1.5 四行程内燃机的推广者：尼古拉斯·奥托
A 四行程内燃机的推广者尼古拉斯·奥古斯特·奥托
尼古拉斯·奥古斯特·奥托（Nikolaus August Otto,1832—1891）是德国近代著名机械工程师，四行程内燃机的推广者。奥托以“内燃机奠基人”载入了史册，成为对人类现代生活影响巨大的人。
1832年6月10日，奥托出生在德国霍兹豪森镇，是家里6个孩子之中的长子。他的父亲菲利浦（Phillip Wilhelm Otto）是一名邮递员。
正当奥托准备好好学习，以后大干一番事业时，父亲却因积劳成疾而病倒了，按当时德国的传统，家庭的重担一下子落在了作为长子的奥托肩上。他不得不中断学业，只身前往经济繁荣的科隆，在那里的一个小工匠铺安顿下来，赚些钱养家糊口，而且一干就是10年。
在科隆的日子里，他并未因繁忙的工作而放弃对书本的学习。他白天努力工作，晚上则躲在被子里看有关机械方面的书籍。时间久了，他对于机械制造方面的基础知识有了较多的认识和了解，这也更加坚定了他儿时的兴趣。
1854年，就在奥托22岁时，一条当时被炒得沸沸扬扬的对蒸汽机的批评文章引起了他的注意。作为一种强大的动力机械，蒸汽机出现在18世纪后半叶，当时它的体积很大，而且还需要配有锅炉这一令人感到棘手的庞然大物。同时，由于当时制造锅炉的技术还比较粗糙，锅炉时有爆炸的危险，加上锅炉需要消耗大量的能源，且需要解决能源燃烧产生的烟气排放等一系列的复杂问题。因此，人们一方面不得不继续使用蒸汽机，另一方面更加强烈地希望能有一种小而方便、安全又可靠的动力装置来取代它。奥托对蒸汽机的改造产生了浓厚的兴趣，他立志要发明一种可以取代老式蒸汽机的新型动力设备。从此，奥托走上了一条改变他的命运，也改变了人类历史命运的探索之路。
1859年，法国工程师勒诺瓦赫制造了一台以煤气为燃料的内燃机。这种新型煤气内燃机造型小巧，比起老式的蒸汽机，它的使用方法简单而安全，但美中不足的是，由于没有在内燃机的气缸内对混合气进行必要的压缩，所以它产生的热效率并不高。但是，这毕竟走出了老式蒸汽机的模式，开启了内燃机研制工作的第一步。
A 企业家、发明家和内燃机的推广者尤格·兰根
B 奥托和兰根创立了世界上第一家内燃机制造厂奥托商会（1864年）
1862年，法国的铁路工程师波·迪·罗沙（Beau de Rochas,1815—1893）在一篇论文中提出：内燃机的动力方式应当采取四行程方式，即在四个行程内完成一个进气、压缩、燃烧膨胀和排气的工作循环；要制造性能好的内燃机，必须使气体尽快膨胀到最大，尽量提高膨胀的初始压力，并强调预先压缩混合气是提高热效率的重要措施。这是一次认识上的飞跃，这一理论成为后来内燃机发展的基础。可惜，他的理论当时发表在法国的一家地方出版刊物上，没有为人们所重视。这可是一个非常富有创意的想法，如果付诸实际运用，将大大地提高内燃机的工作热效率，从而弥补勒诺瓦赫内燃机的不足。但是，罗沙只是提出了这样一个想法，并没有真正把它变成现实，造出一台样机，从而使这种想法在很长的时间里不为人所知，他本人也与成功女神失之交臂。尽管罗沙于1862年1月16日就被法国当局授予了专利，但因他拖欠专利费，使其专利失效。
当时，奥托偶然地看到报上登载勒诺瓦赫发动机的报道，对此产生了极大兴趣，他也变成了发动机迷，便煞费苦心地对勒诺瓦赫的发动机进行改革，并研究了罗沙的四行程发动机论文，且花费了他几乎所有的金钱和业余时间来研究和试验发动机。
为了有更好的经济条件支持发动机研制，1864年9月奥托和企业家尤格·兰根（Eugen Langen,1833—1895）在科隆合伙创办了研制发动机的奥托商会（NA Otto&Cie）——世界上第一家发动机生产厂。兰根主要负责资金支持，奥托负责发动机制造技术。
奥托尝试着用增大空燃比来减少燃烧的猛烈程度，但这导致了混合气不能被可靠地点燃。后来他想了一个巧妙的办法解决了这个难题，这个办法就是今天分层供气燃烧室的雏形。在进气行程阶段，气缸吸入的只是空气，然后才是混合气。这样保证了可靠的点火，又不会产生过高的燃烧压力。
据说，奥托的构想是从烟囱冒烟引发的。有一天，他看到工厂烟囱冒出的烟没有和空气混合，一直上升，看出了神。为什么呢？突然，一种灵感浮上心头，他想如果把烟换成混合气，在烟囱出口处（即混合气浓的区域）点火，那么燃烧会慢慢地传播到逐渐稀薄的其他部分，一定能获得平缓的高效率燃烧。于是，他迫不及待地制作了一个透明的气缸和带有靠手动工作的活塞，以及侧阀式的进排气模型。他将香烟的烟吹入进气阀，终日反复观察，终于研究出空气与煤气的添加方法。他还进一步认识到在爆发时，如果上一个循环没有烧尽的气体残留在缸内，则爆发冲击会到得缓和。结果，奥托便如愿以偿。
A 奥托和兰根四行程燃气发动机及其专利证书（1867年）
终于，奥托在1866年成功地制造出在动力史上有划时代意义的四行程活塞式发动机。奥托发动机的活塞上装有一根长长的方形断面的活塞杆，一面带齿条，与主轴上的齿轮相结合，齿轮内有一个棘轮，就像自行车的飞轮一样；混合气一进入气缸，工作行程就开始，接着点火，爆发力将活塞推至上端，缸内气压急剧下降，在上方的大气压力作用下，活塞徐徐下降，主轴转速为80～100r/min。
奥托的这台内燃机，性能可靠，热效率高，运行噪声小，在燃料消耗等许多方面都比勒诺瓦赫内燃机好得多。其热效率约为14%，是勒诺瓦赫发动机的4倍。可以说，奥托的发动机具有非常实用的价值。
1867年5月巴黎世博会上，奥拓的内燃机完全淹没在铺天盖地的展品中，多亏一位评委慧眼识珠，发现这台直立式燃气发动机具有惊人的热效率，燃气消耗量是其他发动机的一半，奥拓发动机最终获得了世博会金奖。由于蒸汽机的燃料在气缸外的锅炉里燃烧，被称为“外燃机”，而奥拓发动机的燃料却在气缸内燃烧，因此叫“内燃机”。正是这种“内外有别”，导致发动机的热效率一举提高到10%以上。
1867年8月13日，奥托和兰根取得了“气体和空气发动机的改进”德国专利，专利号67659。
显然，奥托的四行程发动机是在前人的基础上发明的；这也启发我们：信息不能靠别人赐予，应该像老鹰扑食一样不放过任何地面上的蠢动，去掠取。
A 在奥托商会基础上成立的道依茨燃气发动机股份公司（1872年）
如果说奥托以他的内燃机掀开了人类动力工程史上新的一页的话，那么随后他将内燃机产业化的努力，则为这一页书写了更加精彩的内容。
奥托拿出销售四行程内燃机样机后积攒下来的钱作资金，扩充了研究用房，添置了许多新型的实验设备，并邀来了更多的研究能手，开始埋头于制作更加完善的内燃机的工作当中。奥托陆续进行了多种内燃机制造技术的改进，并在德国以及其他一些国家和地区相继取得了一些专利。所有的这一切使奥托名声大噪，不少国家的政府和公司纷纷派代表到奥托的实验室参观和学习，一方面向他求教，另一方面与他进行合作意向的洽谈。在这种形势的推动之下，奥托开始考虑把他的实验室进一步扩充为生产性的单位，将原来定做方式、小批量的内燃机制造升级为近代式的工厂化生产。
1872年，为了扩大内燃机的生产，奥托又在产业化的道路上迈进一步，继续与兰根合作，在奥托商会的基础上成立了道依茨燃气发动机股份公司（Gasmotoren Fabrik Deutz AG），他就任第一任经理，兰根为副经理。由此，奥托走上了内燃机产业化的道路。从此，四行程内燃机不仅从理论设计成为了现实，而且从实验室的模型变成了社会化的产品。
到1875年，奥托的公司终于完成了四行程内燃机全套设计工作，四行程内燃机由此变得更加精巧耐用、高效可靠。
1876年，奥托在道依茨燃气发动机股份公司制成了第一台实用的四行程发动机。这是一台单缸卧式、2.94kW（4马力）、等容燃烧的煤气机，压缩比为2.5左右，采用活塞曲柄连杆机构，热效率高达12%～14%，转速为250r/min。不久就冠以发明人的名字，被称作奥托机而闻名于世。奥托的四行程发动机结束了历时200多年寻找适于小型机械动力源的艰难历程。人们真实地感到一个动力新时代的来临！
A 奥托卧式等容燃烧四行程发动机（1876年）
B 奥托的儿子古斯坦·奥托
C 1931年落成的奥托发动机纪念碑
1877年8月14日，奥托取得了四行程发动机专利——德意志帝国专利第194047号。
1878年，在巴黎举办的万国博览会上，奥托的发动机受到了极高的评价，再度荣获金奖。后来，人们一直将四行程循环称为奥托循环。正是根据奥托循环的原理，后来制成了汽油机和柴油机，奥托以“内燃机奠基人”载入了史册。在美国人编著的《人类百位名人排座次》一书中，奥托被排在第61位，成为对人类现代生活影响巨大的人。
1886年1月30日，奥托在起诉一个仿造者时，德国法院经审判后，做出了一项惊人的宣判：取消奥托获得的四行程发动机的专利。个中原因除了欧洲专利法的漏洞和混乱，也和德国政府希望加快先进技术推广不无关系，“奥拓循环”从此成了全社会的公共财富，一个新兴的发动机工业进入了腾飞的时代。
1886年5月，奥托与安娜（Anna Katherina Gossi-Rouply Otto,1839—1914）正式结婚。他们生育了7个孩子，其中儿子古斯坦·奥托（Gustav Otto,1883—1926）后来成了宝马公司的创始人之一。
奥托的努力为他赢得了许多荣誉。柏林大学为了表彰他在内燃机研制方面的突出贡献，授予他荣誉工程学博士学位。
1891年1月26日，奥托因突发性心脏病在德国科隆去世，享年59岁。热爱奥托的科隆市民为他举行了隆重的葬礼。
奥托是继瓦特之后又一位伟大的动力工程学家。四行程内燃机是继蒸汽机出现之后，人类机械史上、动力工程领域当中的又一巨大贡献，极大地推进了人类文明前进的步伐。