韓曉軍,李海燕,肖錦龍

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所,北京100081)

1958年北京長(zhǎng)辛店機(jī)車車輛廠(北京二七軌道交通裝備有限責(zé)任公司前身)制造成功了我國(guó)第1臺(tái)內(nèi)燃機(jī)車[1],掀開了我國(guó)發(fā)展內(nèi)燃機(jī)車的新篇章。機(jī)車用柴油機(jī)是從匈牙利進(jìn)口的,功率為600馬力。

50多年來(lái),我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車的發(fā)展取得了巨大成就,累計(jì)生產(chǎn)了近18 000臺(tái)內(nèi)燃機(jī)車,從技術(shù)進(jìn)步的角度看跨越了4代產(chǎn)品。與此同時(shí),機(jī)車用柴油機(jī)也經(jīng)歷了從仿制、自主研發(fā)、再發(fā)展到與國(guó)外合作開發(fā)的道路。目前,我國(guó)制造的柴油機(jī)性能已經(jīng)逐步接近和達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。制造的內(nèi)燃機(jī)車不僅滿足了鐵路現(xiàn)代化和國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)的需求,還出口到許多國(guó)家。本文通過(guò)回顧我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)的發(fā)展歷程,分析了我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)的技術(shù)性能,指出通過(guò)引進(jìn)、消化吸收、再創(chuàng)新,研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)是我們面臨的現(xiàn)實(shí)選擇。

1 我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)發(fā)展歷程

從發(fā)展歷程上看,我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車發(fā)展經(jīng)歷了4代[1],相應(yīng)地機(jī)車用柴油機(jī)的發(fā)展也是如此。表1列出了具有代表性的4代內(nèi)燃機(jī)車和柴油機(jī)的主要參數(shù),表中也列出了我國(guó)目前生產(chǎn)的NXN 3和NXN 5型內(nèi)燃機(jī)車的參數(shù)。

以DF型和DFH1型內(nèi)燃機(jī)車為代表的第1代產(chǎn)品,其柴油機(jī)基本上是仿制產(chǎn)品。前者是仿制前蘇聯(lián)的10L207E型(2沖程、對(duì)置活塞、掃氣泵掃氣)柴油機(jī);后者是先仿制前西德的12V 175型4沖程高速柴油機(jī),之后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量試驗(yàn)和改進(jìn)。

以DF4、BJ、DF8型內(nèi)燃機(jī)車為代表的第2代產(chǎn)品,其柴油機(jī)完全是我國(guó)自主研發(fā)的,均是4沖程帶有廢氣渦輪增壓器的柴油機(jī),柴油機(jī)功率較第1代產(chǎn)品有成倍的增長(zhǎng),技術(shù)性能和可靠性有較大的提高。

以DF4D、DF8B(DF11)型交直流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車為代表的第3代產(chǎn)品,其柴油機(jī)主要是在我國(guó)自主研制生產(chǎn)的產(chǎn)品基礎(chǔ)上,通過(guò)與國(guó)外廠家合作開發(fā)的產(chǎn)品,技術(shù)性能和可靠性有很大的提高。

以 DF4DJ、DF8BJ、DF8CJ型交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車為代表的第4代產(chǎn)品,其柴油機(jī)主要是與國(guó)外合作開發(fā)的新型產(chǎn)品,均采用電子噴射系統(tǒng)。DF8CJ型機(jī)車的柴油機(jī)裝車功率達(dá)4 410 kW,已接近國(guó)際先進(jìn)水平。第4代內(nèi)燃機(jī)車目前還處于試運(yùn)用階段。

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

2 內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)性能比較

目前我國(guó)鐵路上運(yùn)用的內(nèi)燃機(jī)車基本上是第2代和第3代機(jī)車,第3代機(jī)車占多數(shù)。第1代機(jī)車已全部淘汰,第4代機(jī)車基本上是樣車。國(guó)內(nèi)、外典型的內(nèi)燃機(jī)車用中速柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表2。

(1)柴油機(jī)裝車功率

隨著重載貨物運(yùn)輸和客運(yùn)列車提速的不斷發(fā)展,對(duì)內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)功率等級(jí)的需求也在不斷提高,我國(guó)不少?gòu)S家在提高柴油機(jī)功率方面做了許多試驗(yàn)性研究工作。第4代內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)最大裝車功率已達(dá)到4 410 kW,而12V 280ZJ型柴油機(jī)在設(shè)計(jì)中已考慮將來(lái)發(fā)展為16缸,其功率可達(dá)4 900 kW,接近國(guó)際最高水平(16缸為4 660 kW)。但是這些國(guó)產(chǎn)柴油機(jī)目前只是樣機(jī),還沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的運(yùn)行考驗(yàn)。

表1 我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)[1,2,3,5]

表2 國(guó)內(nèi)、外內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)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(jī)功率的有效措施之一,由于近代增壓技術(shù)的迅速發(fā)展,可使P e值顯著提高。Pe值的增高可提高比功率,但也會(huì)導(dǎo)致更高的機(jī)械負(fù)荷,對(duì)設(shè)計(jì)和工藝制造技術(shù)水平要求也愈高。我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)的平均有效壓力,除12V 280ZJ型柴油機(jī)外,均不超過(guò)2.0,現(xiàn)批量生產(chǎn)(第2、3代)的柴油機(jī)P e值更低。而國(guó)外,特別是美國(guó)和德國(guó)大功率柴油機(jī)的P e均超過(guò)2.1。在這方面國(guó)產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)與國(guó)際先進(jìn)水平還有一定差距。

(3)活塞平均速度C m

中速柴油機(jī)的活塞平均速度Cm一般在8～10 m/s,我國(guó)的C m基本在10 m/s左右,與國(guó)外的先進(jìn)水平?jīng)]有太大的差別,已接近國(guó)際先進(jìn)水平。

(4)強(qiáng)化系數(shù)

我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)的活塞平均速度Cm雖然已接近國(guó)際先進(jìn)水平,但平均有效壓力Pe與國(guó)際先進(jìn)水平的差距,導(dǎo)致了強(qiáng)化系數(shù)的差距。我國(guó)批量生產(chǎn)的柴油機(jī)強(qiáng)化系數(shù)大多在13～17間,與國(guó)際先進(jìn)水平有較大的差距。而我國(guó)研發(fā)的柴油機(jī)(如12V 280ZJ)強(qiáng)化系數(shù)達(dá)到了23.9,強(qiáng)化程度接近國(guó)外先進(jìn)水平。

(5)燃油消耗率

我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)的燃油消耗率g e絕大多數(shù)≥205 g/(kW?h),與國(guó)外一般水平(≤200 g/kW?h)還有一定差距,與國(guó)際先進(jìn)水平(182～187 g/kW?h)的差距更大(高出9%～12%)。雖然在第4代內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)裝用了電子噴射系統(tǒng),但其主要零部件仍需外購(gòu),仍需進(jìn)一步掌握軟件設(shè)計(jì)及控制、調(diào)整等技術(shù)。

(6)耐久可靠性

機(jī)車運(yùn)用受到鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)管理的約束,列車安全正點(diǎn)必須保證,這樣作為機(jī)車‘心臟'的柴油機(jī)可靠性、耐久性就顯得更加重要。柴油機(jī)大修周期的長(zhǎng)短可直接反映出耐久可靠性的好壞,柴油機(jī)的大修周期一般與機(jī)車的大修周期一致,大修周期用機(jī)車的走行公里來(lái)表示。美國(guó)柴油機(jī)大修周期一般大于等于160萬(wàn)km[5](我國(guó)1984年從美國(guó)進(jìn)口的ND5型內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)(7HDL型)大修周期為192萬(wàn)km),是我國(guó)現(xiàn)有柴油機(jī)大修周期(90萬(wàn)km)的2倍。我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)用強(qiáng)度是世界上最高的,若考慮柴油機(jī)的負(fù)荷率等因素,可以認(rèn)為我國(guó)的內(nèi)燃機(jī)車走行80萬(wàn) km,相當(dāng)于美國(guó)內(nèi)燃機(jī)車走行120萬(wàn) km,則大修里程即為其75%。即使如此,我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)的耐久可靠性與國(guó)外仍有較大的差距。

(7)排放

近年來(lái)世界各國(guó)為了控制機(jī)車柴油機(jī)的有害排放物,紛紛制定了具有法規(guī)效能的排放標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量方法。發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)對(duì)柴油機(jī)的排放己有了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。歐洲執(zhí)行的是 UIC 624Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)執(zhí)行的是EPA-Tier2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。而我國(guó)對(duì)機(jī)車柴油機(jī)的排放認(rèn)識(shí)與起步都比較晚,近幾年才開始進(jìn)行一些研發(fā)性試驗(yàn)和對(duì)引進(jìn)內(nèi)燃機(jī)車的驗(yàn)收性試驗(yàn)。鐵道部于2006年將UIC 624 O標(biāo)準(zhǔn)等同轉(zhuǎn)化為鐵路推薦性標(biāo)準(zhǔn)(TB/T2783-2006),但至今并未真正實(shí)施。

對(duì)于內(nèi)燃機(jī)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(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈化。機(jī)內(nèi)凈化著重于從改善燃燒角度來(lái)降低排放物,機(jī)外凈化則著重于在廢氣排入大氣前將其中有害物質(zhì)分離去除。一些減排措施對(duì)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(jù)控制目標(biāo)來(lái)確定減排技術(shù)。

表3 降低NOX和PM排放水平的主要措施

(8)單位功率質(zhì)量

如果從柴油機(jī)單位功率質(zhì)量看,不僅國(guó)產(chǎn)批量生產(chǎn)柴油機(jī)的數(shù)字大得多,而且國(guó)產(chǎn)新型柴油機(jī)的數(shù)字也比國(guó)外新型柴油機(jī)的大。對(duì)我國(guó)大功率機(jī)車軸重的限制是不利的。由此可見,我國(guó)自行研發(fā)內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)的強(qiáng)化程度、燃油消耗率、耐久可靠性、排放、單位功率質(zhì)量等方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比,差距仍然較大。但近年來(lái)的第4代交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(機(jī)車用柴油機(jī)為我國(guó)與國(guó)外合作開發(fā)的新產(chǎn)品),雖然只是樣車,柴油機(jī)的主要性能巳接近世界先進(jìn)水平。但因設(shè)計(jì)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(chǎn)的新型機(jī)車(HXN 3型和HXN 5型)柴油機(jī)已達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

3 內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

2004年國(guó)家公布了我國(guó)鐵路史上第一個(gè)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》,鐵道部根據(jù)此《規(guī)劃》確定了推進(jìn)鐵路技術(shù)裝備現(xiàn)代化的總體方針,即“引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)、聯(lián)合設(shè)計(jì)生產(chǎn)、打造中國(guó)品牌”。

大功率內(nèi)燃機(jī)車(柴油機(jī)裝車功率均為4 660 kW,其主要參數(shù)見表1)是以鐵道部為主導(dǎo),以國(guó)內(nèi)企業(yè)為主體,掌握核心技術(shù)為目標(biāo),推進(jìn)我國(guó)企業(yè)對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化吸收和自主創(chuàng)新,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)打造自有品牌的目標(biāo)。機(jī)車柴油機(jī)性能均是當(dāng)前國(guó)際上較為先進(jìn)、成熟、可靠的柴油機(jī),從而開發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平、成熟可靠的柴油機(jī)。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車及裝車用柴油機(jī)發(fā)展取得了舉世矚目的成就,內(nèi)燃機(jī)車裝用的柴油機(jī)性能已得到很大的提高,技術(shù)引進(jìn)、消化、吸收再創(chuàng)新,使柴油機(jī)的性能盡快達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

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