自帶“干糧”的內(nèi)燃機(jī)車

蒸汽機(jī)車雖然一度得到廣泛應(yīng)用，但也存在著許多難以克服的缺點(diǎn)，比如運(yùn)送的煤的1/4被他自己吃掉了，每行駛80千米~100千米就要加水，行駛200千米~300千米就要加煤，行駛5000千米~7000千米還要洗爐；在行駛中要排放黑煙，污染環(huán)境，尤其是在過隧道時(shí)，濃煙難以散出去，影響旅客和車上工作人員的健康。

（蒸汽機(jī)車運(yùn)用場景）

除了上述運(yùn)用層面上的問題，在技術(shù)上蒸汽機(jī)車熱效率比較低，只有5%～9%，也就說是每燃燒100千克，實(shí)際應(yīng)用的能量也只有7千克左右。大量的能量浪費(fèi)的同時(shí)，低效率使蒸汽機(jī)車的功率和速度進(jìn)一步提高受到了限制。

通過實(shí)踐，人們意識(shí)到蒸汽機(jī)車熱效率低的主要原因是它是外燃型，即爐膛里煤燃燒將鍋爐里水加熱成4000C以上的過熱蒸汽，再進(jìn)入蒸汽機(jī)膨脹做功，推動(dòng)汽機(jī)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞通過連桿、搖桿，將往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)檩嗈D(zhuǎn)圓周運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)車動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，從而牽引列車前進(jìn)。于是有人設(shè)想，如果將這種笨重的鍋爐去掉，使燃料直接在汽缸內(nèi)燃燒，用所產(chǎn)生的氣體來推動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)，就可以克服蒸汽機(jī)車的上述缺點(diǎn)。根據(jù)這種想法，德國人奧托（Nikolaus August Otto）在 1866年成功研制出了一種燃燒煤氣的新型發(fā)動(dòng)機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)和蒸汽機(jī)在汽缸外面的鍋爐里燃燒燃料不同，它是在汽缸內(nèi)點(diǎn)燃煤氣的，然后利用氣體的壓力推動(dòng)活塞，從而使曲軸旋轉(zhuǎn)，輸出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，就給它起了個(gè)形象的名字，叫做內(nèi)燃機(jī)。

奧拓的內(nèi)燃機(jī)以煤氣為燃料，儲(chǔ)存、攜帶均不方便，輸出功率較小，要想驅(qū)動(dòng)龐然大物的火車有一定的困難。給機(jī)車牽引帶來真正革命的是另一位德國發(fā)明家—魯?shù)婪颉さ胰麪?(Rudolf Diesel)。1881，大學(xué)畢業(yè)后工作兩年的狄賽爾深感蒸汽機(jī)的效率低下，萌發(fā)了設(shè)計(jì)新型動(dòng)力機(jī)械的念頭。1885年，他辭去制冷工程師的職務(wù)，設(shè)立了自己的發(fā)動(dòng)機(jī)研究室。鑒于奧拓內(nèi)燃機(jī)的問題，基于熱力學(xué)中的卡諾循環(huán)，狄賽爾提出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并使之燃燒做功。

（內(nèi)燃機(jī)之父—奧托）

像所有偉大的發(fā)明家一樣，狄塞爾的前進(jìn)道路上困難重重，他甚至一度為了謀生又不得不回到制冷機(jī)工廠工作。但狄塞爾沒有向困難屈服，在強(qiáng)大信念的支持下，他終于在1892年向全世界展示自己的成果—一臺(tái)實(shí)用的柴油動(dòng)力壓燃式發(fā)動(dòng) 機(jī)。1906 年，狄塞爾、德國鐵路工程師阿道夫·克勞茨(Adolf Klose)和瑞士一家發(fā)動(dòng)機(jī)制造商三方合作成立了一年新公司，專門為鐵路設(shè)計(jì)生產(chǎn)柴油機(jī)車。1912年，世界上首臺(tái)真正意義上的柴油機(jī)車在這家公司下線，經(jīng)短暫試運(yùn)營后于當(dāng)年9月份交付德意志帝國使用。這臺(tái)機(jī)車自重為95噸，功率為883千瓦，最高速度高達(dá)100公里/小時(shí)。

1924年，蘇聯(lián)制成一臺(tái)電力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車，并交付鐵路使用。同年，德國用柴油機(jī)和空壓縮機(jī)配接，利用柴油機(jī)排氣余熱加熱壓縮空氣代替蒸汽，將蒸汽機(jī)車改裝成為空氣傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車。1925年，美國將一臺(tái)220kW 電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車投入運(yùn)用，從事調(diào)車作業(yè)。20世紀(jì)30年代，內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)入試用階段，30年代后期，出現(xiàn)了一些由功率為900～1000 kW 單節(jié)機(jī)車多節(jié)連掛的干線客運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車。第二次世界大戰(zhàn)以后，因柴油機(jī)的性能和制造技術(shù)迅速提高，內(nèi)燃機(jī)車多數(shù)配裝了廢氣渦單元輪增壓系統(tǒng)，功率比戰(zhàn)前提高約50%；配置直流電力傳動(dòng)裝置和液力傳動(dòng)裝置的內(nèi)燃機(jī)車的發(fā)展加快了，到了20世紀(jì)50年代，內(nèi)燃機(jī)車數(shù)量急驟增長。60年代期，大功率硅整流器研制成功，并應(yīng)用于機(jī)車制進(jìn)，出現(xiàn)了交-直流電力傳動(dòng)的2940 kw 內(nèi)燃機(jī)車。在70年代，單柴油機(jī)內(nèi)燃機(jī)車功率已達(dá)到4410kW。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，聯(lián)邦德國在1971年試制出 1840kW 的交-直-交電力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車，從而為內(nèi)燃機(jī)車技術(shù)發(fā)展提供了新的途徑。

內(nèi)燃機(jī)車隨后的發(fā)展，表現(xiàn)為在提高機(jī)車的可靠性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性，以及防止污染、降低噪聲等方面不斷取得新的進(jìn)展，并逐漸確立了其在鐵路牽引動(dòng)力方面第二代霸主的地位。

（世界首臺(tái)長途運(yùn)輸內(nèi)燃機(jī)車(1924年)）