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第10章 鲁道夫·狄塞尔

拖拉机在田野里发出轰鸣,载重汽车在公路上奔驰,轮船在海洋上破浪前进,它们都需要柴油机提供的动力。柴油机的应用十分普遍。它作为一种热效率较高的动力机,直到今天,在许多地方和生产部门中仍然发挥着重要的作用。柴油机的发明者,是近代德国的一位工程师,名叫鲁道夫·狄塞尔。

1858年3月18日,狄塞尔出生在巴黎一个德国侨民的家庭里。

1879年,21岁的狄塞尔以优异成绩在慕尼黑工科大学毕业。毕业后,他成为林德教授的助手。不久,又到瑞士文特图尔的苏尔寿机器工厂进行短期实习。第二年,狄塞尔到达巴黎,在林德冷冻公司所属的巴黎制冰厂工作,担任这个厂的工程师。从1880年到1890年,狄塞尔在巴黎整整工作了10年。在这10年中,他一直致力于动力机的研究和改进。

研究工作是从对蒸气机的改造开始的。自从瓦特发明蒸汽机以来,蒸汽机作为惟一的动力机,得到了广泛的应用。但是,蒸汽机在使用过程中,暴露出它的很多缺点。例如:体积大、操作不方便、运行不够安全,等等。特别是它的效率不高,在10%以下,有的效率甚至只有5%~6%。随着工业生产的发展,需要一种使用方便、效率更高的动力机。

为了克服蒸汽机的缺点,很多人都在进行研究和改进。人们发现,蒸汽机的很多缺点,都是由于它的外部燃烧方式带来的。只有改变这种外部燃烧方式,使燃料直接在汽缸内部燃烧,热能直接做功,才会提高动力机的效率。正是根据这些设想,有位名叫里诺的法国工程师,曾在1860年制成一台煤气机。里诺的煤气机虽然是比蒸汽机体积要小的一种内燃机,但是燃料消耗很大,热效率也只有4%左右。

动力机的效率,指的是它在使用过程中,起动力作用的能量在使用的燃料能量中所占的比例。既然煤气机的效率还不如蒸汽机的效率高,当然也就没有应用价值厂。不过,煤气机的内部燃烧方式优于蒸汽机,因而是可取的。

狄塞尔在研究如何改造蒸汽机的时候,也是本着将外部燃烧方式改变为内部燃烧方式的思路,进行探索的。他花费了大量时间和精力,进行新型动力机的研究和制造工作。在这个过程中,他打算制造一部用氨气来驱动的新型动力机。在研究“氨气发动机”时,他深入地探讨了卡诺的理论。卡诺是法国的著名物理学家。他曾设想通过内燃来为热力发动机提供热源,从而提高热力发动机的效率。要想做到这一点,就需要找到一种比蒸汽更好的工质。所谓“212质”,是“工作介质”的简称,指的是机器中借以完成能量转化的媒介物质。卡诺认为,可以将空气作为工质。其他一些工程师也曾提出过用空气、碳酸和乙醇来代替蒸汽,作为工质。狄塞尔在卡诺理论的启发下,打算用氨气来作为工质。

狄塞尔为什么会想到用氨气来作为工质呢?这同他在巴黎期间的实际工作有着密切的关系。由于他是制冰厂的工程师,非常了解氨气的性质和用途。在制冰生产过程中,离不开氨。氨是一种制冷剂,它在制冷机中能够把热量从低温处传送到高温处。正因为氨气具有促使热量转移的性能,所以狄塞尔就想利用它来代替蒸汽。他想把氨气作为热力发动机中的媒介物质,促使热能转化为机械能,成为动力做功。

可是,狄塞尔花了大量时间进行研究和实验,结果都失败了。实践证明,利用氨气作为工质来制造热力发动机,是不可能做到的。他认识到这一点之后,就果断地把研制“氨气发动机”的计划放弃了。对“氨气发动机”的研究,可以说是狄塞尔走过的一段弯路。但是,这件事也说明,狄塞尔对在科学技术方面的发明创造,表现了实事求是的态度。

1890年,狄塞尔回到德国,到奥格斯堡机器制造厂工作。从这时起,他全力投入到内燃机的研究之中,决心制造出一部经济实用、效率更高的新型热力发动机。

当时,无论从理论上或者技术上来说,研制内燃机的条件都已经完全具备了。前面已经提到,将热力发动机从外部燃烧方式改变为内部燃烧方式,从而提高效率,这方面的研究工作早就有人进行了。里诺在1860年发明的煤气机,应用价值不高。1862年,法国人德罗夏提出了四冲程内燃机的理论。理论问题解决了,但是要制造出能够实际应用的内燃机,却不是一件容易的事情。直到1876年,有一位名叫奥托的德国工程师,才根据德罗夏的理论,经过反复研究试验,对里诺的煤气机进行重大改造,制成了一台四冲程内燃机,使热效率提高到了14%。但是,奥托的内燃机仍然用煤气作燃料,缺点不少。1883年,德国的另一位工程师戴姆勒制成了汽油发动机,进一步提高了效率。

狄塞尔早在大学学习期间,就已经萌发了研制内燃机的想法。这时,奥托和戴姆勒的成功又使他受到极大的鼓舞。于是,他便在奥托和戴姆勒发明的内燃机的基础上,进一步深入研究。狄塞尔雄心勃勃,希望超过他们。为了使发动机得到更广泛的应用,他打算使用价格低廉的燃料,作为内燃机的热能来源。

起初,狄塞尔也曾试图使用煤粉作燃料,设计出煤粉压燃式内燃机,并于1892年获得了专利。但这种内燃机在实际操作中并不成功。经过实验,发现利用压缩点火方法实现煤粉燃料,非常困难。于是,他便放弃煤粉,改用柴油作为内燃机的燃料了。

不过,使用柴油作燃料,仍然遇到了很多困难。例如:汽油的燃点(也叫“着火点”或“发火点”)低,容易点燃;而柴油的燃点比汽油要高,不容易点燃。因此。利用柴油作燃料,必须解决怎样在汽缸里点燃柴油的问题。

狄塞尔不畏困难,积极进取。他深入钻研卡诺等人的有关理论,反复进行计算和实验,终于找到了解决问题的办法:他将自己的研究心得加以总结,于1892年写成了题为《合理的热机的理论和设计》的论文。这篇论文发表后,得到了工程界和一些著名教授的重视。

狄塞尔在这篇论文中提出的“合理的热机”,就是他设计的一种新型内燃机。他认为,这种新型内燃机,可以代替蒸汽机以及当时正在使用的其他内燃机。那么,这种新型内燃机是怎样操作的呢?按照狄塞尔的设计,先向汽缸内送人空气,然后强力压缩空气,使空气的温度升高。接着,向汽缸内喷人柴油。在高温高压之下,柴油就会自然着火。汽缸内的温度由于柴油的燃烧而变得更高,使气体急剧膨胀,从而推动活塞做功。

这种内燃机不用设置点火装置,因此就结构来说比汽油发动机更为简化了。同时,它开始吸进汽缸内的是纯净的空气,而不是空气与燃料的混合物,因此,在加大压缩压力时,不会发生“爆燃”。这样,也就可以提高压缩压力,使压缩的空气温度达到或超过柴油的燃点,引燃柴油。狄塞尔认为,柴油燃烧时火力很强,因此,使用柴油的内燃机,是一种输出功率很大的发动机。

新式内燃机虽然研究设计出来了,但要把它制造出来,还有很长一段路程。首先面临的是经费问题。为此,狄塞尔又不得不到各地去进行宣传。他耐心地向工厂老板们介绍这种机器的性能、优点和实用价值,希望得到他们资助。经过不懈努力,他终于说服了克虏伯公司和奥格斯堡机器制造厂的老板?他们表示,愿意在资金方面给予合作。要做成一件事,是多么不容易啊!

经费问题解决后,狄塞尔干劲倍增,1893年,他制成了第一台使用柴油的发动机,一般称之为柴油机。但是,这台柴油机在试验时却没有成功。据说,当时在场观看的人很多;他们怀着各种心态,注视着狄塞尔的试验操作。试验开始时,机器运转得还比较正常。可是,就在往汽缸里喷人燃料的瞬间,突然发生了爆炸。随着一声巨响,安装在汽缸盖上的测功指示器被炸飞了,一股浓烟从排气管内喷射出来,火花向四处飞溅。人们见到这种情景,吓得纷纷逃跑了。

第一次试验失败后,各种各样的议论接踵而来。除了冷嘲热讽之外,还有人对狄塞尔的设计是否合理表示怀疑。面对着失败带来的沉重打击,狄塞尔并没有灰心丧气。他镇静地总结经验教训,尤其是仔细检查机器结构和操作过程,以便发现问题,找到解决办法。狄塞尔认为,这次试验虽然总的说来没有成功,但是其中也有成功的地方。例如,通过试验证明,将燃料喷入高压空气中是能够自动着火的。这一点特别重要,因为它符合狄塞尔设计时所依据的原理。于是,狄塞尔的信心反而进一步增强了。

狄塞尔针对发现的问题,继续进行研究和改进。经过7个月的辛勤劳动,1894年2月,他又制成了一台柴油发动机。这台柴油机在试验时实现了运转,可是运转的时间很短,仅仅有1分钟,就停了下来。故障在哪里呢?经过检查发现,原因在于汽缸内承受的压力太大,使汽缸内壁产生了裂痕。这次试验虽然仍未完全成功,但是同第一次试验比较起来,显然是前进了一大步。

狄塞尔毫不气馁,鼓起干劲继续进行研究和改进。针对汽缸出现的问题,他取消了原来设计的等温燃烧过程,采用水冷式汽缸,并且适当降低了压缩空气的压力。这次重新设计和改制的柴油机,又花费了长达三年的时间,直到1897年,才算最后完成。

这是何等劳累的三年啊。狄塞尔在这次研制工作中,特别慎重。他根据前两次试验失败中获得的教训,重新审视了自己原来提出的理论和设计,经过反复推敲,毅然抛弃了不正确的部分。同时,他还把科学技术发展中出现的新知识,特别是有关内燃机方面的技术知识吸收进来。正因为如此,狄塞尔的内燃机理论,在几年的研制过程中进行了不断的修改,也就更为完善了。

当然,在新型柴油机制造过程中,狄塞尔还遇到了经费不足、材料缺乏和技术跟不上等困难。但所有这些困难,他都以顽强的精神一个个地克服了。他的研制工作,一直是在奥格斯堡机器制造厂进行的。除了奥格斯堡机器制造厂对他的支持外,他还得到了克虏伯公司在财力上的援助。应当承认,这些也都是狄塞尔获得成功的条件。

狄塞尔研制的柴油发动机,在1897年正式诞生了。它运转时输出的功率,起初为18马力,后来达到25马力。柴油机的热能损耗较少,使用时效率可以达到38%,超过了其他热力发动机的效率。1898年,在慕尼黑举行的国际展览会上,狄塞尔发明的新式柴油机首次公开展出,得到人们的普遍赞扬。由于柴油机与狄塞尔的名字是紧密联系在一起的,因此人们也将他的柴油机称为“狄塞尔机”。

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