機(jī)車用280柴油機(jī)的發(fā)展歷程

薛良君，滕雷昌

（南車集團(tuán) 戚墅堰機(jī)車有限公司，江蘇常州213011）

自第1臺280機(jī)車柴油機(jī)在南車集團(tuán)戚墅堰機(jī)車有限公司（以下簡稱戚機(jī)公司）問世以來，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，戚機(jī)公司先后開發(fā)出了16V280ZJ、16V280ZJA、12V280ZJ、6L280ZJ、R16V280ZJ等機(jī)車用柴油機(jī)，回顧280柴油機(jī)的研制和開發(fā)歷程，對我國當(dāng)今鐵路裝備制造業(yè)實(shí)施“引進(jìn)、消化、再創(chuàng)新”戰(zhàn)略或許會(huì)有一些啟迪。

1 280柴油機(jī)的由來

20世紀(jì)70年代未，我國在結(jié)束了文革10年動(dòng)蕩的歲月以后，百廢待興，國家急需振興經(jīng)濟(jì)。在當(dāng)時(shí)，作為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展大動(dòng)脈的鐵路運(yùn)輸行業(yè)，鐵路運(yùn)營里程少、線路規(guī)格低、機(jī)車牽引功率小，鐵路運(yùn)能遠(yuǎn)不能滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。為此，戚機(jī)公司提出了研制功率為4 500～5 000馬力的16缸280機(jī)車柴油機(jī)的開發(fā)計(jì)劃（圖1）。

2 280單缸機(jī)的開發(fā)

1976年10月戚機(jī)公司在完成對國內(nèi)外機(jī)車柴油機(jī)資料分析的基礎(chǔ)上，技術(shù)部門提出了280柴油機(jī)的主要性能參數(shù)和總體結(jié)構(gòu)方案，對柴油機(jī)方案組織進(jìn)行了多次論證，在此基礎(chǔ)上完成了技術(shù)設(shè)計(jì)。按照正常的開發(fā)流程，柴油機(jī)開發(fā)工作首先在單缸柴油機(jī)上進(jìn)行。

1977年一季度，戚機(jī)公司完成了單缸機(jī)的全部設(shè)計(jì)工作，同年10月280單缸機(jī)完成組裝并開始進(jìn)行開發(fā)試驗(yàn)。11月在利用當(dāng)時(shí)240柴油機(jī)供油系統(tǒng)某些零部件的基礎(chǔ)上，單缸機(jī)功率達(dá)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(jī)功率達(dá)到了350馬力的設(shè)計(jì)指標(biāo)。此后，經(jīng)過不斷改進(jìn)，單缸機(jī)功率先后達(dá)到了375馬力和404馬力，具備了開發(fā)多缸柴油機(jī)的基礎(chǔ)。

3 16V280ZJ型柴油機(jī)的研制

1978年3月戚機(jī)公司正式開始16缸280柴油機(jī)的研制工作。

1979年5月第1臺16V280ZJ型柴油機(jī)完成總組裝。同年10月柴油機(jī)功率達(dá)到了5 000馬力，達(dá)到了預(yù)定的性能指標(biāo)。

為保證柴油機(jī)零部件運(yùn)用的可靠性，從1979年12月起，戚機(jī)公司與鐵道科學(xué)研究院合作對柴油機(jī)機(jī)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(gè)主要零部件進(jìn)行了大規(guī)模的靜強(qiáng)度測試，先后共貼應(yīng)變片829枚，模擬測試了23個(gè)試驗(yàn)工況，獲取了5萬5千多個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為后續(xù)柴油機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了大量寶貴的原始資料，并為保證柴油機(jī)的可靠運(yùn)用打下良好的基礎(chǔ)。

1979年12月至1980年10月，戚機(jī)公司和鐵科院合作在單缸機(jī)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(jī)上進(jìn)行了燃燒、配氣、供油、增壓、振動(dòng)、扭振、調(diào)速器等一系列開發(fā)試驗(yàn)。并委托鐵科院進(jìn)行了配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算與測試、氣缸蓋進(jìn)排氣道穩(wěn)流吹風(fēng)試驗(yàn)、水流組織試驗(yàn)等。

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

為考核柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)用的可靠性，1982年12月根據(jù)申請，鐵道部科技局、機(jī)務(wù)局、工業(yè)總局發(fā)文安排，經(jīng)過UIC試驗(yàn)考核的第1臺16V280ZJ型柴油機(jī)被裝用在上海鐵路局南京東機(jī)務(wù)段的東風(fēng)4－0267號廠修內(nèi)燃機(jī)車上，進(jìn)行20萬km的線路運(yùn)行考核試驗(yàn)。至1984年6月該機(jī)車共走行22萬余公里，情況良好。通過裝車運(yùn)用試驗(yàn)，消除了當(dāng)時(shí)許多關(guān)于280柴油機(jī)能否在機(jī)車上安裝、軸重會(huì)不會(huì)超、經(jīng)濟(jì)性好不好、可靠性高不高等疑慮，實(shí)現(xiàn)了比當(dāng)時(shí)其他型號機(jī)車?yán)枚唷⑴艿每斓哪繕?biāo)。

1983年戚機(jī)公司與國家經(jīng)委簽訂了“六五”國家科技攻關(guān)項(xiàng)目合同，進(jìn)行DF8型貨運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車的試制，機(jī)車動(dòng)力裝置采用16V280ZJ型柴油機(jī)，柴油機(jī)標(biāo)定功率3 675kW，裝車功率3 310kW，燃油消耗率210g（kW·h）。首臺機(jī)車于1984年12月交付上海鐵路局進(jìn)行15萬km線路運(yùn)用考核試驗(yàn)，而后，該機(jī)車與后續(xù)小批試制的DF8型機(jī)車在鄭州鐵路局信陽機(jī)務(wù)段繼續(xù)進(jìn)行線路運(yùn)用試驗(yàn)。

為提高柴油機(jī)的性能和運(yùn)用可靠性，從1983年起，公司針對柴油機(jī)運(yùn)用中暴露的問題逐項(xiàng)進(jìn)行了改進(jìn)。

性能方面在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)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(jìn)的模件式脈沖轉(zhuǎn)換（MPC）增壓系統(tǒng)代替原雙脈沖增壓系統(tǒng)，較大地提高了柴油機(jī)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

結(jié)構(gòu)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(jī)械密封替代多彈簧硬質(zhì)合金機(jī)械密封，解決了水泵漏水的慣性質(zhì)量問題；采用蓋斯林格聯(lián)軸器取代自制的板簧聯(lián)軸器；對連桿大頭齒形應(yīng)力進(jìn)行分析，并對螺栓連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。通過上述措施，極大地提高了柴油機(jī)零部件運(yùn)用的可靠性。

1988年9月和1988年12月在33＃16V280ZJ柴油機(jī)上分別完成了UIC100h和360h鐵道部級型式鑒定試驗(yàn)，各項(xiàng)性能參數(shù)達(dá)到了DF8型機(jī)車用柴油機(jī)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、情況良好。

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

1989年2月16V280ZJ型柴油機(jī)隨同DF8型機(jī)車一起，通過了由國家計(jì)委、國家科委委托鐵道部組織的技術(shù)鑒定。至此，DF8型這一當(dāng)時(shí)國內(nèi)單機(jī)功率最大的內(nèi)燃機(jī)車得以投入批量生產(chǎn)。

16V280ZJ型柴油機(jī)隨同DF8型機(jī)車一起先后獲得了1986年國家“六五”科技攻關(guān)獎(jiǎng)，1989年鐵道部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、1990年國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

4 16V280ZJA型柴油機(jī)的開發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)客運(yùn)快速和以北京為中心1 500km范圍內(nèi)城市之間做到夕發(fā)朝至，要求客運(yùn)列車牽引20節(jié)車輛（1 100t）、速度達(dá)到140km／h的目標(biāo)。鐵道部以鐵科技（1987）199號文下達(dá)了“關(guān)于大功率客運(yùn)電力、內(nèi)燃機(jī)車研制招標(biāo)書的通知”，并將廣深線作為首條開通的準(zhǔn)高速鐵路?；?80缸徑的大功率柴油機(jī)，戚機(jī)公司準(zhǔn)備了牽引電機(jī)全懸掛加高柔圓彈簧的轉(zhuǎn)向架等技術(shù)方案，聯(lián)合鐵科院、株洲電力機(jī)車研究所、西南交通大學(xué)、上海鐵道學(xué)院等單位共同投標(biāo)，最后以單機(jī)大功率高的優(yōu)勢勝出，試制兩臺運(yùn)營速度為140km／h的DF9型客運(yùn)機(jī)車。而后，鐵道部要求機(jī)車速度提高到160 km／h，為此，戚機(jī)公司先后開發(fā)了DF11型系列準(zhǔn)高速內(nèi)燃機(jī)車。

為滿足準(zhǔn)高速客運(yùn)機(jī)車的運(yùn)用要求，柴油機(jī)的功率需要有較大的提高，為此，確定開發(fā)的16V280ZJA型柴油機(jī)的標(biāo)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(jī)的裝車功率有較大的提高，同時(shí)還要對柴油機(jī)進(jìn)行減重。因此，需要在性能與可靠性上做較大的改進(jìn)。

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(jī)進(jìn)行性能測試，試驗(yàn)在排氣管有節(jié)流孔板、無節(jié)流孔板等條件下進(jìn)行，測量各工況時(shí)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析。

1989年6月至12月歷時(shí)6個(gè)月的探索試驗(yàn)，了解了各種工況時(shí)的增壓器通流元件規(guī)格、壓縮比、噴油提前角之間的關(guān)系，在進(jìn)行不同噴孔直徑噴油器對比試驗(yàn)、不同噴油提前角與不同壓縮比對比試驗(yàn)等基礎(chǔ)上，確定了柴油機(jī)主要參數(shù)。

1990年6月在16V280ZJA型柴油機(jī)上進(jìn)行了連續(xù)50h運(yùn)行考核試驗(yàn)，并順利進(jìn)行了標(biāo)定功率負(fù)荷特性試驗(yàn)，裝車功率牽引特性試驗(yàn)，不同供油位置時(shí)的功率、扭矩和油耗特性試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速與功率的邊界特性試驗(yàn)。

1990年8月開始為減輕柴油機(jī)質(zhì)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(shè)計(jì)和試制，相繼完成了柴油機(jī)臺架扭振試驗(yàn)，實(shí)測最大扭振振幅、軸段應(yīng)力都小于允許值。

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

1994年12月22日廣深鐵路首列準(zhǔn)高速列車的開通為我國鐵路大提速創(chuàng)造了條件。從1997年開始，鐵道部進(jìn)行的6次鐵路大提速，給DF11型、DF11G型客運(yùn)機(jī)車的廣泛運(yùn)用得到了充分展示的機(jī)會(huì)，并由此得到了大的發(fā)展。

1995年鐵道部科技發(fā)展要求隨著鐵路客運(yùn)速度提高，與此相匹配，貨運(yùn)也需要提速重載。鐵道部科技司向戚機(jī)公司下達(dá)了DF8B型貨運(yùn)機(jī)車的研制任務(wù)，動(dòng)力裝置仍采用16V280ZJA型柴油機(jī)。

16V280ZJA型柴油機(jī)隨同DF9型機(jī)車于1991年獲國家“七五”科技攻關(guān)獎(jiǎng)，隨同DF11型機(jī)車于1996年獲鐵道部科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)、1997年獲國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

5 280系列柴油機(jī)的開發(fā)

2001年4月完成16V280ZJA1型強(qiáng)化柴油機(jī)的研制，該機(jī)標(biāo)定功率4 050kW，裝車功率3 860kW。該柴油機(jī)采用了增加流量系數(shù)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(tǒng)等。該臺柴油機(jī)裝于333＃DF11型機(jī)車，在上海鐵路局運(yùn)用90萬km后情況良好。

此外，根據(jù)市場需求，公司在16V280ZJA型柴油機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)了12V280ZJ型、6L280ZJ型二款系列柴油機(jī)。

12V280ZJ型柴油機(jī)，標(biāo)定功率2 940kW，1999年10月用于我國首列研制成功的NZJ1型內(nèi)燃動(dòng)車組“新曙光號”，2008年7月用于北京至八達(dá)嶺的NDJ3型內(nèi)燃動(dòng)車組，2011年用于出口沙特小限界客貨運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車。

直列6缸6L280ZJ型柴油機(jī)，標(biāo)定功率1 470kW，主要用于GKD2型工礦電傳動(dòng)調(diào)車機(jī)車和GK2C型液力傳動(dòng)干線調(diào)車機(jī)車。

6 R16V280ZJ型柴油機(jī)的研制

用16V280ZJA型柴油機(jī)作為動(dòng)力的DF11型、DF8B型內(nèi)燃機(jī)車的研制成功，為我國鐵路運(yùn)輸?shù)摹翱焖?、重載”做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。為進(jìn)一步提高內(nèi)燃機(jī)車的功率和運(yùn)用經(jīng)濟(jì)性、可靠性，以滿足鐵路未來發(fā)展的需要，鐵道部科技司、計(jì)劃司、機(jī)務(wù)局，工業(yè)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(huì)議，取得了共識并發(fā)出會(huì)議紀(jì)要，同意與國外進(jìn)行技術(shù)合作，加快改進(jìn)速度。主管工業(yè)的副部長批示指出：280柴油機(jī)是有發(fā)展前景的機(jī)型，今后應(yīng)不斷擴(kuò)大DF8及DF11型內(nèi)燃機(jī)車產(chǎn)量，關(guān)于280柴油機(jī)與國外合作的資金，請外資辦設(shè)法從世界銀行貸款中解決。

通過談判、招標(biāo)，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(yè)總公司和申車公司3方出資進(jìn)行先期評估，初定柴油機(jī)標(biāo)定功率為6 000馬力。從1998年起正式確定新開發(fā)的柴油機(jī)（即R16V280ZJ型柴油機(jī)）按標(biāo)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(biāo)進(jìn)行開發(fā)，其主要研制情況如下。

1997年2月合同項(xiàng)目正式啟動(dòng)，項(xiàng)目按概念設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制、性能開發(fā)、驗(yàn)收試驗(yàn)5個(gè)階段進(jìn)行。1999年初投料試制，12月完成總組裝。

在柴油機(jī)開發(fā)過程中，先后完成了氣缸蓋進(jìn)排氣吹風(fēng)試驗(yàn)，增壓器配機(jī)與提升功率試驗(yàn)，扭振試驗(yàn)，燃燒過程測試與分析，連桿螺栓疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)和光彈性力學(xué)試驗(yàn)，活塞靜強(qiáng)度試驗(yàn)，機(jī)體動(dòng)應(yīng)力測試，燃油電噴供油系統(tǒng)試驗(yàn)，柴油機(jī)性能參數(shù)調(diào)整試驗(yàn)等。同時(shí)，解決了主軸瓦碾瓦等關(guān)鍵問題，保證了柴油機(jī)試制工作的順利進(jìn)行。

R16V280ZJ柴油機(jī)于2004年5順利通過UIC100 h性能試驗(yàn)，2004年10月至11月在大連完成了UIC360h耐久性試驗(yàn)。該型柴油機(jī)型式試驗(yàn)時(shí)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(shù)指標(biāo)最先進(jìn)的機(jī)車柴油機(jī)，總體技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)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(jī)的6 000馬力交流傳動(dòng)貨運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車合同，機(jī)車定型為DF8CJ，軸重25t。首臺機(jī)車2003年試制完成，連同以后生產(chǎn)的3臺機(jī)車先后運(yùn)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(yè)專家在北京召開了DF8CJ型大功率交流傳動(dòng)機(jī)車的階段驗(yàn)收總結(jié)會(huì)。

7 R12V280ZJ型柴油機(jī)的開發(fā)

為滿足我國鐵路未來多用途機(jī)車的需要，基于R16V280ZJ型柴油機(jī)先進(jìn)和成熟的技術(shù)，并消化、吸收引進(jìn)柴油機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，戚機(jī)公司于2005年開始開發(fā)R12V280ZJ型柴油機(jī)，該柴油機(jī)標(biāo)定功率3 530kW，該柴油機(jī)可用于大功率調(diào)機(jī)和支線機(jī)車。目前，已在首臺樣機(jī)上進(jìn)行了性能開發(fā)試驗(yàn)，對燃燒組織和增壓配套進(jìn)行了優(yōu)化，試驗(yàn)表明，所采取的性能改進(jìn)措施大幅度降低了柴油機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)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(yè)從事大功率內(nèi)燃機(jī)車的制造企業(yè)，戚機(jī)公司今后將一如既往地關(guān)注國際先進(jìn)柴油機(jī)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，消化、吸收先進(jìn)的柴油機(jī)開發(fā)技術(shù)，進(jìn)一步提高柴油機(jī)的強(qiáng)化水平，繼續(xù)降低燃油、機(jī)油的消耗率，特別是部分負(fù)荷時(shí)的燃油消耗。采取有關(guān)措施，降低排放污染物，滿足未來更為嚴(yán)格的排放要求，為我國鐵路提供節(jié)能、環(huán)保的新型機(jī)車用柴油機(jī)。