机车用280柴油机的发展历程

薛良君，滕雷昌

（南车集团 戚墅堰机车有限公司，江苏常州213011）

自第1台280机车柴油机在南车集团戚墅堰机车有限公司（以下简称戚机公司）问世以来，经过几十年的不断发展，戚机公司先后开发出了16V280ZJ、16V280ZJA、12V280ZJ、6L280ZJ、R16V280ZJ等机车用柴油机，回顾280柴油机的研制和开发历程，对我国当今铁路装备制造业实施“引进、消化、再创新”战略或许会有一些启迪。

1 280柴油机的由来

20世纪70年代未，我国在结束了文革10年动荡的岁月以后，百废待兴，国家急需振兴经济。在当时，作为我国经济发展大动脉的铁路运输行业，铁路运营里程少、线路规格低、机车牵引功率小，铁路运能远不能满足国民经济发展的需要。为此，戚机公司提出了研制功率为4 500～5 000马力的16缸280机车柴油机的开发计划（图1）。

2 280单缸机的开发

1976年10月戚机公司在完成对国内外机车柴油机资料分析的基础上，技术部门提出了280柴油机的主要性能参数和总体结构方案，对柴油机方案组织进行了多次论证，在此基础上完成了技术设计。按照正常的开发流程，柴油机开发工作首先在单缸柴油机上进行。

1977年一季度，戚机公司完成了单缸机的全部设计工作，同年10月280单缸机完成组装并开始进行开发试验。11月在利用当时240柴油机供油系统某些零部件的基础上，单缸机功率达到了330马力。1978年1月在使用280喷油泵等专用零部件后，单缸机功率达到了350马力的设计指标。此后，经过不断改进，单缸机功率先后达到了375马力和404马力，具备了开发多缸柴油机的基础。

3 16V280ZJ型柴油机的研制

1978年3月戚机公司正式开始16缸280柴油机的研制工作。

1979年5月第1台16V280ZJ型柴油机完成总组装。同年10月柴油机功率达到了5 000马力，达到了预定的性能指标。

为保证柴油机零部件运用的可靠性，从1979年12月起，戚机公司与铁道科学研究院合作对柴油机机体、气缸套、密封垫、气缸盖螺栓、气缸盖、气门、活塞、连杆、曲轴、主轴瓦、连杆瓦等14个主要零部件进行了大规模的静强度测试，先后共贴应变片829枚，模拟测试了23个试验工况，获取了5万5千多个试验数据，为后续柴油机设计改进提供了大量宝贵的原始资料，并为保证柴油机的可靠运用打下良好的基础。

1979年12月至1980年10月，戚机公司和铁科院合作在单缸机上先后完成了燃烧室零部件的温度场测试、示功图测试，并在16缸机上进行了燃烧、配气、供油、增压、振动、扭振、调速器等一系列开发试验。并委托铁科院进行了配气机构动力学的计算与测试、气缸盖进排气道稳流吹风试验、水流组织试验等。

1980年10月和1981年的12月，按照公司确定的稳妥可靠、分阶段提升柴油机功率的指导意见，在第1台16V280ZJ型柴油机上分别完成了持续功率4 500马力，最大功率5 000马力的UIC100h性能试验和360h耐久性试验。

为考核柴油机实际运用的可靠性，1982年12月根据申请，铁道部科技局、机务局、工业总局发文安排，经过UIC试验考核的第1台16V280ZJ型柴油机被装用在上海铁路局南京东机务段的东风4－0267号厂修内燃机车上，进行20万km的线路运行考核试验。至1984年6月该机车共走行22万余公里，情况良好。通过装车运用试验，消除了当时许多关于280柴油机能否在机车上安装、轴重会不会超、经济性好不好、可靠性高不高等疑虑，实现了比当时其他型号机车拉得多、跑得快的目标。

1983年戚机公司与国家经委签订了“六五”国家科技攻关项目合同，进行DF8型货运内燃机车的试制，机车动力装置采用16V280ZJ型柴油机，柴油机标定功率3 675kW，装车功率3 310kW，燃油消耗率210g（kW·h）。首台机车于1984年12月交付上海铁路局进行15万km线路运用考核试验，而后，该机车与后续小批试制的DF8型机车在郑州铁路局信阳机务段继续进行线路运用试验。

为提高柴油机的性能和运用可靠性，从1983年起，公司针对柴油机运用中暴露的问题逐项进行了改进。

性能方面在大量试验的基础上，采用高效率、高压比的VTC254－13型增压器更换原320P－7型增压器；采用先进的模件式脉冲转换（MPC）增压系统代替原双脉冲增压系统，较大地提高了柴油机的可靠性和经济性。

结构方面采用下穿螺栓连接的钢顶铝裙组合活塞替代上穿螺栓连接的组合活塞，解决了活塞顶裂的问题；采用单弹簧陶瓷机械密封替代多弹簧硬质合金机械密封，解决了水泵漏水的惯性质量问题；采用盖斯林格联轴器取代自制的板簧联轴器；对连杆大头齿形应力进行分析，并对螺栓连接结构进行改进。通过上述措施，极大地提高了柴油机零部件运用的可靠性。

1988年9月和1988年12月在33＃16V280ZJ柴油机上分别完成了UIC100h和360h铁道部级型式鉴定试验，各项性能参数达到了DF8型机车用柴油机设计任务书的要求，柴油机运转可靠、情况良好。

1986年5月第1台DF8型机车完成了15万km的线路运行考核试验。1987年7月至1988年2月DF8型0013＃机车分别在武昌南机务段和铁科院完成了机车牵引热工性能、冷却能力、电机温升等试验，以及机车称重、振动、噪声等铁道部级性能鉴定试验。

1989年2月16V280ZJ型柴油机随同DF8型机车一起，通过了由国家计委、国家科委委托铁道部组织的技术鉴定。至此，DF8型这一当时国内单机功率最大的内燃机车得以投入批量生产。

16V280ZJ型柴油机随同DF8型机车一起先后获得了1986年国家“六五”科技攻关奖，1989年铁道部科技进步一等奖、1990年国家科技进步一等奖。

4 16V280ZJA型柴油机的开发

为了实现客运快速和以北京为中心1 500km范围内城市之间做到夕发朝至，要求客运列车牵引20节车辆（1 100t）、速度达到140km／h的目标。铁道部以铁科技（1987）199号文下达了“关于大功率客运电力、内燃机车研制招标书的通知”，并将广深线作为首条开通的准高速铁路。基于280缸径的大功率柴油机，戚机公司准备了牵引电机全悬挂加高柔圆弹簧的转向架等技术方案，联合铁科院、株洲电力机车研究所、西南交通大学、上海铁道学院等单位共同投标，最后以单机大功率高的优势胜出，试制两台运营速度为140km／h的DF9型客运机车。而后，铁道部要求机车速度提高到160 km／h，为此，戚机公司先后开发了DF11型系列准高速内燃机车。

为满足准高速客运机车的运用要求，柴油机的功率需要有较大的提高，为此，确定开发的16V280ZJA型柴油机的标定功率为3 860kW，装车功率3 675kW，燃油消耗率208g／（kW·h）。由于柴油机的装车功率有较大的提高，同时还要对柴油机进行减重。因此，需要在性能与可靠性上做较大的改进。

1988年1月为解决提升功率后2缸、15缸排温比其余气缸高的原因，利用燃烧分析仪对柴油机进行性能测试，试验在排气管有节流孔板、无节流孔板等条件下进行，测量各工况时的运行参数进行分析。

1989年6月至12月历时6个月的探索试验，了解了各种工况时的增压器通流元件规格、压缩比、喷油提前角之间的关系，在进行不同喷孔直径喷油器对比试验、不同喷油提前角与不同压缩比对比试验等基础上，确定了柴油机主要参数。

1990年6月在16V280ZJA型柴油机上进行了连续50h运行考核试验，并顺利进行了标定功率负荷特性试验，装车功率牵引特性试验，不同供油位置时的功率、扭矩和油耗特性试验，转速与功率的边界特性试验。

1990年8月开始为减轻柴油机质量，完成了大圆薄板连轴器、减振器与减小厚度的连接箱等的设计和试制，相继完成了柴油机台架扭振试验，实测最大扭振振幅、轴段应力都小于允许值。

1994年9月至1995年1月16V280ZJA型柴油机先后顺利通过了UIC100h和360h铁道部级鉴定试验。

1994年12月22日广深铁路首列准高速列车的开通为我国铁路大提速创造了条件。从1997年开始，铁道部进行的6次铁路大提速，给DF11型、DF11G型客运机车的广泛运用得到了充分展示的机会，并由此得到了大的发展。

1995年铁道部科技发展要求随着铁路客运速度提高，与此相匹配，货运也需要提速重载。铁道部科技司向戚机公司下达了DF8B型货运机车的研制任务，动力装置仍采用16V280ZJA型柴油机。

16V280ZJA型柴油机随同DF9型机车于1991年获国家“七五”科技攻关奖，随同DF11型机车于1996年获铁道部科技进步特等奖、1997年获国家科技进步一等奖。

5 280系列柴油机的开发

2001年4月完成16V280ZJA1型强化柴油机的研制，该机标定功率4 050kW，装车功率3 860kW。该柴油机采用了增加流量系数的新气缸盖和与其配套的排气管、加大冷却能力的中冷器、重新匹配的轴系、燃油电控喷射系统等。该台柴油机装于333＃DF11型机车，在上海铁路局运用90万km后情况良好。

此外，根据市场需求，公司在16V280ZJA型柴油机的基础上开发了12V280ZJ型、6L280ZJ型二款系列柴油机。

12V280ZJ型柴油机，标定功率2 940kW，1999年10月用于我国首列研制成功的NZJ1型内燃动车组“新曙光号”，2008年7月用于北京至八达岭的NDJ3型内燃动车组，2011年用于出口沙特小限界客货运内燃机车。

直列6缸6L280ZJ型柴油机，标定功率1 470kW，主要用于GKD2型工矿电传动调车机车和GK2C型液力传动干线调车机车。

6 R16V280ZJ型柴油机的研制

用16V280ZJA型柴油机作为动力的DF11型、DF8B型内燃机车的研制成功，为我国铁路运输的“快速、重载”做出了应有的贡献。为进一步提高内燃机车的功率和运用经济性、可靠性，以满足铁路未来发展的需要，铁道部科技司、计划司、机务局，工业总公司等单位于1993年10月20日在铁道部总工程师主持下召开了专门会议，取得了共识并发出会议纪要，同意与国外进行技术合作，加快改进速度。主管工业的副部长批示指出：280柴油机是有发展前景的机型，今后应不断扩大DF8及DF11型内燃机车产量，关于280柴油机与国外合作的资金，请外资办设法从世界银行贷款中解决。

通过谈判、招标，最终选定与世界著名咨询公司AVL合作。1996年先由铁道部科技司、工业总公司和申车公司3方出资进行先期评估，初定柴油机标定功率为6 000马力。从1998年起正式确定新开发的柴油机（即R16V280ZJ型柴油机）按标定功率4 705kW（6 400马力）、最大功率5 175kW（7 040马力），燃油消耗率204g／（kW·h）、使用寿命30 000万h的目标进行开发，其主要研制情况如下。

1997年2月合同项目正式启动，项目按概念设计、施工设计、样机试制、性能开发、验收试验5个阶段进行。1999年初投料试制，12月完成总组装。

在柴油机开发过程中，先后完成了气缸盖进排气吹风试验，增压器配机与提升功率试验，扭振试验，燃烧过程测试与分析，连杆螺栓疲劳强度试验和光弹性力学试验，活塞静强度试验，机体动应力测试，燃油电喷供油系统试验，柴油机性能参数调整试验等。同时，解决了主轴瓦碾瓦等关键问题，保证了柴油机试制工作的顺利进行。

R16V280ZJ柴油机于2004年5顺利通过UIC100 h性能试验，2004年10月至11月在大连完成了UIC360h耐久性试验。该型柴油机型式试验时的燃油消耗率为196.38g／（kW·h），排放满足UIC2要求，是目前我国功率最大、技术指标最先进的机车柴油机，总体技术指标达到了国际先进水平。

2000年7月我厂与铁道部科技司签订了研制装用R16V280ZJ柴油机的6 000马力交流传动货运内燃机车合同，机车定型为DF8CJ，轴重25t。首台机车2003年试制完成，连同以后生产的3台机车先后运用在上海铁路局和郑州铁路局等地。

2006年12月，铁道部科技司组织行业专家在北京召开了DF8CJ型大功率交流传动机车的阶段验收总结会。

7 R12V280ZJ型柴油机的开发

为满足我国铁路未来多用途机车的需要，基于R16V280ZJ型柴油机先进和成熟的技术，并消化、吸收引进柴油机的先进技术，戚机公司于2005年开始开发R12V280ZJ型柴油机，该柴油机标定功率3 530kW，该柴油机可用于大功率调机和支线机车。目前，已在首台样机上进行了性能开发试验，对燃烧组织和增压配套进行了优化，试验表明，所采取的性能改进措施大幅度降低了柴油机在部分负荷时的燃油消耗率和排气温度。

8 未来的工作

作为我国唯一的专业从事大功率内燃机车的制造企业，戚机公司今后将一如既往地关注国际先进柴油机的发展动态，消化、吸收先进的柴油机开发技术，进一步提高柴油机的强化水平，继续降低燃油、机油的消耗率，特别是部分负荷时的燃油消耗。采取有关措施，降低排放污染物，满足未来更为严格的排放要求，为我国铁路提供节能、环保的新型机车用柴油机。