動車組內電及內液動力包異同與發展

(中車株洲電力機車有限公司產品研發中心，湖南 株洲 412001)

1 概述

近年來，全球鐵路建設發展蓬勃向上，各型車輛平臺橫空出世。根據國情，雖然我國地域遼闊，電氣化鐵路公里數發展迅猛且占據重要地位，但根據2020年發展目標，要求我國鐵路總公里12萬km以上，其中電氣化率60%，也就是說，截止2020年，我國仍然存在40%(4.8萬km)的非電氣化線路。而全球前十位鐵路總公里數國家鐵路情況統計見表1。

表1 全球前十位鐵路總公里數國家鐵路情況統計表

從表1可以看出，全球范圍內非電氣化鐵路占有率仍然較高，內燃動車組具有廣泛的運用前景，本文將分別對比內電、內液傳動的異同點及相對優劣性，進而對其市場前景做出分析。

2 內電及內液動力包異同點

內燃動車組動力包設備由于排放要求與設備尺寸等因素限制，一般布置于動車組車體底架，作為兩種主流的內燃動車組動力包傳動方式——內電傳動及內液傳動，其大體相同的部件包括：柴油機組、發電機系統、柴油機輔助系統、冷卻系統、電控系統、安裝構架等，而其相異點主要集中在柴油機輸出后部的動力傳動方式。

2.1 內電及內液動力包相同設備結構分析

2.1.1 柴油機系統

一般來說，柴油機主要分為立式及臥式，考慮到車輛限界等相關因素，內燃動車組動力包一般采用臥式柴油機，并通過懸掛框架，整體安裝于車體底架。

分別選取類似項目內電及內液兩種動車組動力包所用柴油機參數見表2。

表2 內電及內液柴油機參數對比表

從表2可以看出，不論是內液還是內電傳動柴油機，除了輸出性能大小區別外，其基本配置均采用目前主流的渦輪增壓及共軌噴油技術，通過四沖程氣缸將柴油氣體的化學能轉換為曲軸的動能，驅動終端部件運動。其主要包含部件為：進氣接頭、渦輪增壓器、機油濾清器、油水分離器、冷卻液泵、油齒、油底殼、高壓泵等。

2.1.2 發電機

在非電氣化鐵路上，內燃動車組所有電能均需由動力包提供。所以內電及內液傳動動力包均集成有發電機設備。考慮到永磁發電機結構簡單、無需勵磁繞組等相關優勢，一般采用永磁發電機作為動力包發電機。柴油機旋轉輸出端與發電機輸入端相連，通過發電機輸出接線給列車提供交流電源。

2.1.3 柴油機輔助設備

柴油機的良好運行，得益于其進、排氣設備、機油設備及燃油設備等的正常運行。

1)進、排氣設備。根據柴油機氣路及車輛設計要求，動力包的進氣口一般設置在車側或車下部，排氣口一般通過客室內設置煙道從車上完成排氣。如此以來，可以使進氣口盡可能遠地遠離排氣口，同時在進氣口后端設置空氣過濾器設備，保證渦輪增壓吸入的空氣純凈，且不污染車身。針對尾氣，采用后排氣處理系統，通過裝有尿素液的尿素混合器、催化轉化器等設備與柴油機尾氣發生化學反應，最終通過消聲器排出符合排放標準的尾氣。

2)機油設備。柴油機機油設備主要為柴油機運行提供潤滑油，同時可以完成冷卻任務。主要包含機油加注口、機油加注管、油尺等部件。

3)燃油設備。燃油設備為柴油機氣缸提供柴油氣體，通過空氣與柴油的混合氣體燃燒產生熱能，推動活塞運動。燃油設備包括油箱、燃油粗濾器、精濾器、手動泵等。燃油箱的容量取決于發動機參數、運營線路及管理等因素，盡量靠近動力包布置，縮短管路長度。不論是內電還是內液傳動動力包，目前一般采用共軌噴油技術，達到噴油量不受發動機轉速等因素影響，燃燒更充分、平順。

2.1.4 冷卻設備

內電及內液傳動系統的動力包冷卻系統大同小異，根據是否與柴油機集成在一起，可分為分體式冷卻設備和一體式冷卻設備。根據冷卻介質及用途可以分為：水冷系統(用于發電機冷卻)、中冷系統(用于渦輪增壓空氣的冷卻)、靜液壓系統(用于驅動液壓馬達)。以下按照冷卻介質分類說明：

1)水冷系統。水冷系統主要包括水泵、液壓馬達、中冷器、膨脹水箱等設備，具體流向如圖1所示(箭頭代表冷卻介質流向)。

圖1 水冷流向圖

如圖1所示，冷卻水通過柴油機組帶動的水泵加壓，流向溫控閥，經過水冷風扇散熱后，低溫冷卻水流向發電機進行冷卻，完成水冷循環。

2)中冷系統。由于渦輪增壓吸入的空氣溫度較高，若直接送入氣缸與柴油氣體混合，可能會產生爆震等問題。故在吸入的空氣后端與柴油機氣缸前端增加中冷設備，對吸入的高溫空氣利用中冷風扇提前進行冷卻。主要包括：增壓器廢氣渦輪、中冷器、消音器等，具體流向如圖2所示(箭頭代表空氣流向)。

3)靜液壓系統。上述冷卻風扇，均由靜液壓系統驅動。其中靜液壓系統主要包括：液壓泵、液壓馬達、油溫控閥等設備。靜液壓油通過液壓泵加壓，驅動液壓馬達轉動，從而帶動冷卻風扇轉動，然后通過油溫控閥判斷是否需要對靜液壓油進行冷卻，最終回到油箱，完成循環。其驅動流向如圖3所示(箭頭代表靜液壓油流向)。

圖2 氣冷流向圖

圖3 靜液壓油流向圖

2.1.5 電控設備

不論是內電還是內液動力包傳動系統，均設置有集成于動力包的電控箱，其主要功能為：①整個動力包所包含的部件的控制、診斷及運行記錄功能。②防滑/防空轉功能、監控和診斷。

2.1.6 安裝框架

動力包安裝框架在考慮減振、防脫和放松設計的基礎上，橫向主承載梁采用板焊箱型梁，縱向連接梁采用圓形管材，并通過4個彈性吊掛點，采用螺栓連接懸掛在車體側梁下。

2.2 內電及內液動力包不同設備結構及差異分析

2.2.1 輸出端結構及設備差異

內電動力包末端為永磁發電機，將柴油機的動能轉換為電能，通過電纜等將發電機產生的交流電送往后續電氣設備。最終經過整流器、變流器等電源轉換設備，最終輸入三相交流牽引電機，將電能轉換為內燃動車組的動能。整體能量傳輸結構如圖4所示。

圖4 內電動車組能量傳輸流程圖

內液動力包柴油機輸出端通過飛輪等裝置與液力傳動裝置連接，將柴油機的動能傳遞給液力傳動裝置后端連接的萬向軸，通過萬向軸及傳動齒輪箱，最終轉換為內燃動車組的動能。整體能量傳輸結構如圖5所示。

圖5 內液動車組能量傳輸流程圖

2.2.2 設備及重量對比

相比內液傳動動力包，內電動力包可能會增加蓄電池、整流器等相關電能儲備及轉換設備，從整套傳動系統角度對比，同等平臺情況下，內電動力包可能會比內液動力包在電氣設備方面增重4 t左右。

2.2.3 性能對比

由于三相交流電機相比液力傳動裝置存在短時啟動過載能力，故同等平臺情況下，內電動力包加速性能稍優于內液動力包。兩類似項目對牽引加速度統計如表3。

表3 類似項目內電及內液動車組加速度對比表

2.2.4 成本對比

相比內液傳動動力包，內電動力包的成本會增加蓄電池、整流器等相關電能儲備及轉換設備，從整套傳動系統角度對比，同等平臺情況下，內電動力包會比內液動力包在電氣設備方面成本更高。

3 對比總結及市場分析

3.1 對比總結

根據上述內電及內液傳動動力包異同點分析，可得出優劣性對比如表4所示。

表4 內電及內液動力包對比表

3.2 市場分析

不論是內電還是內液傳動動力包系統，均在非電氣化鐵路車輛上擔負著重要任務。從車輛結構設計角度來講，內液傳動系統更簡單高效，設備較少，維護更方便，有利于車輛設計廠商前期設計與使用方中后期的運營及維護。從使用方使用要求方面來說，若需要性能更優異，適應線路快起快停等要求，適當增加成本的條件下，選擇內電傳動系統更容易滿足要求。所以在內燃動車組設計規劃時，需提前判定項目側重方面，從而才能選擇更符合項目要求的技術方案。