工業革命之一蒸汽機到內燃機

工業革命的啟蒙系列(一)——從蒸汽機到內燃機

為什么我向來不看好我們民族的東西? 為什么我不喜歡吹捧和放大我們民族的閃光點? 因為我太知道

人類的“好東西”和人類的“閃光點”在哪里? 因為我太明白我們民族的盲點在在哪里? 每個人對自己的認識

都有盲點，這個盲點就是自己的缺點。每個人都喜歡別人夸獎自己，都反感別人批評和貶低自己。一個民

族也是一樣的，民族的盲點在哪里? 這正是我經常提到的“東西方的差距”這個問題。但是，歷來統治階級

為什么都喜歡維護民族的東西? 因為只要他們維護民族的東西，就等于維護了列祖列先們那些既定傳統的

東西，也就可以混淆是非的糊弄人民說他們是愛祖國的，從而維護他們自己統治的合法性。

現在我常聽到這句話——“民族的就是世界的”，這也是—種含糊不清的鬼話! 應該先搞清楚“民族的”究

竟是代表世界先進的，還是代表落后的? 是有創意的，還是平庸的，甚至倒退的。并不是所有各民族的東

西都是值得全世界歡迎的。每當我想起工業革命的那些創造發明，無論它來自哪一個民族，哪一個人物，

它都是那么激動著我，總是想沖動地要把它們一一講述出來。那些能推動人類文明進步的發明創造，這才

是真正代表世界的，真正屬于世界的! 才能被所有的民族吸收、滋養而壯大。從今天開始，我想嘗試著敘

述我多年的這個愿望——回眸人類走過的工業發展史，題名為“工業革命的啟蒙系列”。

一、蒸汽機

為什么工業革命必須先從蒸汽機開始敘述? 因為整個工業革命也就是動能革命! 即動力和能源的革

命。人類過去所創造的一切工具，都只能通過人力的動力才得以發揮其作用，那是非常微小微弱的力量。

也有少數簡單地借助風力、水力的動能，但也形成不了規模。所以人類的生產力一直很低很落后，幾千年，

幾萬年，乃至幾十萬年以來，這種狀況沒有誰能改變，誰能實破。

直到1679年，法國物理學家丹尼斯·巴本在觀察蒸汽逃離他的高壓鍋后，才制造了第一臺蒸汽機的工

作模型，這才使后人注意到蒸汽機可將蒸汽的能量轉換為機械功，并不斷改進使之成為往復式動力機械。

同時發明蒸汽機的還有薩繆爾·莫蘭，以及后繼的發明者——英國人托馬斯·塞維利(1698年)、托馬斯·紐科

門(1712年)。至于英國人瓦特，他并不是蒸汽機的發明者，而是蒸汽機關健技術的改良者，才使得蒸汽機

可以使用到機車、輪船和各種機器上，實現了蒸汽機現代化。瓦特的故事是這樣發生的。

1764年，格拉斯哥大學請來儀器修理工詹姆斯·瓦特修理一臺紐可門式蒸汽機，在修理的過程中，瓦

特熟悉了蒸汽機的構造和原理。早期紐可門式的蒸汽機使用蒸汽凝結時產生的真空來做功，后來的則使用

蒸汽膨脹來做功。將蒸汽引入氣缸后閥門被關閉，然后冷水被撒入汽缸，蒸汽凝結時造成真空，活塞另一

面的空氣壓力推動活塞產生動力。紐可門這種大氣式蒸汽機，主要毛病是由于蒸汽進入汽缸時，在剛被水

冷卻過的汽缸壁上冷凝而損失掉大量熱量，只在煤價低廉的產煤區才得到推廣，而且都是用來抽煤礦井里

的水，在礦井中聯結一根深入豎井的桿來驅動一個泵，蒸汽機活塞的運動通過這根桿傳到泵的活塞來將水

抽到井外。

瓦特發現了這種蒸汽機的兩大缺點：活塞動作不連續而且慢；蒸汽利用率低，浪費原料。以后，瓦特

開始思考改進的辦法，直到1765年的春天，在一次散步時，瓦特想到，既然紐可門蒸汽機的熱效率低是

蒸汽在缸內冷凝造成的，那么為什么不能讓蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特產生了采用分離冷凝器的最初設想。

冷凝器作用就是把蒸氣轉變成液體的裝置。在產生這種設想以后，瓦特在同年設計了一種帶有分離冷凝器

的蒸汽機。按照設計，冷凝器與汽缸之間有一個調節閥門相連，使他們既能連通又能分開。這樣，既能把

做工后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使汽缸內產生同樣的真空，避免了汽缸在一冷一熱過程中熱量

的消耗，據瓦特理論計算，這種新的蒸汽機的熱效率將是紐可門蒸汽機的三倍。

從理論上說，瓦特的這種帶有分離器冷凝器的蒸汽機顯然優于紐可門蒸汽機，但是，要把理論上的東

西變為實際上的東西，把圖紙上的蒸汽機變為實在的蒸汽機，還要走很長的路。瓦特辛辛苦苦造出了幾臺

蒸汽機，但效果反而不如紐可門蒸汽機，甚至四處漏氣，無法開動。盡管耗資巨大的試驗使他債臺高筑，

但他沒有在困難面前怯步，繼續進行試驗。當布萊克知道瓦特的奮斗目標和困難處境時，他把瓦特介紹給

了自己一個十分富有的朋友——化工技師羅巴克。當時羅巴克是一個十分富有的企業家，他在蘇格蘭的卡

隆開辦了第一座規模較大的煉鐵廠。雖然當時羅巴克已近50歲，但對科學技術的新發明仍然傾注著極大的

熱情。他對當時只有三十來歲的瓦特的新裝置很是贊許，當即與瓦特簽訂合同，贊助瓦特進行新式蒸汽機

的試制。

從1766年開始，在三年多的時間里，瓦特克服了在材料和工藝等各方面的困難，終于在1769年制出

了第一臺樣機。設有與汽缸壁分開的凝汽器的蒸汽機，使冷凝器與汽缸分離，發明曲軸和齒輪傳動以及離

心調速器等。獲得第一項專利。第一臺帶有冷凝器的蒸汽機雖然試制成功了，但它同紐可門蒸汽機相比，

除了熱效率有顯著提高外，在作為動力機來帶動其他工作機的性能方面仍未取得實質性進展。就是說，瓦

特的這種蒸汽機還是無法作為真正的動力機。初期的瓦特蒸汽機仍用平衡杠桿和拉桿機構來驅動提水泵，

為了從凝汽器中抽除凝結水和空氣，瓦特裝設了抽氣泵。他還在汽缸外壁加裝夾層，用蒸汽加熱汽缸壁，

以減少冷凝損失。大大提高了蒸汽機的效率。瓦特的這些發明，仍使用在現代蒸汽機中，為紀念瓦特的貢

獻，物理學中的功率的單位名稱以其姓氏命名。

蒸汽機需要一個使水沸騰產生高壓蒸汽的鍋爐，這個鍋爐可以使用木頭、煤、石油或天然氣甚至垃圾

作為熱源。蒸汽機工作原理是，蒸汽鍋爐通過燃燒過程水沸騰為蒸汽。通過管道蒸汽被送到汽缸。閥門控

制蒸汽到達汽缸的時間，經主汽閥和節流閥進入滑閥室，受滑閥控制交替地進入汽缸的左側或右側，推動

活塞運動。蒸汽在汽缸內推動活塞做功，冷卻的蒸汽通過管道被引入冷凝器重新凝結為水。這個過程在蒸

汽機運動時不斷重復。簡單的蒸汽機主要由汽缸、底座、活塞、曲柄連桿機構、滑閥配汽機構、調速機構

和飛輪等部分組成，汽缸和底座是靜止部分。

1807年，美國的富爾頓制成了第一艘實用的明輪推進的蒸汽機船“克萊蒙”號。此后，蒸汽機在船舶上

作為推進動力歷百余年之久。1800年，英國的特里維西克設計了可安裝在較大車體上的高壓蒸汽機。英國

的史蒂芬孫將機車不斷改進，于1829年創造了“火箭”號蒸汽機車，該機車拖帶一節載有30位乘客的車廂，

時速達46公里/時，引起了各國的重視，開創了鐵路時代。19世紀末，隨著電力應用的興起，蒸汽機曾一

度作為電站中的主要動力機械。1900年，美國紐約曾有單機功率達五兆瓦的蒸汽機電站。蒸汽機的發展在

20世紀初達到了頂峰。它具有恒扭矩、可變速、可逆轉、運行可靠、制造和維修方便等優點，因此曾被廣

泛用于電站、工廠、機車和船舶等各個領域中，特別在軍艦上成了當時唯一的原動機。

蒸汽機的發展首先體現在功率和效率的提高。初期蒸汽機的蒸汽壓力僅為0.11～0.13兆帕，19世紀

初才達到0.35～0.7兆帕，20世紀20年代曾用到6～10兆帕。在蒸汽溫度上，19世紀末還不超過250℃，

而到20世紀30年代曾用到450～480℃。至于效率，瓦特初期連續運轉的蒸汽機，按燃料熱值計總效率

不超過3%；到1840年，最好的凝汽式蒸汽機總效率可達8%；到20世紀，蒸汽機最高效率可達到20%

以上。在轉速方面，18世紀末瓦特蒸汽機僅40～50轉/分；20世紀初轉速達到100～300轉/分，個別蒸

汽機曾達到2500轉/分。在功率方面，最初單機功率僅幾馬力，20世紀初的一臺船用蒸汽機的功率可達

25000馬力。

隨著蒸汽參數和功率的提高，蒸汽已不可能在一個汽缸中繼續膨脹，還必須在相連接的汽缸中繼續膨

脹，于是出現了多級膨脹的蒸汽機。蒸汽機因受到潤滑油閃點的限制，所用蒸汽的最高溫度一般都不超過

400℃，機車，船用等移動式蒸汽機還略低一些，多數不高于350℃。考慮到膨脹的可能性和結構的經濟性，

常用壓力在2.5兆帕以下。蒸汽參數受到限制，從而也限制了蒸汽機功率的進一步提高。

現代蒸汽機的最大的優點是它幾乎可以利用所有的燃料將熱能轉化為機械能。不象內燃機那樣它對其

燃料不挑剔。此外沒有蒸汽機的話原子能無法被使用。原子反應堆即不直接產生機械能，又不直接產生電

能，原子反應堆實際上只是加熱水，這個水被沸騰后的蒸汽通過蒸汽機來轉化為有用的功。蒸汽不一定需

要通過燃燒來產生，比如使用太陽能聚熱器也可以產生蒸汽推動蒸汽機。

蒸汽機的弱點是離不開鍋爐，整個裝置既笨重又龐大；蒸汽的壓力和溫度不能過高，排氣壓力不能過

低，熱效率難以提高；它是一種往復式機器，慣性力限制了轉速的提高；工作過程是不連續的，蒸汽的流

量受到限制，也就限制了功率的提高。因此，拋棄了笨重鍋爐的內燃機，最終以其重量輕，體積小、熱效

率高和操作靈活等優點，在船舶和機車上逐漸取代了蒸汽機。汽輪機則以其熱效率高、單機功率大、轉速

高、單位功率重量輕和運行平穩等優點，將蒸汽機排擠出了電站。接著電動機又以其使用方便，代替了蒸

汽機在工業設備中的應用。然而小功率蒸汽機熱效率比汽輪機高，只有在產煤區或只有劣質燃料的地區或

某些特殊場合，蒸汽機仍有發揮作用的余地。

二、內燃機

全世界各種類型的汽車、拖拉機、農業機械、工程機械、小型移動電站和戰車等都以內燃機為動力。

海上商船、內河船舶和常規艦艇，以及某些小型飛機也都由內燃機來推進。世界上內燃機的保有量在動力

機械中居首位，它在人類活動中占有非常重要的地位。但是我們可知道它的發展史和工作原理? 內燃機的

設計思路起源于用火藥爆炸獲取動力，如槍械原理一模一樣的思路，怎樣才能產生強大的壓力將子彈推出

去? 但因火藥燃燒難以控制而未獲得成功，這才轉而從煤氣和燃油上去考慮，如何利用它們燃燒的壓力來

推動活塞作功。

1794年，英國人斯特里特提出從燃料的燃燒中獲取動力，并且第一次提出了燃料與空氣混合的概念。

1833年，英國人賴特提出了直接利用燃燒壓力推動活塞作功的設計。之后人們又提出過各種各樣的內燃機

方案，但在十九世紀中葉以前均未付諸實用。直到1860年，法國的勒努瓦模仿蒸汽機的結構，采用了彈

力活塞環，設計制造出第一臺實用的煤氣機。這是一種無壓縮、電點火、使用照明煤氣的內燃機，這臺煤

氣機的熱效率為4%左右。1862年，法國科學家羅沙對內燃機熱力過程進行理論分析之后，提出提高內燃

機效率的要求，這就是最早的四沖程工作循環。

1876年，德國發明家奧托運用羅沙的原理，創制成功第一臺往復活塞式、單缸、臥式、3.2千瓦(4.4

馬力)的四沖程內燃機，仍以煤氣為燃料，采用火焰點火，轉速為156.7轉/分，壓縮比為2.66，熱效率達

到14%，運轉平穩。在當時，無論是功率還是熱效率，它都是最高的。奧托內燃機獲得推廣，性能也在提

高。1880年單機功率達到11～15千瓦(15～20馬力)，到1893年又提高到150千瓦。由于壓縮比的提高，

熱效率也隨之增高，1886年熱效率為15.5%，1897年已高達20～26%。1881年，英國工程師克拉克研

制成功第一臺二沖程的煤氣機，并在巴黎博覽會上展出。

隨著石油的開發，比煤氣易于運輸攜帶的汽油和柴油引起了人們的注意，首先獲得試用的是易于揮發

的汽油。1883年，德國的戴姆勒創制成功第一臺立式汽油機，它的特點是輕型和高速。當時其他內燃機的

轉速不超過200轉/分，它卻一躍而達到800轉/分，特別適應交通動輸機械的要求。1885～1886年，汽油

機作為汽車動力運行成功，大大推動了汽車的發展。同時，汽車的發展又促進了汽油機的改進和提高。

1892年，德國工程師狄塞爾受面粉廠粉塵爆炸的啟發，設想將吸入氣缸的空氣高度壓縮，使其溫度超

過燃料的自燃溫度，再用高壓空氣將燃料吹入氣缸，使之著火燃燒。他首創的壓縮點火式內燃機(柴油機)

于1897年研制成功，為內燃機的發展開拓了新途徑。狄塞爾開始力圖使內燃機實現卡諾循環，以求獲得

最高的熱效率，但實際上做到的是近似的等壓燃燒，其熱效率達26%。壓縮點火式內燃機的問世，引起了

世界機械業的極大興趣，壓縮點火式內燃機也以發明者而命名為狄塞爾引擎。這種內燃機以后大多用柴油

為燃料，故又稱為柴油機。1898年，柴油機首先用于固定式發電機組，1903年用作商船動力，1904年裝

于艦艇，1913年第一臺以柴油機為動力的內燃機車制成，1920年左右開始用于汽車和農業機械。

發動機是一種由許多機構和系統組成的復雜機器。無論是汽油機，還是柴油機；無論是四行程發動機，

還是二行程發動機；無論是單缸發動機，還是多缸發動機。要完成能量轉換，實現工作循環，保證長時間

連續正常工作，汽油機由以上兩大機構和五大系統組成——曲柄連桿機構、配氣機構、燃料供給系統、潤

滑系統、冷卻系統、點火系統、起動系統。柴油機由以上兩大機構和四大系統組成，即由曲柄連桿機構、

配氣機構、燃料供給系、潤滑系、冷卻系和起動系組成，柴油機是壓燃的，不需要點火系統。

內燃機的分類方法很多，按照不同的分類方法可以把內燃機分成不同的類型。

1. 根據所用燃料分：汽油機、柴油機、天然氣、LPG發動機、乙醇發動機、雙燃料發動機、靈活燃料

發動機；

2. 根據缸內著火方式分：電燃式發動機、點燃式發動機、壓燃式發動機；

3. 根據沖程數分：二沖程、四沖程；

4. 根據活塞運動方式分：往復式、旋轉式；

5. 根據氣缸冷卻方式分：水冷式、風冷式；

6. 根據氣缸數目分：單缸機、多缸機，如雙缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等；

7. 根據內燃機轉速分：低速(<300r/min)、中速(300 ~ 1000 r/min)、高速(>1000 r/min)；

8. 根據進氣充量壓力分：自然吸氣式(非增壓)、增壓式(強制進氣) ；

9. 根據氣缸排列分：立式、臥式直列、V型、對置X型、星型。

船上用的內燃機通用柴油作燃料，故稱柴油機。燒汽油的內燃機叫汽油機。汽油機與柴油機比較各有

特點；汽油機轉速高，質量小，噪音小，起動容易，制造成本低；柴油機壓縮比大，熱效率高，經濟性能

和排放性能都比汽油機好。燒煤氣的叫煤氣機。汽油機、煤氣機功率小，僅用在小型船舶上。汽車發動機

廣泛使用四行程內燃機，發動機多采用四缸、六缸、八缸發動機。

內燃機是將液體或氣體燃料與空氣混合后，直接輸入汽缸內部的高壓燃燒室燃燒爆發產生動力。這也

是將熱能轉化為機械能的一種熱機。內燃機具有體積小、質量小、便于移動、熱效率高、起動性能好的特

點。但是內燃機一般使用石油燃料，同時排出的廢氣中含有害氣體的成分較高。內燃機，是一種動力機械，

它是通過使燃料在機器內部燃燒，并將其放出的熱能直接轉換為動力的熱力發動機。內燃機的工作原理如

下：

氣缸蓋中有進氣道和排氣道，內裝進、排氣門。新鮮充量(即空氣或空氣與燃料的可燃混合氣)經空氣

濾清器、進氣管、進氣道和進氣門充入氣缸。膨脹后的燃氣經排氣門、排氣道和排氣管，最后經排氣消聲

器排入大氣。進、排氣門的開啟和關閉是由凸輪軸上的進、排氣凸輪，通過挺柱、推桿、搖臂和氣門彈簧

等傳動件分別加以控制的，這一套機件稱為內燃機配氣機構。通常由空氣濾清器、進氣管、排氣管和排氣

消聲器組成進排氣系統。

為了向氣缸內供入燃料，內燃機均設有供油系統。汽油機通過安裝在進氣管入口端的化油器將空

氣與汽油按一定比例(空燃比)混合，然后經進氣管供入氣缸，由汽油機點火系統控制的電火花定時點燃。

柴油機的燃油則通過柴油機噴油系統噴入燃燒室，在高溫高壓下自行著火燃燒。內燃機氣缸內的燃料燃燒

使活塞、氣缸套、氣缸蓋和氣門等零件受熱，溫度升高。為了保證內燃機正常運轉，上述零件必須在許可

的溫度下工作，不致因過熱而損壞，所以必須備有冷卻系統。內燃機不能從停車狀態自行轉入運轉狀態，

必須由外力轉動曲軸，使之起動。這種產生外力的裝置稱為起動裝置。常用的有電起動、壓縮空氣起動、

汽油機起動和人力起動等方式。

內燃機的工作循環由進氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣等過程組成。這些過程中只有膨脹過程是對

外作功的過程，其他過程都是為更好地實現作功過程而需要的過程。按實現一個工作循環的行程數，工作

循環可分為四沖程和二沖程兩類。四沖程是指在進氣、壓縮、做功（膨脹）和排氣四個行程內完成一個工

作循環，此間曲軸旋轉兩圈。進氣行程時，此時進氣門開啟，排氣門關閉。流過空氣濾清器的空氣，或經

化油器與汽油混合形成的可燃混合氣，經進氣管道、進氣門進入氣缸；壓縮行程時，氣缸內氣體受到壓縮，

壓力增高，溫度上升；膨脹行程是在壓縮上止點前噴油或點火，使混合氣燃燒，產生高溫、高壓，推動活

塞下行并作功；排氣行程時，活塞推擠氣缸內廢氣經排氣門排出。此后再由進氣行程開始，進行下一個工

作循環。

二沖程是指在兩個行程內完成一個工作循環，此期間曲軸旋轉一圈。首先，當活塞在下止點時，進、

排氣口都開啟，新鮮充量由進氣口充入氣缸，并掃除氣缸內的廢氣，使之從排氣口排出；隨后活塞上行，

將進、排氣口均關閉，氣缸內充量開始受到壓縮，直至活塞接近上止點時點火或噴油，使氣缸內可燃混合

氣燃燒；然后氣缸內燃氣膨脹，推動活塞下行做功；當活塞下行使排氣口開啟時，廢氣即由此排出，活塞

繼續下行至下止點，即完成一個工作循環。內燃機按照完成一個工作循環所需的行程數可分為四行程內燃

機和二行程內燃機。把曲軸轉兩圈(720°)，活塞在氣缸內上下往復運動四個行程，完成一個工作循環的內

燃機稱為四行程內燃機；而把曲軸轉一圈(360°)，活塞在氣缸內上下往復運動兩個行程，完成一個工作循

環的內燃機稱為二行程內燃機。

內燃機的排氣過程和進氣過程統稱為換氣過程。換氣的主要作用是盡可能把上一循環的廢氣排除

干凈，使本循環供入盡可能多的新鮮充量，以使盡可能多的燃料在氣缸內完全燃燒，從而發出更大的功率。

換氣過程的好壞直接影響內燃機的性能。為此除了降低進、排氣系統的流動阻力外，主要是使進、排氣門