劉 軍， 朱延東， 孟玉發(fā)， 葉頂康

(中車資陽機車有限公司 研發(fā)部， 四川資陽 641301)

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大功率雙燃料機車的研制*

劉 軍， 朱延東， 孟玉發(fā)， 葉頂康

(中車資陽機車有限公司 研發(fā)部， 四川資陽 641301)

介紹了國內首臺雙燃料機車的主要技術參數(shù)、總體布置和性能特點。

雙燃料機車； 雙燃料發(fā)動機； 總體布置； 關鍵技術； 特點

近年來節(jié)能環(huán)保成為發(fā)展潮流，對內燃機車及其柴油機的要求不斷提高，內燃機車技術在以提高單缸功率、可靠性和效率為主要技術特征的基礎上，又突出了降低燃油和機油消耗、減少有害物質的排放和降低噪聲水平的技術要求。尤其是隨著石化能源日趨緊張，減少燃油消耗、尋找替代能源成為內燃機車技術發(fā)展的新趨勢。國家在重點領域和任務中鼓勵“替代燃料內燃機產品研發(fā)”，鼓勵替代燃料發(fā)動機與現(xiàn)有發(fā)動機制造體系兼容，積極發(fā)展柴油/天然氣雙燃料內燃機的應用試點工作，加強內燃機高效燃用替代燃料、有效控制非常規(guī)排放等基礎研究，重點掌握天然氣供應系統(tǒng)、點火及其電控系統(tǒng)等關鍵核心技術?；谝陨闲蝿?，中車資陽機車有限公司協(xié)同中車玉柴四川發(fā)動機有限公司研制出國內首臺雙燃料機車。該機車裝用以LNG(液化天然氣)清潔能源作為主要燃料的雙燃料發(fā)動機，裝車功率達到3 680 kW，主傳動系統(tǒng)和輔助傳動系統(tǒng)均采用交流傳動方式。

1 國外發(fā)展狀況

1983年1臺EMD制造的GP.9型內燃機車(裝用l6缸、1 300 kW、567C型柴油機)改造成燃燒雙燃料運行。從1985～1987年進行線路試驗證明，該機車可以安全運行，壓縮天然氣相對低的能量密度使得它不適合于長途使用，因而該鐵路的開發(fā)研究重點轉向液化天然氣。

1986年1臺EMD制造的567B發(fā)動機被改造成雙燃料發(fā)動機，其中液化天然氣作為主燃料，占總燃料能量的99%，柴油僅作為輔助燃料用來點燃液化天然氣。

上世紀80年代末，伏羅希洛夫格內燃機車制造廠制造了俄羅斯首批國產干線天然氣內燃機車。每臺天然氣內燃機車均由3節(jié)車組成：2節(jié)柴油機車和1節(jié)燃料車。

上世紀80年代末，俄羅斯研制了ТЭ18Г雙燃料調車內燃機車。該機車從司機控制器第4手柄位開始進入天然氣—柴油模式工作，35%～50%的柴油由天然氣來取代，燃油的總消耗量降低17%～25%。

1992年3月EMD與聯(lián)合太平洋鐵路簽訂了一項改造兩臺EMD 3 000 kW SD60M型機車的協(xié)議。經改造的機車不僅能單獨使用柴油運行，還能使用雙燃料即柴油和高壓天然氣運行。1992年5月通用電氣公司的運輸系統(tǒng)分部宣布，他們將為UP鐵路研制一臺雙燃料3 000 kW Dash8型機車。然而兩家公司所做的天然氣機車研究開發(fā)工作一直持續(xù)到1995年，當時兩家公司設計方案的高壓燃料噴射系統(tǒng)均遇到了技術困難，再加上在柴油機車上引用了許多其他技術，這導致了兩家制造商暫停了各自的液化天然氣貨運機車計劃。

1993年MK Rail公司研制出MK 12COG型調車機車。這是一種純燃燒液化天然氣的機車，它裝用1臺輸出功率為1 000 kW 的Caterpillar 3516G型渦輪增壓、中冷、火花點火、稀混合氣發(fā)動機。此種液化天然氣發(fā)動機的排放特性使得它用于洛杉磯地區(qū)尤其有吸引力。

2003年秘魯FCCA公司為減輕環(huán)境污染及降低投資和運行成本，決定采用將機車改用雙燃料機車(甲烷+柴油)。2005年FCCA公司使用GE30-7 NO.1004號機車在海拔1 500 m的圣巴托洛梅至海拔4 200 m的莫爾基進行了試驗。試驗的成功使得FCCA鐵路公司將所屬的7臺大功率的GE機車改裝成雙燃料機車。

近幾年隨著天然氣價格與油價價格差增大以及雙燃料機車相關技術的進步，各國(俄羅斯、美國、伊朗等國)又相繼開發(fā)了新的雙燃料機車。

2 雙燃料機車關鍵技術

2.1 雙燃料發(fā)動機技術

雙燃料發(fā)動機的氣缸內同時燃燒柴油和天然氣兩種燃料，二者的比例可控可調。在吸氣沖程中，高壓天然氣與增壓空氣一起進入氣缸，形成混合燃氣。霧化柴油直接噴入氣缸內自燃著火，形成多個火源，點燃氣缸內均勻分布的混合燃氣。柴油和天然氣混合燃燒，釋放能量對外做功。在發(fā)動機每個氣缸的氣缸蓋上安裝一個燃氣電噴閥，在各氣缸的進氣支管處進行燃氣噴射，燃氣隨空氣一起直接進入氣缸內。燃氣電噴閥的開啟和關閉按發(fā)動機發(fā)火順序及配氣相位時刻進行精確控制。采用先進的電控系統(tǒng)及柴油/雙燃料模式控制策略，使雙燃料機車發(fā)動機可以分別工作在柴油模式和雙燃料模式下，并可以靈活方便地在兩種模式之間切換。

2.2 LNG機車存儲技術

LNG儲罐是可以多次重復充裝的低溫絕熱壓力容器，其作用是儲存并供給燃料。當液化天然氣機車工作時，儲罐中的液化天然氣在自身增壓系統(tǒng)作用下從用液管中流出，經燃料切斷閥和過濾閥進入汽化器內被加熱汽化，在滿足溫度和壓力的前提下供機車使用。相比固定式LNG儲罐，機車用LNG儲罐為發(fā)動機提供一定壓力和流量的動力源，同時，機車工作過程中存在不同方向、不同頻率的振動及沖擊作用，機車用天然氣儲存罐采用強化結構設計來滿足機車的運行工況。

2.3 燃氣系統(tǒng)

燃氣系統(tǒng)是為雙燃料發(fā)動機提供一定溫度、壓力和流量的天然氣，保證發(fā)動機正常運行的一套供氣系統(tǒng)。LNG從儲罐中流出，流經汽化器、差壓閥及相關管路后，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)天然氣，且天然氣的溫度、壓力、流量滿足發(fā)動機要求。由于雙燃料發(fā)動機運行工況復雜，與發(fā)動機工況相匹配是燃氣系統(tǒng)的關鍵。主要參照發(fā)動機穩(wěn)壓箱進氣壓力，通過差壓閥調節(jié)燃氣進氣壓力，保證發(fā)動機在不同工況運行時有穩(wěn)定、匹配的燃氣壓力。

2.4 機車安全防護技術

天然氣屬于易燃易爆氣體，對于雙燃料機車來說，在滿足機車功能的前提下，整車安全性尤為重要。除發(fā)動機、燃氣管路、LNG儲罐自身考慮安全性外，整個機車的電氣系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、報警探測系統(tǒng)、防靜電、防火、防爆設計都要進行合理規(guī)劃。

3 機車總體布置

雙燃料機車總體布置如圖1所示。機車分上、下兩部分，上部為車體及設備，車體中部燃油箱與車體焊接成一體。下部為兩臺三軸轉向架，前后轉向架除手制動裝置外其余部件均可互換，轉向架為徑向轉向架。

機車車體采用內走廊、桁架式承載車體。它被五道隔墻分為6部分：從前至后依次為Ⅰ端司機室、電氣室、動力室、冷卻室、LNG室和Ⅱ端司機室。

圖1 機車總圖

3.1 司機室

司機室內部設備按人機工程學原理進行布置，做到美觀、舒適、操作方便。司機室前端為操縱臺，操縱臺左側為操縱工作臺面，安裝有制動閥、司控器、風表模塊、監(jiān)控顯示屏、微機顯示屏、各種開關和按鈕，操縱臺右側下部裝有冰箱。司機室中部為兩個可以調節(jié)高度、前后和旋轉的座椅，司乘人員可以自行調節(jié)座椅。司機室后端隔墻由下至上分別安裝有電取暖器、添乘座、滅火器、緊急制動閥、甲烷報警裝置和衣帽鉤等。司機室頂部安裝有照明燈、風扇和空調。Ⅰ、Ⅱ端司機室布置基本相同，可實現(xiàn)對機車雙端操縱。不同之處是Ⅱ端司機室隔墻上安裝有手制動裝置。

3.2 電氣室

電氣室下部布置低壓電器柜、監(jiān)控一體柜、380 V電源、牽引電機通風機和主變柜及其散熱器，電氣室靠Ⅰ司機室側上部為制動電阻裝置。

低壓電器柜面向走廊開門，可在走廊上直接對電器柜進行操作和檢修。

監(jiān)控一體柜下部為380 V電源、前轉向架牽引電機通風機組和兩個滅火器。

主變柜包括整流器、逆變器及其控制裝置。逆變器采用大功率IGBT元件，使用水冷的方式冷卻。

電氣室兩側墻上各設一個行李架。

3.3 動力室

動力室靠電氣室隔墻一側上方為主發(fā)電機通風機組，通風機組的兩側安裝有發(fā)動機控制箱和電調控制器。從主發(fā)電機上部頂蓋上的人孔蓋可以攀登到機車頂部。

動力室靠冷卻室隔墻上安裝有機油泵、機油熱交換器和天然氣調壓器。

動力室中部為一臺雙燃料發(fā)動機，發(fā)動機彈性的安裝在車架上，主發(fā)電機通過連接箱和彈性聯(lián)軸節(jié)與發(fā)動機相連。

動力室兩側為發(fā)動機進氣裝置采用單元式空氣濾清器，兩臺車體通風機組斜對稱地布置在動力室側墻上。柴油—天然氣雙燃料發(fā)電機組的兩側分別設有燃油粗濾器、預供燃油泵機組、燃油預熱器等。

為保證燃氣泄漏時在有限范圍擴散，隔墻門安裝了閉門器，防止甲烷擴散到其他各室。同時，動力室頂部安裝有防爆通風機，在發(fā)生甲烷泄漏時，能及時將車內氣體排到車外。

動力室頂蓋上裝有甲烷探測裝置和火災報警裝置，兩側墻上各設一組滅火器。

3.4 冷卻室

冷卻室下方主要布置有變速箱、輔變柜、電空制動控制柜、后轉向架牽引電機通風機組、兩臺螺桿式空氣壓縮機組及空氣干燥器。在變速箱上方布置有水箱。冷卻室頂部為頂置式散熱器，以及兩個φ1 500 mm的冷卻風扇及其驅動電機。

3.5 LNG室

LNG室內中部放置幾何容積為2.7 m3的罐體，罐體上安裝有液位儀、壓力表及相關的操作閥門。LNG室左側安裝有汽化器，通過汽化器側的百葉窗可對LNG罐進行加液操作。

為了保障LNG設備安裝空間的有效通風，LNG室的兩側墻百葉窗都為固定打開式，頂蓋采用鋼板網(wǎng)。

LNG室側墻上裝有防爆燈，頂蓋上裝有甲烷檢測裝置。

4 機車主要技術參數(shù)

用途 干線貨運牽引

軌距/mm 1 435

環(huán)境條件 GB/T 3314-2006《內燃機車通用技術條件》中規(guī)定的使用環(huán)境條件要求

限界 GB 146.1-1983《標準軌距鐵路機車車輛限界》(車限-1A、車限-1B)

主傳動方式 交直交電傳動

輔助傳動方式 交直交電傳動

發(fā)動機裝車功率/kW 3 680(UIC標準 額定條件下)

軸式 C0-C0

輪徑/mm 1 050

軸重/t 25

燃油儲量/dm39 000

LNG儲量(有效容積)/dm32 400

機油儲量/kg 1 200

冷卻水儲量/kg 1 200

沙儲量/kg 800

通過最小曲線半徑/m 100

最高運行速度/(km·h-1) 120(半磨耗)

最大啟動牽引力/kN 600(半磨耗)

持續(xù)牽引力/kN 560(半磨耗)

持續(xù)速度/(km·h-1) 19(半磨耗)

電阻制動最大輪周功率/kW 4 400

最大輪周制動力/kN 380

5 機車牽引和制動性能

雙燃料機車牽引特性曲線和制動特性曲線分別如圖2和圖3所示。

圖2 雙燃料機車牽引特性曲線

圖3 雙燃料機車電阻制動特性曲線

6 雙燃料機車特點

6.1 排放低

LNG作為一種清潔能源，相對于傳統(tǒng)的內燃機車，雙燃料機車采用油、氣混合燃燒，并可實現(xiàn)替代85%的最大燃油率，能明顯降低廢氣污染排放。根據(jù)試驗初步統(tǒng)計，雙燃料機車與同等功率的純柴油機車相比，可減少氮氧化物排放25%、硫化物80%、懸浮顆粒90%，減排效果顯著。

6.2 燃料成本低

根據(jù)初步計算，在平均替代率50%(包括怠速、低負荷、高負荷等不同情況)的條件下，雙燃料機車的燃料成本降低20%左右，按每天機車(發(fā)動機裝車功率3 680 kW)

工作18 h，每年工作300天計算，每年的燃料可節(jié)約260萬元左右。如果燃油與燃氣價格差增大及機車在大負荷條件下工作時間長，燃料成本還將繼續(xù)降低。

6.3 機車輔助功率消耗低

雙燃料發(fā)動機工作過程中，采用的是氣態(tài)天然氣進行燃燒，因而需要將LNG汽化后才能滿足發(fā)動機的供氣要求。通過采用發(fā)動機冷卻水為LNG汽化提供熱量，不僅為LNG汽化提供了熱源，而且冷卻了發(fā)動機做功所散出的熱量，相比傳統(tǒng)的內燃機車主要靠散熱器散熱，降低了機車輔助功率消耗(200 kW左右)，提高了機車使用效率。

7 試 驗

雙燃料機車在完成燃油調試試驗、LNG燃氣系統(tǒng)管路氣密性及耐壓試驗和LNG安全測試試驗后，進行LNG供氣系統(tǒng)調試試驗，表1雙燃料機車試驗數(shù)據(jù)為機車在雙燃料模式下進行的自負荷試驗數(shù)據(jù)，試驗時間從14:30開始一直到15:38結束，完成了機車從6檔位到16檔位的雙燃料模式調試。從試驗數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分布圖4中，可以得出以下結論：

(1)從試驗的最終結果來看，雙燃料機車能在各檔位上發(fā)出機車所需功率，是滿足機車的性能要求。

(2)汽化所用熱水是流經機油熱交換器后流入汽化器進行熱交換，從機油熱交換器后水溫和汽化器后水溫對比數(shù)據(jù)來看，6～16檔過程中隨著檔位的升高，汽化前后水溫差從1℃上升到6℃，燃氣溫度由28℃上升到47℃，調壓后燃氣壓力及發(fā)動機所發(fā)出的功率滿足設計值，證明汽化器汽化能力完全滿足機車各種功率等級的需求，而且隨著檔位的升高，交換所需的能量也在增加。

(3)從檔位—溫度趨勢圖中可以看出，隨著檔位的升高除高溫水出水溫度有明顯的下降趨勢其余都呈現(xiàn)出上升趨勢，說明高溫水冷卻能力有較大的富裕量。

(4)從調壓后燃氣壓力可以看出，隨著發(fā)動機功率的增加，燃氣需求量增大，調壓后燃氣壓力始終滿足高于穩(wěn)壓箱100 kPa，表明供氣系統(tǒng)設計滿足發(fā)動機的燃氣進氣壓力和流量要求。

圖4 雙燃料模式試驗數(shù)據(jù)

表1 雙燃料機車試驗數(shù)據(jù)(2014年12月13日)

(5)從檔位—壓力趨勢圖中可以看出，隨著檔位的升高調壓后燃氣壓力平穩(wěn)上升，LNG罐內壓力雖有波動但總的趨勢平穩(wěn)，而汽化器后燃氣壓力在低檔位時都是隨LNG罐內壓力波動而波動，隨著手柄位升高，氣化后燃氣壓力最終降至660 kPa。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因由于檔位越高發(fā)動機用氣量越大，燃氣流量也在增大，致使燃氣壓力下降。雖然在16檔的汽化后燃氣壓力只有660 kPa，也滿足差壓閥所需最低壓力要求。

(6)整個試驗運行1個，LNG消耗量為324 dm3，燃油消耗量為220 dm3，通過熱燃燒比值來算，消耗324 dm3的LNG相當于約為264 dm3的燃油，進而試驗過程中雙燃料機車的替代率約為54.5%。

8 結束語

雙燃料機車于2014年1月完成組裝，并在廠內進行了常規(guī)內燃機車試驗以及雙燃料機車特有的LNG供氣系統(tǒng)調試試驗、LNG系統(tǒng)安全檢測試驗等試驗項目。機車于2014年12月通過了由中車股份有限公司組織的樣機評審，并得到了專家組的一致肯定。后續(xù)機車將投入到實際線路中進行運用考核，進一步對機車可靠性和安全性進行驗證。雙燃料機車作為新一代經濟、環(huán)保型內燃機車，其研制成功具有跨時代意義。

[1] 鮑維千.內燃機車總體及走行部[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

[2] 饒 忠.列車牽引計算[M].北京：中國鐵道出版社，1996.

Development of The High Power Dual-fuel Locomotive

LIUJun，ZHUYandong，MENGYufa，YEDingkang

(Research and Development Department, Ziyang Locomotive Co. , Ltd., Ziyang 641301 Sichuan, China)

This article mainly introduced main technical parameters, general layout and performances of the first domestic dual-fuel locomotive.

dual-fuel locomotive; dual-fuel engine; general layout; key technology; characteristics

*中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2013J011-K)

男，工程師(

2016-03-06)

專題研究

1008-7842 (2016) 05-0016-05

TK46，U268.6

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.04