內燃機車用柴油機的發展與展望

韓曉軍,李海燕,肖錦龍

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所,北京100081)

1958年北京長辛店機車車輛廠(北京二七軌道交通裝備有限責任公司前身)制造成功了我國第1臺內燃機車[1],掀開了我國發展內燃機車的新篇章。機車用柴油機是從匈牙利進口的,功率為600馬力。

50多年來,我國內燃機車的發展取得了巨大成就,累計生產了近18 000臺內燃機車,從技術進步的角度看跨越了4代產品。與此同時,機車用柴油機也經歷了從仿制、自主研發、再發展到與國外合作開發的道路。目前,我國制造的柴油機性能已經逐步接近和達到國際先進水平。制造的內燃機車不僅滿足了鐵路現代化和國民經濟持續增長的需求,還出口到許多國家。本文通過回顧我國內燃機車用柴油機的發展歷程,分析了我國內燃機車用柴油機的技術性能,指出通過引進、消化吸收、再創新,研發具有自主知識產權、達到國際先進水平的內燃機車用柴油機是我們面臨的現實選擇。

1 我國內燃機車用柴油機發展歷程

從發展歷程上看,我國內燃機車發展經歷了4代[1],相應地機車用柴油機的發展也是如此。表1列出了具有代表性的4代內燃機車和柴油機的主要參數,表中也列出了我國目前生產的NXN 3和NXN 5型內燃機車的參數。

以DF型和DFH1型內燃機車為代表的第1代產品,其柴油機基本上是仿制產品。前者是仿制前蘇聯的10L207E型(2沖程、對置活塞、掃氣泵掃氣)柴油機;后者是先仿制前西德的12V 175型4沖程高速柴油機,之后在此基礎上進行了大量試驗和改進。

以DF4、BJ、DF8型內燃機車為代表的第2代產品,其柴油機完全是我國自主研發的,均是4沖程帶有廢氣渦輪增壓器的柴油機,柴油機功率較第1代產品有成倍的增長,技術性能和可靠性有較大的提高。

以DF4D、DF8B(DF11)型交直流傳動內燃機車為代表的第3代產品,其柴油機主要是在我國自主研制生產的產品基礎上,通過與國外廠家合作開發的產品,技術性能和可靠性有很大的提高。

以 DF4DJ、DF8BJ、DF8CJ型交流傳動內燃機車為代表的第4代產品,其柴油機主要是與國外合作開發的新型產品,均采用電子噴射系統。DF8CJ型機車的柴油機裝車功率達4 410 kW,已接近國際先進水平。第4代內燃機車目前還處于試運用階段。

從我國內燃機車和柴油機的發展歷程可以看出,機車柴油機由仿制發展到自主研制,再發展到與國外合作開發;由2沖程和 4沖程、中速、高速柴油機,發展到全部采用4沖程、廢氣渦輪增壓的中速柴油機;柴油機的功率由小到大,增長了2～3倍;柴油機缸徑由175、180、200、207、240、280 mm 等多種系列 ,發展到主型機車只采用240 mm和280 mm兩種系列;柴油機噴射方式由傳統的機械噴射方式發展到電子控制的噴射方式。

2 內燃機車用柴油機性能比較

目前我國鐵路上運用的內燃機車基本上是第2代和第3代機車,第3代機車占多數。第1代機車已全部淘汰,第4代機車基本上是樣車。國內、外典型的內燃機車用中速柴油機的主要技術參數見表2。

(1)柴油機裝車功率

隨著重載貨物運輸和客運列車提速的不斷發展,對內燃機車用柴油機功率等級的需求也在不斷提高,我國不少廠家在提高柴油機功率方面做了許多試驗性研究工作。第4代內燃機車用柴油機最大裝車功率已達到4 410 kW,而12V 280ZJ型柴油機在設計中已考慮將來發展為16缸,其功率可達4 900 kW,接近國際最高水平(16缸為4 660 kW)。但是這些國產柴油機目前只是樣機,還沒有經過嚴格的運行考驗。

表1 我國內燃機車用柴油機主要技術參數[1,2,3,5]

表2 國內、外內燃機車用柴油機主要技術參數比較[1,3,5]

(2)平均有效壓力P e

提高平均有效壓力Pe是提高柴油機功率的有效措施之一,由于近代增壓技術的迅速發展,可使P e值顯著提高。Pe值的增高可提高比功率,但也會導致更高的機械負荷,對設計和工藝制造技術水平要求也愈高。我國內燃機車用柴油機的平均有效壓力,除12V 280ZJ型柴油機外,均不超過2.0,現批量生產(第2、3代)的柴油機P e值更低。而國外,特別是美國和德國大功率柴油機的P e均超過2.1。在這方面國產內燃機車用柴油機與國際先進水平還有一定差距。

(3)活塞平均速度C m

中速柴油機的活塞平均速度Cm一般在8～10 m/s,我國的C m基本在10 m/s左右,與國外的先進水平沒有太大的差別,已接近國際先進水平。

(4)強化系數

我國內燃機車用柴油機的活塞平均速度Cm雖然已接近國際先進水平,但平均有效壓力Pe與國際先進水平的差距,導致了強化系數的差距。我國批量生產的柴油機強化系數大多在13～17間,與國際先進水平有較大的差距。而我國研發的柴油機(如12V 280ZJ)強化系數達到了23.9,強化程度接近國外先進水平。

(5)燃油消耗率

我國內燃機車用柴油機的燃油消耗率g e絕大多數≥205 g/(kW?h),與國外一般水平(≤200 g/kW?h)還有一定差距,與國際先進水平(182～187 g/kW?h)的差距更大(高出9%～12%)。雖然在第4代內燃機車用柴油機裝用了電子噴射系統,但其主要零部件仍需外購,仍需進一步掌握軟件設計及控制、調整等技術。

(6)耐久可靠性

機車運用受到鐵路運輸系統管理的約束,列車安全正點必須保證,這樣作為機車‘心臟'的柴油機可靠性、耐久性就顯得更加重要。柴油機大修周期的長短可直接反映出耐久可靠性的好壞,柴油機的大修周期一般與機車的大修周期一致,大修周期用機車的走行公里來表示。美國柴油機大修周期一般大于等于160萬km[5](我國1984年從美國進口的ND5型內燃機車用柴油機(7HDL型)大修周期為192萬km),是我國現有柴油機大修周期(90萬km)的2倍。我國內燃機車的運用強度是世界上最高的,若考慮柴油機的負荷率等因素,可以認為我國的內燃機車走行80萬 km,相當于美國內燃機車走行120萬 km,則大修里程即為其75%。即使如此,我國內燃機車用柴油機的耐久可靠性與國外仍有較大的差距。

(7)排放

近年來世界各國為了控制機車柴油機的有害排放物,紛紛制定了具有法規效能的排放標準和測量方法。發達國家和地區對柴油機的排放己有了嚴格的標準和規范。歐洲執行的是 UIC 624Ⅱ標準、美國執行的是EPA-Tier2級標準。而我國對機車柴油機的排放認識與起步都比較晚,近幾年才開始進行一些研發性試驗和對引進內燃機車的驗收性試驗。鐵道部于2006年將UIC 624 O標準等同轉化為鐵路推薦性標準(TB/T2783-2006),但至今并未真正實施。

對于內燃機車有害排放物的控制,主要是控制氮氧化物(NOX)和微粒(PM)的排放。減排措施分為機內凈化和機外凈化。機內凈化著重于從改善燃燒角度來降低排放物,機外凈化則著重于在廢氣排入大氣前將其中有害物質分離去除。一些減排措施對不同的排放物作用是相反的,例如表3所示的噴油提前角的改變,因此要根據控制目標來確定減排技術。

表3 降低NOX和PM排放水平的主要措施

(8)單位功率質量

如果從柴油機單位功率質量看,不僅國產批量生產柴油機的數字大得多,而且國產新型柴油機的數字也比國外新型柴油機的大。對我國大功率機車軸重的限制是不利的。由此可見,我國自行研發內燃機車用柴油機的強化程度、燃油消耗率、耐久可靠性、排放、單位功率質量等方面與國外先進水平相比,差距仍然較大。但近年來的第4代交流傳動內燃機車(機車用柴油機為我國與國外合作開發的新產品),雖然只是樣車,柴油機的主要性能巳接近世界先進水平。但因設計和工藝制造水平尚有差距,則耐久可靠性還存在一定的差距。近期生產的新型機車(HXN 3型和HXN 5型)柴油機已達到了世界先進水平。

3 內燃機車用柴油機發展趨勢

2004年國家公布了我國鐵路史上第一個《中長期鐵路網規劃》,鐵道部根據此《規劃》確定了推進鐵路技術裝備現代化的總體方針,即“引進先進技術、聯合設計生產、打造中國品牌”。

大功率內燃機車(柴油機裝車功率均為4 660 kW,其主要參數見表1)是以鐵道部為主導,以國內企業為主體,掌握核心技術為目標,推進我國企業對引進技術的消化吸收和自主創新,進而實現打造自有品牌的目標。機車柴油機性能均是當前國際上較為先進、成熟、可靠的柴油機,從而開發出了具有自主知識產權、達到國際先進水平、成熟可靠的柴油機。

4 結束語

我國內燃機車及裝車用柴油機發展取得了舉世矚目的成就,內燃機車裝用的柴油機性能已得到很大的提高,技術引進、消化、吸收再創新,使柴油機的性能盡快達到國際先進水平。

[1]韓才元.中國鐵路內燃機車發展50年[J].內燃機車,2008,(9):1-7,17.

[2]張慶林.鐵道機車車輛手冊(第一卷)(鐵道機車)[M].北京:中國鐵道出版社,2000.

[3]韓才元.國內外內燃機車技術水平的比較[J].內燃機車,2004,(1):2-5,(2):1-6,(3):1-4.

[4]馬承民.中國內燃機車制造業發展之我見[J].內燃機車,2008,(1):2-6,15.

[5]馮 強.引進大功率交流傳動內燃機車的選型[J].內燃機車,2008,(9):8-11,23.