機車用R280系列柴油機的開發與研制

薛良君

（南車集團 戚墅堰機車有限公司，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和電氣化改造步伐的同時，積極推進高速客運專線的建設，為此配套的大功率電力機車和高速動車組得到了快速的發展，因此，業內相當部分人士認為內燃機車未來的發展受到了制約。但我國國土幅員遼闊，地形和氣候復雜，鐵路運輸條件也很不相同，相當多的次干線、支線不具備電化的條件，而原有的東風系列內燃機車也逐步進入淘汰階段，因此，在未來相當長的時間內，我國鐵路運輸仍需要大量內燃機車。因此，開發、研制性能先進、運用可靠、節能環保、性價比高的新型內燃機車仍具有其必要性。

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

1 R16V280ZJ型柴油機的研制

1998年2月R16V280ZJ型柴油機的開發工作全面展開，1999年4月底，完成了全部施工圖的設計，進入樣機試制階段。由于設計嚴謹并充分考慮了現有的生產設備和制造工藝，整個試制工作進展順利。1999年12月10日至24日，僅用14天時間，完成了首臺樣機的總組裝。1999年12月28日柴油機一次順利啟動成功。2004年11月完成了柴油機的認證試驗（圖1）。

1.1 柴油機的設計思想

在R型柴油機開發策劃階段，確定了如下的設計思想，新開發的R型柴油機應充分借鑒在中國鐵路成功運用的280A型柴油機的經驗，A型柴油機的成熟結構應在R型機上得到繼承；鑒于現代設計技術的進步、新材料的運用和制造技術水平的提高，R型柴油機應當體現其先進性，總體技術應達到國際先進機車柴油機的水平；充分考慮中國國情，零部件的強度、剛度方面應有足夠的設計裕量；直接影響柴油機性能指標和可靠性的重要部件考慮從國際知名公司進口。

圖1 R16V280ZJ型柴油機

1.2 柴油機主要技術參數

1.3 柴油機主要結構

柴油機兩排氣缸成V型50°夾角排列，在機體V型夾角中，自下而上分別布置主機油道、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，單體電控噴油泵和配氣推桿一起安裝在凸輪軸上方的機體孔內。機體夾角的中部布置兩臺銅中冷器，機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

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軸器連接并輸出柴油機功率。

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

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

1.4 柴油機的設計開發工作

柴油機的設計開發工作由戚機公司與AVL合作進行，由AVL和戚機公司工程師在AVL公司總部利用AVL的專用計算軟件及數據庫完成柴油機及其零部件的主要技術參數確定、主要零部件的結構設計和強度計算等工作。如利用Boost熱力學循環模擬計算軟件及AVL的經驗，通過燃燒模型的建立與分析，優化燃燒過程；采用Hydsim液壓模擬計算軟件，建立燃油噴射系統模型進行優化計算，完成燃油噴射設備的選型；利用Excite軟件完成柴油機軸系計算和軸承負荷計算等。對柴油機主要零部件利用有限元計算軟件進行優化設計，確保零部件強度和運用可靠性。機體、氣缸蓋有限元計算模型如圖2所示。

為保證柴油機的開發質量，對直接影響柴油機性能指標和運用可靠性的重要部件選用國外知名公司產品，如增壓器采用瑞士ABB公司產品，軸瓦采用奧地利MIBA公司產品，電控噴油泵、噴油器采用奧地利BOSCH公司產品、電噴控制系統采用德國 HEINZMANN公司產品、高壓油管采用瑞士NOVA公司產品。

圖2 機體、氣缸蓋有限元計算模型

1.5 樣機試制和開發試驗

1999年12月樣機試制完成后，開始進行柴油機性能開發試驗及在此基礎上進行不斷的改進工作，柴油機的主要性能指標達到了設計目標值的要求，特別是燃油消耗率比較低，且油耗曲線平坦。與此同時，對柴油機的主要零部件進行了驗證和改進試驗。如氣缸蓋運送到奧地利AVL公司進行了氣道吹風試驗，與北車集團大連機車研究所有限公司一起完成平切口連桿螺栓疲勞強度試驗，與同濟大學一起進行了機體動應力試驗、氣缸蓋靜應力測試和溫度場測試試驗。試驗結果表明柴油機主要零部件結構可靠，沒有發生設計不合理的問題。

1.6 柴油機的認證試驗

2004年5月15日至19日在鐵道部產品監督檢驗中心的主持及監督下，按鐵道部頒布的TB／T 2745－2002《動力裝置用柴油機認證試驗》的標準，003＃R16V280ZJ型柴油機順利完成了UIC100h性能試驗。試驗中，柴油機狀態良好，各參數穩定、正常，沒有發現柴油機油水泄漏痕跡，而且沒有發生試驗中斷問題，試驗中標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日試驗圓滿結束。試驗期間，柴油機運轉狀態良好，在標定工況測得的主要性能參數穩定，并滿足任務書的要求。因柴油機后增壓器回油管裂漏問題導致試驗中斷一次，中斷時間在標準規定的范圍內。

試驗結束后對柴油機零部件的拆檢結果顯示活塞頂部及氣缸蓋底部僅有輕微積炭，表明柴油機燃燒狀態良好；活塞環、氣缸套等運動件的工作面沒有明顯磨損，表明柴油機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，導致滑油清潔度較差，同時也說明主軸瓦、連桿瓦具有優良的順應性。

根據TB／T 2745－2002《動力裝置用柴油機認證試驗》標準的要求，柴油機在100h和360h試驗中，因柴油機零部件故障而導致的試驗中斷不應超過2次，每次中斷的時間不得超過30min。R16V280ZJ型柴油機試驗中僅中斷一次，中斷時間也沒有超過規定，達到了標準的要求。

TB／T 2745－2002標準等同采用國際鐵路聯盟的相關標準，該標準較原標準大大減少了允許的試驗中斷次數。據了解，R16V280ZJ型柴油機是目前國內外唯一通過該認證試驗標準的大功率機車柴油機，表明該柴油機具有良好的經濟性和較高運用可靠性。

1.7 柴油機裝車運用情況

根據鐵道部運輸局運裝機運電［2003］327號電報要求，裝用002＃R16V280ZJ型柴油機的DF8CJ－0001號交流傳動內燃機車配屬上海鐵路局南翔機務段進行15萬km線路運用考核試驗，該機車于2003年7月30日到機務段投入運用，至2004年11月30日回工廠拆檢，機車累計走行169 314km，完成運量48 855.4萬t·km。在運用考核期間，裝用R16V280ZJ型柴油機的DF8CJ－0001號交流傳動內燃機車充分發揮了大功率的優勢，牽引加速快、趕點能力強。在運用中沒有發生拉缸、碾瓦等重大部件故障。進口的電噴泵、噴油器及控制系統性能良好，運用可靠。0001號DF8CJ型機車在完成拆檢后與隨后生產的2臺DF8CJ機車一起配屬鄭州鐵路局運用至今，柴油機運行情況良好。R16V280ZJ柴油機主要技術參與國外同類型柴油機比較見表1。

2 R12V280ZJ型柴油機的開發

為滿足我國鐵路大功率調車機車和鐵路次干線、支線對新一代內燃機車的需要，戚機公司以與AVL合作開發的R16V280ZJ型柴油機為基礎，消化、吸收引進柴油機的相關技術，開發了R12V280ZJ型機車用柴油機，設計采用了大量R16V280ZJ型柴油機成熟、可靠的零部件。研發工作于2005年12月開始，2009年完成樣機的組裝，目前已完成柴油機前期的性能開發試驗。

表1 R16V280ZJ柴油機主要技術參數及與國際先進柴油機的比較

2.1 柴油機主要技術參數

2.2 柴油機主要結構

柴油機氣缸采用V形排列，V形夾角內自上而下布置中冷器、穩壓箱、空氣腔、高溫水腔及主潤滑油道。

柴油機自由端上部，平行軸線方向布置2臺增壓器，便于從機車進氣室吸氣。采用集成式增壓器支架，支架內布置有燃油精濾器、機油管路和冷卻水管路，保證柴油機結構緊湊。

凸輪軸、單體式電控噴油泵布置在機體兩側，在氣缸蓋外側設計全封閉防護罩對噴油泵、燃油管路等進行保護，防止燃油泄漏造成的火災。

齒輪傳動裝置布置在機體前端的齒輪箱內，曲軸齒輪通過傳動齒輪驅動兩側的凸輪軸、冷卻水泵及機油泵。

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，聯軸器通過連接螺栓與曲軸輸出法蘭相連。

管路集成化設計，減少外部管路泄漏，提高運用可靠性。

2.3 柴油機零部件

柴油機零部件最大程度地借用了R16V280ZJ型柴油機零部件，如氣缸蓋、活塞、連桿、凸輪軸、齒輪系統、MIBA軸瓦、BOSCH 電控噴油泵、噴油器、德國HEINZMANN的電噴控制系統、瑞士NOVA的高壓油管等。同時，采用了部分16V280ZJA型柴油機的零部件，如水泵和機油泵等。如此，保證柴油機盡可能采用成熟、可靠的零部件，以保證將來柴油機運用的可靠性。對機體、曲軸、進排氣系統等無法借用的零部件進行了專門設計。

2.4 柴油機性能開發試驗

由于設計采用了ABB公司高效、高壓比增壓器，并通過對柴油機的燃燒系統、增壓系統及配氣系統等進行優化，有效地降低柴油機在部分負荷時的燃油消耗率和排氣溫度。

已完成的性能開發試驗證明，柴油機性能指標基本達到了目標值要求，柴油機在部分負荷時的燃油消耗率有明顯改善、排溫明顯降低，與優化前相比，柴油機在部分負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車的運用成本，而且提高了排氣系統和增壓器的運用可靠性。可以認為，R12V280ZJ型柴油機總體技術國內領先并達到了國際先進水平。

圖3 柴油機優化前后燃油消耗率比較

2.5 下一步的工作

為進一步驗證柴油機的性能和零部件運用的可靠性，計劃按TB／T 2745－2002標準的要求，進行柴油機的100h性能試驗和360h耐久性試驗。