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柴油發動機的歷史·科普貼
欄目:技術分享 發布時間:2020-08-27
魯道夫·狄賽爾(RudolfDiesel),柴油發動機的發明者,柴油用Diesel表示即用于紀念他在發動機史上的卓越貢獻。

       魯道夫·狄賽爾(RudolfDiesel),柴油發動機的發明者,柴油用Diesel表示即用于紀念他在發動機史上的卓越貢獻。
       自18世紀末瓦特改良了蒸汽機,蒸汽機成為世界發展的動力,但是早期的蒸汽機工作壓力很低,結構笨重,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”。
    德國工程師奧拓(N.A Otto)效仿卡諾提出了“奧拓循環”,即定容加熱循環原理,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,產生很強的推力,從而提高熱效率和輸出功率。奧托創建的內燃機工作原理一直在現代汽車發動機(汽油機)上沿用至今。1876奧托的第一臺內燃機為單缸臥式,功率3.2千瓦(4.4馬力),四沖程,轉速為156轉/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。同時由于奧托的內燃機采用的是點燃方式,當時完善的電點火裝置還沒有發明,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,包括著名的現代汽車先驅者卡爾·本茨和戈特利布·戴姆勒。同致力于改造奧拓發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,他想完全設計發動機的點火系統,靠壓縮空氣發熱,噴入燃料后自然做工,這種區別于吸入燃氣混合氣點燃做功的方式被稱作“壓縮式內燃機”
       狄賽爾的這種想法是基于當時的環境條件提出的,當時還沒有發明分電器和高壓點火線圈,點火裝置簡陋且不穩定,狄賽爾想通過這種方式回避技術障礙。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?;钴S,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燃機的人,還是被現代鼓吹“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物中一直未被重視的柴油,柴油較于汽油有其明顯的優勢——性質穩定、難于點燃。柴油機的這種穩定特性正適用于壓燃式內燃機,即使在壓縮比非常高的情況下柴油機也不會出現爆震情況。經過近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的柴油機被制造出來,狄賽爾親自啟動了發動機。這臺單缸發動機的功率僅為14瓦,效率為26%,卻已遠超過當時的蒸汽機和奧拓式內燃機。
       狄賽爾最初試制的柴油機很不穩定,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臺柴油機技術不過關遭到了退貨,不僅使狄賽爾經濟出現狀況,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,美軍只能在數量上與虎式坦克一較高低。但是在蘇聯戰場上,蘇軍的T-34坦克的火力和裝甲雖不及虎式坦克,但是T-34的柴油發動機在中彈后不易起火,大大提高了戰場的生存能力。戰后,各國紛紛借鑒都將自己的坦克換成了柴油發動機。
       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的發展。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,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引用到柴油機,自此柴油機的使用發展重新進入一個新的紀元。
       電控噴油泵技術之后又發展出了電控泵噴嘴技術和高壓共軌噴射技術,其后發展的兩種技術現在廣泛用于柴油機電控噴射技術。
       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實的手段。兩個世紀過去,柴油機由最初無人問津到現在廣泛應用于重型車輛和乘用車,但凡打開這些車的發動機蓋,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明人的卓越貢獻。



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