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§第12章 汽车发展史（第1页）

§第12章汽车发展史

在汽车工业的早期，工程师和发明家们的直接目标仅仅是可靠性，也就是让一辆汽车可以凭借自身的动力到达某地并返回。很多关于汽车的聪明想法往往终止于一匹马、一根绳和一阵捧腹大笑。尽管进步的代价是昂贵的，但美国的驾车者们仍然愉快地支付了账单。由于他们对个人交通的狂热，这些人购买了可靠的或是不可靠的汽车，从而为实验和生产提供了很大一部分风险资本。很少有几个产业能得到客户如此地厚爱。20年间，相比当时的道路状况，汽车的可靠性也得到了很大的提高。作为人类进步过程中的伟大成就之一，个人的机械化交通方式已经成为生活中的普遍现象，每个人都可以享受。

尽管自1920年以来工程技术取得了巨大进步，但我们今天使用的仍是与这个行业最初20年所生产的几乎相同的机器。我们仍然使用着由汽油发动机驱动的车辆。发动机的心脏仍然是汽缸中的一个活塞，活塞由汽油和空气的混合物燃烧所推动，而混合物则由来自火花塞的电火花以固定间隔点燃。活塞冲力所产生的能量推动机轴，而机轴通过机械传动来带动后轮。弹簧和橡胶轮胎减轻了驾驶员和乘客的颠簸，而刹车则是通过对轮胎施加减速力从而使汽车停止。

然而，自1920年以来，汽车的方方面面也得到了巨大的改进：发动机的效率极大提高，相同的燃料可以更平稳地提供更多的动力，而燃料本身也得到了很大的改善。传动系统经历了复杂的进化才终于达到了今天的全自动状态。悬吊系统也经过了相似的演化，轮胎也一样，它们一同为我们提供了40年前难以想象的驾驶体验。驾驶员可以使用额外的动力源来提供制动和转向，同时还配有操作车窗、座椅和无线电天线。车身通常完全由钢材料制成，并且配有安全的玻璃，整个车身闪耀在各种色调之中。随着汽车的发展，它在日常生活中日益重要，同时也对道路和公路提出了更高的要求。很难想象今天这样的道路可能会对二十年代早期的汽车发展带来怎样的影响。

当然，毫无疑问，今天的驾驶员会觉得20年代的典型汽车不能令人满意。当时的四缸汽车的发动机中机轴、关联的连杆和活塞之间存在固有的不平衡。这种汽车通常采用两轮刹车，即通过限制后轮的转动来制动；没有独立的前轮减震；通过滑动齿轮来传动；发动机效率很低。这种车经常振动和晃动；制动时往往会转向，有时候还会打滑；离合器抓得过紧；齿轮在移位时经常发生撞击，并且由于可提供的动力很低，在坡度明显的山坡上齿轮需要不停转换。然而这种车经常往返于这种起伏不平的地方；幸运的是，当时的汽车所能行驶的速度和距离都不足以让它的很多缺陷成为致命的障碍。这种汽车基本能够适应当时的环境，并且它的主要部件互相之间能够合理地配合，然而其集成度和效率都相对较低。

汽车发展所面临的问题主要是提高效率水平，而这往往意味着提高汽车的集成度。今天的汽车，不再是五十多年前松散的零部件和机械装置的集合，而是一部非常复杂而紧密集成的机器。如果不是最近几年机械工艺的发展，我们根本无法将高性能、操作便利性和舒适度有效地结合起来，从而造就今天的汽车。

通用汽车的实验室和工程技术人员在过去五十多年的汽车发展过程中扮演了重要的角色，并且将会继续处于技术进步的前沿。我无法详细讲述通用汽车和这个行业对这个社会的所有贡献，因为这将需要另外一本书。这里我只介绍一些重要并且相关的进步。

乙基汽油和高压缩比发动机

汽车技术的核心问题已经成了如何使燃料和发动机之间的关系更加令人满意。活塞发动机的效率，即其高效使用燃料，从而由一定量的燃料得到最大动力的能力，取决于发动机的压缩比。压缩比的概念非常简单，但是大部分的读者可能需要一些解释。活塞在发动机的汽缸中运动有一个最低位置和一个最高位置。当活塞位于一次往复运动的最底部时，汽缸中充满了燃料—汽油和空气的混合气体。而当活塞到达往复运动的顶部时，燃料被压缩。通过火花塞的作用，燃料开始燃烧，产生的高温气体将会膨胀，同时推动活塞向下运动。然后这个向下的运动推动机轴，从而将动力传送到车轮。压缩比指的就是活塞位于最低位置时汽缸中的体积和活塞运动到最高位置时汽缸中剩余的体积之比。这个比率仅仅比较了燃料供气未压缩时的体积和压缩后的体积之比。在20世纪早期，平均的压缩比是四比一左右。

正如前文所述，要在给定尺寸的限制下设计一个更加高效而强大的发动机，就意味着只能提高压缩比。然而这里出现了另一个严重的问题：敲缸。为了将活塞向下推动，汽油和空气混合物应该燃烧得比较慢。如果混合气体被引爆，也就是燃烧得过快，活塞将无法足够迅速地移动来利用所产生的力。并且，敲缸不仅造成了能量的损失，同时，突然的强制力将会给发动机的部件带来严重的张力，从而可能损坏发动机。

获得高压缩比的关键在于寻找减少敲缸的方法。但造成敲缸的原因是什么呢？在汽车使用的早期，人们发现通过调整产生火花的时间可以减少敲缸的发生。在很长时间里，大部分的汽车上都有手动操作的火花调整控制杆，驾驶员可以根据不同的驾驶条件方便地选择最佳的火花设置。人们学会了在上坡驾驶时延缓火花产生时间，从而让发动机在高张力下工作时避免敲缸。

查尔斯·凯特灵长期以来对点火、燃料和相关的问题抱有极大的兴趣，他开始了通用汽车关于敲缸的重要研究，并且在突破性解决这个问题的过程中起到了至关重要的作用。今天每辆行驶着的汽车和每架使用往复式发动机的飞机都离不开凯特灵先生所倡导的抗爆燃料的发展所带来的帮助。他将自己对这个问题的早期研究带到了通用汽车，并在他担任通用汽车首席研究员时最终解决了这个问题。这个解决方案概括地说就是采用乙基汽油—可以通过在汽油中添加四乙铅而得到。

一直到第一次世界大战期间，人们都认为，敲缸的产生是由于火花位置过远时点火过早。第一次世界大战后不久，人们发现了另外一种敲缸，被称为“燃料敲缸”，因为仅仅通过改变燃料和燃料的参数而不调整火花就能够减少或者消除这种敲缸。在研究这个问题的研究人员中包括了后来的小托马斯米德格利（Midgley）。他在代顿工程实验室的工作经历（他在那里担任凯特林先生的助手）使他于20年代早期成为了通用汽车研究公司燃料部的主管。米德格利先生的好朋友，前印第安纳标准石油公司的主席罗伯特·威尔逊博士说：

“……（米德格利先生）已经明确地证实，与人们通常想象的完全相反，敲缸和提前点火是不同的，敲缸是由燃料的化学特性所造成的。”他指出，苯和环己烷发生的敲缸现象明显少于汽油，而汽油则远远少于煤油。后来他成功地在代顿实验室制造出了苯和环己烷。

几乎每次见到汤姆，他都会有一些关于爆炸机制和抗爆行为的新理论，而我对于这些理论则持职业性的怀疑态度。继承的理论往往会被进一步的实验所质疑，同时它们也始终激励着研究人员，并且经常导致重要的发现。最显著的例子出现在他工作的早期，当时他正在尝试理论化地解释为何煤油的敲缸现象比汽油严重。他抓住了两者挥发性的显著不同，然后给出了如下的假设：大部分煤油在开始燃烧之前都保持在小液滴的状态，之后由于过于迅速的爆炸而导致突然蒸发。如果这个解释是正确的，那么他推断出，通过将煤油染色或许可以让煤油小液滴从燃烧室中吸收辐射的热量从而更快地蒸发。

如果汤姆是一个优秀的物理学家，那么他将可以通过计算毫无疑问地发现这个理论是站不住脚的，但是作为一名机械工程师，他幸运地得出了实验比计算更加方便的判断。因此，他去储藏室寻找一些可溶于油的染料，而和通常的情况一样，储藏室里你所想要的东西恰好没有了。然而，弗瑞德·蔡斯（Chase）建议他使用碘酒，因为碘酒可以溶于油并且能够给煤油染色，于是汤姆迅速将大量碘酒溶解到煤油中，然后在适度的高压缩比发动机中进行了测试，然后发现了令人高兴的结果：敲缸现象被消除了。

汤姆迅速走遍代顿并收集了所有可用的溶于油的染料，并且于当天下午连续测试了很多种不同的样本，然而并未从任何一种那里得到哪怕是最细微的结论。为了确认这一现象，他又把无色的碘酒化合物加到汽油中，结果发现没有发生敲缸。就这样，关于爆炸的第一个理论寿终正寝了，而伴随着这个理论的让位，新生了一个作为化学家的汤姆。在未来的几年中，他成为了一名在任何一个化学领域都孜孜不倦的学生，这些努力都是为了帮助他解释他的发现，并且合成新的化合物来尝试充当抗爆试剂……

之后，汤姆对苯胺产生了特别的兴趣，尽管每次他发现一种新的抗爆试剂时似乎都是类似的状况，他必须继续致力于改善这种试剂的生产方法以降低成本，直至这种试剂在经济上可行。他同时还对乙基碘酒抱有希望—这是他的首个乙基化合物，当然前提是他能找到足够的碘酒。

在1922年1月的汽车工程师协会（Sootive　Engineers）年会上，汤姆向我展示了盛放在一个试管中的一点儿四乙铅，他极其兴奋而又神秘，告诉我那个试管就是整个问题的答案。他说，这种试剂的有效性远远高于之前发现的任何化合物，并且没有出现之前任何解决方案中的问题。当然，那时候他还没有意识到毒性或是沉淀的问题。

于是，经过凯特林先生、米德格利先生和通用汽车研究公司所有这些年的实验，我们有了这项发明。但是完成一项发明和将它推向市场完全是两回事。长话短说，1924年8月，为了向市场推广新的防爆化合物四乙铅，乙基汽油公司成立了。该公司是由通用汽车和新泽西州的标准石油公司分别出资百分之五十合作创办的。最初乙基的**是由杜邦公司通过合同制造的，一直到1948年乙基公司才开始自行生产所有产品。

四乙铅只是高压缩比发动机发展过程中必经的一步。尽管它改善了燃料的品质，但是在20世纪初，燃料本身的质量也千差万别。事实上，没有一种已知的方法能够比较出使用在汽油发动机中的两种燃料哪一种性价比更高。

通用汽车研究了这种状况，找出了一种比较汽油防爆性能的方法，或者说比较发动机在等量的燃料条件下能否产生更高的压缩比。这种方法根据燃料的“辛烷值”来衡量其品质。辛烷是一种几乎不发生敲缸现象的燃料；在当时的工艺条件下，实际地讲，辛烷等级100就被认为是完美的燃料。乙基汽油公司的格雷厄姆·埃德加博士于1926年发现了辛烷值，凯特灵先生和其他研究人员则制造出了第一台单汽缸、可变压缩比的测试发动机，通过这台发动机可以测试出衡量燃料质量的辛烷值。一台使用了压缩比可变原则的测试发动机后来成为了汽车业和石油业的标准。

当然，加入四乙铅可以提高辛烷值，然而还有另一种方法，就是通过更合理的过程来精炼原油。人们对原油精炼的过程进行了不懈的研究，在如何分裂和重组原油中的碳氢化合物这一领域取得了无数成果。这些成果一方面增加了每桶原油所产出的汽油数量，另一方面提高了加入四乙铅之前汽油的辛烷值。这本身又是另外一个戏剧性的研究故事，同时也是凯特灵先生和他的伙伴们所倡导的研究之一。汽车加油站中所提供的商业汽油的辛烷值从20世纪初的50～55提高到了目前的95以上甚至有些超过了100（航空汽油的辛烷值甚至更高）这对燃料经济性产生了深远的影响—燃料经济性是通过给定性能标准下汽车每公里所消耗的燃料加仑数来衡量的，从而极大地影响了我们今天使用石油资源的效率。

另一个减少敲缸的因素是发动机自身的设计。今天我们知道，在发动机的燃烧室中燃料的爆炸会引起非常复杂的冲击波环境。这些冲击波会使燃料的温度急剧上升，从而引起爆炸和敲缸。关于各种燃烧室集气装置形态和周线的研究建议了一些特定的形态来获得最少的敲缸现象和最高的压缩比。

这里我需要附带地提到一个关于发动机设计的问题，这和燃料几乎没有关系，但是却对发动机的发展有严重的限制。通用汽车的工程师们对这个问题的解决做出了卓越的贡献。这个问题就是发动机的振动。振动任何时候都是令人不快的，然而随着汽车速度和功率的加大，振动渐渐成为了一个更加严重的工程问题。发动机中的不平衡旋转和往复部件成了破坏性振动的源头，并且成为了汽车整体发展进步的一个限制因素。

机轴是引起振动的主要源头之一，它是“发动机的中枢”，任何不平衡都会传到发动机和汽车上。通用汽车研究公司于20年代初开始关注发动机平衡的问题，他们制造出了第一台机轴平衡器并于1924年应用于凯迪拉克的发动机上。现在全世界有许许多多这种机器，由于这是通用汽车独家发明制造的机器，所以它使我们在汽车行业的发动机平衡这一领域取得了长期的领先地位。正如我们很多其他领先的技术一样，我们将这个设备卖给其他发动机制造商。良好的平衡是减少整个汽车结构磨损和破裂的一个重要步骤，同时它也推动着整个汽车工业利用我们制造的发动机加速朝功率更大、速度更快的方向发展。

随着我们对敲缸现象的了解越来越深入，高压缩比发动机渐渐成为可能。发动机的压缩比已经由世纪初的四比一提高到了目前的十比一，甚至更高。燃料和发动机的发展引起了跨越式的进步：高压缩比的发动机需要更好的燃料，更高品质燃料的出现又刺激了更高效率发动机的产生。在汽车工程师们的强烈要求下，石油工业研究人员开发出了能够广泛使用的具有越来越高辛烷值的燃料。通用汽车也为石油业提供了很多高压缩比的试验性发动机，以帮助他们提高燃料的辛烷值。