2.4　内燃机汽车的发展史

2.4.1　内燃机的发明

现代汽车是伴随着内燃机的出现而发明的。关于内燃机的发明可以追溯到17世纪60年代。早在1673年，荷兰科学家惠更斯（Huygens，1629—1695）就尝试用火药爆炸来推动活塞，他绘制了火药发动机工作原理图（图2.27）。气缸底部放置的火药点燃爆炸后，推动活塞向上运动，当活塞运动到气缸上止点时，高温气体从排气口高速排出，同时在气缸内产生真空，这时活塞在大气压力的作用下向下移动，而重物通过绳索经滑轮连接活塞向上运动，当活塞到达气缸底部时，火药又开始新一轮爆炸做功。这种发动机是基于爆炸冷却后在缸内形成真空，由大气压推动活塞做功，因此称为“大气原理发动机”。用火药作燃料的火药发动机是现代内燃机的萌芽。但是，当时的材料不能承受如此大的热应力，而且很难准确地控制发动机的工作过程。惠更斯火药发动机存在的问题使科学家们考虑在气缸外部燃烧。惠更斯的学生丹尼斯·巴本（Denis Papin，1647—1713）发现，在缸内用蒸汽作介质并冷凝做功效果更好。这一想法被纽可门采用，制作成了他的第一台大气原理蒸汽机。这之后，大气蒸汽机的发展和后来的高压蒸汽机（蒸汽也用于膨胀过程）的发展掩盖了内燃机发展近两个世纪，以至于当内燃机刚发明出来时，其技术还是基于蒸汽机的技术。

在18世纪后期和19世纪早期，出现了许多内燃机技术和专利，这里仅对一些商业上成功的内燃机进行介绍。

第一台实用的内燃机是1860年由比利时人埃提纳·雷诺尔（Etienne Lenoir，1822—1900）制造的（图2.28），并进行了小批量生产。发动机结构类似于蒸汽机，由水平放置的一个气缸和双向做功的活塞组成，每转一圈做两次功。用滑阀控制空气／煤气的吸入和燃气的排出，使用电池感应线圈产生电火花点燃混合气，在活塞两侧进行燃烧。该发动机只有3%的效率。

1866年，德国人尼古拉斯·奥托（Nicolaus Otto，1832—1891）和欧根·朗琴（Eugen Langen，1833—1895）制造的大气发动机（图2.29）（或称为自由活塞发动机）把内燃机实用化又向前推了一大步。其特点是气缸为立式而且很长，活塞较重，活塞拉杆齿条与小齿轮啮合，小齿轮再通过棘轮连接到输出轴。在活塞上行时，棘轮与飞轮啮合，下行时与活塞齿条啮合。该发动机的活塞重量功率比为70kg/kW，受发动机尺寸限值，其输出功率只有几千瓦，但是，其热效率高出雷诺尔煤气机30%左右。1869，奥托和朗琴建立了道依茨（Deutz）煤气机工厂。当时，戈特利布·戴姆勒（Gottlieb Daimler，1834—1900）和威廉姆·迈巴赫（Wilhelm Maybach，1846—1929）等许多工程师都在该厂工作。该发动机5年内售出了10000台，在商业上非常成功。

尽管奥托-朗琴大气发动机取得了很大的成功，但其效率和可靠性还有待提高。奥托一直在寻找解决阻碍发动机做功的问题，即燃烧过于急促。他最终找到了正确的解决方法：增加冲程数（四冲程），让混合气慢慢安全地燃烧，同时通过压缩混合气提高发动机的性能。1876年，奥托申请了四冲程发动机的专利，并制造了第一台实用的四冲程发动机，又称为奥托循环发动机（图2.30）。奥托循环发动机比奥托-朗琴大气发动机运行更平稳、更安静，燃烧效率高大约3倍。

戈特利布·戴姆勒是第一个尝试通过提高发动机转速（500~1000r/min）来提高发动机升功率并将其用于驱动汽车的人。戴姆勒的发动机专利可以追溯到1884年。他于1889年申请了双缸V型发动机专利，并大批量生产。

1890年，德国人鲁道夫·迪塞尔（Rudolf Diesel，1858—1913）发表了压缩空气待燃油喷射后同时着火的概念，并在1892年申请了专利，1893年制造出了样机（图2.31）。其热效率达到了26%，大大高于同时期的其他热力机。因为那时没有高压液体燃油泵，迪塞尔借助高压（7MPa）空气将燃油喷入气缸。空气喷射需要高成本的高压空气泵和大容积储气罐，限制了柴油机只能用于固定发电装置和轮船。直到1920年，小型高速压燃发动机才开始用于汽车动力。

1957年，德国人菲利克斯·汪克尔（Felix Wankel，1902—1988）发明了转子活塞发动机（图2.32）。转子发动机的特点是利用内转子圆外旋轮线和外转子圆内旋轮线相结合的机构，无曲轴连杆和配气机构，可将三角活塞运动直接转换为旋转运动，零件数比往复活塞式汽油机少40%，重量轻、体积小、转速高、功率大。1958年，汪克尔将外转子改为固定转子行星运动，制成功率为22.79kW、转速为5500r/min的新型旋转活塞发动机。该机具有重要的开发价值，因而引起各国的重视。但是，汪克尔发动机存在密封难、油耗和排放高等问题，20世纪70年代的石油危机后，转子发动机走向没落。只有马自达汽车公司买下转子发动机生产许可证后，少量生产转子发动机并装在跑车上。可以说，转子发动机是生在德国，长在日本。由于排放法规的不断严格，如今转子发动机已很难满足法规要求，因此它退出了汽车动力的市场。

2.4.2　经典的车用内燃机

纵观世界汽车发展史，每一个汽车工业时期都会诞生极具代表性的车型，而每一款经典车型的背后都有一款经典的发动机。

1．福特Flathead V8

福特Flathead引擎（图2.33）在1932年第一次亮相，在那个年代对于整个汽车界无疑是一场技术的革命。发动机排量3.6L，在3400转的时候可以输出65马力，而在后期更是达到了100马力的输出。该发动机最大的意义是让V8发动机的成本大幅降低，让普通消费者也能享受到V8的大马力。从此，美国人的V8情结也得到了发展。

2．雪佛兰Small block V8

雪佛兰Small block V8引擎（图2.34）产于1955年，然而它的寿命一直持续到将近2010年。共有160万台Small block V8引擎被生产出来，使其成为最长命的引擎系列之一，这台引擎也造就了克尔维特这个美式超跑。便宜的售价使得当年的美国人只要多加99美元就可以将任何一台搭载有直列六缸的雪佛兰换上Small block V8发动机。因此当年的雪佛兰几乎清一色搭载Small block V8引擎。Small block V8引擎在早期排量为4.3L。在那个大部分引擎都超过5.0L的年代，4.3L的V8确实是小排量发动机。Small block上使用了从庞蒂亚克那里“借来的”独立球形摇臂结构的气门结构，配合液压升举结构，在一系列当时最新技术支持下，成为世界上第一款做到每立方英寸可输出一匹马力的引擎，更为后期W型气缸结构打下了基础。Small block也最终延伸出了雪佛兰大排量引擎结构的蓝本，造就了其在整个汽车史上举足轻重的地位。

3．宾利Bentley L Series V8

克鲁工厂打造的L410系列引擎（图2.35）最早于1959年开始生产，在之后的40年中，劳斯莱斯和宾利的大部分车型都装备此系列的发动机，直至1998年，当宝马收购劳斯莱斯以后，劳斯莱斯便开始使用宝马提供的V12来取代L410系列的发动机。时至今日，宾利依旧在使用此发动机，旗舰车型慕尚就是装备此发动机而非大众集团的W12，为的就是保证慕尚纯正的英国血统。虽然L410系列已经有50多年的历史，但是宾利一直在对其进行改进，从1982年开始，宾利为L410装上了双涡轮增压推出L410D，1987年又推出了燃油直喷的L410IT，1991年又增加了中冷器推出L410ITI，2009年推出了最新的L410HT用于最新的慕尚车型。L410HT相比最初的L410，几乎所有部件都是全新的，而537Ps和1100N·m的表现（宾利慕尚2015款极致版），在数据上已经比初代产品增加了超过150%的功率与扭矩，有害气体排放也下降了99.5%，并且燃油经济性也优于初代产品40%以上。

4．克莱斯勒HEMI系列

HEMI诞生于20世纪50年代，HEMI是“Hemispherical”一词的缩写，是由于发动机采用了半球形燃烧室而得名，该设计最早出现在捷豹汽车的6缸HEMI发动机上，随后出现于克莱斯勒公司发布的V8HEMI发动机。HEMI发动机的燃烧室顶部呈半球状，火花塞安装在燃烧室顶部中央，进排气门分别在燃烧室两侧。与当时的平顶盖发动机相比，早期HEMI发动机的最大优势就是高效率，使它能产生强大的功率。历经了三代的发展。从最早的Fire Power系列到第二代极其经典的HEMI 426，再到现在可变排量的5.7HEMI、6.1HEMI、6.2Hell Cat（图2.36），让道奇和克莱斯勒打造出一个又一个经典的美式肌肉车，比如道奇的Challenger、Charger、各种SRT版本的克莱斯勒，以及Hell Cat系列。

其中，最新的克莱斯勒5.7L V8HEMI发动机除了保留之前半球状燃烧室的传统特征外，还采用了可变排量MDS系统和每缸双火花塞设计。变排量系统能使发动机在四缸模式和八缸模式之间互相转化。当不需要大马力时，只需要4个气缸工作，需要大马力时再转为8个气缸工作，兼顾了高性能和低油耗的需求。

5．保时捷水平对置发动机

保时捷（Porsche）水平对置6缸发动机（图2.37）于1963年问世。第一代911采用的水平对置6缸发动机由356S的水平对置风冷4缸发动机进化而来。值得一提的是，1975年推出的911Turbo3.0是911历史上第一款民用涡轮增压车型，它搭载了全新的3.0L风冷发动机，使用单只KKK涡轮增压器和博世K-Jetronic燃油喷射系统，压缩比调低至6.5。264马力的功率在20世纪70年代是十分强大的。保时捷水平对置风冷6缸发动机在长达30多年的发展中，已经进化到了极致，功率从最初的132马力增长到993系列的324马力，而Turbo车型更是暴增至436马力。但是，风冷技术毕竟落后。所以保时捷在1997年推出了首次采用了水平对置水冷6缸发动机的第五代911（及996），2001年，这台发动机排量扩大至3.6L，功率增至324马力。

从1963年的风冷2.0到现在的水冷3.8双涡轮，该系列产品动力提升了近5倍，并且燃油经济性也大幅提升，无异于是一台经典发动机。

6．Nissan RB系列

Nissan RB系列（图2.38）最初于1985年诞生，涵盖2.0~3.0L排量，装备于许多日产经典车型上，其中最为出名的便是RB26DETT，它是R32、R33、R34这3代GTR的发动机。铸铁缸体、铝制缸盖让其拥有很高的可靠性与改装潜力。虽然原厂的RB26DETT受制于“君子协定”只能产生280马力，但是通过很简单的改装便能得到更大的马力。

7．奔驰M120

作为奔驰的第一台量产V12，M120（图2.39）系列亦属经典，最初搭载于W140系列的S600、CL600、SL600等12缸奔驰上（1992年），随后这台发动机也被帕加尼相中，最开始是直接搭载在Pagani Zonda C12身上。随后帕加尼的工程师以这台发动机为蓝本，将排量扩大至7.0L以及7.3L等多个版本，并应用在Zonda C12-S、Zonda GR、Zonda F以及Zonda Tricolore等后期产品上，针对不同车型调校不同，不断将马力推升至540马力、590马力甚至更高的670马力。真正体现这台M120能力的是2009年推出的“风之子”Zonda R，排量回归至原厂的6.0L，但经过全新的调校，这台发动机的功率被提升至552kW（740马力）/7500r·min-1，而峰值扭矩也达到710N·m/5700r·min-1。

8．日产VQ系列

作为沃德十佳发动机大奖的常客，日产VQ（图2.40）系列从1994年推出至今，技术更新无数，凭借着出色的动力响应以及无可挑剔的NVH表现，使其连续14年入选沃德十佳发动机行列，赢得无数美誉。目前VQ系列依旧是世界上最佳的V6发动机之一，平顺性、动力表现、燃油经济性都属标杆。

其中，自然吸气的VQ37VHR采用超高的11.0∶1的压缩比，以及连续可变气门技术（Variable Valve Event and Lift，VVEL）、钻石级硬度的DLC（Diamond Like Carbon）涂层、F1发动机的真圆加工工艺、平行双进气（双节气门）系统等先进技术。最强版本的VQ37VHR有着355马力的最大功率输出，峰值扭矩更高达374N·m，数据一点都不输于市面上主流的3.0T发动机。VQ37VHR推动Nismo 370Z，在4.9s内便能完成零到百公里加速。更难得的是，这样一台发动机还非常安静、平顺。

9．捷豹AJ系列

Jaguar AJ-V8系列（图2.41）诞生于1997年，AJ-V8系列至今依旧在服役，排量为3.2~5.0L，且有机械增压版本，阿斯顿—马丁、捷豹、路虎都有装备此发动机，性能均属上乘，直至2009年才更新了直喷的新一代AJ-V8，足见此系列发动机的经典。

10．本田K20A

本田“红头”发动机K20A（图2.42），引擎为正方形冲程设计，缸径×冲程为86mm×86mm，压缩比高达11.7∶1，1998mL的K20A能够爆发出220马力/8000r·min-1的功率。为了对应大马力与高转速输出，K20A内部的活塞采用高强度材质制造，以承受强大的爆发力，且活塞表面附有能够有效降低摩擦和阻力的特殊镀膜涂层，在进行往复运动时有助提升活塞运动顺畅度及速度。K20A的气缸强度是公认的“高等级”，只要换上锻造机件（活塞、连杆）即可使发动机承受超过600马力的功率。

11．宝马S54B32

宝马直列6缸发动机S54B32（图2.43）是一款3.2L自然吸气发动机，升功率高达100马力，装备于E46 M3、Z3M以及E85 Z4M和E86 M Coupe，是对宝马“终极驾驶机器”这一口号的最佳诠释。从2001年正式量产开始，S54B32在“年度世界发动机”（International Engine of the Year）评选的3.0~4.0L级别中整整蝉联了6年冠军。

2.4.3　内燃机汽车的发明

内燃机的出现，使人类进入了一个新的技术时代，是汽车发展史中的一个崭新起点。

通常所说的汽车都是指搭载内燃机（汽油机或柴油机）作为动力的汽车，也就是所谓的现代汽车。

图2.44是注册专利号为37435的世界第一辆内燃汽车，由德国人卡尔·本茨（Karl Benz，1844—1929）于1886年1月29日在曼海姆（Mannheim）发明。这一天被确定为是汽车诞生日。

这辆汽车自身质量为254kg，装有3个实心轮胎的车轮，发动机为单缸四冲程汽油机，排量为0.576L，功率为0.52kW，转速为300r/min，车速为15km/h，并具备近代汽车的一些基本特征，如采用火花点火、水冷、钢管车架、钢板弹簧、后轮驱动、前轮转向、手把制动等。仔细观察这辆汽车，会发现它的外形与当时的马车差不多，车速和装载质量也不比马车优越。但是，它的巨大贡献不在于其本身所达到的性能，而在于观念的变化——采用了内燃机。本茨不仅敢向当时占有垄断地位的马车制造商挑战，而且敢于放弃在技术上已经相当成熟的蒸汽机而选用新生的内燃机作动力，可见他对当时技术还不是十分成熟的内燃机的自信。

在汽车界还流传着一段关于这辆三轮车的佳话。据说，本茨在刚制成这辆三轮车时，曾经进行了试车，由于得意忘形，车子竟撞到自家的围墙上。车被撞坏，也受到一些人的冷嘲热讽。他只好关起门来进行改进，不再轻易进行试车。本茨的妻子贝尔塔·本茨（Bertha Benz，1849—1944）是本茨事业的热心支持者，为了消除人们对本茨发明汽车的怀疑和回击反对者的流言蜚语，她策划了一次长途行驶。1888年8月夏天的一个早晨，贝尔塔在她丈夫还在梦乡时就同两个儿子，15岁的欧根和13岁的理查德，悄悄地推出这辆车上了路（图2.45）。这次行驶并不顺利，每到坡道大的地方都要把车停下来让儿子们帮着推车，而且这辆车在行驶过程中事故不断。贝尔塔不愧为这一事业的热衷者，她对各种事故竟能应付自如。她用发卡疏通了堵塞的油管，用长袜解决了电路的短路。经过一天艰辛的跋涉，在天黑时到达了距她娘家106km外的普福尔茨海姆（Pforzheim），贝尔塔·本茨亦以世界第一位驾驶汽车的妇女的荣誉载入史册。

就在卡尔·本茨研制三轮汽车的同时，另一位德国工程师戈特利布·戴姆勒和他的助手威廉姆·迈巴赫在坎施塔特也在从事以汽油为动力的车辆的研究，并于1885年制造出一台风冷立式单缸二冲程汽油机，排量为264mL，最大功率达到0.5马力／（600r·min-1），这是世界上第一台立式发动机。由于外形的缘故，这一专利发动机又被称为“老爷钟”（Grandfather Clock）。两人把这台发动机安装在以橡木为车架的单车上，而成为世界上第一辆摩托车（图2.46）。戴姆勒于同年的8月29日获得这辆骑士双轮车（Reitwagen）的德国专利，成为世界摩托车工业的鼻祖；而他的助手迈巴赫则是世界上第一位摩托车骑士。该车后轮直径26英寸，前轮直径34英寸。上面有马鞍式真皮坐垫，橡木车架，木制车轮，皮带传动和一级齿轮变速。离合器的结构是借助皮带传动的压带轮来控制的，压紧压带轮，动力转向后轮，驱动车子前进；放松压带轮，皮带打滑，即切断动力传递，车子停止前进。该摩托车最快速度为11.2km/h。遗憾的是，这件世界第一辆摩托车珍品在第二次世界大战期间毁于战火。

对于戴姆勒和迈巴赫来说，制造和驾驶摩托车并不是目的，最重要的是试验改进内燃机性能并运用在汽车上。1886年8月，戴姆勒以妻子生日礼物的名义订购了一辆四轮马车，用改进了的“老爷钟”（功率1.1马力）发动机装在这辆马车上，采用皮带轮传动，以16km/h的速度从斯图加特开到了坎施塔特，当时人们称之为“没有马的马车”。这就是世界上第一辆四轮汽车（图2.47）。图2.48是戴姆勒（后排坐者）与儿子保罗（驾驶者）在他研制的四轮汽车上。

戴姆勒和本茨不仅发明了轿车，也发明了商用汽车。1895年3月18日，本茨发明的第一辆公汽（Omnibus）（图2.49）正式投入运营。1896年，戴姆勒发明了世界第一辆卡车（图2.50），采用两缸4马力内燃机驱动，自重1.5t。

虽然戴姆勒和本茨同在一个国度只相距60英里的两个地方从事汽车研制，但他们从未见过面，所以戴姆勒和本茨的研究成果均得到承认，他们均被公认为世界第一辆汽车的发明者。