機車用280柴油機的發展歷程

薛良君，滕雷昌

（南車集團 戚墅堰機車有限公司，江蘇常州213011）

自第1臺280機車柴油機在南車集團戚墅堰機車有限公司（以下簡稱戚機公司）問世以來，經過幾十年的不斷發展，戚機公司先后開發出了16V280ZJ、16V280ZJA、12V280ZJ、6L280ZJ、R16V280ZJ等機車用柴油機，回顧280柴油機的研制和開發歷程，對我國當今鐵路裝備制造業實施“引進、消化、再創新”戰略或許會有一些啟迪。

1 280柴油機的由來

20世紀70年代未，我國在結束了文革10年動蕩的歲月以后，百廢待興，國家急需振興經濟。在當時，作為我國經濟發展大動脈的鐵路運輸行業，鐵路運營里程少、線路規格低、機車牽引功率小，鐵路運能遠不能滿足國民經濟發展的需要。為此，戚機公司提出了研制功率為4 500～5 000馬力的16缸280機車柴油機的開發計劃（圖1）。

2 280單缸機的開發

1976年10月戚機公司在完成對國內外機車柴油機資料分析的基礎上，技術部門提出了280柴油機的主要性能參數和總體結構方案，對柴油機方案組織進行了多次論證，在此基礎上完成了技術設計。按照正常的開發流程，柴油機開發工作首先在單缸柴油機上進行。

1977年一季度，戚機公司完成了單缸機的全部設計工作，同年10月280單缸機完成組裝并開始進行開發試驗。11月在利用當時240柴油機供油系統某些零部件的基礎上，單缸機功率達到了330馬力。1978年1月在使用280噴油泵等專用零部件后，單缸機功率達到了350馬力的設計指標。此后，經過不斷改進，單缸機功率先后達到了375馬力和404馬力，具備了開發多缸柴油機的基礎。

3 16V280ZJ型柴油機的研制

1978年3月戚機公司正式開始16缸280柴油機的研制工作。

1979年5月第1臺16V280ZJ型柴油機完成總組裝。同年10月柴油機功率達到了5 000馬力，達到了預定的性能指標。

為保證柴油機零部件運用的可靠性，從1979年12月起，戚機公司與鐵道科學研究院合作對柴油機機體、氣缸套、密封墊、氣缸蓋螺栓、氣缸蓋、氣門、活塞、連桿、曲軸、主軸瓦、連桿瓦等14個主要零部件進行了大規模的靜強度測試，先后共貼應變片829枚，模擬測試了23個試驗工況，獲取了5萬5千多個試驗數據，為后續柴油機設計改進提供了大量寶貴的原始資料，并為保證柴油機的可靠運用打下良好的基礎。

1979年12月至1980年10月，戚機公司和鐵科院合作在單缸機上先后完成了燃燒室零部件的溫度場測試、示功圖測試，并在16缸機上進行了燃燒、配氣、供油、增壓、振動、扭振、調速器等一系列開發試驗。并委托鐵科院進行了配氣機構動力學的計算與測試、氣缸蓋進排氣道穩流吹風試驗、水流組織試驗等。

1980年10月和1981年的12月，按照公司確定的穩妥可靠、分階段提升柴油機功率的指導意見，在第1臺16V280ZJ型柴油機上分別完成了持續功率4 500馬力，最大功率5 000馬力的UIC100h性能試驗和360h耐久性試驗。

為考核柴油機實際運用的可靠性，1982年12月根據申請，鐵道部科技局、機務局、工業總局發文安排，經過UIC試驗考核的第1臺16V280ZJ型柴油機被裝用在上海鐵路局南京東機務段的東風4－0267號廠修內燃機車上，進行20萬km的線路運行考核試驗。至1984年6月該機車共走行22萬余公里，情況良好。通過裝車運用試驗，消除了當時許多關于280柴油機能否在機車上安裝、軸重會不會超、經濟性好不好、可靠性高不高等疑慮，實現了比當時其他型號機車拉得多、跑得快的目標。

1983年戚機公司與國家經委簽訂了“六五”國家科技攻關項目合同，進行DF8型貨運內燃機車的試制，機車動力裝置采用16V280ZJ型柴油機，柴油機標定功率3 675kW，裝車功率3 310kW，燃油消耗率210g（kW·h）。首臺機車于1984年12月交付上海鐵路局進行15萬km線路運用考核試驗，而后，該機車與后續小批試制的DF8型機車在鄭州鐵路局信陽機務段繼續進行線路運用試驗。

為提高柴油機的性能和運用可靠性，從1983年起，公司針對柴油機運用中暴露的問題逐項進行了改進。

性能方面在大量試驗的基礎上，采用高效率、高壓比的VTC254－13型增壓器更換原320P－7型增壓器；采用先進的模件式脈沖轉換（MPC）增壓系統代替原雙脈沖增壓系統，較大地提高了柴油機的可靠性和經濟性。

結構方面采用下穿螺栓連接的鋼頂鋁裙組合活塞替代上穿螺栓連接的組合活塞，解決了活塞頂裂的問題；采用單彈簧陶瓷機械密封替代多彈簧硬質合金機械密封，解決了水泵漏水的慣性質量問題；采用蓋斯林格聯軸器取代自制的板簧聯軸器；對連桿大頭齒形應力進行分析，并對螺栓連接結構進行改進。通過上述措施，極大地提高了柴油機零部件運用的可靠性。

1988年9月和1988年12月在33＃16V280ZJ柴油機上分別完成了UIC100h和360h鐵道部級型式鑒定試驗，各項性能參數達到了DF8型機車用柴油機設計任務書的要求，柴油機運轉可靠、情況良好。

1986年5月第1臺DF8型機車完成了15萬km的線路運行考核試驗。1987年7月至1988年2月DF8型0013＃機車分別在武昌南機務段和鐵科院完成了機車牽引熱工性能、冷卻能力、電機溫升等試驗，以及機車稱重、振動、噪聲等鐵道部級性能鑒定試驗。

1989年2月16V280ZJ型柴油機隨同DF8型機車一起，通過了由國家計委、國家科委委托鐵道部組織的技術鑒定。至此，DF8型這一當時國內單機功率最大的內燃機車得以投入批量生產。

16V280ZJ型柴油機隨同DF8型機車一起先后獲得了1986年國家“六五”科技攻關獎，1989年鐵道部科技進步一等獎、1990年國家科技進步一等獎。

4 16V280ZJA型柴油機的開發

為了實現客運快速和以北京為中心1 500km范圍內城市之間做到夕發朝至，要求客運列車牽引20節車輛（1 100t）、速度達到140km／h的目標。鐵道部以鐵科技（1987）199號文下達了“關于大功率客運電力、內燃機車研制招標書的通知”，并將廣深線作為首條開通的準高速鐵路。基于280缸徑的大功率柴油機，戚機公司準備了牽引電機全懸掛加高柔圓彈簧的轉向架等技術方案，聯合鐵科院、株洲電力機車研究所、西南交通大學、上海鐵道學院等單位共同投標，最后以單機大功率高的優勢勝出，試制兩臺運營速度為140km／h的DF9型客運機車。而后，鐵道部要求機車速度提高到160 km／h，為此，戚機公司先后開發了DF11型系列準高速內燃機車。

為滿足準高速客運機車的運用要求，柴油機的功率需要有較大的提高，為此，確定開發的16V280ZJA型柴油機的標定功率為3 860kW，裝車功率3 675kW，燃油消耗率208g／（kW·h）。由于柴油機的裝車功率有較大的提高，同時還要對柴油機進行減重。因此，需要在性能與可靠性上做較大的改進。

1988年1月為解決提升功率后2缸、15缸排溫比其余氣缸高的原因，利用燃燒分析儀對柴油機進行性能測試，試驗在排氣管有節流孔板、無節流孔板等條件下進行，測量各工況時的運行參數進行分析。

1989年6月至12月歷時6個月的探索試驗，了解了各種工況時的增壓器通流元件規格、壓縮比、噴油提前角之間的關系，在進行不同噴孔直徑噴油器對比試驗、不同噴油提前角與不同壓縮比對比試驗等基礎上，確定了柴油機主要參數。

1990年6月在16V280ZJA型柴油機上進行了連續50h運行考核試驗，并順利進行了標定功率負荷特性試驗，裝車功率牽引特性試驗，不同供油位置時的功率、扭矩和油耗特性試驗，轉速與功率的邊界特性試驗。

1990年8月開始為減輕柴油機質量，完成了大圓薄板連軸器、減振器與減小厚度的連接箱等的設計和試制，相繼完成了柴油機臺架扭振試驗，實測最大扭振振幅、軸段應力都小于允許值。

1994年9月至1995年1月16V280ZJA型柴油機先后順利通過了UIC100h和360h鐵道部級鑒定試驗。

1994年12月22日廣深鐵路首列準高速列車的開通為我國鐵路大提速創造了條件。從1997年開始，鐵道部進行的6次鐵路大提速，給DF11型、DF11G型客運機車的廣泛運用得到了充分展示的機會，并由此得到了大的發展。

1995年鐵道部科技發展要求隨著鐵路客運速度提高，與此相匹配，貨運也需要提速重載。鐵道部科技司向戚機公司下達了DF8B型貨運機車的研制任務，動力裝置仍采用16V280ZJA型柴油機。

16V280ZJA型柴油機隨同DF9型機車于1991年獲國家“七五”科技攻關獎，隨同DF11型機車于1996年獲鐵道部科技進步特等獎、1997年獲國家科技進步一等獎。

5 280系列柴油機的開發

2001年4月完成16V280ZJA1型強化柴油機的研制，該機標定功率4 050kW，裝車功率3 860kW。該柴油機采用了增加流量系數的新氣缸蓋和與其配套的排氣管、加大冷卻能力的中冷器、重新匹配的軸系、燃油電控噴射系統等。該臺柴油機裝于333＃DF11型機車，在上海鐵路局運用90萬km后情況良好。

此外，根據市場需求，公司在16V280ZJA型柴油機的基礎上開發了12V280ZJ型、6L280ZJ型二款系列柴油機。

12V280ZJ型柴油機，標定功率2 940kW，1999年10月用于我國首列研制成功的NZJ1型內燃動車組“新曙光號”，2008年7月用于北京至八達嶺的NDJ3型內燃動車組，2011年用于出口沙特小限界客貨運內燃機車。

直列6缸6L280ZJ型柴油機，標定功率1 470kW，主要用于GKD2型工礦電傳動調車機車和GK2C型液力傳動干線調車機車。

6 R16V280ZJ型柴油機的研制

用16V280ZJA型柴油機作為動力的DF11型、DF8B型內燃機車的研制成功，為我國鐵路運輸的“快速、重載”做出了應有的貢獻。為進一步提高內燃機車的功率和運用經濟性、可靠性，以滿足鐵路未來發展的需要，鐵道部科技司、計劃司、機務局，工業總公司等單位于1993年10月20日在鐵道部總工程師主持下召開了專門會議，取得了共識并發出會議紀要，同意與國外進行技術合作，加快改進速度。主管工業的副部長批示指出：280柴油機是有發展前景的機型，今后應不斷擴大DF8及DF11型內燃機車產量，關于280柴油機與國外合作的資金，請外資辦設法從世界銀行貸款中解決。

通過談判、招標，最終選定與世界著名咨詢公司AVL合作。1996年先由鐵道部科技司、工業總公司和申車公司3方出資進行先期評估，初定柴油機標定功率為6 000馬力。從1998年起正式確定新開發的柴油機（即R16V280ZJ型柴油機）按標定功率4 705kW（6 400馬力）、最大功率5 175kW（7 040馬力），燃油消耗率204g／（kW·h）、使用壽命30 000萬h的目標進行開發，其主要研制情況如下。

1997年2月合同項目正式啟動，項目按概念設計、施工設計、樣機試制、性能開發、驗收試驗5個階段進行。1999年初投料試制，12月完成總組裝。

在柴油機開發過程中，先后完成了氣缸蓋進排氣吹風試驗，增壓器配機與提升功率試驗，扭振試驗，燃燒過程測試與分析，連桿螺栓疲勞強度試驗和光彈性力學試驗，活塞靜強度試驗，機體動應力測試，燃油電噴供油系統試驗，柴油機性能參數調整試驗等。同時，解決了主軸瓦碾瓦等關鍵問題，保證了柴油機試制工作的順利進行。

R16V280ZJ柴油機于2004年5順利通過UIC100 h性能試驗，2004年10月至11月在大連完成了UIC360h耐久性試驗。該型柴油機型式試驗時的燃油消耗率為196.38g／（kW·h），排放滿足UIC2要求，是目前我國功率最大、技術指標最先進的機車柴油機，總體技術指標達到了國際先進水平。

2000年7月我廠與鐵道部科技司簽訂了研制裝用R16V280ZJ柴油機的6 000馬力交流傳動貨運內燃機車合同，機車定型為DF8CJ，軸重25t。首臺機車2003年試制完成，連同以后生產的3臺機車先后運用在上海鐵路局和鄭州鐵路局等地。

2006年12月，鐵道部科技司組織行業專家在北京召開了DF8CJ型大功率交流傳動機車的階段驗收總結會。

7 R12V280ZJ型柴油機的開發

為滿足我國鐵路未來多用途機車的需要，基于R16V280ZJ型柴油機先進和成熟的技術，并消化、吸收引進柴油機的先進技術，戚機公司于2005年開始開發R12V280ZJ型柴油機，該柴油機標定功率3 530kW，該柴油機可用于大功率調機和支線機車。目前，已在首臺樣機上進行了性能開發試驗，對燃燒組織和增壓配套進行了優化，試驗表明，所采取的性能改進措施大幅度降低了柴油機在部分負荷時的燃油消耗率和排氣溫度。

8 未來的工作

作為我國唯一的專業從事大功率內燃機車的制造企業，戚機公司今后將一如既往地關注國際先進柴油機的發展動態，消化、吸收先進的柴油機開發技術，進一步提高柴油機的強化水平，繼續降低燃油、機油的消耗率，特別是部分負荷時的燃油消耗。采取有關措施，降低排放污染物，滿足未來更為嚴格的排放要求，為我國鐵路提供節能、環保的新型機車用柴油機。