伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司 上海 200438）

世界石油資源短缺和石油價格暴漲對整個世界經(jīng)濟產(chǎn)生了巨大的沖擊，而給美國、日本和西歐這類石油主要靠進口的工業(yè)化國家所帶來的沖擊和影響尤甚。然而，事物總是具有兩面性，這場危機使人們更加深刻地認識到了石油依賴進口的致命弱點，因而開始考慮重新調(diào)整其能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)、同時大力開展節(jié)能運動和積極尋求代用能源。

人們在尋求石油的替代能源時首先想到的就是煤炭。這其中的主要原因有三條：一是煤的儲量豐富；二是相對石油和天然氣來說煤的價格較便宜；三是在當時煤的開采、洗選、加工、轉(zhuǎn)化等技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到相當高的水平。

1 以煤作為燃料的機車技術(shù)發(fā)展史

燃煤機車并不是個新概念。煤曾推動了鐵路事業(yè)的發(fā)展，其充當機車的主燃料源歷經(jīng)100 余年。19 世紀初誕生于英國的機車正是出于尋求一種更簡單、更有效的把煤從煤礦運送出去的方法而被創(chuàng)造的?！拌F路”和“蒸汽機”這兩項早期發(fā)明的結(jié)合誕生了機車。盡管在當時機車發(fā)動機常有各種各樣的機械故障，但是機車運輸成本仍比各種畜力車運輸成本低，因為其燃用的是來自煤礦的廉價煤燃料，而非消耗昂貴的飼料。

如同所有新生事物，用機車替代畜力運輸，在剛開始時也曾受到人們的懷疑，甚至各類刁難。然而蒸汽機車無可比擬的優(yōu)越性使其得以不斷發(fā)展壯大，且隨著鐵路的擴展而得到越來越廣泛的應(yīng)用。在19 世紀初乃至一直持續(xù)到20 世紀的相當長一段時間內(nèi)，以煤為燃料的蒸汽機車一直是運輸行業(yè)的主力軍。

直到19 世紀末電動機技術(shù)開始成熟，才有了除蒸汽機車之外的其它選擇。即便在那時，電力機車仍不是蒸汽機車的強力競爭對手。正如今天的情形一樣，電力機車只是應(yīng)用在人口較密集的地區(qū)。蒸汽機車的第一個真正的對手是以柴油機為動力的內(nèi)燃機車。

柴油機發(fā)明于19 世紀末，并在20 世紀初得到進一步完善。在20 世紀20 年代，柴油機開始進入鐵路市場，充當調(diào)車機車的動力裝置。鐵路部門發(fā)現(xiàn)，內(nèi)燃機車的運營比蒸汽機車簡單、便宜，進而又確認了內(nèi)燃機車是第一合理的動力源。正是這種選擇引發(fā)了一場關(guān)于機車動力裝置的革命［1-3］。

柴油機占領(lǐng)鐵路市場的階段恰恰是機車動力系統(tǒng)技術(shù)大發(fā)展的階段。在當時，鐵路對機車動力裝置的型式（包括蒸汽機、柴油機和燃氣輪機）、機車傳動系統(tǒng)（包括機械傳動或電傳動）以及燃料型式（包括煤、油和氣體燃料）都面臨著幾種選擇。

在歐洲和北美地區(qū)，曾制造了不少燃氣輪機車，并投入了實際運用。當時擁有燃氣輪機車數(shù)量最多的是美國的聯(lián)合太平洋鐵路公司。其中有一臺燃氣輪機車被改造成燒煤燃料，因受當時的技術(shù)水平限制，在實際運用中未能獲得成功。

隨著機車技術(shù)的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)石油燃料不但價廉且可充分滿足供應(yīng)需求。截至1950 年，廉價的石油燃料供應(yīng)成為鐵路的理想選擇。雖然煤價也同樣低廉，但當時的燃煤機車卻無力與不斷發(fā)展的以柴油機為基礎(chǔ)的新型機車所表現(xiàn)的許多優(yōu)勢抗衡。新型柴油機的主要優(yōu)勢是效率高、靈活性好及維修成本低。正因為如此，燒煤的蒸汽機車最終難逃遭淘汰的厄運。在美國等地區(qū)，燃用石油燃料的電傳動內(nèi)燃機車成為鐵路的唯一選擇。截至20 世紀50 年代末，蒸汽機車已從美國干線貨運中完全消失。20 世紀90 年代末期，蒸汽機車在我國逐步退出了歷史舞臺。

今天，鐵路運輸部門和機車制造部門再次面臨著經(jīng)濟危機問題，解決這些問題的辦法也許會再次引發(fā)一場機車革命。業(yè)界普遍認為，盡管眼下石油燃料供應(yīng)看來不成問題，且價格也不象原先預(yù)計的那么高，但鐵路最終將受到更高的燃油價格和可獲得性的制約。所以，研究和開發(fā)一種在技術(shù)上可行、在經(jīng)濟上有吸引力的、以煤為燃料的新一代內(nèi)燃機車也有著一定的技術(shù)前景。一旦這種機車開發(fā)成功并進入商品化，其經(jīng)濟意義和戰(zhàn)略意義將是不言而喻的。

2 水煤漿作為內(nèi)燃機車燃料的技術(shù)可行性研究

以煤為燃料的內(nèi)燃機車的技術(shù)關(guān)鍵在于柴油機。事實上，柴油機燒煤燃料并不是一個新的研究課題。早在19 世紀末，就已有人提出了柴油機燒煤的設(shè)想，并在隨后進行了大膽的嘗試。在經(jīng)過了幾年的試驗研究之后，被迫放棄了這一研究課題。導(dǎo)致研究失敗的原因是當時所用的煤粉燃料的供送、柴油機噴嘴、活塞環(huán)等零部件過快磨耗等技術(shù)問題無法克服。20 世紀初，繼續(xù)開展了針對柴油機燒煤粉燃料的開發(fā)研究，并且取得了巨大的進展，成功地進行了柴油機從燒粉煤到硬煤的示范性運行。在這一階段，德國曾先后制造了19 臺氣缸工作容積從1 L～154 L、轉(zhuǎn)速從160 r/min～1 600 r/min 的燒煤粉運行試驗型發(fā)動機。截至1940 年，這些試驗機累計運行達數(shù)千小時［4］。第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束亦宣告了當時德國人積極進行燃煤柴油機研究工作的結(jié)束。這一方面是由于戰(zhàn)爭的影響，另一方面是由于當時石油燃料價格便宜且供應(yīng)不成問題，人們對柴油機燒煤燃料已不感興趣。自那以后一直到1980 年，在全世界范圍內(nèi)對燃煤柴油機的研究只是零零星星地進行著。

自20 世紀80 年代初，在美國開展了一場較大規(guī)模的燃煤柴油機開發(fā)研究活動?？偨Y(jié)和吸取了前人的經(jīng)驗，在對煤粉、氣化煤、液化煤、煤/甲醇漿、煤/柴油漿等各種燃料形式方案進行了對比分析和試驗之后，最后選擇了水煤漿這一燃料形式。由于時代的進步，技術(shù)的發(fā)展，當年在燃煤柴油機研究試驗中所遇到的各種無法逾越的障礙或技術(shù)難題在今天有些已經(jīng)不再成為問題，有些則得到了有效控制或解決。

柴油機應(yīng)用煤燃料的技術(shù)關(guān)鍵在于燃料制備、燃料噴射和發(fā)火燃燒、耐久性及排放控制等方面。目前在這些關(guān)鍵領(lǐng)域部已經(jīng)取得了突破性的進展。各種研究結(jié)果證實，水煤漿柴油機在技術(shù)上是可行的。盡管在當時的研發(fā)過程中，某些局部方面還不夠完善，但開發(fā)者們相信，通過進一步的努力，水煤漿柴油機將會達到商業(yè)應(yīng)用水平。

內(nèi)燃機車燃用水煤漿技術(shù)關(guān)鍵在于柴油機，只要解決了柴油機方面的問題，整個機車系統(tǒng)的其它問題并不難解決。例如，與燃用柴油的普通內(nèi)燃機車相比，燃用水煤漿的內(nèi)燃機車的一個主要問題是燃料的儲存和攜帶。由于水煤漿的熱值一般只有柴油的二分之一，所以為了保持燃用水煤漿的內(nèi)燃機車具有與柴油內(nèi)燃機車相等的行走里程，就需要攜帶兩倍于柴油的水煤漿。在開發(fā)燃用水煤漿的內(nèi)燃機車的同時，以美國干線內(nèi)燃機車為例，其燃油箱最大容積為4 000 美制加侖，在此基礎(chǔ)上再增加4 000 美制加侖的容積和重量，因受機車有效空間限制，在結(jié)構(gòu)布置上有一定困難，同時也會引起軸重超限的問題。針對這類問題，當時GE 公司和GM 公司考慮了不同的解決方案：GE 公司的解決方案是機車采用六軸設(shè)計，并將機車總長度加長3 m 左右；GM 公司的解決方案是采用3 臺機車聯(lián)掛，外加一節(jié)共用的水煤漿燃料車［5-6］。

總之，燃用水煤漿的內(nèi)燃機車在技術(shù)上是可行的，問題在于其自身經(jīng)濟性。如果它在經(jīng)濟上亦具有明顯的優(yōu)勢，那將是一種很有前途的新一代內(nèi)燃機車。

3 水煤漿用作于內(nèi)燃機車燃料的經(jīng)濟可行性研究

眾所周知，在進行研發(fā)和生產(chǎn)某種新產(chǎn)品尤其是大型產(chǎn)品的決策之前，通常都要進行詳細而周密的經(jīng)濟性分析。在燃煤機車開發(fā)研究之初，盡管普遍認為燃煤機車在經(jīng)濟上很有吸引力，但作為機車生產(chǎn)廠家的GE 和GM 公司仍然對機車的經(jīng)濟性作了充分的分析和評估，并在其后的技術(shù)開發(fā)過程中不斷對初期所作分析獲得的結(jié)果進行驗證和修正。

相關(guān)研究分析的結(jié)果表明：由于燃料不同，1 臺大功率（2 982.8 kW）的燃用水煤漿的干線內(nèi)燃機車與同等功率的普通內(nèi)燃機車相比，其制造成本將增加25 萬～30 萬美元。所增加的這部分費用有一大部分是加裝排放控制系統(tǒng)的費用，其次是發(fā)動機零部件（包括加裝的零部件和采用昂貴的超硬材料制作的耐久零部件）的費用，以及機車系統(tǒng)的加裝改造費用。

鐵路用戶需要為每臺燃用水煤漿的內(nèi)燃機車多支付的費用還不止這25 萬～30 萬美元的購置成本。鐵路公司需要額外支付的費用項目還包括針對水煤漿燃料的運輸成本、增加的維修成本（主要是柴油機）、增加的機油成本（使用水煤漿燃料，發(fā)動機機油更易遭受污染，所以機油更換周期將比普通柴油機更為頻繁）等。

機車制造成本及以上所列運用、維修成本的額外費用必須靠水煤漿燃料成本與柴油成本之間的差價來補償。所以，燃用水煤漿的內(nèi)燃機車在經(jīng)濟上有沒有吸引力或者說其經(jīng)濟性優(yōu)勢的大小，主要取決于煤和柴油兩者之間的價格差，這也是整個燃煤內(nèi)燃機車經(jīng)濟性評估的基礎(chǔ)。

4 柴油機燃用水煤漿的技術(shù)研究與開發(fā)［7-8］

4.1 技術(shù)研究與開發(fā)

這里所說的技術(shù)研究與開發(fā)指的是燃燒、燃料、排放及耐久性等主要方面。按計劃，要通過試驗臺試驗和單缸機試驗來進行。燃燒研究和開發(fā)的首要任務(wù)是，在對現(xiàn)有機械式柴油噴射裝置只作盡可能小的修改的前提下燃用水煤漿，以便盡快獲得實際尺寸的多缸機的運用經(jīng)驗。所獲得的經(jīng)驗將用來指導(dǎo)完成下一步任務(wù)，即開發(fā)一種經(jīng)過改進的、能夠優(yōu)化水煤漿在柴油機里燃燒的電子控制式燃料噴射系統(tǒng)。燃料研究與開發(fā)的任務(wù)有兩項：一是確認影響發(fā)動機燃燒的水煤漿特征參數(shù)；二是拓寬發(fā)動機對最廣范圍的煤燃料技術(shù)條件的可接受性。排放研究與開發(fā)的目標是確認燒煤柴油機的排放特性，開發(fā)一種能使這種發(fā)動機達到與燒柴油同樣潔凈水平的排放控制系統(tǒng)。耐久性研究的目的是，在合理的成本前提下開發(fā)為提供可與今天的以油為燃料的柴油機相媲美的發(fā)動機壽命所需的新材料和新工藝。

4.2 燃料研究與開發(fā)

進一步的水煤漿燃燒優(yōu)化研究是在單缸機上完成的。優(yōu)化燃燒研究的目標是獲得最高的燃燒效率（煤的燒盡率），同時又不使發(fā)動機零部件承受的燃燒壓力超限，并使發(fā)動機具有理想的燃料消耗率。只使用最少量的引燃柴油也是優(yōu)化燃燒研究的目標之一。所研究的參數(shù)包括水煤漿噴射壓力，水煤漿和引燃柴油噴射定時，水煤漿噴嘴的噴孔尺寸、數(shù)量、形狀和噴射角度，以及發(fā)動機進氣等條件。在研究中觀察到了許多有趣的現(xiàn)象。例如，實際上水煤漿是在其噴束撞擊到燃燒室壁之后才會發(fā)火燃燒的。只要噴束不是過度地撞擊燃燒室壁或撞擊較冷的氣缸套表面，就不一定會阻礙燃燒。觀察到的另一個有趣的現(xiàn)象是，為了獲得最佳燃燒效果，在較低的負荷工況下，在循環(huán)初期即噴入引燃柴油，以充當點火器的作用。然而，在全負荷工況，應(yīng)在循環(huán)的晚些時候才噴入引燃柴油，以使水煤漿中所含的水分在發(fā)火前有較長的蒸發(fā)延遲時間（滯燃期），從而起到燃燒增強器的作用。

通過大量研究和對比試驗發(fā)現(xiàn)，水煤漿中煤的含量、煤的灰分含量、煤粒尺寸、添加劑、粘度、煤的品級等是影響發(fā)動機燃燒和技術(shù)性能的主要因素。

水煤漿中煤含量過低，因此向發(fā)動機缸內(nèi)輸入的熱能不足，發(fā)動機必然不能發(fā)出所要求的功率。此外，水分含量過高的水煤漿在噴入氣缸后，需要吸收缸內(nèi)較多的熱量才能把水分蒸發(fā)掉（即所謂的“蒸發(fā)潛熱”），這樣就使得缸內(nèi)溫度大大降低，從而影響發(fā)火燃燒。然而，水煤漿中煤含量過高，會導(dǎo)致水煤漿粘度相應(yīng)增高，因而引起燃料管路壓力降升高、噴射壓力過低、燃料供應(yīng)不足、針閥卡滯、不能進行正常噴射等一系列問題。

灰分含量是水煤漿燃料最重要的特征參數(shù)，較低的灰分含量無疑可明顯減輕發(fā)動機的磨耗和潤滑問題。隨著物理的和化學的煤凈化工藝的發(fā)展，目前已能將灰分含量得以有效控制。通常，過低的灰分含量需要采用成本較高的化學凈化工藝才能達到。所以在確定灰分含量這一參數(shù)時需要在性能與成本之間進行合理的折中。在試驗研究之初，為了保證柴油機燒水煤漿運行成功，普遍將灰分含量限制在0.5%左右。后來，隨著在單缸機上獲得了大量的水煤漿運用經(jīng)驗，對煤的灰分含量限制逐漸放寬。

用于配制水煤漿的煤粉粒度大小對燃燒性能亦有一定的影響。將煤碎化到更細小的顆粒尺寸，可以獲得更低的灰分含量，而且可以提高發(fā)火和燃燒速度。所以在以前，人們總認為，煤粒尺寸越小，水煤漿的燃燒性能就越理想。然而，事物總有其兩面性，上述觀點已被大量的燃燒試驗結(jié)果所否定。通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，如同較高的煤含量一樣，較小的煤粒尺寸總是伴隨著水煤漿具有較高的粘度，而粘度增高是引起噴射壓力下降、影響霧化和燃燒質(zhì)量的主要因素。盡管在后來開發(fā)的一種電子控制的蓄壓式燃料噴射裝置可以保持較高的噴射壓力，從而使得較細小的煤粒尺寸的水煤漿細密地霧化和有效地燃燒，但業(yè)界還是普遍認為煤粒尺寸不宜過小。結(jié)合相關(guān)試驗研究情來看，煤粒的平均尺寸一般保持在10 μm 左右。

燃料開發(fā)的另一個重要方面是添加劑。為了保持燥水漿燃料具有理想的貯存和燃燒特性，需要在其中加入各種用途的添加劑。如為了長久存放保持不變質(zhì)的防腐劑、穩(wěn)定劑、防止粘度增高和沉淀的分散劑，防止噴射器針閥卡滯的水溶性潤滑劑等。為了考察這些添加劑本身的性能特點，GE 公司在燃料的開發(fā)研究中亦進行了專門的對比試驗［9-10］。

4.3 耐久性研究與開發(fā)

燃用水煤漿的內(nèi)燃機車的耐久性關(guān)鍵主要在于柴油機。以往的經(jīng)驗表明，燃煤柴油機的耐久性問題是其通往商業(yè)成功之路的最大障礙。燃煤柴油機的耐久性主要涉及燃料噴嘴、活塞環(huán)/氣缸套、渦輪增壓器轉(zhuǎn)子葉片等關(guān)鍵部件。根據(jù)相關(guān)試驗結(jié)果表明，采用標準材料制作的上述零部件在燒水煤漿運行時的磨耗率相當于普通燃料發(fā)動機的50～100 倍。

5 內(nèi)燃機車燃用水煤漿的前景展望

正如上文所述，早在19 世紀末至20 世紀初，業(yè)界就曾開展過柴油機燒煤燃料的試驗研究，但由于當時的技術(shù)限制以及廉價的石油燃料供應(yīng)，燃煤柴油機最終未能取得商業(yè)成功。后來，由于石油危機的影響，重新激起了人們對開發(fā)煤燃料和燒煤燃料的柴油機，尤其是鐵路機車、船舶和固定式發(fā)電用的大型中低速柴油機的興趣。

上文的分析結(jié)果表明，燒煤燃料的電傳動內(nèi)燃機車無論是對鐵路公司還是對機車制造廠家在經(jīng)濟上都將具有吸引力。燃用水煤漿的內(nèi)燃機車經(jīng)濟性優(yōu)勢的大小主要取決于煤和柴油的差價。根據(jù)以往的經(jīng)驗，石油價格浮動（主要是上浮）較大，而煤價則相對比較穩(wěn)定。從發(fā)展趨勢看，兩種燃料的差價應(yīng)該說只會加大，不會縮小。這一結(jié)論的主要依據(jù)是，世界石油資源不足，且消費量日漸增大，而世界煤資源卻相對豐富。

目前，在以煤為燃料的內(nèi)燃機車開發(fā)研究計劃的各個方面都取得了巨大進展。相關(guān)針對燃用水煤漿的內(nèi)燃機車線路試驗的成功，標志著自蒸汽機車以來在重新使用煤燃料開發(fā)中的一個重要的里程碑。計劃的研究與開發(fā)階段已基本結(jié)束。利用研究與開發(fā)階段的技術(shù)成果進行部件開發(fā)的初步結(jié)果正在產(chǎn)生可喜的回報。

所有的跡象都表明，機車在商業(yè)鐵路上的試驗完全可能成功。如果在開發(fā)研究計劃的經(jīng)濟性分析中所預(yù)示的市場環(huán)境成為現(xiàn)實，所開發(fā)的這些新技術(shù)將對現(xiàn)代燃煤內(nèi)燃機車的應(yīng)用起到促進作用。

由此可知，鐵路內(nèi)燃機車以煤代油，其經(jīng)濟優(yōu)勢是毋庸置疑的；從已經(jīng)取得的研究成果看，在技術(shù)上也是可行的；此外，從鐵路擺脫受燃油的可獲得性的制約，開發(fā)利用豐富的煤資源這一戰(zhàn)略觀點來看，也是必不可少的。

6 結(jié)論

雖然目前在鐵路干線運輸領(lǐng)域，內(nèi)燃機車已逐步讓位于電力機車，但考慮到內(nèi)燃機車自身的特點，其依然有著一定的不可替代性。內(nèi)燃機車作為一類自給式機車，無需通過受電弓和接觸網(wǎng)來進行能量傳遞，因此在面臨雨雪天氣、地震災(zāi)害或戰(zhàn)爭破壞的情況下，其所具備的優(yōu)勢自然是不言而喻的。同時，在尚未布設(shè)接觸網(wǎng)的部分鐵道，也僅可通過內(nèi)燃機車來提供牽引電力。在當前的技術(shù)發(fā)展前提下，以水煤漿等燃料替代傳統(tǒng)柴油等燃料，也可有效緩解資源危機。