第二節 汽車的發明

一、車的起源

1.車輪的出現

車輪是車上最重要的部件，“察車自輪始”（《考工記》）。因此，輪轉工具的出現和使用是車子問世的先決條件。在我國新石器時代，隨著手工業的不斷發展，人們創制出許多輪轉工具，如紡線用的紡輪、制陶用的陶車和琢玉用的輪形工具等。紡輪出現的時間最早，考古工作者在浙江余姚河姆渡新石器時代早期（距今七千多年）遺址中就發現了它的蹤跡。繼紡輪之后，陶車出現了。山東、河南、河北、湖北、浙江、廣東等地的新石器時代晚期遺址中，都出土了輪制陶器，這標志著陶車在當時已普遍使用，其技術也達到了相當高的水準。某些自然現象，也給古人以啟示，“圣人見飛蓬轉而知為車”（《淮南子·說山訓》），“上古圣人，見轉蓬始知為輪”（《續漢書·輿服志》），“蓬”，指蓬草，“轉蓬”，即蓬草團隨風旋轉。

古人運送物品，最初主要靠背負肩扛或手提臂抱。進而采用繩拽法，即將繩子系在物品上用人力拉拽。但這種運輸方法，物體著地面積大，因而摩擦阻力很大。為減小摩擦，后來利用樹枝為架，兩杈之間綁以橫木，橫木觸地，其上載物，即所謂橇載法。但是這種木橇在平滑的地面上行進，還比較省力，如遇顛簸不平的路面時，仍很費力。古人進而把圓木墊在木橇之下，借其滾動而移動木橇。這種圓木與木橇的結合，可以說是車的雛形，裝在木橇下的圓木可以視為一對裝在車軸上的最原始的特殊形式的“車輪”，其車軸的直徑恰好等于車輪的直徑，而且兩者是一個整體。這種車輪的出現，是人類在更高的階段上對輪子的功能的利用。因為陶輪僅在轉動中帶動泥坯作回旋運動，而車輪則在滾動中減輕了車子對地面的摩擦，因此，陶輪這一類輪轉工具可認為是車輪的前驅。在古代西亞美索不達米亞蘇末（Sumer）部族生活過的地區的巖畫中，就有在一個木橇底下加上兩個圓點的運載工具圖形。這兩個圓點就代表著圓木。這種原始車的圖形雖然在我國目前尚未發現，但可以推論，我國古車也必然經歷過類似的演變過程。由于圓木觸地面積仍然較大，滾動時要以人作為原動力，靠杠桿撬動，依然很費力，于是人們便縮小車軸的直徑，以減小圓木的觸地面積。最初的車輪和軸是固定的，軸與車轅之間有一個滑動槽，軸在滑槽中轉動，車輪就隨著車軸滾動。車輪是一對用圓木砍制成的沒有輻條的圓盤，后來為了不受圓木直徑大小的限制，改用木板拼接，這種圓盤式車輪在古代叫做“輇”。有了車輪，車的創制就成為可能的事情了。

利用車輪滾動而行，減小了車與地面的摩擦，既省人力，又可多載重物，還可以長途運輸。車的問世，標志著古代交通工具的發展進入了一個新的里程。

2.車的發明

據考證，車的出現最早在《荀子·解蔽》就有記載，“奚仲作車”中“奚仲，夏禹時車正。黃帝時已有車服，故謂之軒轅”。軒，就是古代一種前頂較高而有帳幕的車子，供大夫以上乘坐。目前所能見到的最早的車形象和實物在商代中晚期，即公元前14世紀前后。在甲骨文、青銅器銘文中，都有車的象形文字，見圖1-31。

車的實物，在河南安陽殷墟先后發現了十八輛，由于深埋地下，年深歲久，出土時車的木質結構已全部腐朽。根據黃土中保留下來的朽木痕跡對它們進行剝剔和清理，經過復原，使距今三千多年的商車完整地再現在人們面前，見圖1-32。

最初的車輛都是由人力來推動的，稱為人力車。后來人們開始用牛、馬拉車，稱為畜力車。據傳說，畜力車是商湯的先祖相土和王亥共同發明的。在歷代車輛發展過程中，有重要技術價值的還要數指南車（見圖1-33）和計里鼓車（見圖1-34）。指南車是中國古代用于指示方向的一種輪車式機械，又稱“司南車”。傳說遠古時期，黃帝在與蚩尤作戰時遇到大霧，黃帝的部落雖然英勇善戰，卻也無法取勝。為此，黃帝特意制造了一輛指南車，利用它來識別方向，終于打敗了九黎部落，生擒了蚩尤，為統一華夏奠定了基礎。但傳說終歸是傳說，因未能見到實物，這個謎一直蒙蓋了兩千年，到三國時期才被解開。計里鼓車是世界上最早的能夠記錄里程的車輛，大約在東漢時被制造出來。其原理是利用車輪在地面的轉動帶動齒輪轉動，變換為凸輪杠桿作用使木人抬手擊鼓，每行走一里擊鼓一次，現代車輛的計程器即由此發展而來。從三國時代開始，歷代史書就有計里鼓車的記載，但比較簡略。直到宋代，《宋史·輿服志》才詳細地記載了它的內部齒輪構造。

二、自走式車輛的幻想與探索

盡管古代的人們對車輛不斷改進探索，但總要靠牲畜拉，速度和載重量都受到很大的限制，而且增添了飼養馬匹的麻煩。人們渴望著能制造出多拉快跑的自動車輛。在1250年的英國，現代實驗科學的鼻祖、著名的哲學家培根預言：“我們大概能造出比用一群水手使船航行得更快，而且為了操縱這艘船只要一名舵手的機器；我們似乎也可以造出不借用任何畜力就能以驚人的速度奔跑的車輛；進而我們也可以造出用翅膀、像鳥一樣飛翔的那種機器。”

繼而，人們在尋找原動力的過程中，做過許多嘗試。1600年荷蘭的西蒙·斯蒂芬根據帆船靠風力推進行駛的原理，造出了“雙桅帆車”，見圖1-35。它實際上是在帆船上裝上四個車輪而已，或者說是在馬車上裝上了桅帆。該車在海邊的試驗中最高車速達到24km/h，令人難以置信。然而，風力車的致命弱點在于風時有時無，時大時小，且風向不定，用來驅動車輛只能笑話百出、難順人意。但它卻反映了當時人們對“自動驅動”車輛的追求。

1420年，有人制造出了一種滑輪車，見圖1-36。人坐在車內，借用人力使繩子不停地轉動滑輪。車雖然走了起來，但由于人力有限，這輛車的速度就不能充分地得以發揮，比步行還要慢。

后來，大畫家達·芬奇設想了一種車，利用發條機構使一個帶齒的圓盤進行水平旋轉，旋轉的力通過帶有齒輪的車軸和車輪連接起來，車就可以前進了。但他僅僅提出了設想，并沒有進行實際的研究。1649年，德國一個鐘表匠漢斯·郝丘，制造了一臺發條式的汽車，見圖1-37。但是這臺發條車的速度不到1.6km/h，而且每前進230m，就必須把鋼制發條卷緊一次，這個工作的強度太大了，所以發條車也沒有能夠得到發展。

三、蒸汽機的發明

人類在對“代步工具”的探索歷程中，盡管經歷了無數的失敗，但他們那種堅忍的創造精神和嚴謹的科學態度，是永遠值得后人景仰和學習的。正如英國大科學家牛頓所說的那樣：我之所以看得遠，不過是站在前人的肩膀上的緣故。沿著前人開拓的道路，后來者更是始終不渝地追求著一個目標：為車輛裝上一顆跳動的“心臟”——發動機。

1.紐科門蒸汽機

17世紀末，英國完成了資產階級民主革命，工業有了前所未有的發展，對于燃料的需求量劇增，煤礦開采的規模越來越大，但面臨的尖銳問題就是如何解決礦井的積水問題，很多工程師都在潛心研制可用于生產的非人力抽水機。到1698年，英國工程師薩維利在抽氣機的原理基礎上制造了第一臺用蒸汽作為動力的抽水機，但由于機器結構不合理，故工人操作不便，勞動強度很大，能量損耗很多，抽水效率極低。在薩維利機用于礦井的同時，法國物理學家巴本也設計出一種利用蒸汽的動力機，在汽缸里加上了可移動的活塞，活塞的出現，拓寬了蒸汽機的應用范圍，但是由于當時法國生產落后，對動力機的需求還不迫切，加之巴本的設計仍然存在很多缺陷，因而巴本蒸汽機沒有能夠在生產中得到應用。

紐科門（Thomas Newcomen）是英國工程師，蒸汽機發明人之一。他發明的常壓蒸汽機是瓦特蒸汽機的前身。紐科門綜合了薩維利機和巴本機的優點，于1705-1706年制成了紐科門蒸汽機，并于1705年取得“冷凝進入活塞下部的蒸汽和把活塞與連桿連接以產生運動”的專利權。紐科門機較之薩維利機可更為方便地用于礦井抽水，他采用了杠桿、鏈條等裝置，利用杠桿的搖臂使吸筒抽水做功。雖然紐科門做了許多改進，但基本原理仍和薩維利機一樣，因此，紐科門機的熱效率依然很低。即使如此，由于工人操作紐科門機的勞動強度較之薩維利機減小了，因此在當時紐科門機已廣泛應用于礦井抽水和農田灌溉等方面。紐科門蒸汽機被廣泛應用了60多年，在瓦特完善蒸汽機的發明后很長時間還在使用。紐科門蒸汽機是第一個實用的蒸汽機。他為后來蒸汽機的發展和完善奠定了基礎。

2.瓦特改進蒸汽機

瓦特（James Watt，1736—1819）是英國發明家、工程師，見圖1-38。

1736年1月19日，瓦特生于蘇格蘭的一個小鎮格里諾克。瓦特幼年多病，輟學在家，由他母親教他讀書寫字。由于父親的職業關系，少年瓦特看到和接觸的機械較多，并對機械產生了興趣，經常用父親的工具、機械零件拼裝一些小玩意兒。1764年，學校請瓦特修理一臺紐科門式蒸汽機，在修理的過程中，瓦特熟悉了蒸汽機的構造和原理，并且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，既然紐科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。

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，冷凝器與汽缸之間由一個調節閥門相連，使它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科門蒸汽機的三倍。從理論上說，瓦特的這種帶有分離冷凝器的蒸汽機顯然優于紐科門蒸汽機，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，但效果反而不如紐科門蒸汽機，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卻步，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。同年，瓦特因發明冷凝器而獲得他在革新紐科門蒸汽機的過程中的第一項專利。第一臺帶有冷凝器的蒸汽機雖然試制成功了，但它與紐科門蒸汽機相比，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。

由于瓦特的這種蒸汽機仍不夠理想，銷路并不廣。當瓦特繼續進行探索時，羅巴克本人已瀕于破產，他又把瓦特介紹給了自己的朋友、工程師兼企業家博爾頓，以便瓦特能得到贊助繼續進行他的研制工作。博爾頓當時已經四十多歲，是位能干的工程師和企業家。他對瓦特的創新精神表示贊賞，并愿意贊助瓦特。博爾頓經常參加社會活動，他是當時伯明翰地區著名的科學社團“圓月學社”的主要成員之一。參加這個學社的大多都是本地的一些科學家、工程師、學者以及科學愛好者。經博爾頓的介紹，瓦特也參加了圓月學社。在圓月學社活動期間，由于與化學家普列斯特列等交往，瓦特對當時人們關注的氣體化學與熱化學有了更多的了解，為他后來參加水的化學成分的爭論奠定了基礎。更重要的是，圓月學社的活動使瓦特進一步增長了科學見識，活躍了科學思想。

瓦特自與博爾頓合作之后即在資金、設備、材料等方面得到大力支持。瓦特又生產了兩臺帶分離冷凝器的蒸汽機，由于沒有顯著的改進，這兩臺蒸汽機并沒有得到社會的關注。這兩臺蒸汽機耗資巨大，使博爾頓也瀕臨破產，但他仍然給瓦特以慷慨的贊助。在他的支持下，瓦特以百折不撓的毅力繼續研究。自1769年試制出帶有分離冷凝器的蒸汽機樣機之后，瓦特就已看出熱效率低已不是他的蒸汽機的主要弊病，而活塞只能作往返的直線運動才是它的根本局限。1781年，瓦特仍然在參加圓月學社的活動，也許在聚會中會員們提到天文學家赫舍爾在當年發現的天王星以及由此引出的行星繞日的圓周運動啟發了他，也許是鐘表中的齒輪的圓周運動啟發了他，他想到了把活塞往返的直線運動變為旋轉的圓周運動，就可以使動力傳給任何工作機。同年，他研制出了一套被稱為“太陽和行星”的齒輪聯動裝置，終于把活塞的往返的直線運動轉變為齒輪的旋轉運動。為了使旋轉的輪軸增加慣性，從而使圓周運動更加均勻，瓦特還在輪軸上加裝了一個飛輪。由于對傳統機構的這一重大革新，瓦特的這種蒸汽機才真正成為能帶動一切工作機的動力機。1781年年底，瓦特以發明帶有齒輪和拉桿的機械聯動裝置獲得第二個專利。

由于這種蒸汽機加上了輪軸和飛輪，這時的蒸汽機在把活塞的往返直線運動轉變為輪軸的旋轉運動時，多消耗了不少能量。這樣，蒸汽機的效率不是很高，動力不是很大。為了進一步提高蒸汽機的效率，增大蒸汽機的效率，瓦特在發明齒輪聯動裝置之后，對汽缸本身進行了研究。他發現，他雖然把紐科門蒸汽機的內部冷凝變成了外部冷凝，使蒸汽機的熱效率有了顯著提高，但他的蒸汽機中蒸汽推動活塞的沖程工藝與紐科門蒸汽機沒有不同。兩者的蒸汽都是單向運動，從一端進入、另一端出來。他想，如果讓蒸汽能夠從兩端進入和排出，就可以讓蒸汽既能推動活塞向上運動又能推動活塞向下運動。那么，它的效率就可以提高一倍。1782年，瓦特根據這一設想，試制出了一種帶有雙向裝置的新汽缸。由此瓦特獲得了他的第三項專利，把原來的單向汽缸裝置改裝成雙向汽缸，并首次把引入汽缸的蒸汽由低壓蒸汽變為高壓蒸汽，這是瓦特在改進紐科門蒸汽機的過程中的第三次飛躍。通過這三次技術飛躍，紐科門蒸汽機完全演變為瓦特蒸汽機。

從最初接觸蒸汽技術到瓦特蒸汽機研制成功，瓦特走過了二十多年的艱難歷程。瓦特雖然多次受挫、屢遭失敗，但他仍然堅持不懈、百折不回，終于完成了對紐科門蒸汽機的三次革新。使蒸汽機得到了更廣泛的應用，成為改造世界的動力。

1784年，瓦特以帶有飛輪、齒輪聯動裝置和雙向裝置的高壓蒸汽機的綜合組裝取得了他在革新紐科門蒸汽機過程中的第四項專利。1788年，瓦特發明了離心調速器和節氣閥；1790年，他又發明了汽缸示功器，至此瓦特完成了蒸汽機發明的全過程。1785年，瓦特當選為英國皇家學會會員。1814年，他被法國科學家學會接納為外國會員。1790年以后，優厚的專利稅使瓦特成為一個很有錢的名人。1819年8月5日，瓦特在希思菲爾德郡的家里去世，遺體埋葬在漢德沃爾斯郊區的教堂里。

瓦特生活在18、19世紀的英國，所以在他的身上不可避免地帶有時代和階級的局限性。他曾經阻撓雙筒蒸汽機和高壓蒸汽機的發明和推廣，還嘲笑別人用蒸汽機來驅動車輛的努力。總的來說，瓦特為蒸汽機的推廣使用做出了不可磨滅的重要貢獻，有力地推動了社會的前進。恩格斯在《自然辯證法》中這樣寫道：“蒸汽機是第一個真正國際性的發明……瓦特給它加上了一個分離的冷凝器，這就使蒸汽機在原則上達到了現在的水平。”后人為了紀念這位偉大的發明家，把功率的單位定為“瓦特”。

四、蒸汽汽車

1.第一臺蒸汽車

蒸汽機發明以后，發明家們紛紛將它應用于車輛的研究上，最早的是一位叫南懷仁的比利時傳教士在中國進行的。1670年，南懷仁在北京制造出了“蒸汽渦輪車”。這輛“車”長60cm，有四個車輪和一個導向輪，車身中央安置一個煤爐，上置盛水的金屬曲頸瓶。水被加熱到沸騰至汽化，產生一定的壓力，蒸汽由彎曲的瓶口高速射出，葉輪在蒸汽的沖擊下轉動，產生的動力通過齒輪傳遞給車輪，驅動車輛前進。從原理上講，這已稱得上是很成功的一種“蒸汽渦輪車”。遺憾的是，由于當時清政府不重視科學技術，他的這項發明沒有得到進一步的發展。迄今在北京南懷仁的墓地前仍矗立著一塊鐫有“耶穌南公之墓”字樣的石碑，成為中國和西歐人民友好交往的象征。

1769年，法國軍事工程師尼古拉斯·柯諾特（Nicholas Joseph Cugnot）所在的兵工廠生產一種炮身由生鐵鑄成的大炮，需要幾匹強壯的馬才能拉動。柯諾特希望將蒸汽力作為拉大炮車輛的牽引力，并且向陸軍部提出了制造一臺樣機的建議。他很快得到了法國陸軍大臣肖瓦茲爾公爵的支持，撥給他20000英鎊進行試制。經過6年努力，1769年，柯諾特制成了他設想中的蒸汽車，見圖1-39。這輛木制的蒸汽車機車前面有一個輪作驅動和轉向，后面兩個車輪，車前部吊一個鍋爐，鍋爐產生的蒸汽推動汽缸中的活塞以驅動前輪。它每走大約15min就得停下來，給鍋爐添水加煤，大約經過15min，待鍋爐里重新噴出蒸汽以后才能繼續行走。這輛車由于方向桿操縱困難，試車中不斷發生事故。一次在兵工廠附近下坡時，因轉彎不及時而撞到了兵工廠的墻上，值得紀念的世界第一輛汽車，被撞得七零八落，面目全非。由于這并非是現代意義上的汽車，所以我們稱之為蒸汽車，這是汽車發展史上的第一個里程碑。

又經過反復改進，這臺蒸汽車上已經可以乘坐4個人，速度也提高到9km/h。陸軍部下令柯諾特制造更大的蒸汽車，要求達到載重4580kg的標準。1771年，一臺更大型的蒸汽車經過改進，已經可以達到牽引4～5t重物的水平。但這輛車造成后，法國政府對此已經沒有什么興趣了。盡管如此，柯諾特的試驗蒸汽動力車卻是自車輪發明以來，有關陸地運輸的最大事件。在此之前，車輪只是一種被動性裝置，用以減小車輛與地面之間的摩擦。只有柯諾特的機器是將蒸汽機的動力通過齒輪傳到車輪本身，使車輪變成實際推動車輛運行的工具。這是今日所有火車、汽車與貨車行駛時的基本原理。車輪第一次可借人力或畜力以外的動力向任何方向行駛，而且車輪的基本作用已完全改變了。

2.蒸汽車的黃金年代

在柯諾特之后，歐洲大地上掀起了研制蒸汽車的熱潮。蒸汽車的技術水平迅速提高，到19世紀初已經達到實用水平。在英國、法國、德國等國家都開始用蒸汽車進行運輸，并逐漸繁榮起來。到19世紀中葉，出現了蒸汽車與馬車并駕齊驅的局面。由于蒸汽車馬力大，運量多，逐漸占了上風。當時的中國正處于鴉片戰爭和太平天國運動時期，生產力處于下降階段，在車輛技術方面沒有任何進展。

1801年，理查德·特雷威蒂克制造了英國最早的蒸汽汽車。兩年后，他又制成了形狀類似公共馬車的蒸汽汽車。這輛公共汽車能乘坐8個人，創造了在平路上時速為9.6km/h，坡道上時速為6.4km/h的世界紀錄。

1825年英國公爵嘉內制成了第一輛蒸汽公共汽車，見圖1-40。這輛車的發動機裝在后部，后軸驅動，前軸轉向。它采用了巧妙的專用轉向軸設計，最前面兩個輪并不承擔車重，可由駕駛者利用方向舵柄輕便地轉動，然后通過一個車轅，引導前軸轉動，使轉向可以輕松自如。1831年嘉內利用這輛車開始了世界上最早的公共汽車運營業務，所以這輛車也被認為是世界最早的公共汽車。

1828年，哈恩格克制成了比嘉內的汽車性能更好的蒸汽公共汽車，并開始了公共運輸事業的企業化。他的車可以乘載22名乘客，時速32km/h，營運后很受歡迎。1834年，發展成立了世界上最早的公共汽車運輸公司——“蘇格蘭蒸汽汽車公司”。

1805年，美國人艾文思首次制造了裝蒸汽發動機的水陸兩用汽車。這種水陸兩用汽車是費城港當局為了疏通費城港，委托艾文思負責制造的，原來打算是制造疏浚船，不料船制成以后，因發列作業場地不在海岸邊，于是不得不考慮將這艘蒸汽船運送到有港口的地方。艾文思在船底裝上了四個車輪，用船上的蒸汽發動機驅動。這樣便把船運到了港。因此疏浚船成了水陸兩用車。它也成為現代水陸兩用汽車的鼻祖。

1928年，法國人配夸爾制造了一輛蒸汽牽引汽車。這輛汽車首次采用將發動機置于車的前端，而由后軸驅動的總布置方案。在發動機和后軸之間，用鏈條傳動。為了轉彎靈活，后軸系由兩根半軸構成，當中由差速齒輪連接，這就是最早發明的差速器。此外，兩個小小的前輪，是各自與車架彈性相接的，這稱做獨立懸掛。這種獨立懸掛設計，在當時有劃時代的意義。配夸爾的鏈條傳動、差速器、獨立懸掛等設計，對汽車的發展貢獻極大，至今仍在汽車上廣泛地應用。

3.蒸汽車的衰落

在蒸汽車的最初發展時期，它們的設計都很簡單，就是把一個蒸汽機裝上底架和輪子。為了達到一定的輸出功率，就要有個盡可能大的鍋爐；為了達到一定的行程，又要備有充足的水和煤；車身重了，就要求有一副結實的底架和堅固的車輪。就這樣，惡性循環，車越來越笨重，操縱越來越困難。所以，這些大型蒸汽車僅適用于定班的往返行駛，路線固定，沿途又有煤、水供應。即便如此，仍有許多不可避免的缺陷，如制動困難，車太重，車輪窄，慣性大，轉向不靈敏。有時候明知要減速轉彎就是慢不下來，轉不過去，只能眼睜睜地看著車撞上障礙物，要么就是制動太狠，輪軸斷裂。更可怕的是，爐壓過高，一時難以控制，經常發生鍋爐爆炸事件。而且，乘坐這種車還得看天氣：下雨天車上遮蓋不嚴，道路泥濘不安全；嚴寒天燒水難，易熄滅，行駛也慢；熱天坐在鍋爐邊沒人愿意忍受；刮風天要看風向，順風時車尾的濃煙會把乘車人熏得喘不過氣來。

由于當時的道路基本上都是土路或碎石路，蒸汽汽車的車輪也與馬車一樣是用木頭或鐵木混合制成的，車輪很窄，對路面的壓力較大，常把不很平坦的路面壓成一條條的車轍。加之當時道路行駛法規也極不完善，因此，操縱失控而導致的事故時有發生，甚至不斷有鍋爐爆炸傷人的嚴重事故。蒸汽車的振動、噪聲和放出的蒸汽又經常驚嚇馬車的馬匹，引起馬車的交通事故。

1865年，英國頒布了世界上第一部機動車安全法規——紅旗法，見圖1-41。紅旗法規定，蒸汽車的行駛速度不能超過6.5km/h，行駛中遇到馬車應有人在前面手執紅旗開路，警告馬車和行人退讓，在繁華街區應停車避讓馬車。紅旗法限制了蒸汽車的發展，使蒸汽車這一尚不完善的新生事物受到嚴重挫折。時至今日，一些汽車史學家認為，英國的汽車工業不及法、德、美等國，與當年的紅旗法不無關系。

1896年1月20日，一名叫沃爾塔·阿諾爾德的英國人因為違反了限速規定被處以罰款，成為世界上第一個因為超速而被罰的汽車司機。當時他的車速是13km/h。

另外，蒸汽車的迅速發展引起了馬車商人的不滿，他們利用各種自己的勢力使政府不支持蒸汽車，并且對蒸汽車橫加指責。這種情況下，在19世紀中葉以后，蒸汽車事業日趨衰落。盡管存在上述的不足而阻礙了蒸汽車成為一種理想方便的運輸工具，但蒸汽機汽車在汽車發展史上占有重要的一頁，它是現代汽車的奠基者，在汽車的“家譜”中，它應是“自動車”的祖先。

五、內燃機的發明

由于用蒸汽機作為汽車的動力存在著許多不足，它們不符合汽車靈活機動這一基本要求。為了獲取更靈巧、更方便、更經濟的發動機，又有許多科學家和工程師獻身這一領域。

蒸汽機的燃料是在發動機外面燃燒，是將汽缸中的水加熱產生蒸汽以推動活塞，進而驅動車輪前進的，所以也稱蒸汽機為“外燃機”。1670年，荷蘭的物理、數學和天文學家惠更斯發明了采用火藥在汽缸內燃燒膨脹推動活塞做功的機械，即“內燃機”。用火藥做燃料的火藥發動機是現代內燃機原理的萌芽。

第二個“吃螃蟹”的人是法國化學家菲利浦·勒本。他采用煤干餾得到的煤氣和氫氣做燃料，于1801年制成了一臺將煤氣和氫氣與空氣混合后點燃產生膨脹力推動活塞的發動機，這項發明被譽為內燃機發展史上開拓性的一步。可惜的是，年僅37歲的勒本在參加當年拿破侖皇帝的加冕典禮時被暗殺。這是工業革命史上的一次悲劇，否則內燃機的發明也許會提前許多年。

1862年，法國的萊諾成功創制了二沖程臥式內燃機。它以天然氣為燃料，轉速為100r/h。1867年，裝有這種發動機的車輛在世界博覽會上當眾表演，深受贊許。可惜他后來放棄了研究且沒有申請專利，否則“汽車之父”的美名可能會落在他的頭上，這也是汽車史上的一段遺憾。

尼古拉·奧古斯特·奧托（Nikolaus August Otto）是德國近代著名機械工程師，四沖程內燃機的發明者和推廣者。他獨自鉆研，反復研究，最終也提出了內燃機動力方式的四沖程思想。這一原理是這樣的：在煤氣進入汽缸之前，先與空氣混合成一種可燃性的混合氣體，然后進入汽缸，在汽缸內進行空氣壓縮，使其在這種提高了壓力的空氣中進行燃燒，這樣使汽缸內的溫度升高，而后，膨脹了的空氣逐步減壓到初始狀態時的大氣壓力，并推動氣閥運動，由氣閥運動產生的能量推動機車的運動，最后，汽缸排出所有的氣體。這是對四沖程內燃機原理和特征的第一次簡單而清楚的概括。因此，人們把內燃機的四沖程循環親切地簡稱為“奧托循環”。采用這種循環原理的內燃機用蒸汽液體或氣體作為燃料，由兩個介于兩等容過程之間的可逆絕熱過程所組成。這種內燃機的負荷調節，即產生能量的多少，通常是借助控制進入汽缸內的可燃性氣體的數量來完成的，且點火方式也比較特殊，即通過采用外來火焰或電火花的方式來實現點火的，因而點火的時間可以控制。

奧托于1866年成功地研制出在動力史上有劃時代意義的“活塞式四沖程奧托內燃機”，見圖1-42。此機為固定式煤氣發動機。翌年，該發動機榮獲巴黎博覽會金質獎章。后來又不斷改進提高，于1876年取得專利并成批投入生產。奧托是繼瓦特之后又一名偉大的動力工程學家。他發明的四沖程循環內燃機，是繼蒸汽機出現之后，人類機械史上，動力工程領域當中的又一個巨大貢獻。

盡管奧托內燃機當時還不能用在汽車上，但是作為動力源在其他行業中表現出的高效率、質量輕、體積小、使用方便、運轉有力、速度平穩等優點，為汽車的發明解決了最關鍵的技術難題，為汽車的誕生奠定了堅實的基礎。

六、汽車的發明

1.第一張汽車專利證書

世界著名的汽車公司——奔馳汽車公司，在其公司的簡介中，以這樣驕傲的開頭闡述了汽車、奔馳與人的關系：“人們對一輛現代轎車的各種期盼大半可追溯至奔馳。準確地說，這一切是從1886年1月29日那天開始的。在那天，卡爾·本茨成功地為他所研制的0.9匹馬力的三輪汽車取得了第37435號帝國專利證書”。

世界首張汽車專利證（見圖1-43）屬于卡爾·本茨，在1886年1月29日他為自己設計的車子向德國專利局申請，但直到同年的11月2日才得到批準。專利證的號碼為37435，類別屬于空氣及氣態動力機械類，專利名為氣態發動機車。即公認的世界上第一輛三輪汽車“奔馳1號”。

2.本茨的第一輛汽車

卡爾·本茨（Karl Benz，1844—1929）是現代汽車工業的先驅者之一，人稱“汽車之父”，見圖1-44。卡爾·本茨1844年出生在德國西部的卡爾斯魯厄一個手工業者的家庭。他的父親是一名火車司機，在他快要降生人世的時候，父親就在一次事故中不幸遇難，小本茨還沒出生就失去了父親，所以他的童年生活境況很艱難。

1860年卡爾·本茨依從母親的意愿進入了卡爾斯魯厄綜合科技學校學習。在這里，卡爾·本茨學習了機械構造、機械原理、發動機制造、機械制造經濟核算等課程，這為他以后在汽車工業的事業和發展打下了良好的基礎。從學校畢業后，卡爾·本茨先在卡爾斯魯厄機械工廠當學徒，在制秤廠里成為“繪畫者和設計者”，在橋梁建筑公司擔任工長，在卡爾斯魯厄機械工廠，他認識了比他大十歲的戈特利布·戴姆勒。以后的日子里，他們成為事業上的好伙伴，也是發明汽車的競爭對手。

1872年，卡爾·本茨下決心要創建一個工廠，他向朋友借了款組建了鐵器鑄造和機械工廠，但由于當時經濟不景氣，他的生產也受到影響，到1877年卡爾還無力償還朋友的2千萬馬克的借款，工廠也面臨倒閉的危險。卡爾·本茨決定要制造發動機，他學習了奧托的煤氣發動機，并領到了制造四沖程發動機和雙沖程發動機的營業執照。卡爾·本茨在前人的基礎上發展的新貢獻，就是在新的混合氣體進入汽缸之前，使廢氣凈化變為新鮮空氣再進入汽缸，這樣可以避免爆炸危險。

1879年，卡爾·本茨研制成功火花塞點火內燃機。隨后他又將內燃機改進為汽油發動機安裝在三輪車上，車上裝有三個實心橡膠輪胎的車輪，裝有臥置單缸二沖程汽油發動機，785mL容積，0.89匹馬力，雖然它的時速只有16km，但在當時人們的路上交通工具還是馬車，因此這一速度足以令人“窒息”。該車前輪小，后輪大，發動機置于后橋上方，動力通過鏈和齒輪驅動后輪前進，行駛方向靠操縱桿控制，為了提高人員乘坐的舒適感，在車架和車軸間裝有鋼板彈簧懸架。該車已具備了現代汽車的一些基本特點，如電點火、水冷循環、鋼管車架、鋼板彈簧懸掛、后輪驅動、前輪轉向和制動手把等。其齒輪齒條轉向器是現代汽車轉向器的鼻祖，見圖1-45。卡爾向德國皇家專利局申報專利并在1886年1月29日獲得批準，因此1月29日被認為是世界汽車誕生日，1886年為世界汽車誕生年。這輛每小時行走16km的三輪汽車被命名為“奔馳1號”。

第一輛三輪汽車的問世，雖然為本茨帶來了榮譽，但是這個不斷散發臭氣的怪物總是拋錨，因而遭到不少人的冷嘲熱諷，本茨雖然多次對它進行改進，但毛病還是不少；為了不在大庭廣眾之下出洋相，本茨幾乎沒有勇氣在公開場合駕駛它上街。但本茨的夫人貝爾塔對本茨的發明深信不疑，她不怕旁人的白眼帶著兩個孩子，勇敢地開始了汽車的第一次長途旅行。

1888年8月的一天早上5點多鐘，本茨還在夢鄉，貝爾塔就喚醒兩個孩子，把汽車推出來，然后發動馬達，向100多公里之外的普福爾茨海姆進發，探望孩子的祖母。當時全世界還沒有任何一輛汽車跑過這么遠的路程。汽車離開曼海姆市不久東方就漸漸亮了，馬路兩旁早起的人們一聽到其怪異的響聲都從窗口伸出頭看這個“飛奔”的怪物，有的人還壯著膽子走近它，但一聞到汽油機那難聞的氣味又走開了。

行駛14km，燃料沒有了，只好到一家藥房購買粗汽油；行駛70km后，被一個陡坡攔住了去路，只得由小兒子駕車，貝爾塔和大兒子在車后推，終于把汽車推過陡坡；發動機的油路堵塞了，就用發針把它修復；電氣設備發生短路，只好用襪帶作為絕緣墊。直到日落西山，母子三人才又餓又累到達目的地。孩子的祖母驚嘆不已，小城的人都跑出來圍觀這個“怪物”。興奮的貝爾塔立即給丈夫拍了一個電報：“汽車經受了考驗，請速申請參加慕尼黑博覽會。”本茨接到電報兩手發抖，幾乎不相信這是事實，但妻子確實駕著自己發明的三輪車到了普福爾茨海姆。他很快辦妥了參展手續，在慕尼黑工業博覽會上，他成功地展示了自己的汽車，一下吸引了大批客戶，從此他的事業蓬勃發展，擁有了德國最大的汽車制造廠，生產名揚四海的奔馳牌汽車。而本茨太太也因為這次歷史性的試驗而被稱為世界上第一位汽車駕駛員。如今，這輛奔馳1號車陳列在德國汽車發源地斯圖加特市的奔馳汽車博物館中。

3.戴姆勒的第一輛汽車

戈特利布·戴姆勒（見圖1-46）于1833年3月17日出生在德國漢諾威南部，14歲的戴姆勒便開始在鐵炮鍛造工廠中學習，18歲時進入斯圖加特的工業補修學校學習，1857年進入斯圖加特高等工業學校學習。少年時代的戴姆勒就對燃氣發動機產生了濃厚的興趣，并開始學習研制奧托式燃氣發動機。

1872年，戴姆勒設計出四沖程發動機。1883年，他與好友——著名的發明家威爾赫姆·邁巴赫（Wilhelm Maybach）合作，成功研制出使用汽油的發動機，并于1885年將此發動機安裝于木制雙輪車上，從而發明了摩托車。1886年，戴姆勒把這種發動機安裝在他為妻子43歲生日而購買的馬車上，創造了第一輛戴姆勒汽車，見圖1-47。

七、世界上第一臺柴油機

當以煤氣和汽油為燃料的內燃機剛剛發明時，壓縮壓力不超過20～30個大氣壓，如果再高，混合氣就要發生“爆燃”，因此熱效率一般都在20%以下。狄塞爾根據前輩卡諾等人關于熱功轉化的理論，信心百倍地從事一種高效率內燃機的研究。經過理論計算和三十多次的初步試驗，1892年2月提出專利：改用純空氣可以避免“爆燃”，壓縮壓力可提高到200～250個大氣壓，壓縮機內溫度可達800℃；在這樣高壓高溫下噴入煤粉進行等溫燃燒，熱效率可提高到70%～80%。

魯道夫·狄塞爾（1858—1913）出生在德國一個城市貧民的家庭，青年時代留學法國，后來回到德國，成為一名冷藏工程師，見圖1-48。他起先致力于氨氣發動機的研究，企圖以氨氣作為工作介質代替水蒸氣做功，改進蒸汽機。經過六年的努力，他的設想完全失敗了，但是他并不灰心，丟下蒸汽機，轉向內燃機。

與致力于改造奧托發動機的奔馳和戴姆勒不同，狄塞爾的想法更為超前，他想完全舍去發動機中的點火系統，靠壓縮空氣發熱，噴入燃料后自燃做功，這種方式完全區別于吸入燃氣混合氣點燃做功的方式，后人稱狄塞爾的原理為“壓縮式內燃機”原理。當然狄塞爾產生這樣的設想也并不是空穴來風，因為當時并沒有發明分電器和高壓點火線圈，點火裝置非常簡陋和不穩定，狄塞爾想跳過這個技術障礙完全是可以理解的。不久，他在法國人約瑟夫·莫勒特發明的氣動打火機上找到了靈感，并堅持不懈地探索下去。

狄塞爾沒有料到，他的想法實現起來遠遠比發明點火系統復雜得多，他所遇到的第一個就是燃料問題。常用的汽油非常活躍，也非常容易點燃，但汽油卻不能適應有很高的壓縮比的壓燃式發動機，一旦把汽油霧化噴入含有高溫、高壓空氣的燃燒室，就會發生猛烈的敲缸甚至爆炸。舍去汽油是必然的，狄塞爾創造性地把他的目標指向了植物油。經過一系列試驗，對于植物油的嘗試也失敗了，但他是第一個把植物油料引入內燃機的人，因而近現代鼓吹“綠色燃料”者都把狄塞爾尊為鼻祖。

最終燃料選擇鎖定在了石油裂解產物中一直未被重視的柴油上。柴油相對于汽油來說性質非常穩定，比較難于點燃，同時柴油一旦點燃會冒出大量的黑煙，因而它又不能像煤油那樣用做照明。但柴油穩定的特性恰恰適合于壓燃式內燃機，在壓縮比非常高的情況下柴油也不會出現爆震，這正是狄塞爾所需要的。經過近20年的潛心研究，狄塞爾終于在1892年試制成了第一臺壓燃式內燃機，也就是柴油機。

這臺柴油機用汽缸吸入純空氣，再用活塞強力壓縮，使空氣體積縮小到1/15左右，溫度上升到500～700℃，然后用壓縮空氣把霧狀柴油噴入汽缸，與缸中高溫純空氣混合，由于汽缸這時已經有了較高的溫度，因而柴油噴入后自行燃燒做功。1892年2月27日，狄塞爾取得了此項技術的專利。

柴油機的最大特點是省油，熱效率高，但狄塞爾最初試制的柴油機卻很不穩定。1894年，狄塞爾改進了柴油機并使其能運行1min左右，盡管他的柴油機還不穩定，但狄賽爾卻迫不及待地把它投入了商業生產，因為他的競爭對手早在1886年就把汽油機安裝在車輛上，而8年之后，汽油機汽車已經投入了商業運作。這位只了解技術并不了解商業運作的發明家犯下了一生中最大的一次錯誤，他急于推向市場的20臺柴油機由于技術不過關，紛紛遭到了退貨，這不但給了他巨大的經濟負擔，更重要的是影響了柴油機在公眾中的印象，在隨后的幾年里幾乎沒有廠家或個人樂意裝配柴油機。沒有了資金來源又負債累累，這就使得狄塞爾的晚年陷入了極端貧困。1913年10月29日，55歲的狄塞爾獨自一人呆站在橫渡英吉利海峽的輪船甲板上，被巨浪卷入了大海（多數歷史學家認為狄塞爾是跳海自盡的）。為了紀念狄塞爾，人們把柴油發動機命名為Diesel。

柴油轎車目前在以歐洲為首的發達地區已經十分普及，2006年歐洲每兩輛新車就有一輛柴油轎車，業界越來越多的人認為“21世紀將是柴油車的世紀”。據有關專家介紹，2000年世界柴油車產量為1200萬輛，占所有汽車的20%，2005年則增長到1850萬輛，占所有汽車產量的28%，預計到2015年，柴油車將至少占到所有汽車產量的32%。

據國務院發展研究中心產業經濟研究部預計，2020年，中國汽車銷量應該在1400萬～1500萬輛左右，如果到時候中國柴油車的保有量能達到30%的水平，那將有420萬輛的巨大空間，可以肯定，中國柴油轎車的市場前景十分廣闊。2002年，一汽大眾銷售柴油轎車1 018輛，2003年為5042輛，2004年為15269輛，一汽大眾柴油車銷售連年快速增長，也說明柴油車正得到越來越多消費者的認可。

一汽大眾有關人士在展望未來時說：“隨著柴油轎車市場進一步擴大，一汽大眾所有轎車（包括后續車型）將全系列實現柴油化。與此同時，我們將采用國際領先的柴油機技術，尤其是進一步提高電控技術、尾氣后處理技術，同時努力使發動機結構優化，如使用四氣閥技術等相結合，一汽大眾未來柴油轎車將顯示出無可比擬的經濟性、低排放和駕駛樂趣，真正反映出節約型社會人與自然和諧發展的精神。”