柴油發動機的歷史

[復制鏈接]

sleepingcat

電梯直達

1^#

發表于 2005-11-5 15:41:55 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

如果用最簡單方式看待歷史，那么組成歷史的僅僅包括年代、人名、故事三個要素。雖然時間跨度沖淡他的年代和故事，但他應該感到欣慰，因為至少他的名字得以流傳。魯道夫·狄賽爾(Rudofl Diesel)一個永遠不會被忘卻的名字。

　　命運多篤的發明家

　　在科學史上，人們總是會對那種無心插柳卻一舉成功的故事津津樂道，比如倫琴射線、青霉素、宇宙微波背景輻射等等。當然能有上述的成就固然可敬，但還有一種同樣可敬的人：他們在有生之年不斷探索，但成就卻不被世人承認，直到多年之后他們的成就才發揚光大。柴油機的發明者魯道夫?狄賽爾就是這樣的一個人。

　　狄賽爾1858年出生在法國巴黎，他的父親是德國奧古斯堡的精制皮革制造商。成年之后，狄賽爾進入了德國的慕尼黑技術大學攻讀。就在他讀大學期間的1876年，德國人奧托研制成功了第一臺4沖程煤氣發動機，這是法國技師羅夏內燃機理論第一次得到實際運用。這一成就鼓舞了當時從事機械動力研究的許多工程師，這其中既包括后來汽車的發明者卡爾·奔馳和戈特利普·戴姆勒，也包括對機器動力十分有興趣的年輕人狄賽爾。

　　與致力于改造奧托發動機的奔馳和戴姆勒不同，狄賽爾的想法更為超前，他想完全舍去發動機中的點火系統，靠壓縮空氣發熱，噴入燃料后自燃做功，這種方式完全區別于吸入燃氣混合氣點燃做功的方式，后人稱狄賽爾的原理為“壓縮式內燃機”原理。當然狄賽爾產生這樣的設想也并不是空穴來風，因為當時并沒有發明分電器和高壓點火線圈，點火裝置非常簡陋和不穩定，狄賽爾想跳過這個技術障礙完全是可以理解的。不久，他在法國人約瑟夫·莫勒特(Joseph Mollet)發明的氣動打火機上找到了靈感，并堅持不懈的探索下去。

　　狄賽爾沒有料到，他的想法實現起來遠遠比發明點火系統復雜的多，他所遇到的第一個就是燃料問題。常用的汽油非常活躍，也非常容易點燃，但汽油卻不能適應有很高的壓縮比的壓燃式發動機，一旦把汽油霧化噴入含有高溫、高壓空氣的燃燒室，就會發生猛烈的敲缸甚至爆炸。舍去汽油是必然的，狄賽爾創造性把他的目標指向了植物油。經過一系列試驗，對于植物油的嘗試也失敗了，但他是第一個把植物油料引入內燃機的人，因而近現代鼓吹“綠色燃料”者都把狄賽爾尊為鼻祖。

　　最終燃料選擇鎖定在了石油裂解產物中一直未被重視的柴油上。柴油相對于汽油來說性質非常穩定，比較難于點燃，同時柴油一旦點燃會冒出大量的黑煙，因而它又不能像煤油那樣用作照明。但柴油穩定的特性卻恰恰適合于壓燃式內燃機，在壓縮比非常高的情況下柴油也不會出現爆震，這正是狄賽爾所需要的。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。

　　這臺柴油機用汽缸吸入純空氣，再用活塞強力壓縮，使空氣體積縮小到15倍左右，溫度上升到500—700度，然后用壓縮空氣把霧狀柴油噴入汽缸，與缸中高溫純空氣混合，由于汽缸這是已經有了較高的溫度，因而柴油噴入后自行燃燒做功。1892年2月27日，狄賽爾取得了此項技術的專利。

　　柴油機的最大特點是省油，熱效率高，但狄賽爾最初試制的柴油機卻很不穩定，1894年，狄賽爾改進了柴油機并使其能運行1分鐘左右，盡管他的柴油機還并不穩定，但狄賽爾卻迫不及待的把它投入了商業生產，因為他的競爭對手早在1886年就把汽油機安裝車輛上，而8年之后，汽油機汽車已經投入了商業運作。這位只了解技術并不了解商業運作的發明家犯下了一生中最大的一次錯誤，他急于推向市場的20臺柴油機由于技術不過關，紛紛遭到了退貨，這不但給了他巨大的經濟負擔，更重要是影響了柴油機在公眾的印象，在隨后的幾年里幾乎沒有廠家或個人樂意裝配柴油機。沒有了資金來源又負債累累，這就使得狄賽爾的晚年陷入了極端貧困。1913年10月29日，55歲的狄賽爾獨自一人呆站在橫渡英吉利海峽的輪船甲板上，被巨浪卷入了大海(多數歷史學家認為狄賽爾是跳海自盡的)。為了紀念狄賽爾，人們把柴油發動機命名為Diesel。

東方不亮西方亮

　　狄賽爾做夢都想看到自己的發明能大規模裝載在汽車上，但他致死都沒有看到這一天。客觀的講，狄賽爾的柴油機確實存在著不少缺陷，其中最大的問題就是重量。由于柴油機汽缸壓力比汽油機高很多，因而柴油機的缸體要比汽油機粗壯許多，同時早期的柴油機為壓縮空氣使用的空氣壓縮機質量也非常巨大，這就使得柴油機整體上十分笨重，極不適應當時骨架還很嬌小的汽車。但柴油機擁有汽油機不可比擬的扭矩優勢，在功率相同時柴油機又擁有很大燃油經濟性優勢，這就讓人們并沒有放棄它。

　　1924年，美國的康明斯公司正式采用了泵噴油器，這一發明有效地降低了柴油機的質量，同年在柏林汽車展覽上MAN公司展示了一臺裝備柴油機的卡車，這是第一臺裝有柴油機的汽車。不久以后，博世公司開始正式生產標準泵噴油器，正是由于柱塞泵的普及，為柴油機安裝在汽車上提供了基礎。1936年，奔馳公司生產出了第一臺柴油機轎車260D，這時距狄賽爾去世已經23年。

　　盡管30年代已經有轎車安裝了柴油機，但真正為柴油機提供發揮舞臺的還是重型機械和裝甲車輛。二戰中，美國的舒爾曼坦克和德國虎式坦克都使用汽油機，虎式坦克以其強大的火力和厚重的裝甲占得了上風，美軍只能拿數量來扯平。但在蘇聯戰場，蘇軍的T-34坦克的火力和裝甲雖也不及虎式坦克，但T-34使用柴油發動機，他在中彈后不易起火，這樣就大大提高了戰場生存能力。戰后，各國汲取了戰爭中的教訓，都自己的坦克換裝成了柴油發動機。

　　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。人們知道噴油壓力直接影響著柴油機的功率和扭矩，因而世界各大柴油機制造公司都在拼命提高柴油機的噴油壓力，在這個時期，康明斯公司研制成功完全不同于柱塞泵的PT噴油系統，從而大規模的提高了噴油壓力。

　　得償夙愿

　　如果說柴油機在重型機械上得到應用是狄賽爾的無心插柳，那么電控技術使柴油機回到了轎車領域才真正讓狄賽爾得償夙愿。

　　如果想把柴油機引入轎車領域，那么必須解決柴油的排放和振動問題。實際上，柴油機排氣中CO和HC比汽油機少得多，NOx排放量與汽油機相近，只是排氣微粒較多，這與柴油機燃燒機理有關。柴油機是一種非均質燃燒，混合氣形成時間很短，而且混合氣形成與燃燒過程交錯在一起。經過研究發現：柴油機噴油規律，噴入燃料的霧化質量，氣缸內氣體的流動以及燃燒室形狀等均直接影響燃燒過程的進展以及有害排放物的生成。

　　除了靠提高噴油壓力和柴油霧化效果來改善排放，使用預噴射也是行之有效的方法。預噴射就是在主噴射之前的某一時刻精確的噴入約為1-2毫升的預噴油量，從而使燃燒室被加熱，縮短了隨后進行的主噴射的著火延遲期。于是溫度與壓力上升減緩，降低了燃燒噪聲水平和NOx。70年代以后，博世公司把電控汽油機噴射技術引用回柴油機，從而讓柴油機的發展和使用進入了一個新紀元。

　　最先出現的電控噴油泵技術，而后又發展出了電控泵噴嘴技術和高壓共軌噴射技術，后兩種技術是現在最主要的柴油機電控噴射技術。其中，電控泵噴嘴技術的噴油壓力非常高，可以達到2050bar，并且泵和噴嘴裝在一起，所以只需要很短的高壓油引導部分，泵噴嘴系統也可以實現很小的預噴量，其噴油特性是三角形的，并采用了分段式預噴射，這是很符合發動機的要求(大眾公司的TDI發動機就是使用這種技術)。但電控泵噴嘴技術的噴油壓力受發動機轉速影響，使用蓄壓系統的高壓共軌技術可以解決這個問題，但它的噴油壓力低于泵噴嘴系統，能達到1600bar，有些公司看中了它對任意缸數的發動機噴油壓力調節很寬泛的特點，對其大加采用(最早使用高壓共軌的轎車是阿爾法羅密歐156和奔馳C級別車)。

　　話說到這里，柴油機話題快告一段落了，但柴油機的故事肯定還沒有講完，因為人們越來越發現柴油機的無窮魅力：高扭矩、高壽命、低油耗、低排放，柴油機成為解決汽車能源問題最現實和最可靠的手段。狄賽爾肯定沒有想到當年他那個沒人問津的丑小鴨，現在100%的重型車和近30%的乘用車都在使用。但可以讓狄賽爾感到欣慰的是，每當打開這些車的發動機蓋，都會看見一個名字——Diesel。