内燃机车技术运用及节能措施研究

曹军庆

摘 要： 内燃机是最为常见的一种热力发动机，内燃机的使用寿命不仅与内燃机本身的结构设计、制造水平有关，也与合理使用有关。合理使用包括内燃机使用环境和使用方式。

关键词： 内燃机车;柴油机;内燃机;燃料电池

【中图分类号】U262     【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）04-0165-02

引言：本文介绍了内燃机车的特点及其当前国内技术发展现状，同时对其技术应用进行了阐述，重点对其节能技术开展了相关研究。

1 内燃机概述

内燃机应用领域宽泛，通常可包括：1）各类地面运输车辆（汽车、拖拉机、内燃机车）;2）各类工程机械;3）农业、林业机械;4）发电站;5）船舶主机及辅机;6）军事武备，如坦克、水面舰艇、潜艇等。与其他热机相比，内燃机的优势为：1）热效率高，燃油消耗率低，尤其是柴油机，通常被认为是热效率最高的热机;2）功率范围宽广，单机功率可从零点几～数万kW，适用于多个领域;3）结构紧凑、质量轻、便于移动;4）操作简易，起动迅速，在起动后能迅速以全负荷运行。与其他热机相比，内燃机的劣势为：1）内燃机对燃料要求较高，中、高速内燃机通常使用汽油或轻柴油作为燃料，并且对燃料清洁度要求较高，通常不使用固相燃料或劣质燃料;2）噪声与排气污染问题，内燃机目前在各个领域中得以广泛应用，但对环境的污染也日益加重;3）整机结构复杂，零部件加工精度要求较高。

2 内燃机车的技术运用

2.1 机车功率的等级化

我国内燃机车的功率等级主要如下：货运内燃机车可采用2210kW、2940kW、3680～4410/4660kW等3个柴油机功率等级;调车内燃机车可采用1100kW、1470kW、2210kW等3个柴油机功率等级;客运内燃机车则可采用2940kW、3680kW及4410/4660kW等3个柴油机功率等级。在运行速度要求不高的地区，可以采用货运机车牵引旅客列车。

2.2 轴数、轴式的多样化

我国内燃机车过去多采用三轴转向架C0—C0轴式，目前可着力发展两轴转向架系列的机车，如B0—B0、B0—B0—B0、B0—B0—B0—B0等轴式。由此能优化机车曲线通过性能，降低踏面磨耗，更适用于蜿蜒曲折的山区铁路。在目前铁路运输的条件下，货运内燃机车黏着重量与轮周功率的比值以50～60kg/kW为宜;牵引快捷货运的机车，上述比值应减小;山区线路的机车，上述比值应增大;调车机车以85～120kg/kW为宜;客运内燃机车根据运行速度的要求来确定合适的比值，快速客运机车应尽可能轻。

2.3 采用不同的轴重

我国目前生产的内燃机车，轴重多为23t，由此可依据不同的运输用途来调整轴重。

2.4 转向架结构形式的多样化

为适应不同运输条件，转向架结构形式也可相应实现多样化，如大轴重货运机车可相应增大轮径并采用全悬挂牵引电动机，客运机车可采用一、二系悬挂方式并选用全悬挂牵引电动机，小半径曲线较多的线路可采用径向转向架。

2.5 内燃机车在高原领域的应用

西部大开发和青藏铁路的建设和通车，给铁路机车车辆工业带来了机遇和挑战。高原内燃机车的试制和生产就是其中一例。青藏铁路位于高原地区，气压很低。尤其唐古拉山地段，海拔近5000m。柴油机在低气压条件下工作，会导致其输出功率的降低。现在，柴油机要在5000m海拔条件下工作，功率下降就更为显著了。为了让柴油机能按照预定的功率可靠地运行，必须实现功率的自动调整。为此，在柴油机上安装一种具有大气压力传感功能的电控装置，从传感器得悉大气压力，就可以自动调整柴油机功率，以保证柴油机正常运转。另外，还要解决由于低温，燃油黏度增大造成的柴油机启动、燃烧、冷却等一系列技术难题，目前采取的措施是使用加热器。有进气加热器、机油加热器、燃油加热器、电瓶加热器等多种型号。这就可以改善内燃机车的柴油机低温启动的性能，提高运行的安全可靠性。同时，还采用机械控制设备和各种仪表监控，以进行防寒处理以及对电气设备和空气滤清器采取防冰雪措施等。

3 源自燃料电池机车的技术挑战

在氢能源汽车逐渐走入人们视野的同时，将该类能源应用于铁路牵引动力也逐渐成为了一大重要技术关注要点。2004年12月，日本铁道综合技术研究所计划在2010年开发出以燃料电池为动力来源的样车。同时美国也计划制造使用燃料电池的机车。早在2005年，英国铁路方面则针对IC225车组进行研究，该台机车的最大输出功率为5MW。在伦敦到爱丁堡之间运行，速度为225km/h，运行4h。燃料电池列车必须保证一天不加氢，如果在车站加氢，由于人群拥挤，又有高压电和其他电气设备，很不安全。因此，车上必须具有较好的储能能力。车上存储的氢，最好是-253℃的液态氢或70MPa压缩的气态氢以及储存在金属氢化物或碳毫微管中的固态氢。现在使用的燃料电池是沿用公路运输设计的产品，其对电力波动的响应速度很快。装在IC225车组上，需布置60组电池，每组串联/并联，可以输出机车所需用功率的电量。在火车上存储氢是可行的。但如存储在地板之上，则会占用了一部分车厢内的有效空间。燃料电池的另一优势，是可以存储再生能源并重复使用。IC225车组有4个动轴，以200km/h速度运行，其制动能量要比汽车大得多。由于不同的负载循环，轨道车辆制动是摩擦制动，耗失的动能达1GJ，而燃料电池如何对该类制动能量进行有效利用，还有待于研究开发，其次还有资金、成本等问题有待于进一步解决。

4 内燃机车节能措施研究

4.1 采用含氧燃料

含氧燃料通常指掺混有酒精、丙酮及其他含氧化合物的燃料。由于掺入的燃料分子中均含有氧，因此在燃烧过程中，减少了所需的空气量，并且可补偿因气压降低而产生的进气充量不足。采用含氧燃料，需要进行相关台架试验进行评估，以确保此措施对发动机正常运行没有不良影响。

4.2 保证蓄电池的可靠性

内燃机无法自行起动，需要在外力作用下方可起动。电起动是最为常见的起动方式，因此蓄电池的可靠性就尤为重要。需定期检查蓄电池，并且补充蒸馏水及电解液，以保证蓄电池的良好功能。

4.3 在柴油中投放添加剂，以提高柴油机的功率，改善工况、节约能源

目前已经开发、生产并在市场上销售的添加剂，品种也很多，各具有一定的功效。国内企业和浙江大学联合研发一种称之为第三代燃加剂，节油可达16%。由于柴油机工作运行条件较为复杂。其涉及到柴油机的结构、工艺、制造和运行的方方面面。从柴油机的工作机理来看，柴油机节油的途径主要从3个方面着手：一是增加柴油机的供氧量，最佳的混合比，达到燃料的充分燃烧;二是改进油分子的结构，以提高发动机的功效;三是控制油量的供给，实现最佳供油量，以减少尾气污物的排放。这些都是提高功率、降低油耗、减少排放的主要方法。各国柴油机企业把各方面的改进措施，加以归纳综合，研究提高，逐步形成先进柴油机技术。

参考文献

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