内燃机车燃用水煤浆的可行性分析研究及前景展望

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司 上海 200438）

世界石油资源短缺和石油价格暴涨对整个世界经济产生了巨大的冲击，而给美国、日本和西欧这类石油主要靠进口的工业化国家所带来的冲击和影响尤甚。然而，事物总是具有两面性，这场危机使人们更加深刻地认识到了石油依赖进口的致命弱点，因而开始考虑重新调整其能源生产和消费结构、同时大力开展节能运动和积极寻求代用能源。

人们在寻求石油的替代能源时首先想到的就是煤炭。这其中的主要原因有三条：一是煤的储量丰富；二是相对石油和天然气来说煤的价格较便宜；三是在当时煤的开采、洗选、加工、转化等技术已经发展到相当高的水平。

1 以煤作为燃料的机车技术发展史

燃煤机车并不是个新概念。煤曾推动了铁路事业的发展，其充当机车的主燃料源历经100 余年。19 世纪初诞生于英国的机车正是出于寻求一种更简单、更有效的把煤从煤矿运送出去的方法而被创造的。“铁路”和“蒸汽机”这两项早期发明的结合诞生了机车。尽管在当时机车发动机常有各种各样的机械故障，但是机车运输成本仍比各种畜力车运输成本低，因为其燃用的是来自煤矿的廉价煤燃料，而非消耗昂贵的饲料。

如同所有新生事物，用机车替代畜力运输，在刚开始时也曾受到人们的怀疑，甚至各类刁难。然而蒸汽机车无可比拟的优越性使其得以不断发展壮大，且随着铁路的扩展而得到越来越广泛的应用。在19 世纪初乃至一直持续到20 世纪的相当长一段时间内，以煤为燃料的蒸汽机车一直是运输行业的主力军。

直到19 世纪末电动机技术开始成熟，才有了除蒸汽机车之外的其它选择。即便在那时，电力机车仍不是蒸汽机车的强力竞争对手。正如今天的情形一样，电力机车只是应用在人口较密集的地区。蒸汽机车的第一个真正的对手是以柴油机为动力的内燃机车。

柴油机发明于19 世纪末，并在20 世纪初得到进一步完善。在20 世纪20 年代，柴油机开始进入铁路市场，充当调车机车的动力装置。铁路部门发现，内燃机车的运营比蒸汽机车简单、便宜，进而又确认了内燃机车是第一合理的动力源。正是这种选择引发了一场关于机车动力装置的革命［1-3］。

柴油机占领铁路市场的阶段恰恰是机车动力系统技术大发展的阶段。在当时，铁路对机车动力装置的型式（包括蒸汽机、柴油机和燃气轮机）、机车传动系统（包括机械传动或电传动）以及燃料型式（包括煤、油和气体燃料）都面临着几种选择。

在欧洲和北美地区，曾制造了不少燃气轮机车，并投入了实际运用。当时拥有燃气轮机车数量最多的是美国的联合太平洋铁路公司。其中有一台燃气轮机车被改造成烧煤燃料，因受当时的技术水平限制，在实际运用中未能获得成功。

随着机车技术的不断发展，人们发现石油燃料不但价廉且可充分满足供应需求。截至1950 年，廉价的石油燃料供应成为铁路的理想选择。虽然煤价也同样低廉，但当时的燃煤机车却无力与不断发展的以柴油机为基础的新型机车所表现的许多优势抗衡。新型柴油机的主要优势是效率高、灵活性好及维修成本低。正因为如此，烧煤的蒸汽机车最终难逃遭淘汰的厄运。在美国等地区，燃用石油燃料的电传动内燃机车成为铁路的唯一选择。截至20 世纪50 年代末，蒸汽机车已从美国干线货运中完全消失。20 世纪90 年代末期，蒸汽机车在我国逐步退出了历史舞台。

今天，铁路运输部门和机车制造部门再次面临着经济危机问题，解决这些问题的办法也许会再次引发一场机车革命。业界普遍认为，尽管眼下石油燃料供应看来不成问题，且价格也不象原先预计的那么高，但铁路最终将受到更高的燃油价格和可获得性的制约。所以，研究和开发一种在技术上可行、在经济上有吸引力的、以煤为燃料的新一代内燃机车也有着一定的技术前景。一旦这种机车开发成功并进入商品化，其经济意义和战略意义将是不言而喻的。

2 水煤浆作为内燃机车燃料的技术可行性研究

以煤为燃料的内燃机车的技术关键在于柴油机。事实上，柴油机烧煤燃料并不是一个新的研究课题。早在19 世纪末，就已有人提出了柴油机烧煤的设想，并在随后进行了大胆的尝试。在经过了几年的试验研究之后，被迫放弃了这一研究课题。导致研究失败的原因是当时所用的煤粉燃料的供送、柴油机喷嘴、活塞环等零部件过快磨耗等技术问题无法克服。20 世纪初，继续开展了针对柴油机烧煤粉燃料的开发研究，并且取得了巨大的进展，成功地进行了柴油机从烧粉煤到硬煤的示范性运行。在这一阶段，德国曾先后制造了19 台气缸工作容积从1 L～154 L、转速从160 r/min～1 600 r/min 的烧煤粉运行试验型发动机。截至1940 年，这些试验机累计运行达数千小时［4］。第二次世界大战的结束亦宣告了当时德国人积极进行燃煤柴油机研究工作的结束。这一方面是由于战争的影响，另一方面是由于当时石油燃料价格便宜且供应不成问题，人们对柴油机烧煤燃料已不感兴趣。自那以后一直到1980 年，在全世界范围内对燃煤柴油机的研究只是零零星星地进行着。

自20 世纪80 年代初，在美国开展了一场较大规模的燃煤柴油机开发研究活动。总结和吸取了前人的经验，在对煤粉、气化煤、液化煤、煤/甲醇浆、煤/柴油浆等各种燃料形式方案进行了对比分析和试验之后，最后选择了水煤浆这一燃料形式。由于时代的进步，技术的发展，当年在燃煤柴油机研究试验中所遇到的各种无法逾越的障碍或技术难题在今天有些已经不再成为问题，有些则得到了有效控制或解决。

柴油机应用煤燃料的技术关键在于燃料制备、燃料喷射和发火燃烧、耐久性及排放控制等方面。目前在这些关键领域部已经取得了突破性的进展。各种研究结果证实，水煤浆柴油机在技术上是可行的。尽管在当时的研发过程中，某些局部方面还不够完善，但开发者们相信，通过进一步的努力，水煤浆柴油机将会达到商业应用水平。

内燃机车燃用水煤浆技术关键在于柴油机，只要解决了柴油机方面的问题，整个机车系统的其它问题并不难解决。例如，与燃用柴油的普通内燃机车相比，燃用水煤浆的内燃机车的一个主要问题是燃料的储存和携带。由于水煤浆的热值一般只有柴油的二分之一，所以为了保持燃用水煤浆的内燃机车具有与柴油内燃机车相等的行走里程，就需要携带两倍于柴油的水煤浆。在开发燃用水煤浆的内燃机车的同时，以美国干线内燃机车为例，其燃油箱最大容积为4 000 美制加仑，在此基础上再增加4 000 美制加仑的容积和重量，因受机车有效空间限制，在结构布置上有一定困难，同时也会引起轴重超限的问题。针对这类问题，当时GE 公司和GM 公司考虑了不同的解决方案：GE 公司的解决方案是机车采用六轴设计，并将机车总长度加长3 m 左右；GM 公司的解决方案是采用3 台机车联挂，外加一节共用的水煤浆燃料车［5-6］。

总之，燃用水煤浆的内燃机车在技术上是可行的，问题在于其自身经济性。如果它在经济上亦具有明显的优势，那将是一种很有前途的新一代内燃机车。

3 水煤浆用作于内燃机车燃料的经济可行性研究

众所周知，在进行研发和生产某种新产品尤其是大型产品的决策之前，通常都要进行详细而周密的经济性分析。在燃煤机车开发研究之初，尽管普遍认为燃煤机车在经济上很有吸引力，但作为机车生产厂家的GE 和GM 公司仍然对机车的经济性作了充分的分析和评估，并在其后的技术开发过程中不断对初期所作分析获得的结果进行验证和修正。

相关研究分析的结果表明：由于燃料不同，1 台大功率（2 982.8 kW）的燃用水煤浆的干线内燃机车与同等功率的普通内燃机车相比，其制造成本将增加25 万～30 万美元。所增加的这部分费用有一大部分是加装排放控制系统的费用，其次是发动机零部件（包括加装的零部件和采用昂贵的超硬材料制作的耐久零部件）的费用，以及机车系统的加装改造费用。

铁路用户需要为每台燃用水煤浆的内燃机车多支付的费用还不止这25 万～30 万美元的购置成本。铁路公司需要额外支付的费用项目还包括针对水煤浆燃料的运输成本、增加的维修成本（主要是柴油机）、增加的机油成本（使用水煤浆燃料，发动机机油更易遭受污染，所以机油更换周期将比普通柴油机更为频繁）等。

机车制造成本及以上所列运用、维修成本的额外费用必须靠水煤浆燃料成本与柴油成本之间的差价来补偿。所以，燃用水煤浆的内燃机车在经济上有没有吸引力或者说其经济性优势的大小，主要取决于煤和柴油两者之间的价格差，这也是整个燃煤内燃机车经济性评估的基础。

4 柴油机燃用水煤浆的技术研究与开发［7-8］

4.1 技术研究与开发

这里所说的技术研究与开发指的是燃烧、燃料、排放及耐久性等主要方面。按计划，要通过试验台试验和单缸机试验来进行。燃烧研究和开发的首要任务是，在对现有机械式柴油喷射装置只作尽可能小的修改的前提下燃用水煤浆，以便尽快获得实际尺寸的多缸机的运用经验。所获得的经验将用来指导完成下一步任务，即开发一种经过改进的、能够优化水煤浆在柴油机里燃烧的电子控制式燃料喷射系统。燃料研究与开发的任务有两项：一是确认影响发动机燃烧的水煤浆特征参数；二是拓宽发动机对最广范围的煤燃料技术条件的可接受性。排放研究与开发的目标是确认烧煤柴油机的排放特性，开发一种能使这种发动机达到与烧柴油同样洁净水平的排放控制系统。耐久性研究的目的是，在合理的成本前提下开发为提供可与今天的以油为燃料的柴油机相媲美的发动机寿命所需的新材料和新工艺。

4.2 燃料研究与开发

进一步的水煤浆燃烧优化研究是在单缸机上完成的。优化燃烧研究的目标是获得最高的燃烧效率（煤的烧尽率），同时又不使发动机零部件承受的燃烧压力超限，并使发动机具有理想的燃料消耗率。只使用最少量的引燃柴油也是优化燃烧研究的目标之一。所研究的参数包括水煤浆喷射压力，水煤浆和引燃柴油喷射定时，水煤浆喷嘴的喷孔尺寸、数量、形状和喷射角度，以及发动机进气等条件。在研究中观察到了许多有趣的现象。例如，实际上水煤浆是在其喷束撞击到燃烧室壁之后才会发火燃烧的。只要喷束不是过度地撞击燃烧室壁或撞击较冷的气缸套表面，就不一定会阻碍燃烧。观察到的另一个有趣的现象是，为了获得最佳燃烧效果，在较低的负荷工况下，在循环初期即喷入引燃柴油，以充当点火器的作用。然而，在全负荷工况，应在循环的晚些时候才喷入引燃柴油，以使水煤浆中所含的水分在发火前有较长的蒸发延迟时间（滞燃期），从而起到燃烧增强器的作用。

通过大量研究和对比试验发现，水煤浆中煤的含量、煤的灰分含量、煤粒尺寸、添加剂、粘度、煤的品级等是影响发动机燃烧和技术性能的主要因素。

水煤浆中煤含量过低，因此向发动机缸内输入的热能不足，发动机必然不能发出所要求的功率。此外，水分含量过高的水煤浆在喷入气缸后，需要吸收缸内较多的热量才能把水分蒸发掉（即所谓的“蒸发潜热”），这样就使得缸内温度大大降低，从而影响发火燃烧。然而，水煤浆中煤含量过高，会导致水煤浆粘度相应增高，因而引起燃料管路压力降升高、喷射压力过低、燃料供应不足、针阀卡滞、不能进行正常喷射等一系列问题。

灰分含量是水煤浆燃料最重要的特征参数，较低的灰分含量无疑可明显减轻发动机的磨耗和润滑问题。随着物理的和化学的煤净化工艺的发展，目前已能将灰分含量得以有效控制。通常，过低的灰分含量需要采用成本较高的化学净化工艺才能达到。所以在确定灰分含量这一参数时需要在性能与成本之间进行合理的折中。在试验研究之初，为了保证柴油机烧水煤浆运行成功，普遍将灰分含量限制在0.5%左右。后来，随着在单缸机上获得了大量的水煤浆运用经验，对煤的灰分含量限制逐渐放宽。

用于配制水煤浆的煤粉粒度大小对燃烧性能亦有一定的影响。将煤碎化到更细小的颗粒尺寸，可以获得更低的灰分含量，而且可以提高发火和燃烧速度。所以在以前，人们总认为，煤粒尺寸越小，水煤浆的燃烧性能就越理想。然而，事物总有其两面性，上述观点已被大量的燃烧试验结果所否定。通过对比试验发现，如同较高的煤含量一样，较小的煤粒尺寸总是伴随着水煤浆具有较高的粘度，而粘度增高是引起喷射压力下降、影响雾化和燃烧质量的主要因素。尽管在后来开发的一种电子控制的蓄压式燃料喷射装置可以保持较高的喷射压力，从而使得较细小的煤粒尺寸的水煤浆细密地雾化和有效地燃烧，但业界还是普遍认为煤粒尺寸不宜过小。结合相关试验研究情来看，煤粒的平均尺寸一般保持在10 μm 左右。

燃料开发的另一个重要方面是添加剂。为了保持燥水浆燃料具有理想的贮存和燃烧特性，需要在其中加入各种用途的添加剂。如为了长久存放保持不变质的防腐剂、稳定剂、防止粘度增高和沉淀的分散剂，防止喷射器针阀卡滞的水溶性润滑剂等。为了考察这些添加剂本身的性能特点，GE 公司在燃料的开发研究中亦进行了专门的对比试验［9-10］。

4.3 耐久性研究与开发

燃用水煤浆的内燃机车的耐久性关键主要在于柴油机。以往的经验表明，燃煤柴油机的耐久性问题是其通往商业成功之路的最大障碍。燃煤柴油机的耐久性主要涉及燃料喷嘴、活塞环/气缸套、涡轮增压器转子叶片等关键部件。根据相关试验结果表明，采用标准材料制作的上述零部件在烧水煤浆运行时的磨耗率相当于普通燃料发动机的50～100 倍。

5 内燃机车燃用水煤浆的前景展望

正如上文所述，早在19 世纪末至20 世纪初，业界就曾开展过柴油机烧煤燃料的试验研究，但由于当时的技术限制以及廉价的石油燃料供应，燃煤柴油机最终未能取得商业成功。后来，由于石油危机的影响，重新激起了人们对开发煤燃料和烧煤燃料的柴油机，尤其是铁路机车、船舶和固定式发电用的大型中低速柴油机的兴趣。

上文的分析结果表明，烧煤燃料的电传动内燃机车无论是对铁路公司还是对机车制造厂家在经济上都将具有吸引力。燃用水煤浆的内燃机车经济性优势的大小主要取决于煤和柴油的差价。根据以往的经验，石油价格浮动（主要是上浮）较大，而煤价则相对比较稳定。从发展趋势看，两种燃料的差价应该说只会加大，不会缩小。这一结论的主要依据是，世界石油资源不足，且消费量日渐增大，而世界煤资源却相对丰富。

目前，在以煤为燃料的内燃机车开发研究计划的各个方面都取得了巨大进展。相关针对燃用水煤浆的内燃机车线路试验的成功，标志着自蒸汽机车以来在重新使用煤燃料开发中的一个重要的里程碑。计划的研究与开发阶段已基本结束。利用研究与开发阶段的技术成果进行部件开发的初步结果正在产生可喜的回报。

所有的迹象都表明，机车在商业铁路上的试验完全可能成功。如果在开发研究计划的经济性分析中所预示的市场环境成为现实，所开发的这些新技术将对现代燃煤内燃机车的应用起到促进作用。

由此可知，铁路内燃机车以煤代油，其经济优势是毋庸置疑的；从已经取得的研究成果看，在技术上也是可行的；此外，从铁路摆脱受燃油的可获得性的制约，开发利用丰富的煤资源这一战略观点来看，也是必不可少的。

6 结论

虽然目前在铁路干线运输领域，内燃机车已逐步让位于电力机车，但考虑到内燃机车自身的特点，其依然有着一定的不可替代性。内燃机车作为一类自给式机车，无需通过受电弓和接触网来进行能量传递，因此在面临雨雪天气、地震灾害或战争破坏的情况下，其所具备的优势自然是不言而喻的。同时，在尚未布设接触网的部分铁道，也仅可通过内燃机车来提供牵引电力。在当前的技术发展前提下，以水煤浆等燃料替代传统柴油等燃料，也可有效缓解资源危机。