是工业革命的真正动力。

蒸汽机引发了工业革命,但庞大而昂贵的蒸汽机不是一般中小企业和农民所能负担的。蒸汽机的热效率也很是低下,只有10%左右。作为一个机械工程师,狄塞尔的注意力被本能地吸引到大大提高动力机械的热效率上。理想的卡诺循环热机可以达到50%的热效率,狄塞尔一头扎到卡诺热机的研制中,最后无果而终。卡诺热机是一个理想状态,在实际上是不能实现的。

这也是一个英雄辈出的时代,戈特利布·戴姆勒和卡尔·奔驰刚发明了汽车,但狄塞尔对采用奥拓循环的汽油发动机的热效率不满意。汽油机需要将燃料和空气预先混合,然后在气缸里点燃做功。往复式内燃机靠活塞在气缸里压缩和膨胀做功,自然压缩比越高,膨胀做功越充分,热效率越高。但预先混合的油气不能承受太高的压力,否则在点燃之前就自燃了。

狄塞尔的想法很简单,不见兔子不撒鹰,通过强力压缩使空气温度急剧升高,到最后关头再喷射燃料,用高温空气自行点燃,而不用汽油机那样的火花塞。这样的压燃发动机不仅省却了火花塞,而且容许压缩比大大提高,从而大大提高热效率。

第一台成功的柴油机

第一台苏尔寿柴油机

1893年8月,狄塞尔使用一个简陋但有效的燃料喷射装置,用煤粉作为燃料,制造了一个3米多高的单缸压燃发动机,热效率超过蒸汽机一倍多,比汽油机也要高20%。不过高压和高温超过了材料的极限,发动机爆炸了,狄塞尔也差一点送命。但这是一个很有潜力的发明,狄塞尔很快改进了设计,在1894年推出了13马力的发动机。到了1897年,狄塞尔对缸体采用水冷,活塞有了活塞环,燃料也改用煤油,功率达到18马力,转速154转/分。欧洲的大小公司看到了狄塞尔的压燃发动机的潜力,纷纷购买这种新型高效的发动机,狄塞尔40岁的时候,成为一个百万富翁,这在当时是很有钱了。狄塞尔在慕尼黑购买了豪宅,开始在上流社交圈子进出,也有闲有钱光顾艺术圈子了。

但狄塞尔试图把压燃发动机推销到美国的企图很不成功,即使在100年前,省油就对美国人没有吸引力。不过狄塞尔的美国之行也不是空手而归,他带回来一个美国太太,后来为他生下两男一女。


狄塞尔向美国人推销柴油机无果,但带回来一个美国妻子,为他生下两男一女
狄塞尔不光是一个发明家,还是一个忧国忧民的社会活动家。他发明压燃发动机的初衷之一就是要发明一种可以使用植物油或者煤粉的可以吃粗粮的发动机,而不必像汽油机一样,必须用昂贵而稀少的精炼汽油。狄塞尔的第一台压燃发动机就是用煤粉作燃料。在1900年的巴黎博览会上,狄塞尔展出了用花生油的压燃发动机。但石油公司的实力和影响使得柴油成为压燃发动机的标准燃料,从此压燃发动机和柴油就成了一回事,柴油在英文里直接就是“狄塞尔燃油”,柴油机就是“狄塞尔发动机”。

进入20世界后,柴油机开始大量作为固定动力装置,以后又成功地成为船用动力和火车动力。狄塞尔和老东家苏尔寿就是世界上最大的船用柴油机公司之一。1915年时,苏尔寿研制成功涡轮增压,到1927年时,欧洲大部分卡车都采用柴油机了。但压燃发动机最大的问题还是在于精确而可靠的燃料喷射,Bosch于1927年研制成功专用的柴油喷射装置,大大提高了柴油机的性能,为柴油机的大量使用铺平了道路。

德国的航空先驱雨果·容克在1913年把柴油机装上飞机,美国印地安纳的乡巴佬寇明斯(Clessie Cummins)则把柴油机装上赛车,在Indianapolis 500大赛中获得第12名。但奔驰在1936年将柴油机装上奔驰260D轿车。30年代德国的柴油价格只有汽油的一半都不到,奔驰260D在出租汽车行当中大获成功,开始了德国出租汽车司机和奔驰柴油轿车的长达80年的“永恒之恋”。但柴油机在汽车上的流行还要归功于1973年的石油危机。

1935年的奔驰260D是第一辆柴油机轿车,从此开始了德国出租汽车司机与奔驰柴油轿车80年的“永恒之恋”

70年代的石油危机使得柴油轿车重回主流,这时“新”260D

为了表示阿拉伯世界的团结一致,和反对以色列对阿拉伯领土的占领,阿拉伯国家在1973年集体对西方实行石油禁运,造成西方空前的石油紧缺。在石油危机冲击后,省油的柴油车突然流行了起来,在1981年达到高峰。即使在对柴油车嗤之以鼻的美国,通用汽车公司在1981年的销售量中竟然包括10%的柴油车,奔驰更是高达78%!但石油危机消失后,一切照旧,冒黑烟、震动和噪声都较大的柴油车在美国市场很快就消失了。

但柴油车在欧洲生根发芽,这要归功于法国。法国是老牌汽车国家之一,但战后法国汽车一度像文革后的潘晓一样,慨叹“人生的路啊,为什么越走越窄?”战后欧洲的社会经济环境都变了,战前的高级汽车如Bugatti、Delahaye、Talbot-Lago、Hispano-Suiza等在战后都没有恢复起来,雪铁龙、雷诺、标致等平民汽车不光受到来自英国、德国、意大利的压力,还面临来自日本的价廉物美的汽车的空前压力。法国政府为了降低对石油进口的依赖,用大幅度削减柴油税的方法,鼓励柴油车的生产和使用。一枝独秀的法国柴油车不光成功地挡住了来自英国、德国和意大利的挑战,还成功地把日本汽车挡在国门之外,因为直到近些年,日本汽车基本不用柴油机。

柴油机还成功地打入赛车圈子

奔驰把C111的转子发动机换成柴油机,创造了16项世界纪录,包括5000公里和10000公里的速度纪录

瓦西拉RTA96C-14是世界上最大的柴油机,在韩国制造

进入21世纪的第一个10年,柴油机获得空前的青睐。柴油机不光省油,而且总排放量低。大众的Polo柴油车无论在耗油还是在排放量上都优于采用混合动力的第一代丰田Prius,充分说明了柴油机对环保的作用。采用先进技术后,黑烟的问题也得到了解决。由于柴油机可以吃粗粮,几乎可以不作任何改动就直接使用生物柴油,有利于采用石油以外的可持续燃料来源。更加吸引人的地方是,作为汽车发动机,柴油机比汽油机有天然的优势。

柴油机的扭力大,有利于起步、加速和巡航。虽然最高速度比汽油机要低,但除了赛车以外,日常使用中有多少机会可以用到最高速度呢?过去柴油机的震动和噪声较大,舒适性较差。现代柴油机的震动和噪声水平已经可以和顶级汽油机相提并论了,奔驰S级、宝马7系、奥迪A8都有很畅销的柴油机型号,就是一个例证。欧洲汽车销量中,柴油车超过50%,其中法国更是高达70%,英国也有约40%,还在稳步上升。美国市场的柴油车占有率还是低得几乎可以忽略不计,但加拿大的柴油车销量已经很可观了,大众捷达的柴油车销量已经超过汽油车销量。即使在顽固的美国,大众、丰田和本田也将开始销售柴油车,奔驰则已经开始销售柴油的E320 Blutech。

如今的宝马335d柴油车的扭力甚至超过大名鼎鼎的M3

如今不仅中低档轿车有柴油机,顶级轿车也有柴油机版,在欧洲很是流行,不仅安静、扭力强劲,而且省油,但不看标牌,很难辨认这是柴油车

大众在美国市场长期冲不破丰田、通用的阻截,试图用柴油车另辟蹊径。但用力过猛,排放测试作弊被抓住了,柴油门差点要了大众的命。此后,宝马、奔驰等都被揭露柴油门问题。柴油车突然陷入深度冷冻。另一方面,汽油机通过先进喷射、涡轮增压和其他技术,油耗大大降低,压缩比也通过先进燃烧技术而毕竟柴油机的水平。混动和全电的卷土而来更是对柴油机形成重压。柴油机技术也在发展,尽管汽油混动是汽车混动的主流,柴油混动有独特的优点,有可能卷土重来。另外,在商用和重型车辆以及船用动力方面,柴油机还是绝对主导。

狄塞尔看到卡尔·奔驰新近发明的汽车是未来交通工具的方向,但对卡尔·奔驰采用的汽油机的热效率不满,这才有了以狄塞尔的名字命名的柴油机。狄塞尔的梦想是把柴油机引入千家万户,他看到了梦想成真的开始,但没有来得及充分享受,就匆忙地结束了一生。

狄塞尔的死至今是一个谜。1913年9月30日,第一次世界大战已经在地平线上若隐若现,狄塞尔在比利时安特卫普登上开往英国哈维奇的渡船“德累斯顿”号,同行的有狄塞尔公司的总管乔治·卡雷尔和总工程师。开船后,三人共进晚餐,然后在甲板上散了一会步,就分手了。但到岸时,狄塞尔失踪了。11天后,人们在荷兰海岸发现了狄塞尔的尸体。

狄塞尔的死因一直有争论。他是自杀吗?狄塞尔的公司正在面临严重的财政问题,狄塞尔也有过忧郁症的症状,自杀是有可能的。但另一个说法是狄塞尔的柴油机在一年前已经成功地用于德国海军新近研制成功的秘密武器潜艇,这是柴油-电动潜艇的开端,以后在两次大战中给英国的海运带来灾难。但狄塞尔正在前往英国,向同样在研制潜艇的英国海军部推销柴油机。传说船上有一个德国间谍,后面的事情就尽可以发挥想象了。

令人不解的是,验明身份后,狄塞尔的尸体又被放回大海,从此再也不见。但狄塞尔的梦想永存。


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