蒸汽时代的黄昏：内燃机

内燃机如何挑战蒸汽机主导地位的故事，以及德国工程师在其中的重要作用。文章认为，内燃机更易于使用且效率更高，在小型工坊和新兴行业中逐渐取代蒸汽机。

在 21 世纪的前几十年，蒸汽轮机仍然存在(尽管非常罕见)，但蒸汽活塞式发动机已经成为古老的遗迹。我们日常生活中看到的大多数移动机器，例如汽车、卡车、割草机、天上的飞机和水里的船舶，其动力都直接来源于气缸内燃料(例如汽油)的燃烧：这是一种内燃机，不同于在外置锅炉中燃烧燃料产生蒸汽的外燃机。

内燃机在蒸汽时代的故事中占有重要地位，原因有两个。更明显的原因是它在蒸汽机衰落中扮演的角色。可以说，内燃机因“谋杀”蒸汽机而“犯有罪行”。另一个不太明显的原因是，内燃机是在蒸汽机的阴影下发展起来的。在整个 19 世纪，内燃机一直处于起步阶段，在蒸汽机成为任何需要机械动力的人们的默认选择的世界里寻求自己的定位。

早期内燃机：缺乏方法的动力

内燃机的历史异常复杂，跨越了一个多世纪；随着工程师们重新利用和混合设计思想来解决新问题和填补新市场空白，它时而分叉，时而汇合，时而又分叉。毫无疑问，它的历史可以追溯到 17 世纪惠更斯的火药发动机；现代内燃机可以被视为火药发动机的“复仇”，就像现代水轮机是水平水轮的“复仇”一样。要详细讲述整个故事，至少还需要一本与这本同样厚重的书，因此我只会在必要时提供与我们更大故事相关的最重大的时刻和趋势的剪辑。

一个彻底的内燃机历史(为了避免读者读八个音节的词组或不幸的首字母缩写词 “ICE”，以下简称“燃烧机”)将包含一个可以追溯到 18 世纪甚至更早的，由发明家和发明堆砌而成的长长清单，他们几乎都随着他们的机器一起消失在默默无闻之中。这应该是一个熟悉的模式：蒸汽机、汽船、蒸汽机车；在每一个案例中，都可以找到发明家们为实现同一个愿景而奋斗几十年的历史，但他们并没有创造出任何能够说服他人使用的东西。

对于燃烧机来说，这些早期发明家的大部分可能都出于追求简单易用的动机：蒸汽机是一个庞大、复杂的多部件机器，需要仔细呵护。尤其是锅炉，在高压下极易发生爆炸的状况令人不安。能够省去燃烧室和锅炉，直接在工作气缸内燃烧燃料，这是一个非常诱人的前景。此外，锅炉不仅体积庞大且潜在危险，而且还具有一种“势能”。你不能简单地启动蒸汽机并开始使用它，你必须先建立蒸汽压力，并且只要你保持蒸汽压力，你就会燃烧燃料。因此，蒸汽机需要持续使用：这对希望昼夜不停地运行昂贵资本的工厂主来说很好，但对于需要临时使用动力的小型工匠和作坊来说，蒸汽时代就没那么让人高兴了。

到 19 世纪初，另一种寻找蒸汽以外的动力来源的原因出现了：煤气灯的出现。煤气显然很容易燃烧，到世纪中叶，欧洲和美国各大城市中心都可以从城市煤气系统中随意提取煤气。如果不仅可以省去燃烧室和锅炉，还可以省去煤炭储存室、将煤炭运送到你的营业场所的运输成本以及为发动机加煤的人工成本，那会怎样呢？

18 世纪 70 年代发明的伏特电击枪，在整个欧洲展出，可能在燃烧机的早期发展中发挥了类似于真空泵在蒸汽机发展中所起的作用：一种戏剧性的演示，激发了新的发明思路。该手枪使用两个电极之间的火花引爆密封玻璃容器中的氢气，将塞子射向房间的另一端。一个有想象力的人可能会意识到，如果容器能够快速补充气体并重复火花，就会有一个机器产生一系列连续的机械脉冲，很像蒸汽机。梦想用自走车辆取代马匹的瑞士发明家艾萨克·德·里瓦斯 (Issac de Rivas) 使用了伏特的火花机制来驱动他的燃气动力车厢的发动机。

一种汽油发动机。在顶部中心可以看到进气阀，在底部中心可以看到用于点火的电火花产生设备。

热力学和内燃机

世纪中叶热力学科学的兴起及其逐渐渗透到工程界，在暴露了蒸汽机的弱点后，加剧了人们对内燃机的兴趣。蒸汽的膨胀弹性，曾被认为是蒸汽机作为压力机的成功关键，当其被视为热机时，却成为了一种负债。正如卡诺观察到的那样，要最大限度地提高发动机的功率，需要使工作流体尽可能热(然后尽可能冷却)，但将水转化为高温蒸汽会产生巨大的压力，甚至超过了铁和钢所能承受的范围。

热力学使人们能够将蒸汽机与理想热机的效率进行比较，结果发现蒸汽机效率低得可怜。在某种程度上，这导致那些没有完全理解卡诺和朗肯关于热力学第二定律的工程师们进行了一场徒劳无功的追逐。他们相信大量的热量被“浪费”在蒸发水上了，于是转向死胡同，建造了使用其他没有那么多潜热的流体(例如醚、酒精、二硫化碳和氨)的发动机。正如发动机历史学家林伍德·布莱恩特 (Lynwood Bryant) 所同情的那样，“对于一个生活在压力和体积的常识世界中的人来说”，这种替换似乎是合理的，因为“在给定的热量消耗下，他可以用氨比用蒸汽获得更高的压力。” 这需要一个更彻底地沉浸在新能量抽象概念中的人才能理解，潜热并没有真正浪费，因为能量不会被销毁；所有这些能量仍然存在于高温蒸汽中，这使其成为比大多数潜在竞争者更具能量密度的工作流体。

那么，空气发动机呢？ 19 世纪 50 年代，朗肯曾吹嘘过它的优点。当空气被加热时，其压力不会像蒸汽那样上升到同等的高度，那么为什么不简单地用空气替代蒸汽作为外燃机的工作流体呢？一些发明家也尝试过这种方法，但失败了，原因有二：首先，空气的导热性差意味着需要巨大的导热表面来将热量从燃料源传递到空气，这使得空气发动机比同等功率的蒸汽机更大、更重、更昂贵。其次，由于必须从燃料传递热量到空气的铁的机械限制，仍然无法达到极高的温度。当温度超过 1,300 华氏度时，铁会变弱并变得无法使用。

然而，正如卡诺早在 1824 年就观察到的那样，空气可以用另一种方式来利用：

水蒸气只能通过锅炉来形成，而大气空气可以直接通过在其自身质量内进行燃烧来加热。这样就可以防止大量的损失，不仅是热量的损失，也是温度的损失。这种优势是属于大气空气的。其他气体不具备这种优势。

也就是说，空气含有氧气意味着它可以直接与燃料混合，然后在发动机内部燃烧，而不会有任何热量损失。这是 19 世纪下半叶人们加紧寻找可行的燃烧机的原因。燃烧可以在气缸内产生 2,700 华氏度的温度，允许更大的温差和更高的效率，并且这些热气体是在需要它们的地方产生的；没有必要通过管道和阀门将它们输送，而这些管道和阀门不可避免地会向环境散热。在这种情况下，空气的导热性差成为了一种优势：相对较少的热量会传导到周围的金属上，而这种金属不需要将热量传递到发动机的另一部分，可以保持足够低的温度以防止机械故障。

19世纪80年代美国制造的奥托发动机

德国工程

在热力学科学的推动下，以及机床精度的不断提高，燃烧机终于在 19 世纪 60 年代实现了从实验到工业化的飞跃。它开始于克莱顿·克里斯坦森 (Clayton Christensen) 所描述的经典“破坏性创新”，从小型、廉价的发动机开始，从市场底部开始。它还不能与纺织厂或面粉厂的大型工业蒸汽动力相竞争；相反，它在小型工场和动力需求适中的行业找到了客户。燃烧机最接近的竞争对手是 1807 年莫德斯利卧式发动机的衍生产品，这是一种小型蒸汽机，功率低至 1.5 马力，可以放在桌子上(正如其名字所暗示的那样)。燃烧机可以更快地启动和停止，而不需要继续燃烧燃料，可以直接从城市煤气管线获取燃料，并且可以建造得更小，提供一半或三分之一的马力。

本文译自 Creatures of Thought，由 BALI 编辑发布。