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第一章 历史概述最初蒸汽机昂贵而复杂，操作严格，往往大公司才能负担得起所以，最早的内燃机（汽油动力的固定发动机，用来驱动各种机器）是为了满足无力负担蒸汽机的手艺业者或小商人的动力需求1876年，Otto根据法国人Beau de Rochas的专利制作出四冲程发动机英国工程师Dougald Clerk“去掉”四冲程发动机的换气冲程，做出了二冲程发动机1886年，Karl Benz与Gottlieb Daimler同时（且独立）开发出轻且高速的发动机，从此现代汽油机开始蓬勃发展之后，飞艇与飞机用的类似发动机也出现了Rudolf Diesel的“理性热机rational heat engine”在1893-1897年间开始用于固定场合，数十年后柴油机才上路内燃机的基础设计借鉴自蒸汽机——曲轴传动控制了热动力学过程的次序；首先将蒸汽压力转化为摆动，再转化为旋转运动19世纪末，蒸汽机水平的高度发展，为发动机提供了基础汽车零部件铸造、锻造以及精加工水平的提高也是蒸汽机发展的结果John Ramsbottom 在1854年发明的整体式自张紧活塞环的出现，使得内燃机燃烧室内高工作压力得以维持活塞环，因此同发动机轴承及其润滑一样，是保证发动机工作的重要前提。

发动机早期研发的难题之一是central engine functions早期发动机最难的问题就是点火火焰点火（Otto）和无控制glow tube点火（Maybach、Daimler）在发动机开发遇到的问题只有电子点火出现后才得以解决这些点火方法包括，snapper ignition（Otto），vibrator ignition（Benz），带接触断开火花的Bosch磁力低压点火（magnetic low-voltage ignition with breaking-contact spark），最后还有高压磁力点火（Bosch）其次，混合气形成的的质量与数量必须提高Wick-surface和brush carburetors只能使汽油中的低沸点成分（最终沸点约100℃）得到利用能够利用的燃油粒子不能同时蒸发，引起了另外的问题在Wilhelm Maybach 的喷嘴式化油器（nozzle carburetor）中，燃油被雾化，不再“蒸发”，更大程度上有效利用汽油（最终沸点约在200℃）可用燃料的范围也大大拓宽了尤其是，任何量的混合物都可以形成（进一步提升性能与功率的前提）Krebs、Claudel(Zenith)还有Mensson和Goudard（Solex）的带自动辅助空气控制的化油器（carburetor with automatic auxiliary air control）提升了发动机的工作性能，并降低了油耗。

随着功率提升，更多的热量分配到冷却液然而，简单的蒸发冷却被证明是功率限制因素当时冷却系统的散热能力太低为了有效工作，车上需要贮备（并输送）大量的水在自然水循环的条件下，关键部件得不到足够与可靠的冷却，这会引起其他问题Wilhelm Maybach的蜂窝冷却器（honeycomb cooler）强化对空气的热传导，提供了完全可行的解决方案一旦这些基本问题解决，并应用到车用发动机上后，汽车工业急速发展发动机的进步促进了车辆的进步越来越多的公司同时生产汽车和发动机为了提高功率和运转平顺性，气缸数增加了，从单缸到双缸，然后四缸，比如Mercedes的Simplex 发动机将燃烧室分成若干缸，使更高转速，更好利用燃烧室，更高比功specific work（平均有效压力）等等，成为可能汽车和发动机工业也在其他国家起步了（法国、意大利、英格兰，后来是美国）发动机最初是德国设计，不久生产商开始创造各自的设计飞机的发展促进了发动机技术的进步，车用发动机从中获益良多飞机发动机经验得到共享，所以车用发动机避免了前者开发过程中的许多错误不管如何，各种动力系统（包括技术成熟的蒸汽机）之间存在着竞争蒸汽机适宜于做道路交通动力，因为蒸汽机可以自行启动，其弹性工作区性负荷车辆牵引力需求，并且运转平顺。

电动系统有更大的优势，但是很快它的缺陷也显现出来随着发动机功率提高，转速和重量也提高了接下来的问题是，使发动机的各种功能，如混合气形成，点火正时，润滑和冷却满足道路运行需要复杂的技术系统必须易于操纵，即便是对于那些未曾训练的人员（即，车主）燃油耗和机油耗要降低，后者不仅是出于成本原因，还因为燃烧的机油排放后是公害这些需求、不足、经验还有新发现衍生出相似部件但不同的发动机设计W型，辐射型（radial-type），单轴往复活塞型和转子发动机（rotary piston engine）都用到了车辆上标准设计是四缸、六缸和八缸直列发动机，八缸、十二缸甚至十六缸的V型发动机也出现了当时“典型”的发动机是单缸或双缸，下面固定曲轴箱气缸体与气缸盖铸成一体，在曲轴箱下部的凸轮轴驱动直立的气门曲轴位于轴承支架上，但每隔两甚至三个曲拐才有轴承支撑尽管自动进气气门（automatic intake valve）已被驱动气门（driven valve）取代，但气门正时仍遇到若干问题——气门烧坏，气门弹簧断裂，还有噪声变大因此，工作平顺的Knight slide valve 齿轮在当时显得出类拔萃Knight sleeve engine在当时的英格兰、美国和德国生产。

但是，设计和运行更简单的气门正时系统才是最终的首选美国在一战之前，就完成了从富人休闲用具到大众日常用品的转变1909年，Henry Ford开始量产T型车（Tin Lizzie轻快小汽车）到1927年，这种车生产了1500万辆在欧洲，一战期间汽车开始普及（主要是商用车）大批量的生产使得零件的统一和标准化成为必要极端情况下的使用也暴露了设计缺陷使用、维护和修理如此多的车辆需要经过培训的且称职的操作人员20世纪20年代早期，战争推进了飞机发动机的开发，这也给车用发动机进步以巨大推力，这在两者的设计和个别零部件的细节上都得到应用L型侧置直立气门，T型气缸盖，带悬浮气门（suspended valves）和紧凑燃烧室的发动机制造出来，用来获得更高的压缩比——这是更高功率且更低油耗的前提1921年，德国皇家运输部（Germany Imperial Ministry of Transport）组织了活塞竞赛，德国发动机界迅速发现，与铸铁活塞相比，质量轻的铝合金活塞更有优势结果，从20世纪20年代，发动机改用轻质铝合金活塞尽管挫折无数，这仍使得发动机功率和效率显著提高受控的活塞（controlled piston）使得敲缸现象减少，并最终消除。

20世纪20年代早期，飞机发动机的连杆轴承曾是大难题，他们已达到负荷能力的极限Norman Gilimann在Allison（美国）开发出铅青铜轴承（steel lead bronze bearing）提供了补救措施这种轴承最先用在商用柴油机上，而后是高性能轿车发动机以后，美国Clevite开发出三元轴承（three-material bearing），包括钢背（steel supporting Shell），铅青铜中间层（lead bronze intermediate layer）和巴氏合金工作层（babbit metal running layer）对发动机转速和可靠性的需求日益提高，这就需要更好的发动机润滑这源自油绳油壶润滑（wick and pot lubrication）（润滑油在贮存罐）和手油泵润滑消费者可以买到润滑油，通过发动机部件没入润滑油或者特殊的铲油机构来润滑各种部件这后来又发展成强制循环润滑（forced circulation lubrication），这在飞机发动机中是常用的二冲程发动机利用混合润滑油，例如，把机油加到燃油中热虹吸管冷却法（thermal siphon cooling）不能给受高热负荷的零件足够的冷却。

因此，强制循环冷却法（forced circulation cooling）被引入了在一战时，活塞敲缸就成为汽油机功率限制的因素1921年，美国的Thomas Midgley，Jr和T.A Boyd发现了（scooptetraethyl lead——TEL）的抗暴剂作用TEL加到汽油里，减少敲缸，允许更高的压缩比，因而效率更高20世纪20年代，大量小轿车的生产需要质量轻、简单并且便宜的发动机显然，功率密度高的二冲程发动机是选择之一有两大理由（mutually exclusive arguments互斥的参数）支持这种方案——功率密度高和设计简单无气门曲轴箱扫气（crankcase scavenging）的两冲程适合摩托车和小型轿车同横流扫气（cross-flow scavenging）相比，Schnürle的逆向或环流扫气（reverse or loop scavenging）是重要的进步，因为气缸换气更好这还使得平顶活塞能取代尖顶活塞（热负荷高）咆哮的20年代（“Roaring Twenties”）预示着装配八缸直列发动机和十六缸V型发动机的Mercedes，Horch，Stöhr和Maybach的“伟大”纪元到来了。

在英格兰，有劳斯莱斯（Rolls Royce），宾利（Bentley）和Armstrong-Siddeley，在法国有Delage（1954年正式停产）、布加迪（Bugatti），在美国有皮尔-箭（Pierce Arrow）、Auburn（1937年Auburn公司正式破产）, Duesenberg（1926年并入Auburn公司，后随Auburn公司停产）, Cord（1937年停产）, 凯迪拉克（Cadillac）和帕卡德（Packard,1958年停产）受飞机发动机业发展的影响，发动机制造商开始做增压发动机他们以罗茨压气机（Roots blower）为增压器，根据动力需求，可以打开或关闭压气机飞机发动机所采用的风冷方式也显示了巨大优势，但较之飞机，车辆速度低，运行条件差，风冷被证明在车用发动机更难实现风冷的先行者是美国的Franklin Mfg公司这家公司在一战前就生产了一台六缸直列风冷发动机通用汽车（General Motors）也曾在雪佛兰(Chevrolet)轿车上尝试风冷发动机（雪佛兰铜发动机Chevrolet copper engine），冷却翅片用铜制造，以提高散热能力。

然而，由于技术问题，这种发动机没能量产在欧洲，20世纪二三十年代，风冷发动机也有研制，如Krupp和Phanomen的商用车发动机；Tatra和Ferdinand Porsche（费迪南德·波尔舍）为新大众（new Volkswagen）生产的轿车发动机大众的风冷水平对置发动机（boxer）成为可靠与健壮的代名词（先是装备在吉普车和水陆两用车，后来装备甲壳虫车beetle）20世纪二十年代，与汽车和发动机业相伴而生的高效率零部件产业也发展起来了零部件产业不仅整合各方面的知识与经验从事研发，而且使生产更加经济高效零部件业为众多（或者说甚至是所有）的发动机生产商供货，因此能够提供经过验证的，差不多标准化并且不算昂贵的零部件，比如活塞、轴承、散热器、化油器、电子设备和柴油机喷油系统机动车辆的发展提升和促进了长途公路的建设与延伸更好的道路可担负更高的车速与轮载荷交通量缓慢但是坚定的上升发动机的操作变简单了，尤其是通用的Charles F Kettering引入电起动机之后起动发动机不但简单了，而且更加安全点火正时（提前-延迟advance-retard）和混合物成分（稀-浓lean-rich）实现了自动控制，不再依靠司机来调整。

20世纪三十年代，冬季驾驶轿车的多了起来在此之前，很多轿车不能在冬季使用依据环境温度的不同，。