魯?shù)婪颉さ屹悹枺≧udolfDiesel),柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)明者,柴油用Diesel表示即用于紀(jì)念他在發(fā)動(dòng)機(jī)史上的卓越貢獻(xiàn)。
自18世紀(jì)末瓦特改良了蒸汽機(jī),蒸汽機(jī)成為世界發(fā)展的動(dòng)力,但是早期的蒸汽機(jī)工作壓力很低,結(jié)構(gòu)笨重,效率不到5%。19世紀(jì)初,法國(guó)人薩迪·卡諾(Sadi Carnot)著眼熱力學(xué)理論研究熱機(jī)效率,提出了“卡諾循環(huán)”。
德國(guó)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(guò)程為:將可燃?xì)怏w在氣缸中壓縮,再點(diǎn)燃?jí)嚎s可燃?xì)怏w,產(chǎn)生很強(qiáng)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(jī)工作原理一直在現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)(汽油機(jī))上沿用至今。1876奧托的第一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)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(dá)到14%,大大超過(guò)了蒸汽機(jī)。不過(guò)當(dāng)時(shí)石油工業(yè)尚未起步,更談不上汽油(第一臺(tái)汽油機(jī)還要等到1883年才問(wèn)世),因此這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)采用的燃料是煤氣。由于煤氣存儲(chǔ)不便,存在安全性較差的缺點(diǎn)。同時(shí)由于奧托的內(nèi)燃機(jī)采用的是點(diǎn)燃方式,當(dāng)時(shí)完善的電點(diǎn)火裝置還沒(méi)有發(fā)明,點(diǎn)火裝置可靠性也不佳。
奧拓研制的世界首臺(tái)4沖程煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)的成功鼓舞了從事機(jī)械動(dòng)力研究的許多工程師,包括著名的現(xiàn)代汽車(chē)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(dòng)機(jī)的本茨和戴姆勒不同的是,德國(guó)狄賽爾想法更為大膽超前,他想完全設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)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?xì)饣旌蠚恻c(diǎn)燃做功的方式被稱作“壓縮式內(nèi)燃機(jī)”
狄賽爾的這種想法是基于當(dāng)時(shí)的環(huán)境條件提出的,當(dāng)時(shí)還沒(méi)有發(fā)明分電器和高壓點(diǎn)火線圈,點(diǎn)火裝置簡(jiǎn)陋且不穩(wěn)定,狄賽爾想通過(guò)這種方式回避技術(shù)障礙。他在氣動(dòng)打火機(jī)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(huì)猛烈的敲缸甚至爆炸。于是,狄賽爾轉(zhuǎn)向植物油的試驗(yàn),雖然植物油的嘗試也宣告失敗,但是作為第一個(gè)把植物油引入內(nèi)燃機(jī)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(shì)——性質(zhì)穩(wěn)定、難于點(diǎn)燃。柴油機(jī)的這種穩(wěn)定特性正適用于壓燃式內(nèi)燃機(jī),即使在壓縮比非常高的情況下柴油機(jī)也不會(huì)出現(xiàn)爆震情況。經(jīng)過(guò)近20年的潛心研究狄賽爾終于在1892年試制成了第一臺(tái)壓燃式內(nèi)燃機(jī),也就是柴油機(jī),并申請(qǐng)了專(zhuān)利。
這臺(tái)柴油機(jī)用氣缸吸入純空氣,再用活塞強(qiáng)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(shí)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(guó)的奧格斯堡機(jī)器制造廠——曼恩(M.A.N)公司的前身,1897年第一臺(tái)能安全運(yùn)轉(zhuǎn)的柴油機(jī)被制造出來(lái),狄賽爾親自啟動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)。這臺(tái)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的功率僅為14瓦,效率為26%,卻已遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)時(shí)的蒸汽機(jī)和奧拓式內(nèi)燃機(jī)。
狄賽爾最初試制的柴油機(jī)很不穩(wěn)定,1894年,改進(jìn)后的柴油機(jī)能夠運(yùn)行一分鐘左右。狄賽爾迫不及待將柴油機(jī)投入使用,但是由于他急于推向市場(chǎng)的20臺(tái)柴油機(jī)技術(shù)不過(guò)關(guān)遭到了退貨,不僅使狄賽爾經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)狀況,同時(shí)也影響了柴油機(jī)的形象。隨后幾年幾乎沒(méi)有個(gè)人或廠家樂(lè)意裝配柴油機(jī),1913年,狄賽爾被巨浪卷走(多數(shù)歷史學(xué)家認(rèn)為他是跳海自盡),狄賽爾至死沒(méi)能看到柴油機(jī)能夠批量裝載在汽車(chē)上。
狄賽爾的柴油機(jī)本身存在不少的缺陷,其最大的問(wèn)題便是重量。柴油機(jī)的內(nèi)部壓力比汽油機(jī)高很多,故而柴油機(jī)缸體比汽油機(jī)粗壯很多,同時(shí)早期為柴油機(jī)提供壓縮空氣的壓縮機(jī)質(zhì)量也非常巨大,最終柴油機(jī)整體十分笨重,并不適應(yīng)當(dāng)時(shí)骨架很小的汽車(chē)。
1924年,美國(guó)康明斯公司正式采用泵噴油器,使得柴油機(jī)質(zhì)量明顯降低。同年,曼恩公司在柏林汽車(chē)展上展示了一臺(tái)裝備柴油機(jī)的卡車(chē)。不久,博世公司開(kāi)始正式生產(chǎn)泵噴油器,由于柱塞泵的普及為柴油機(jī)安裝在汽車(chē)上提供了基礎(chǔ),1936年,本茨公司生產(chǎn)了第一臺(tái)柴油機(jī)轎車(chē)260D,距離狄賽爾逝世已有23年之久。
真正使柴油機(jī)站在鮮明地位的是在重型機(jī)械和裝甲車(chē)輛上的使用,二戰(zhàn)中,美國(guó)的舒爾曼坦克和德國(guó)虎式坦克都使用汽油機(jī),護(hù)士坦克以其強(qiáng)大的火力和厚重的莊稼占得上風(fēng),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(chǎng)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(dòng)機(jī)在中彈后不易起火,大大提高了戰(zhàn)場(chǎng)的生存能力。戰(zhàn)后,各國(guó)紛紛借鑒都將自己的坦克換成了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。
20世紀(jì)50年代以后,兩大陣營(yíng)在坦克功率方面進(jìn)行了不斷的軍備競(jìng)賽,這無(wú)形中大大加速了柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展。由噴油壓力決定柴油機(jī)功率和扭矩這一特點(diǎn),世界各大柴油機(jī)制造公司拼命提高柴油機(jī)的噴油壓力,此時(shí),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(jī)噴射技術(shù)引用到柴油機(jī),自此柴油機(jī)的使用發(fā)展重新進(jìn)入一個(gè)新的紀(jì)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(jī)電控噴射技術(shù)。
柴油機(jī)——高扭矩、高壽命、低油耗、低排放,成為解決汽油能源問(wèn)題最現(xiàn)實(shí)的手段。兩個(gè)世紀(jì)過(guò)去,柴油機(jī)由最初無(wú)人問(wèn)津到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于重型車(chē)輛和乘用車(chē),但凡打開(kāi)這些車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋,都可以看到屬于狄賽爾的姓氏標(biāo)記——Diesel,以教人銘記這個(gè)在柴油機(jī)發(fā)明人的卓越貢獻(xiàn)。