收稿日期：2021-01-06
作者简介：伍赛特（1990—），男，湖南邵阳人，工学硕士，工程师，研究方向为内燃机与动力装置。DOI:10.16525/jki.14-1362/n.2021.03.08
总第201期2021年第3期Total of201 No.3，2021
创新发展
现代工业经济和信息化
Modern Industrial Economy and Informationization
伍赛特
（上海汽车集团股份有限公司，上海200438）
摘要：介绍了内燃机车的历史发展，重点对其当前的技术现状进行了研究。随着我国铁路电气化的不断推行，在干线牵引过程中，内燃机车虽然已逐步让位于电力机车，但考虑到内燃机车的可靠性、使用灵
活性及低运营成本，其在在恶劣天气环境或战时情况下，以及在尚未充分实现电气化的铁路区段依然有着较好的应用前景。关键词：内燃机车；内燃机；柴油机；代用燃料；电传动；技术诊断；电力机车
中图分类号：U262文献标识码：A文章编号：2095-0748（2021）03-0019-05
引言
内燃机车于20世纪20年代即已正式出现，晚于蒸汽机车和电力机车[1]。第二次世界大战以后，内燃机车首先在美国迅速发展，经过十多年高速发展[2]，于20世纪60年代初使蒸汽机车在美国地区基本得以淘汰。
从20世纪50年代中期开始，在英国、法国，德国，俄罗斯等欧洲国家，内燃机车也开始得到迅速发展，发展势头一直延续到20世纪70年代。与此同时，在亚洲、非洲、拉丁美洲许多第三世界发展中国家，内燃机车也得到迅速发展。
内燃机车之所以能异军突起、后来居上，主要是因为其具有使用方便、灵活、上马快和基本投资较少等优点；加上当时油价便宜，经济上也合算；运输效率高，尤其适用于一些运输不太繁忙，列车数不太多的线路及调车小运转作业等。一些路网规模不大的发展中国家，向国外购进几台内燃机车，可立
即投入运用，解决铁路运输问题，能收到“立竿见影”的效果。所以发展中国家绝大多数采取了以内燃牵引为主的政策，使内燃机车达到量大面广的程度。
1973年的中东战争引发了第一次石油危机，国际市场石油价格猛涨[3]。以后又经数次调价，到了20世纪80年代初，油价已比10年前涨了近10倍。这对以优质轻柴油为主要燃料的内燃机车的生存和发展是一个严重的挑战。加上一些发达国家，如美、加、英等国铁路蒸汽机车已基本停用，国内对内燃机车的需求只是为了更新使用到限的旧机车，而铁路运输在与公路运输和民航运输的竞争下，致使新机车
需求量下降。而另一些发达国家，如法国、原联邦德国、意大利和日本等国，国土面积虽然不大，但铁路网密度较大，铁路客运比较发达，运输繁忙，适合采用电力牵引。牵引动力逐渐转向以电力牵引为主，内燃牵引主要用于不太繁忙的次要干线和支线运输，这样，一些人对内燃机车的发展甚至生存前景产生了悲观看法。
事实上，石油危机和油价暴涨并没有能妨碍和阻挡内燃机车的发展。但是，石油危机对内燃机车的发展终究带来了影响。这种影响是两方面的，其消极的一面是有些国家把重点移向其他牵引方式；而其积极的一面是当时的石油危机反而在一定程度上促进了内燃机车技术的发展。
1内燃机车经济性的提升
内燃机车要对付石油涨价的第一个措施就是要努力提高经济性。近几十年来，内燃机车的经济性有了明显提高，主要是通过以下措施而实现
。
柴油机是内燃机车的动力源，降低柴油机油耗是提高机车经济性的第一个要解决的问题。我国大连机车车辆厂于20世纪80年代末开始试制的东风6内燃机车上的16V240ZJD柴油机在英国里卡多（Ricardo）技术咨询公司协作下，经全面改进，油耗降到207g/（kW·h），在国内处领先水平，也达到了国际一般比较先进的水平。柴油机降低油耗，一般主要通过以下措施实现[4-6]。
1）采用高效率增压器，20世纪70年代以前，增压器总效率不超过65%，而现在新投产的新型增压器已得以显著提升。
2）改进排气增压系统，如采用模块式脉冲增压系统等。上述两项措施可充分利用柴油机排气能量。
3）改善燃烧过程，提高燃烧效率和热功转换效
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率[7]。提高喷射压力、改进燃油雾化质量，缩短燃烧
持续期都可达到上述目的[8-9]。
4）提高机油质量、减少内部摩擦阻力。
5）降低柴油机空载和部分负荷工况油耗。
和发电站用和船用柴油机不同，机车用柴油机
负荷变化较大，其大部分工作时间为空载和部分负
荷工况。据美国铁路的估计，美国干线内燃机车柴油
机的空载时间长达机车总运用时间的46%，其余时
间也多是部分负荷。因此，在某种意义上说，降低柴
油机的空载油耗和部分工况油耗比仅仅降低额定负
荷油耗更有意义。
适当降低柴油机空载转速是降低柴油机空载油
耗的一项简便而有效的措施。因为柴油机本身摩擦
阻力功和它所驱动的一切辅助设备所消耗的功都随
转速降低而相应减少。
传统的柱塞式喷油泵，在部分工况时，随负荷和
转速下降，燃烧过程恶化，使油耗上升。许多国家在
研究电控喷油，利用面积不等的工作活塞和加压活
塞，靠液压工作油把燃油压力提高到喷油所需压力，
喷油过程的开始和结束则由电子装置控制，它可根
据柴油机负荷和转速而调节。美、日等国还研制了微
机控制调速器，它能同时控制柴油机和负载装置，使
柴油机在各个工况下都在最低油耗点上
工作。
内燃机车上有许多与牵引列车无直接关系，但
对机车工作又必不可少的辅助设备，如冷却风扇、空
压机、各种散热通风机、照明取暖设备等。它们总计
要消耗柴油机功率的8%～10%，节能潜力相当大。
例如风扇转速可分几档，按外温和机车负荷的不同
而选择适宜的转速；空压机可安装离合器，使其在不
必要工作时可断开，而不须惰转；采用高温冷却也可
提高经济性，一方面柴油机工作循环温度提高有助
于燃烧，另一方面内部阻力减小。另外，冷却风扇功
率也可适当降低。许多电传动内燃机车都安装了电
阻制动，制动期间需对电阻进行冷却通风，而制动电
能又白白浪费。美国利用电子技术回收一部分制动
电能用于辅助设备或用于驱动电阻散热风扇。
2内燃机车代用燃料
对付石油短缺和涨价的措施是开源和节流。上
述几项提高经济性的措施是节流，寻并使用合适
的代用燃料就是开源。
地球上石油资源是很有限的，有人认为按目前
的探明储量和开采量，今后二、三十年内石油资源即
告枯竭。而内燃机车自诞生以来，其一直以轻柴油作
为燃料。来源有限的石油所能加工提炼出的轻柴油
成份又更是有限的，这就进一步缩小了机车柴油机
可用燃料的范围。
国外在扩大内燃机车燃料范围的探索的一个方
面，是设法使柴油机可使用比较劣质的燃油。自20
世纪80年代以来，一些美国铁路致力于确定机车柴
油机能允许的十六烷值和燃油馏分值的下限。
以上劣质燃油终究还是从石油中提炼出来的，
要设法使内燃机车彻底摆脱对石油的依赖还须寻
其他燃料。
可能作为内燃机车燃料的还有：天然气、液化石
油气、甲醇、乙醇、各种煤基燃料和氢等。天然气燃烧
时污染较少，是能源中的佼佼者。柴油机使用天然气
不必作太大的改动。俄罗斯和美国都已在内燃机车
上试用成功，俄罗斯还试制了几台液化天然气内燃
机车。
这种天然气内燃机车由二节动力机车和一节中
汽车空气净化器
间挂车组成，挂车上有两个液化天然气罐及气化装置。
据称其天然气和柴油（引燃用或与天然气混合使用）的
储量可使机车的走行里程比普通内燃机车更长[10]。
甲醇和乙醇在汽车上试用已获成功，巴西使用
较多。美俄等国试验在内燃机车上使用柴油掺甲醇
的混合燃料，也获成功。
地球上煤的储量比石油多得多，我国煤储量尤
其多[11]。若能把煤用作内燃机车燃料，其经济意义极
其巨大。煤可以以下几种形式作为机车燃料。
1）液化煤（人工合成柴油），在机车柴油机上使
用比较适宜。但制取工艺复杂，成本上目前还难以与
柴油竞争。今后随工艺进步及石油价格变化，其竞争
力可能会有所提高。
2）气化煤（人工煤气），柴油机经适当改进可使
用煤气，问题在于，在机车上布置功率大（产气率高）
的煤气发生炉比较困难。通常需要一节挂车，安置煤
气发生炉并储存煤。
3）水煤浆，加工比较简单，成本也不贵。美国已在
机车柴油机上开展试验。主要问题是十六烷值几乎为
零。滞燃期长；喷嘴孔及缸套活塞环等磨损严重。
4）氢，热值高，来源广泛，燃烧无污染，具有诱人
前景，被誉为21世纪的能源。但制取和储存、运输都
很复杂。柴油机也须作一定改动，在短时期内难以作
为内燃机车的燃料。
至于重点攻关方向，鉴于国家的能源政策是
“以煤代油”，开展“煤基代用燃料”的研究仍有一定
的前景。
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3内燃机车交一交流电传动
内燃机车于20世纪20年代刚出现时所采用的传动方式是直流电传动。20世纪30年代以后出现了液力传动，在20世纪50年代及60年代初一度发展较快，但未能动摇电传动的优势地位。到20世纪60年代中期，法国首先出现了交直流电力传动，其优势更加明显，很快就取代了直流电传动，而液力传动则从
此一蹶不振，其发展速度得以放缓。
几乎与交-直流电传动出现的同时，20世纪60年代中期，在英国诞生了第一台交-交流电力传动原型内燃机车。虽然由于当时电子技术不过关，这台机车传动控制部分结构复杂，问题较多，但其引领了向交-交流传动这崭新的领域发展的势头。
交-交流传动机车的牵引电机是交流电机，若采用交流异步电动机[12]，与直流牵引电机相比较，其具有额定功率大，结构简单，可靠耐用、几乎无须维修，以及重量轻，紧凑，过载能力强的特点。使用电阻制动时，其制动力可以发挥到速度接近零时，因为异步电机在制动工况的特性类似于牵引特性。这样，装异步牵引电机的机车既适用于重载货运，也适用于高速客运。
除此之外，交-交流传动机车还有以下优点：全部控制过程和运行状态均用电子元件控制故无机械接触和磨损；异步电机的特性使其不易空转，提高了粘着性能；一些辅助设备，如空压机，通风机、列车供电设备等均由中间直流环节供电，因而在电阻制动时，可把牵引电机产生电能用于驱动这些设备；功率的产生系统（柴油机）和消耗系统（牵引电机）之间要经过中间环节，这两者几乎互相独立，因而在起动时，柴油机转速可以不必太高。
自大功率GTO晶闸管出现以来，交-交流电传动的一些缺点逐渐得到克服。交-交流电传动内燃机车除了在牵引电机方面具有一些优点（前已述及）以外，采用GTO晶闸管后，结构已大为简化，传动系统
效率较高。据国外报道，可比相应的交-直流传动系统节油10%～20%，具有重大的经济意义。国外不少铁路认为在控制系统上适当多花点代价是值得的。
无疑，交-交流电传动是个发展方向，但其相比交一直流电传动系统在控制系统方面多了一个环节，增加了控制系统的复杂性和成本。在要求簧下重量轻的高速机车和动车上，以及在重载牵引货运机车上，其有着较好的应用前景。
4内燃机车诊断
技术
长期以来，国外内燃机车检修都沿袭了“定期计划修”这种传统方法，即根据由经验确定的机车走行公里或工作时间确定检修范围和种类，这是一种计划性的预防修。即到了应该修理的时候，即使机车未发生什么问题，也要拆开、检查、修理和更换某些部件，而不考虑零部件的实际技术状态。其结果，大部分情况不是提前检修造成浪费，就是检修过迟已造成损失。其科学性较差，因为即使是相同型号的机车，在不同的线路上，在不同的牵引负荷下，甚至在不同的操纵技术下，其工作状态和部件负荷
也是不同的。按一刀切来确定修程显然是不科学的。所谓“状态修”是根据机车各主要部件的实际技术状态，发现问题及时修理，而不拘泥于固定的时间。
采用状态修的必要前提是要有可靠的技术诊断手段，能随时或经常、定期对机车各部件作检查诊断而不必把该部件拆下。目前，技术诊断装置有地面式和车载式两种，地面装置又分通用和专用两种
。
这类装置用于在地面上综合检测机车的综合状态，具有通用性
。
这类地面装置适用于一定的工作程序及特定的对象。在地面上用来进行一种或几种技术诊断作业。此
外，还有专门用来诊断轴箱、蓄电池、柴油机调速器、主发电机和牵引电机等单个部件的诊断装置
。
这类装置安装在机车上，因而其可在机车使用中随时观察和监控各主要部件状态，并向司机显示各部件状态。这类装置一般能与机车的控制装置构成一个完整的控制——
—诊断系统，因此其还能起到监护和一定的控制功能（例如，自动切断和转换等）。同时还能将故障信息自动记录在存储器中，供检修人员后续调
用。
柴油机是内燃机车最重要的部件，结构复杂[13-14]，很容易出故障。许多国家都把对柴油机的诊断技术作为重点来研究，有些诊断技术已较为成熟。
1）润滑油光谱分析方法。某些美国铁路移植自航空上的诊断技术，在各国铁路中是最早应用于20世纪70年代的光谱分析中，铁道部情报所曾向国内铁路界介绍了当时国际上正在普及的润滑油光谱分
伍赛特：内燃机车技术发展趋势展望21
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析技术，因此20世纪80年代我国陆续从国外进口
了一些先进的光谱分析设备，对提高机车柴油机可
靠性降低故障率起到了良好作用。
2）振动分析法。通过测量振动参数来诊断出机
械的状态，通过扭振仪测量柴油机的振动参数，通
过振动解析诊断计算模型，将原始数据处理为诊断
资料。
3）气体谱分析法。这种方法是通过分析柴油
机的排气及曲轴箱内气体的成份来诊断柴油机的状
态。日本铁路也使用了这种方法，据认为这种方法可
与润滑油分析方法配合使用，对诊断柴油机状态更
为有效。
4）光学诊断法。利用表面观察仪器，如内窥仪，
通过肉眼观察零部件内表面状态。
5）传感器诊断法。利用各种传感器直接或间接
测量柴油机的技术状态。美国一些铁路利用传感器
测量的监控参数，如功率、转速和增压器转速作
为柴油机的宏观诊断参数，来判断柴油机的总体
状态
。
1）振动及声学诊断法。通过检测振动参数或声
学参数来判断电机（还可包括风机、驱动装置等旋转
机械）的不平衡、不对中、轴承损伤、润滑不良和机械
性松驰等不正常状态[15]。
2）换流性能诊断。可有多种方法来诊断，如可用
电刷传感器或空气变压器来检测片间电压，以判定
整流子电位稳定性；用光强度或通过整流子电刷电
压交变换向分量的检测，或检测整流子电刷火花发
出的无线电干扰信号的强度，或检测电枢绕组元件
离开换向片时的火花脉冲电压，或检测电枢换向反
应信号以及检测邻近电刷空间的空气电离程度来判
断电机电刷的火花等级。
3）连接导线及接头故障诊断。牵引电机的常见
故障之一是内部连接导线及其接头折断或接触不
良，一般可通以电流测量其温升或用磁性探伤仪
来探测，因为当导线有断裂或接头接触不良时，磁
场会发生畸变。温升测量可用电阻法或用红外线测
热仪。
4）示温涂料或示温片法。电机绕组或整流子等
部位的过热可以用示温涂料或示温片来检测。这是
一种随温度而变的涂料，可以直接涂在被检测部
位上，也可以制成小片。后者是将涂料涂在小片上，
在小片的另一面涂上粘接剂，把小片粘贴在受检部
位。温度超过一定值时，涂料颜发生变化，据此可
判定部件温度情况。
5）绝缘状态诊断。电机绝缘的老化程度可以简
单地使用兆欧表或用高压试验法，充放电法等来判
断。有便携式和台式，目前已得以普遍应用。
6）电刷压力检测。电刷压力一般用拉簧检测，这
种方法误差较大，且无法测其动态压
力。
机车轮对、转向架、车钩等部件大多采用无损探
伤法，如超声波探伤或磁粉探伤。今后发展方向是自
动化[16]、高精度、微电脑图象处理、牵引齿轮啮合状
态、辅助机械状态，大多采用噪声振动诊断法
。
内燃机车各类诊断装置中，美、欧、日本等工业
发达国家主要侧重在发展车载诊断装置上，因为其
微电子技术和其他技术比较发达。俄罗斯和东欧各
国侧重发展地面诊断技术，因为相对来说，这种技
术投资少，技术要求相对较低。车载诊断设备能实
时收集内燃机车的实际状态信息，及时发现和预防
故障，又具有一定的监护和控制能力和故障处理能
力，因此，这种诊断设备发展前景良好。但其也有一
定的局限性，例如润滑油光谱分析就难以在车上进
行。其他一些要求有比较庞大设备的诊断也只能在
地面进行。因此，地面诊断设备今后也还会得以继
续发展。
5我国内燃机车技术及未来发展趋势研究
我国铁路从1958年起开始试制内燃机车，起步
并不算太晚。1964年开始成批生产东风型直流电传
动内燃机车。这种机车源于俄罗斯在20世纪50年
代中开始成批生产的T33型内燃机车，而后者的原
型又是美国于20世纪40年代生产的内燃机车。起
点并不高，当时是考虑到这种车型比较成熟，比较具
备试制生产条件。为及时赶上国际内燃机车的发展，
20世纪60年代后期又积极试制具有当时先进水平
的东风4型交一直流电传动内燃机车和北京型液力
2010款奥迪q7传动内燃机车。经过几年努力、东风4型内燃机车投
入成批生产，并逐渐成熟[17]、性能越来越好。从性能
上说，可以认为东风4型交一直流电传动内燃机车
达到了当时国外同类内燃机车的水平。
机车的传动系统和控制系统则引进了美国GE
公司的技术，在控制系统采用了微机技术，可控制机
车的恒功率励磁、车轮防空转和防滑行、电阻制动与
制动扩展控制及机车各主要机组的机电保护；此外，
还具有对柴油机、电机、电器主要部件的运行参数进
行监测、保护、记录、显示故障并诊断等功能。
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2021年第3期采用了这些新技术后，我国机车的技术水平有了明显提高：除柴油机经济性提高以外，传动系统效率有进一步提高，使机车总体经济性有较大改善；持续牵引力进一步增大。
通过制造部门长期不懈的努力，国产内燃机车的性能，质量（主要指可靠性）有了很大改进，能够让使用部门基本满意。但是我国内燃机车的使用寿命距国际先进水平尚有一定差距。另外，降低柴油机油耗也还是大有潜力可挖的。这包括对旧的柴油机的改造，也包括改进设计新的柴油机。
交-交流电传动虽然结构复杂，技术上有难度，其优点也较为明显。这种传动方式是今后发展方向，它
适用于轻型高速内燃动车组和重载牵引货运内燃机车。据悉我国计划研制用于大功率电机车和高速电动车组的交-交流传动系统，鉴于内燃动车所需传动功率可能较小，可先研制用于内燃动车或调车机车的交一交流传动系统。6结论与展望
内燃机车作为我国铁路牵引动力的重要组成部分之一，虽然目前在干线牵引中已逐步让位于电力机车，但其在运输体系中依然保有一席之地，考虑到其较高的可靠性、使用灵活性及较低的运营成本，在恶劣天气环境或战时情况下，以及在尚未充分实现电气化的铁路区段，依然会优先采用内燃机车作为动力来源。
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（编辑：刘楠）
Prospects for the Development Trend of Diesel Locomotive闽k
Technology
天语Wu Saite
(SAIC Motor,Shanghai 200438)
Abstract:This paper introduces the historical development of diesel locomotives,focusing on the current technical sta-tus of the research.With the continuous implementation of my country ’s railway electrification,although diesel locomo-tives have gradually given way to electric locomotives in the process of mainline traction,considering the reliability,flexibility of use and low operating costs of diesel locomotives,they may be used in severe weather or In wartime con-ditions,and in railway sections that have not yet fully realized electrification,it still has a good application prospect.Key words:diesel locomotive;internal combustion engine;diesel engine;alternative fuel;electric drive;technical di-agnosis;electric locomotive
伍赛特：内燃机车技术发展趋势展望
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