内燃机车用柴油机的发展与展望

2010-08-08韩晓军李海燕肖锦龙

铁道机车车辆 2010年1期

韩晓军,李海燕,肖锦龙

(中国铁道科学研究院机车车辆研究所,北京100081)

1958年北京长辛店机车车辆厂(北京二七轨道交通装备有限责任公司前身)制造成功了我国第1台内燃机车[1],掀开了我国发展内燃机车的新篇章。机车用柴油机是从匈牙利进口的,功率为600马力。

50多年来,我国内燃机车的发展取得了巨大成就,累计生产了近18 000台内燃机车,从技术进步的角度看跨越了4代产品。与此同时,机车用柴油机也经历了从仿制、自主研发、再发展到与国外合作开发的道路。目前,我国制造的柴油机性能已经逐步接近和达到国际先进水平。制造的内燃机车不仅满足了铁路现代化和国民经济持续增长的需求,还出口到许多国家。本文通过回顾我国内燃机车用柴油机的发展历程,分析了我国内燃机车用柴油机的技术性能,指出通过引进、消化吸收、再创新,研发具有自主知识产权、达到国际先进水平的内燃机车用柴油机是我们面临的现实选择。

1 我国内燃机车用柴油机发展历程

从发展历程上看,我国内燃机车发展经历了4代[1],相应地机车用柴油机的发展也是如此。表1列出了具有代表性的4代内燃机车和柴油机的主要参数,表中也列出了我国目前生产的NXN 3和NXN 5型内燃机车的参数。

以DF型和DFH1型内燃机车为代表的第1代产品,其柴油机基本上是仿制产品。前者是仿制前苏联的10L207E型(2冲程、对置活塞、扫气泵扫气)柴油机;后者是先仿制前西德的12V 175型4冲程高速柴油机,之后在此基础上进行了大量试验和改进。

以DF4、BJ、DF8型内燃机车为代表的第2代产品,其柴油机完全是我国自主研发的,均是4冲程带有废气涡轮增压器的柴油机,柴油机功率较第1代产品有成倍的增长,技术性能和可靠性有较大的提高。

以DF4D、DF8B(DF11)型交直流传动内燃机车为代表的第3代产品,其柴油机主要是在我国自主研制生产的产品基础上,通过与国外厂家合作开发的产品,技术性能和可靠性有很大的提高。

以 DF4DJ、DF8BJ、DF8CJ型交流传动内燃机车为代表的第4代产品,其柴油机主要是与国外合作开发的新型产品,均采用电子喷射系统。DF8CJ型机车的柴油机装车功率达4 410 kW,已接近国际先进水平。第4代内燃机车目前还处于试运用阶段。

从我国内燃机车和柴油机的发展历程可以看出,机车柴油机由仿制发展到自主研制,再发展到与国外合作开发;由2冲程和 4冲程、中速、高速柴油机,发展到全部采用4冲程、废气涡轮增压的中速柴油机;柴油机的功率由小到大,增长了2～3倍;柴油机缸径由175、180、200、207、240、280 mm 等多种系列 ,发展到主型机车只采用240 mm和280 mm两种系列;柴油机喷射方式由传统的机械喷射方式发展到电子控制的喷射方式。

2 内燃机车用柴油机性能比较

目前我国铁路上运用的内燃机车基本上是第2代和第3代机车,第3代机车占多数。第1代机车已全部淘汰,第4代机车基本上是样车。国内、外典型的内燃机车用中速柴油机的主要技术参数见表2。

(1)柴油机装车功率

随着重载货物运输和客运列车提速的不断发展,对内燃机车用柴油机功率等级的需求也在不断提高,我国不少厂家在提高柴油机功率方面做了许多试验性研究工作。第4代内燃机车用柴油机最大装车功率已达到4 410 kW,而12V 280ZJ型柴油机在设计中已考虑将来发展为16缸,其功率可达4 900 kW,接近国际最高水平(16缸为4 660 kW)。但是这些国产柴油机目前只是样机,还没有经过严格的运行考验。

表1 我国内燃机车用柴油机主要技术参数[1,2,3,5]

表2 国内、外内燃机车用柴油机主要技术参数比较[1,3,5]

(2)平均有效压力P e

提高平均有效压力Pe是提高柴油机功率的有效措施之一,由于近代增压技术的迅速发展,可使P e值显著提高。Pe值的增高可提高比功率,但也会导致更高的机械负荷,对设计和工艺制造技术水平要求也愈高。我国内燃机车用柴油机的平均有效压力,除12V 280ZJ型柴油机外,均不超过2.0,现批量生产(第2、3代)的柴油机P e值更低。而国外,特别是美国和德国大功率柴油机的P e均超过2.1。在这方面国产内燃机车用柴油机与国际先进水平还有一定差距。

(3)活塞平均速度C m

中速柴油机的活塞平均速度Cm一般在8～10 m/s,我国的C m基本在10 m/s左右,与国外的先进水平没有太大的差别,已接近国际先进水平。

(4)强化系数

我国内燃机车用柴油机的活塞平均速度Cm虽然已接近国际先进水平,但平均有效压力Pe与国际先进水平的差距,导致了强化系数的差距。我国批量生产的柴油机强化系数大多在13～17间,与国际先进水平有较大的差距。而我国研发的柴油机(如12V 280ZJ)强化系数达到了23.9,强化程度接近国外先进水平。

(5)燃油消耗率

我国内燃机车用柴油机的燃油消耗率g e绝大多数≥205 g/(kW◦h),与国外一般水平(≤200 g/kW◦h)还有一定差距,与国际先进水平(182～187 g/kW◦h)的差距更大(高出9%～12%)。虽然在第4代内燃机车用柴油机装用了电子喷射系统,但其主要零部件仍需外购,仍需进一步掌握软件设计及控制、调整等技术。

(6)耐久可靠性

机车运用受到铁路运输系统管理的约束,列车安全正点必须保证,这样作为机车‘心脏'的柴油机可靠性、耐久性就显得更加重要。柴油机大修周期的长短可直接反映出耐久可靠性的好坏,柴油机的大修周期一般与机车的大修周期一致,大修周期用机车的走行公里来表示。美国柴油机大修周期一般大于等于160万km[5](我国1984年从美国进口的ND5型内燃机车用柴油机(7HDL型)大修周期为192万km),是我国现有柴油机大修周期(90万km)的2倍。我国内燃机车的运用强度是世界上最高的,若考虑柴油机的负荷率等因素,可以认为我国的内燃机车走行80万 km,相当于美国内燃机车走行120万 km,则大修里程即为其75%。即使如此,我国内燃机车用柴油机的耐久可靠性与国外仍有较大的差距。

(7)排放

近年来世界各国为了控制机车柴油机的有害排放物,纷纷制定了具有法规效能的排放标准和测量方法。发达国家和地区对柴油机的排放己有了严格的标准和规范。欧洲执行的是 UIC 624Ⅱ标准、美国执行的是EPA-Tier2级标准。而我国对机车柴油机的排放认识与起步都比较晚,近几年才开始进行一些研发性试验和对引进内燃机车的验收性试验。铁道部于2006年将UIC 624 O标准等同转化为铁路推荐性标准(TB/T2783-2006),但至今并未真正实施。

对于内燃机车有害排放物的控制,主要是控制氮氧化物(NOX)和微粒(PM)的排放。减排措施分为机内净化和机外净化。机内净化着重于从改善燃烧角度来降低排放物,机外净化则着重于在废气排入大气前将其中有害物质分离去除。一些减排措施对不同的排放物作用是相反的,例如表3所示的喷油提前角的改变,因此要根据控制目标来确定减排技术。

表3 降低NOX和PM排放水平的主要措施

(8)单位功率质量

如果从柴油机单位功率质量看,不仅国产批量生产柴油机的数字大得多,而且国产新型柴油机的数字也比国外新型柴油机的大。对我国大功率机车轴重的限制是不利的。由此可见,我国自行研发内燃机车用柴油机的强化程度、燃油消耗率、耐久可靠性、排放、单位功率质量等方面与国外先进水平相比,差距仍然较大。但近年来的第4代交流传动内燃机车(机车用柴油机为我国与国外合作开发的新产品),虽然只是样车,柴油机的主要性能巳接近世界先进水平。但因设计和工艺制造水平尚有差距,则耐久可靠性还存在一定的差距。近期生产的新型机车(HXN 3型和HXN 5型)柴油机已达到了世界先进水平。

3 内燃机车用柴油机发展趋势

2004年国家公布了我国铁路史上第一个《中长期铁路网规划》,铁道部根据此《规划》确定了推进铁路技术装备现代化的总体方针,即“引进先进技术、联合设计生产、打造中国品牌”。

大功率内燃机车(柴油机装车功率均为4 660 kW,其主要参数见表1)是以铁道部为主导,以国内企业为主体,掌握核心技术为目标,推进我国企业对引进技术的消化吸收和自主创新,进而实现打造自有品牌的目标。机车柴油机性能均是当前国际上较为先进、成熟、可靠的柴油机,从而开发出了具有自主知识产权、达到国际先进水平、成熟可靠的柴油机。