柴油机是目前世界上热效率最高、应用最为广泛的一种热力机械。中小功率柴油机主要用于汽车、拖拉机、工程机械和军用车辆等方面，大型柴油机则用于机车、民用船舶与军用舰艇以及工矿固定动力与发电装置方面，应用范围遍及农业、工业、交通和国防建设等各个领域。

柴油机的燃料供给与调节系统是柴油机上最重要的、制造与调节精度最高的部件之一。如果说，柴油机是上述各种工作机械的核心动力，那么燃料供给与调节系统就是这个核心动力的“心脏”。

在过去的100多年中，柴油机及其燃料供给与调节系统的发展，集中了众多科技人员与生产者的智慧与劳动结晶，从无到有，由粗及精，走过了艰难曲折的道路，取得了今天的巨大成功。在长期的技术进步过程中，柴油机（前者）的发展，离不开燃料供给与调节系统（后者）的支持，而后者的发展也源自前者对动力、经济与环保方面不断提高的要求，两者交互促进，相得益彰，堪称人类社会发展与技术进步史上的典范。

众所周知，1766年詹姆斯·瓦特（James Watt）发明的蒸汽机掀起了英国的产业革命，导致了世界工业时代的来临，但这种以煤与木材作为燃料，通过机外的锅炉产生蒸汽推动活塞做功的机器，即蒸汽机，其效率很低，当时只有8%左右，甚至到今天进入蒸汽轮机（旋转叶轮式外燃机）的时代，简单循环蒸汽动力厂的效率也只能达到15%。

在蒸汽机出现前后，也产生了将燃料在气缸内燃烧，使燃气膨胀直接做功的构想，这就导致了活塞式内燃机的出现。在众多前人研究成果与实践基础上，德国工业家尼古莱·奥格斯特·奥托（Nicolaus August Otto）制成了第一台有压缩冲程的煤气机，其效率比早期的无压缩冲程内燃机有了明显的提高（当时达到12%，随后不久即提高到接近20%），这就奠定了现今点燃式内燃机（以轻质液体燃料，即汽油或可燃气体作为燃料，最初为火焰式点火，以后改用电火花点火）的基础。目前，广泛应用在汽车（主要指轿车）上的新型电控汽油机的效率已达到30%以上。

压燃式内燃机即柴油机的出现，要比点燃式内燃机略晚几年，其发明者鲁道夫·狄塞尔（Rudolf Diesel）师从于著名的林德（Carl von Linde）教授并以优异成绩毕业，受林德教授讲授的“卡诺循环机器原理”的启发，狄塞尔在大学时代就追求并致力研究一种能按卡诺循环构想工作的热效率最高的机器，卡诺循环是法国科学家卡诺（Léonard Sadi Carnot）于1824年提出的，这种以两个绝热与两个等温过程构成循环的热效率，是在同一温差条件下各种热力循环中最高的。在追求上述理想的基础上，这位年青的德国工程师于1892年向德国柏林（Berlin）帝国专利局提出了他的第一个专利申请，并于1893年2月23日得到批准，这就是著名的DRP No.67207德国专利“热力发动机的工作原理与结构”（图1-1）。在与这个专利同时发表的论文：“代替蒸汽机及现有发动机的理想热力发动机的理论与设计”中，狄塞尔首次提出了内燃机压燃的原理，即建议将吸入气缸的空气压缩到很高的压力（当时，他建议压缩至200at），使缸内空气温度远远高于燃料的自燃温度，以保证能够顺利着火并适应燃料的多样性，同时还建议燃料在活塞下行过程中逐步喷入，保证燃烧过程中缸内温度与压力基本保持不变，以便使工作过程接近于卡诺循环，此外为了减少热损失还建议无需对发动机进行冷却，等等。在向一些大公司的建议书中，他曾乐观地预言，若能将气缸内气体温度压缩至800℃左右，实现等温燃烧，按卡诺循环计算的理论热效率应为73%，扣除机械损失后，机器的有效效率仍能达到50%左右。从以后的实践与今天更加科学的观点来看，上述乐观的估计与相应的建议有的过于理想与超前，也有的不够完善甚至是不正确的（例如等温加热不可能实现，发动机不进行冷却也是行不通的），对此狄塞尔本人通过具体的实践也有所认识，并在以后的专利与论文中作了部分修正，如将等温加热改为等压加热，等等。但这些不足之处并不能抵消他首次提出压燃观点的伟大贡献。正是由于这一贡献，实现了内燃机工作原理与结构的重大突破，导致了热效率最高的压燃式内燃机的诞生。

图1-1 鲁道夫·狄塞尔（Rudolf Diesel）和他的第一个发明专利

狄塞尔的新型热力发动机方案，首先得到了德国奥格斯堡MAN公司的支持，按照他们之间的合同，1893年制造了第一台缸径D=100mm、行程S=400mm的发动机（图1-2a），这是一台没有冷却的发动机，压缩压力按当时的条件先定为90at，再降为30at，燃料最初曾设想过用煤粉，后改为喷入汽油（错误地认为汽油更容易着火），该发动机实现了燃料的第一次爆发，并在压力达到80at后，将示功器冲破而中止了试验（见图1-3上部的示功图）。

1894年，狄塞尔在第一台样机基础上推出了经改造的第二台样机（图1-2b），其缸径增加为D=150mm，行程仍保持为S=400mm，燃料改用煤油并以压缩空气喷入气缸，实现了首次独立运转（图1-3中部的示功图），测得的燃油消耗率为b_e=382g/PS·h[519.52g/（kW·h）]，有效效率η_e=16.6%，指示效率达30.8%。

经过进一步的研究与改进，发明者与制造商终于在1897年的第三台样机（图1-2c）上取得了重大突破，这台功率按14.7kW（20PS）设计的发动机，缸径由150mm增加至220mm，行程保持不变，在慕尼黑工业大学的试验台上进行验收考核试验时，功率达到13.1kW/（154.2r/min），有效燃油消耗率b_e=323.68g/（kW·h），相当于有效效率为26.2%。这在当时已是一项了不起的记录，这项在燃料经济性方面的重大突破，震动了当时欧美的工业界，也奠定了今天压燃式内燃机在动力机械节能指标方面遥遥领先的基础。

1897年压燃式发动机的成功，给狄塞尔带来了巨大的声誉，但也给他带来了新的麻烦，由于这台发动机的工作原理与结构已和他最初专利中的设想有很大差异（如等温加热、煤粉燃烧以及高压与无冷却等均未能实现），因此产生了某些专利纠纷，加之以后与投资方在发展方向的分歧（MAN公司致力于代替蒸汽机的船舶与固定动力的研制并取得了不断成功，而发明者本人则热衷于运输车辆动力的开发，但因燃料供给系统的限制而受阻）以及经营上的困难等，给狄塞尔造成了很大的精神压力。1913年9月29～30日，狄塞尔在搭乘由欧洲大陆（比利时的安特卫普，Antwerpen）开往英国（哈维奇，Harvich）横渡英吉利海峡轮船旅的途中神秘失踪，没有留下任何遗言，据他的朋友与亲属分析，他很可能在以上种种压力下，选择了自杀道路。

图1-2 鲁道夫·狄塞尔与MAN公司合作研制的压燃式内燃机

a）1893年样机 b）1894年样机 c）1897年样机

图1-3 鲁道夫·狄塞尔（Rudolf Diesel）压燃式内燃机示功图的进展

天才发明家鲁道夫·狄塞尔的结局虽然悲惨，但他开创的事业却在他离开以后的近一个世纪中得到了空前的发展。为了纪念他的贡献，人们将由他首先提出的按压燃式原理制成的内燃机，即柴油机（因为此后的实践证明，最合适的燃料为轻、重质柴油）以他的名字来命名，即所谓的狄塞尔（Diesel）发动机。

经过100多年的发展，目前狄塞尔发动机，即压燃式内燃机或柴油机，已经发展到技术很高的水平（图1-4），这中间又有不少发明者与企业作出了巨大贡献。

图1-4 柴油机性能指标经历一个多世纪的改善情况

例如，在大型柴油机方面值得一提的是，1899年，雨果·古德勒（Hugo Güldner）与MAN公司合作研制了第一台二冲程柴油机，与此同时，德国道依兹（Deutz）公司生产了第一台十字头结构的柴油机，两者相结合，奠定了目前大型船用低速二冲程柴油机的基础。

1901年，伊玛努尔·劳斯特（Imanuel Lauster）完成了对MAN公司无十字头结构的四冲程柴油机的改进，使该公司于1904年在乌克兰的基辅（Kiev）建成了世界上第一座由4台295kW柴油发电机组构成的发电站。1905年，瑞士工程师阿弗里德·布希（Alfred J.Büchi）首次提出了利用柴油机排气能量的增压方案，此后，柴油机排气涡轮增压应用日益广泛，目前已普遍应用在各种形式的柴油机上。

1906年，瑞士苏尔寿公司（Sulzer，现属于芬兰瓦西兰，Wärtsilä公司）推出首台可以正反转的船用柴油机（D/S=155/250mm，单缸功率为73.5kW），1913年，该公司首次推出功率为735kW的4缸V型二冲程机车柴油机。

经过一个多世纪的发展，目前世界上最大船用低速柴油机功率已近10万kW，有效效率也早已超过鲁道夫·狄塞尔当年提出的50%目标（根据2004年日本京都第二十四届CIMAC会议资料：MAN-B&W公司的14K108ME-C型十字头式低速二冲程柴油机，直列14缸，D/S=1080/2660mm，n=90～94r/min，当n=94r/min时P_e=97300kW，n=90r/min时，b_e=162g/（kW·h），η_e=52%）；高速大功率柴油机的平均有效压力也已达到2.7MPa（MTU-8000系列，20缸V型四冲程柴油机，D/S=265/315mm，P_e=9000kW，n=1150r/min，p_e=2.7MPa）。

在中小型柴油机（主要指作为运输机械典型的车用柴油机）方面：1924年，MAN在纽伦堡（Nürnburg）的分公司，首先推出了用于载重汽车的直接喷射式柴油机，斯图加特（Stutt-gart）的奔驰（Benz&Cie）公司则推出了载重车用的预燃室式柴油机，他们的燃料供给系统均采用了博世（Bosch）公司早期提供的喷油泵。与此同时，戴姆勒（Daimler）公司推出的用压缩

表1-1 目前各类柴油机的主要技术指标(www.daowen.com)

空气喷射燃料的方案，由于结构过于笨重而未能得到推广。在燃料供给与调节系统发展的基础上，1936年，戴姆勒·奔驰（Daimler-Benz，这时两家公司已合并）公司推出了首台预燃室式轿车柴油机，十几年后意大利菲亚特（Fiat）公司又推出了首台涡流室式轿车柴油机。

直喷式轿车柴油机出现得比较晚，继1988年菲亚特公司首次批量生产自然吸气的直喷式轿车柴油机后，大众（VW）集团的奥迪（Audi）公司也相继推出了整个涡轮增压的直喷式轿车柴油机系列（TDI-系列）。

目前，欧洲绝大多数轿车柴油机已从分隔式燃烧室（预燃室和涡流室）改为直喷式，转速高达5000r/min，升功率达60kW/L。在节能和环保性能方面均比较突出的有大众公司小型轿车的路波（Lupo）3L（指汽车百千米油耗为3L）3缸柴油机（D/S=76.5/86.4mm，排量1.19L，P_e=45kW，n=4000r/min，燃料供给与调节系统采用泵喷嘴高压喷射，排放达到欧Ⅳ标准）和戴姆勒-奔驰公司的“Smart-CDI”，OM-660型3缸柴油机（D/S=65.7/79mm，排量0.8L，P_e=30kW，n=4200r/min，装车后的百千米油耗也低于3L，排放达到欧Ⅳ标准）。

尽管车用柴油机因为尺寸小、转速高，燃油经济性要比大型柴油机差一些，但采用增压、中冷和电控等一系列技术后，先进车用柴油机的燃油消耗率已降到190～195g/（kW·h）水平，相当于有效效率η_e=44%～45%，也已十分接近鲁道夫·狄塞尔当年的期望。

图1-5 鲁道夫·狄塞尔设计的煤粉喷射系统

A—压缩空气罐 B—煤粉供给器 C—燃烧室 D—控制煤粉供给量的转阀 E—燃料喷射阀 F—高压空气喷射阀

目前各类柴油机的主要技术指标见表1-1。

前已说明，柴油机的技术进步在很大程度上归功于燃料供给与调节系统的发展，在发明者（鲁道夫·狄塞尔）与制造商（MAN公司）签订的合作协议中，曾有采用高压空气将煤粉喷入气缸的燃料供给方案（如图1-5所示，于1885年在美国申请的专利No.542846），但未获成功，以后才转用压缩空气喷入石油燃料的，但又因结构庞大（附带很重的空气压缩机与贮气罐），限制了压燃式内燃机在移动式运输机械（主要指汽车）上的推广。以后欧美各国均着手研制不采用压缩空气而直接采用机械方式加压的燃油喷射的系统，并先后出现了多项专利和设计方案，其中又以德国博世（Bosch）公司的成效最为显著。

罗伯特·博世（Robert Bosch，图1-6a）在德国斯图加特（Stuttgart）所经营的企业，最初是为汽油与气体燃料发动机提供点火用的磁电机，由于看到了柴油机发展的巨大潜力，于1922年致力于柴油机燃料供给与调节系统的开发。1927年，博世公司开始批量生产用螺旋槽调节供油量的高压喷油泵（图1-6b），并获得巨大成功，从而大大推动了车用柴油机的发展。

德国的博世公司以后发展为汽车行业零部件供应方面的大型企业，其业务遍及世界各地，为了满足汽车柴油机，特别是轿车柴油机在节能与排放方面日益严格的要求，先后于1962年推出的轴向柱塞分配泵（VE泵），1986年推出电控VE泵，1996年推出电控径向柱塞分配泵（VR泵），1997年推出电控高压共轨喷油系统，1998年推出电控高压泵-喷嘴系统（图1-7）。

图1-6 罗伯特·博世（Robert Bosch）以及博世（Bosch）公司1927年开始批量生产的喷油泵

1—凸轮轴 2—挺柱 3—齿圈 4—油量调节齿杆 5—进油接头 6—柱塞套 7—调节套 8—高压油管接头 9—出油阀 10—油面指示尺 11—柱塞

除了博世公司以外，还有不少公司与发明者对于柴油机燃料与供给系统的发展作出了贡献，例如英国的CAV-卢卡斯（Lucas）公司（现由美国德尔福Delphi公司收购）、日本的电装（Nippon Denson）公司等。卢卡斯公司除了早期生产西姆斯（Simms）直列泵系列以外，还于1956年首次批量生产CAV-DPA径向柱塞分配泵。电装公司也于20世纪90年代初首次推出了ECD-U2型车用电控共轨燃料供给系统。其实，包括博世公司在内的各个著名企业的成功，也都是在参照前人经验与教训的基础上，消化吸收与改进已有的成果，并结合当时的市场需求与科技水平，致力于自主开发与不断创新的结果。例如，新型的电控高压泵-喷嘴与共轨系统，是适应当前柴油机日益严格的节能与环保要求而兴起的新型燃料供给与调节系统，然而他们的原始思想甚至可以追溯到鲁道夫·狄塞尔时代。鲁道夫·狄塞尔本人在1905年提出的燃烧室方案中，就已经建议过采用泵-喷嘴的喷射方案（图1-8c）。而20世纪50年代美国通用汽车公司（GM）就早已在其货车用柴油机（后由分离出来的DDC公司负责生产）上成功推出高压泵-喷嘴系统（图1-9）。至于共轨系统的出现也甚至早于博世公司的直列

图1-7 博世公司燃料供给与调节系统的发展历程

图1-8 鲁道夫·狄塞尔于1905年提出的燃烧室方案

a）直接喷射式 b）预燃室式 c）泵-喷嘴喷射式

图1-9 GM公司的泵-喷嘴

A—喷油阀 B—柱塞 C—调节套

式柱塞泵，1913年英国的维克尔（Vickers）公司首先提出了采用公共油道（共轨）的蓄压式方案，1919年美国阿特拉斯（Atlas）公司即研制成功了采用这种系统的柴油机。只不过当时由于电子技术水平的限制，泵-喷嘴与共轨系统均未能显示出自己的优势，只有在近代结合电子控制技术以后，才发挥出新的生命力。

在科技进步的历史长河中，事物的发展往往得益于各相关学科的支持与渗透以及理论与实践的结合，渐进地，有时是螺旋上升和波浪式地向前推进，百花齐放，百家争鸣，优胜劣汰，推陈出新，从而创造出科技含量更高、能够满足社会需求的新的更好的产品。柴油机及其燃料供给系统100多年来的发展历史，正是对上述规律的最好证明。