涨知识:往复活塞发动机简史

2008年笔者从鄂尔多斯准格尔旗乘大巴到太原,经万家寨黄河大桥进入偏关县境内时汽车抛锚,司机下车略为察看即电话前方修理店,不一会一辆小车送来修理工。修理工携带的配件、材料、工具都是针对发动机故障性质的,司机与修理工甚少交谈,显然对修理细节没有兴趣。故障很快排除修理工就搭我们的车回返,到达修理店司机结账完事。乘车几十年,看到的司机都有修车修发动机的爱好与本事,如今社会服务网络发达,发动机可靠性提高,“老司机”也不屑于修车了,爱车心脏深处那些往复奔跑、辛苦辗转的活塞遭遇冷落。

往复活塞发动机的变迁小史其实是精彩、饶有趣味的。发动机大家族中,旋转活塞发动机占有地盘非常有限(知道有旋转活塞的马自达RX-8跑车,其他就呵呵了),非活塞的喷气发动机、涡轮发动机、火箭发动机则各有特定的应用领域,唯有往复活塞发动机问世最早,驱动力几度嬗变、往复活塞一脉相承,远到上天入海,近到人们身边的日常动力,驰骋动力舞台200多年。

水唧筒是常见的儿童玩具,形如医用的注射针管。早年的儿童会自制水唧筒:一端敞开、一端留节(打一小孔)的竹筒,“活塞”则是用旧布头在细木棍一头缠成团,推拉“活塞”便可完成吸水、射水游戏。这一届儿童能买到厂家生产的水唧筒,虽然更方便玩,却可能不了解水唧筒的原理了。水唧筒是“往复活塞”的雏形,日常生活中人们又易于发现蒸汽具有推动力,这两大因素的结合在1712年产生了原始蒸汽机,蒸汽推动活塞往复运动,像儿童水唧筒一样用于提水。

连杆、曲柄装置的发明使得活塞的往复运动能转变为旋转运动,现代意义的蒸汽发动机从1782年瓦特的“旋转”蒸汽机开始。往复活塞蒸汽发动机很快用于运输工具,1802年有了“火轮船”,1814年有了“火车”。蒸汽机火车头堪称大众化的公开教具,蒸汽机的基本架构与运行一目了然(早年小火轮乘客也能观察到“裸身”的蒸汽机怎样运转):锅炉产生高温高压蒸汽,进入气缸在气阀控制下推动活塞往复运动,活塞通过连杆、十字头、摇杆、曲柄使主动车轮旋转。蒸汽直接驱动活塞的特点使得蒸汽机车无须离合器、变速箱、起动机等附加装置就可以运转,如果不是这样,蒸汽发动机的发明应当困难得多。

蒸汽发动机离不开笨重的蒸汽锅炉,除燃料外还要消耗大量的水,锅炉高压运行有相当的风险。为了革掉锅炉,1816年英国人斯特林提出从外部燃烧来直接加热气缸内气体,使之膨胀推动活塞作功,称为热气发动机。

将空玻璃瓶瓶口用木塞塞住,用火或热水加热瓶身,木塞就会怦的一声射出,这就是斯特林的立意,非常简单,而且不论你使用什么燃料、如何加热,缸内不管是什么气体。1819年首台实用装置问世,尔后五花八门的热气发动机被设计制造出来,有些热气机的传动方式,甚至不是往复活塞而与本文主旨无关了。热气发动机在一些特殊领域获得不多的应用,非常著名的是作为当今非核动力潜水艇的不依赖空气动力/AIP。当然,潜艇斯特林发动机用什么方式加热气缸而不需要空气?网络上难于搜寻到,各国海军的AIP情形大概也差别很大。时至今日,虽然发烧友用简陋的器材就能制作出微型热气发动机,但经典实用、能被一般用户普遍接受的热气发动机却终究没有产生,热气发动机的实现之路仍在继续。

1792年英国人梅尔道克在实验室制出煤气。有了煤气就可以直接利用煤气燃烧产生的压力推动活塞以取代蒸汽,1860年法国人里诺制作的煤气发动机首先实现这一设想。工业文明此时经历伏打电池(1800年)、法拉第电动机(1821年)、法拉第电磁感应发电机(1831年)阶段,煤气混合气体就是由电池和感应线圈产生的电火花来点燃。蒸汽机的气缸、活塞、连杆、曲柄、飞轮格局被煤气机照搬,里诺增添了活塞环以免除活塞与气缸壁的直接摩擦。里诺煤气发动机的缸内气体没有压缩过程,只是简单搬用蒸汽发动机。

若将缸内气体进行压缩显然能改善气体燃爆效果,很快有人展开研究,1862年法国人罗沙提出四冲程工作循环原理——适当配置进气阀、排气阀便可先压缩缸内气体再行燃爆。紧接着,又有扫气泵的加入,二冲程工作循环设想也随之形成。

1876年德国人奥托创制单缸四冲程煤气机,1881年英国人克拉克研制出二冲程煤气机,中国有记载的第一台四冲程煤气发动机由广州均和安机器厂1908年生产。

1854年美国人西里曼用分馏方法从石油提取出汽油、煤油、柴油等产品,煤油易于分离从而最早进入实用,汽油、柴油则暂被忽视。

注意到汽油极易挥发,在运输携带方面汽油比煤气方便得多,人们考虑以汽油取代煤气驱动活塞。1883年德国人戴姆勒首制汽油发动机,汽油、空气通过化油器成为混合的可燃气体,吸入气缸后在压缩过程接近终了时被电火花点燃而爆发。1884年英国人巴特勒制作的汽油发动机上使用了火花塞、点火磁电机、点火线圈典型部件。

汽油具有良好的燃烧性质,往复活塞发动机的转速因而大幅提高。汽油发动机火花塞的位置与工作状态(放电时刻与火花大小)不易调理,化油器亦是非常精巧。

汽油发动机问世后,汽车(1886年)、飞机(1903年)应运而生。二战天空数十万架军用飞机只有约千架使用柴油机、约千架使用喷气机,其他都是汽油发动机,汽车动力更是汽油机最为辉煌、影响久远的成功。

石油行业寻求新的提炼方法以解决汽油产量少而昂贵的问题,机械行业改进发动机以使用便宜燃料取代汽油。结果是机械行业的步伐更快,在1911年美国标准石油公司推出热裂化工艺之前,热球发动机、柴油发动机相继问世。

1885年英国人斯图亚特提出将柴油事先加热至气化的设想,1891年霍恩斯比父子公司研制成功热球发动机/hot bulb engine。热球机气缸盖顶部有球形空腔,运行前先将球形腔加热(例如用酒精喷灯)至700度以上,柴油喷到球形腔高温内壁发生气化,随同空气被吸入气缸,在压缩过程终了时发生燃烧爆发,其压缩比低于汽油机。热球发动机进入正常运转状态后球形腔的高温由热球机自身维持。

热球发动机最大的问题不只是笨重、工作环境差,还有不能即时启动,热球机船长在准备开航时要提前下令“升火!”仿佛是蒸汽机时代锅炉升火一般。热球机多以低转速运行,哐当哐当的金属撞击声传得很远。热球发动机有两大优点,一是制造精度要求不高,适于低水平生产;一是可以使用柴油、重油、回收机油、石蜡油、生物油等。1915年广州协同和机器厂制成中国第一台热球发动机。

1968年笔者毕业分配至渤海边一家渔船厂,不久在一艘进坞修理的渔船上看到傻大黑粗的主机,船员说这是“火头机”。大学课本上的船舶动力只有蒸汽机、汽油机、柴油机、蒸汽轮机、燃气轮机,却没有什么“火头机”。后来看到有关图纸知道“火头机”的学名就是热球发动机,华北地区的海洋渔船及所装备的热球机多来自日本或仿造日本。文革期间图书馆关门,书店卖“红书”,“火头机”详情无处可查。大概也在那时“火头机”日薄西山而消失,今天虽有网络的便利也不易找到他的前世今生。

德国人狄塞尔从粉尘爆炸现象想到可以不事先加热柴油,只需加大活塞压缩比使气缸内形成高温高压环境(500-700℃,40-50个大气压),被加压的柴油通过细孔喷入气缸成雾化状态,即可在高温高压空气中自行发火燃烧急剧膨胀。1897年狄塞尔的样机运转成功,即柴油发动机或称狄塞尔发动机(热球机因而也称半狄塞尔机)。柴油机特有部件高压油泵、喷油器的经典设计由美国康明斯公司1924年推出。柴油机气缸压缩比可超过20,带来的问题是运行粗暴、受力大,因而机件尺寸大,柴油机单位功率的重量、体积大于汽油机,但柴油机油耗低、油价低、火灾风险低的特点更令人瞩目。柴油机问世后很快占有民用船舶动力与中低速军用船舶动力(包括非核动力潜艇)的几乎全部。铁路机车方面,柴油机机车依托传动问题的完美解决(机械方式、液力方式、电力方式)而将蒸汽机逐出,现今至少还能与电动力机车平分秋色。

蒸汽机、煤气机、热球机先后淡出世间,热气机在动力舞台上始终没有进入主流,汽油机与柴油机却是长久地争雄。

二战后,汽油机在飞机领域仅仅占有轻型低速飞机。柴油机侵入汽车领域从大型货车、工程车开始,现已延伸到小客车,当今柴油价格并不比汽油低多少,汽车行业汽油机地位仍有大幅下跌。船舶主动力与辅助动力领域,柴油机的地位则从未被撼动。

在功率使用范围,汽油机与柴油机各有其便。小功率方面汽油机称雄,各种便携机具、移动电站、航空模型、两轮车、挂机艇、轻型飞机多为汽油机。最小的汽油机不到0.1马力,而最小的实用柴油机也得1马力左右。汽油机功率曾经的顶峰是1947年美国B-36轰炸机,有6台4000马力汽油机,但当今最大的汽油机似乎就是千马力级的赛车了。柴油机功率之大却是汽油机望尘莫及,柴油机汽缸直径早在50年前就突破1米,最大的船用柴油机已有10.892万马力(960毫米缸径、14缸、102转/分)。

近几十年数度石油危机时都曾以天然气、醇燃料为汽油、柴油代用品。当前燃气发动机的催生则是基于环境保护,直指汽油机、柴油机的废气污染,因而五花八门的概念机统称为新能源发动机,其中包括以燃气燃料取代汽油、柴油的往复活塞发动机,即燃气发动机。有一种压缩空气发动机,据最新的研发报道是利用压缩空气推动往复活塞工作方式(压缩空气推动涡轮的工作方式有没有可能呢?)应当不包括在燃气发动机之内吧。

燃气发动机的基本出发点很简单,就是燃料替代。当然,液化天然气(LNG)、压缩天然气(PNG)、液化石油气(LPG)规范化产品的出现也为燃气发动机的登台提供了方便。

新能源发动机的兴起大势所趋,大小客车领域最为紧迫,已进入倒计时。卡车、军用车会不会也走这条路呢,也许不一定吧。汽油机、柴油机必定退出部分汽车领域,燃气发动机看来又不是新能源发动机的主流,往复活塞发动机总体上被冷落,但汽油机比柴油机失分更多。

从汽油机到柴油机,燃料的改变引发了着火方式、压缩比、供油方式、机体的改变。汽油机一定是点燃式,汽油气化与空气混合后进入气缸。柴油机一定是压燃式,空气进入气缸被压缩后柴油高压喷入混合而自燃。往复活塞发动机以燃气取代汽油、柴油,却没有建立起燃气发动机的概念!现实中,点燃式燃气发动机、压燃式燃气发动机兼而有之。既有燃气与空气混合后进入气缸,也有空气进入气缸压缩后燃气高压喷入气缸。大多实用的燃气发动机直接利用现有柴油机或汽油机改造而来,甚至有撤除柴油机的喷油器而安装火花塞者。

在汽油机、柴油机大获成功的前提下,1963年瑞士人施魏策尔提出混合式发动机概念,简单说就是将汽油机、柴油机各自的要素混合搭配,构成几十种组合方案,剔除明显不可能者一一进行测算与研制,某些方案已有成功运用。如果把燃料作为要素加入到汽油机、柴油机各自要素的大混合,那么燃气发动机以及氢燃料的往复活塞发动机岂不也是混合式发动机!

作者资料:黄力民,1945年生,中国计量大学退休教授。近年研究历史、军事,在《文汇报》、《社会科学报》、《社会科学论坛》、《中国图书评论》、《民国档案》、《军事历史》、《军事史林》、《二十一世纪》、《历史学家茶座》、《抗日战争研究》、《当代海军》、《军事历史研究》、《南方周末》与网络平台发表论文数十种,出版专著《日本帝国陆海军档案》。