機(jī)車用R280系列柴油機(jī)的開發(fā)與研制

薛良君

（南車集團(tuán) 戚墅堰機(jī)車有限公司，江蘇常州213011）

近10年來，為改變我國鐵路運能與運量矛盾突出的問題，鐵道部在加快鐵路新線建設(shè)和電氣化改造步伐的同時，積極推進(jìn)高速客運專線的建設(shè)，為此配套的大功率電力機(jī)車和高速動車組得到了快速的發(fā)展，因此，業(yè)內(nèi)相當(dāng)部分人士認(rèn)為內(nèi)燃機(jī)車未來的發(fā)展受到了制約。但我國國土幅員遼闊，地形和氣候復(fù)雜，鐵路運輸條件也很不相同，相當(dāng)多的次干線、支線不具備電化的條件，而原有的東風(fēng)系列內(nèi)燃機(jī)車也逐步進(jìn)入淘汰階段，因此，在未來相當(dāng)長的時間內(nèi)，我國鐵路運輸仍需要大量內(nèi)燃機(jī)車。因此，開發(fā)、研制性能先進(jìn)、運用可靠、節(jié)能環(huán)保、性價比高的新型內(nèi)燃機(jī)車仍具有其必要性。

20世紀(jì)90年代開始，在鐵道部的大力支持下，南車集團(tuán)戚墅堰機(jī)車有限公司（以下稱戚機(jī)公司）與國際著名的發(fā)動機(jī)咨詢公司——奧地利AVL公司合作，開發(fā)了具有國際先進(jìn)水平的R16V280ZJ型大功率機(jī)車柴油機(jī)，踏上了研制R280系列節(jié)能、環(huán)保機(jī)車柴油機(jī)新的征程。R16V280ZJ型研制成功后，被裝用于我國功率最大、技術(shù)最先進(jìn)的6 000馬力DF8CJ型大功率交流傳動內(nèi)燃機(jī)車，該型機(jī)車共生產(chǎn)了3臺，在實際運用中顯示了新技術(shù)的優(yōu)勢。后來，由于鐵路實施“引進(jìn)、消化、再創(chuàng)新”的戰(zhàn)略，戚機(jī)公司和北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司（以下稱連車公司）主要生產(chǎn)從美國GE和EMD公司引進(jìn)的和諧系列6 000馬力交流傳動內(nèi)燃機(jī)車，裝用R16V280ZJ型柴油機(jī)的DF8CJ型機(jī)車停止了生產(chǎn)，但戚機(jī)公司沒有停止R280系列柴油機(jī)的研發(fā)工作。2005年12月開始了標(biāo)定功率為3 530kW的R12V280ZJ型柴油機(jī)的研制工作，目前，已完成了該型柴油機(jī)的性能開發(fā)工作。

1 R16V280ZJ型柴油機(jī)的研制

1998年2月R16V280ZJ型柴油機(jī)的開發(fā)工作全面展開，1999年4月底，完成了全部施工圖的設(shè)計，進(jìn)入樣機(jī)試制階段。由于設(shè)計嚴(yán)謹(jǐn)并充分考慮了現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備和制造工藝，整個試制工作進(jìn)展順利。1999年12月10日至24日，僅用14天時間，完成了首臺樣機(jī)的總組裝。1999年12月28日柴油機(jī)一次順利啟動成功。2004年11月完成了柴油機(jī)的認(rèn)證試驗（圖1）。

1.1 柴油機(jī)的設(shè)計思想

在R型柴油機(jī)開發(fā)策劃階段，確定了如下的設(shè)計思想，新開發(fā)的R型柴油機(jī)應(yīng)充分借鑒在中國鐵路成功運用的280A型柴油機(jī)的經(jīng)驗，A型柴油機(jī)的成熟結(jié)構(gòu)應(yīng)在R型機(jī)上得到繼承；鑒于現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的進(jìn)步、新材料的運用和制造技術(shù)水平的提高，R型柴油機(jī)應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)其先進(jìn)性，總體技術(shù)應(yīng)達(dá)到國際先進(jìn)機(jī)車柴油機(jī)的水平；充分考慮中國國情，零部件的強(qiáng)度、剛度方面應(yīng)有足夠的設(shè)計裕量；直接影響柴油機(jī)性能指標(biāo)和可靠性的重要部件考慮從國際知名公司進(jìn)口。

圖1 R16V280ZJ型柴油機(jī)

1.2 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.3 柴油機(jī)主要結(jié)構(gòu)

柴油機(jī)兩排氣缸成V型50°夾角排列，在機(jī)體V型夾角中，自下而上分別布置主機(jī)油道、高溫水冷卻腔和空氣腔。兩根凸輪軸分別布置在左右排氣缸的外側(cè)，單體電控噴油泵和配氣推桿一起安裝在凸輪軸上方的機(jī)體孔內(nèi)。機(jī)體夾角的中部布置兩臺銅中冷器，機(jī)體夾角的兩端垂直曲軸軸線布置兩臺ABB TPR61型無水冷增壓器，采用MPC增壓系統(tǒng)

在拆除氣缸蓋以后，鋼頂鋁裙組合式活塞和平切口連桿的動力組可以直接從氣缸套中抽出來。氣缸蓋用4個螺柱緊固在機(jī)體上。曲軸前端錐度安裝曲軸齒輪和減振器，曲軸后端的整體法蘭與板簧聯(lián)軸器連接并輸出柴油機(jī)功率。

齒輪系統(tǒng)布置在機(jī)體前端的齒輪箱內(nèi)，曲軸齒輪通過配氣惰輪驅(qū)動凸輪軸、高低溫水泵和兩臺安裝在油底殼上的機(jī)油泵。

所有油水管路盡量布置在鑄造機(jī)體內(nèi)部，提高了管路的可靠性。管路中法蘭連接處采用橡膠圈密封，使管路系統(tǒng)密封更可靠。

1.4 柴油機(jī)的設(shè)計開發(fā)工作

柴油機(jī)的設(shè)計開發(fā)工作由戚機(jī)公司與AVL合作進(jìn)行，由AVL和戚機(jī)公司工程師在AVL公司總部利用AVL的專用計算軟件及數(shù)據(jù)庫完成柴油機(jī)及其零部件的主要技術(shù)參數(shù)確定、主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度計算等工作。如利用Boost熱力學(xué)循環(huán)模擬計算軟件及AVL的經(jīng)驗，通過燃燒模型的建立與分析，優(yōu)化燃燒過程；采用Hydsim液壓模擬計算軟件，建立燃油噴射系統(tǒng)模型進(jìn)行優(yōu)化計算，完成燃油噴射設(shè)備的選型；利用Excite軟件完成柴油機(jī)軸系計算和軸承負(fù)荷計算等。對柴油機(jī)主要零部件利用有限元計算軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，確保零部件強(qiáng)度和運用可靠性。機(jī)體、氣缸蓋有限元計算模型如圖2所示。

為保證柴油機(jī)的開發(fā)質(zhì)量，對直接影響柴油機(jī)性能指標(biāo)和運用可靠性的重要部件選用國外知名公司產(chǎn)品，如增壓器采用瑞士ABB公司產(chǎn)品，軸瓦采用奧地利MIBA公司產(chǎn)品，電控噴油泵、噴油器采用奧地利BOSCH公司產(chǎn)品、電噴控制系統(tǒng)采用德國 HEINZMANN公司產(chǎn)品、高壓油管采用瑞士NOVA公司產(chǎn)品。

圖2 機(jī)體、氣缸蓋有限元計算模型

1.5 樣機(jī)試制和開發(fā)試驗

1999年12月樣機(jī)試制完成后，開始進(jìn)行柴油機(jī)性能開發(fā)試驗及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷的改進(jìn)工作，柴油機(jī)的主要性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)值的要求，特別是燃油消耗率比較低，且油耗曲線平坦。與此同時，對柴油機(jī)的主要零部件進(jìn)行了驗證和改進(jìn)試驗。如氣缸蓋運送到奧地利AVL公司進(jìn)行了氣道吹風(fēng)試驗，與北車集團(tuán)大連機(jī)車研究所有限公司一起完成平切口連桿螺栓疲勞強(qiáng)度試驗，與同濟(jì)大學(xué)一起進(jìn)行了機(jī)體動應(yīng)力試驗、氣缸蓋靜應(yīng)力測試和溫度場測試試驗。試驗結(jié)果表明柴油機(jī)主要零部件結(jié)構(gòu)可靠，沒有發(fā)生設(shè)計不合理的問題。

1.6 柴油機(jī)的認(rèn)證試驗

2004年5月15日至19日在鐵道部產(chǎn)品監(jiān)督檢驗中心的主持及監(jiān)督下，按鐵道部頒布的TB／T 2745－2002《動力裝置用柴油機(jī)認(rèn)證試驗》的標(biāo)準(zhǔn)，003＃R16V280ZJ型柴油機(jī)順利完成了UIC100h性能試驗。試驗中，柴油機(jī)狀態(tài)良好，各參數(shù)穩(wěn)定、正常，沒有發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)油水泄漏痕跡，而且沒有發(fā)生試驗中斷問題，試驗中標(biāo)定工況時的平均燃油消耗率為196.67g／（kW·h）。

2004年10月25日360h試驗正式開始，11月13日試驗圓滿結(jié)束。試驗期間，柴油機(jī)運轉(zhuǎn)狀態(tài)良好，在標(biāo)定工況測得的主要性能參數(shù)穩(wěn)定，并滿足任務(wù)書的要求。因柴油機(jī)后增壓器回油管裂漏問題導(dǎo)致試驗中斷一次，中斷時間在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。

試驗結(jié)束后對柴油機(jī)零部件的拆檢結(jié)果顯示活塞頂部及氣缸蓋底部僅有輕微積炭，表明柴油機(jī)燃燒狀態(tài)良好；活塞環(huán)、氣缸套等運動件的工作面沒有明顯磨損，表明柴油機(jī)具有較高的使用壽命；主軸瓦、連桿瓦工作面有明顯的顆粒嵌入痕跡，說明試驗臺管路改造后殘留顆粒較多，導(dǎo)致滑油清潔度較差，同時也說明主軸瓦、連桿瓦具有優(yōu)良的順應(yīng)性。

根據(jù)TB／T 2745－2002《動力裝置用柴油機(jī)認(rèn)證試驗》標(biāo)準(zhǔn)的要求，柴油機(jī)在100h和360h試驗中，因柴油機(jī)零部件故障而導(dǎo)致的試驗中斷不應(yīng)超過2次，每次中斷的時間不得超過30min。R16V280ZJ型柴油機(jī)試驗中僅中斷一次，中斷時間也沒有超過規(guī)定，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)的要求。

TB／T 2745－2002標(biāo)準(zhǔn)等同采用國際鐵路聯(lián)盟的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)較原標(biāo)準(zhǔn)大大減少了允許的試驗中斷次數(shù)。據(jù)了解，R16V280ZJ型柴油機(jī)是目前國內(nèi)外唯一通過該認(rèn)證試驗標(biāo)準(zhǔn)的大功率機(jī)車柴油機(jī)，表明該柴油機(jī)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和較高運用可靠性。

1.7 柴油機(jī)裝車運用情況

根據(jù)鐵道部運輸局運裝機(jī)運電［2003］327號電報要求，裝用002＃R16V280ZJ型柴油機(jī)的DF8CJ－0001號交流傳動內(nèi)燃機(jī)車配屬上海鐵路局南翔機(jī)務(wù)段進(jìn)行15萬km線路運用考核試驗，該機(jī)車于2003年7月30日到機(jī)務(wù)段投入運用，至2004年11月30日回工廠拆檢，機(jī)車?yán)塾嬜咝?69 314km，完成運量48 855.4萬t·km。在運用考核期間，裝用R16V280ZJ型柴油機(jī)的DF8CJ－0001號交流傳動內(nèi)燃機(jī)車充分發(fā)揮了大功率的優(yōu)勢，牽引加速快、趕點能力強(qiáng)。在運用中沒有發(fā)生拉缸、碾瓦等重大部件故障。進(jìn)口的電噴泵、噴油器及控制系統(tǒng)性能良好，運用可靠。0001號DF8CJ型機(jī)車在完成拆檢后與隨后生產(chǎn)的2臺DF8CJ機(jī)車一起配屬鄭州鐵路局運用至今，柴油機(jī)運行情況良好。R16V280ZJ柴油機(jī)主要技術(shù)參與國外同類型柴油機(jī)比較見表1。

2 R12V280ZJ型柴油機(jī)的開發(fā)

為滿足我國鐵路大功率調(diào)車機(jī)車和鐵路次干線、支線對新一代內(nèi)燃機(jī)車的需要，戚機(jī)公司以與AVL合作開發(fā)的R16V280ZJ型柴油機(jī)為基礎(chǔ)，消化、吸收引進(jìn)柴油機(jī)的相關(guān)技術(shù)，開發(fā)了R12V280ZJ型機(jī)車用柴油機(jī)，設(shè)計采用了大量R16V280ZJ型柴油機(jī)成熟、可靠的零部件。研發(fā)工作于2005年12月開始，2009年完成樣機(jī)的組裝，目前已完成柴油機(jī)前期的性能開發(fā)試驗。

表1 R16V280ZJ柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)及與國際先進(jìn)柴油機(jī)的比較

2.1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 柴油機(jī)主要結(jié)構(gòu)

柴油機(jī)氣缸采用V形排列，V形夾角內(nèi)自上而下布置中冷器、穩(wěn)壓箱、空氣腔、高溫水腔及主潤滑油道。

柴油機(jī)自由端上部，平行軸線方向布置2臺增壓器，便于從機(jī)車進(jìn)氣室吸氣。采用集成式增壓器支架，支架內(nèi)布置有燃油精濾器、機(jī)油管路和冷卻水管路，保證柴油機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊。

凸輪軸、單體式電控噴油泵布置在機(jī)體兩側(cè)，在氣缸蓋外側(cè)設(shè)計全封閉防護(hù)罩對噴油泵、燃油管路等進(jìn)行保護(hù)，防止燃油泄漏造成的火災(zāi)。

齒輪傳動裝置布置在機(jī)體前端的齒輪箱內(nèi)，曲軸齒輪通過傳動齒輪驅(qū)動兩側(cè)的凸輪軸、冷卻水泵及機(jī)油泵。

曲軸傳動齒輪和卷簧減振器通過錐度配合方式與曲軸自由端相連，聯(lián)軸器通過連接螺栓與曲軸輸出法蘭相連。

管路集成化設(shè)計，減少外部管路泄漏，提高運用可靠性。

2.3 柴油機(jī)零部件

柴油機(jī)零部件最大程度地借用了R16V280ZJ型柴油機(jī)零部件，如氣缸蓋、活塞、連桿、凸輪軸、齒輪系統(tǒng)、MIBA軸瓦、BOSCH 電控噴油泵、噴油器、德國HEINZMANN的電噴控制系統(tǒng)、瑞士NOVA的高壓油管等。同時，采用了部分16V280ZJA型柴油機(jī)的零部件，如水泵和機(jī)油泵等。如此，保證柴油機(jī)盡可能采用成熟、可靠的零部件，以保證將來柴油機(jī)運用的可靠性。對機(jī)體、曲軸、進(jìn)排氣系統(tǒng)等無法借用的零部件進(jìn)行了專門設(shè)計。

2.4 柴油機(jī)性能開發(fā)試驗

由于設(shè)計采用了ABB公司高效、高壓比增壓器，并通過對柴油機(jī)的燃燒系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)及配氣系統(tǒng)等進(jìn)行優(yōu)化，有效地降低柴油機(jī)在部分負(fù)荷時的燃油消耗率和排氣溫度。

已完成的性能開發(fā)試驗證明，柴油機(jī)性能指標(biāo)基本達(dá)到了目標(biāo)值要求，柴油機(jī)在部分負(fù)荷時的燃油消耗率有明顯改善、排溫明顯降低，與優(yōu)化前相比，柴油機(jī)在部分負(fù)荷時油耗最低降低了10g／（kW·h），渦輪前最高溫度降低了近60℃（具體參圖3、圖4），不僅可以有效降低機(jī)車的運用成本，而且提高了排氣系統(tǒng)和增壓器的運用可靠性?？梢哉J(rèn)為，R12V280ZJ型柴油機(jī)總體技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先并達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

圖3 柴油機(jī)優(yōu)化前后燃油消耗率比較

2.5 下一步的工作

為進(jìn)一步驗證柴油機(jī)的性能和零部件運用的可靠性，計劃按TB／T 2745－2002標(biāo)準(zhǔn)的要求，進(jìn)行柴油機(jī)的100h性能試驗和360h耐久性試驗。