EMD的710型两冲程柴油机

张永利

注：最近我在整理老文件时非常偶然地又看到了这篇十七年前公开发表在国内铁路杂志上的文章的底稿。经过对原文做一些删改后以美篇的形式重新奉献给读者，供喜欢柴油机技术的朋友们参考。

EMD的全称曾经是GM EMD，即Electro-Motive Division of General Motors Corporation。可以根据其实际业务把它译为“通用汽车公司机车部”，也就是在通用汽车公司中制造铁路内燃机车的分部。该部门的前身Electro-Motive工程公司1922年成立于美国俄亥俄州的克里夫兰市，并在1930年被通用汽车公司收购。通用汽车公司于2005年初把EMD出售给了两家美国的投资公司，后来这两家投资公司又在2010年把EMD出售给了美国卡特彼勒公司的子公司。

 

我从1999年3月开始在通用汽车中国投资有限公司为GM EMD工作。2002年至2003年，GM EMD正在向当时的中国铁道部推介用于青藏铁路牵引动力的高原机车。由于中国铁路系统对两冲程柴油机已经形成了很不好的印象，所以推介工作遇到了很大的阻力。为此，经当时公司主管业务领导的批准，我以内燃机专业科班出身的视角在对GM EMD的两冲程柴油机进行了详细分析后写了下面这篇文章，并于2003年年末发表在国内的铁路机车杂志上，因此文章的内容已经不属于公司的保密信息。

 

在阅读时请牢记这篇文章讲的是截止到2003年8月的事情，该柴油机的喷油系统仍采用的是机械调速器控制。

现在这种柴油机的铁路版已经通过了EPA Tier 3认证，而它的船用版已经通过了EPA Tier 4认证，但具体细节仍属公司机密信息，所以不便透露。

 

 

摘要：数十年前，中国铁路曾经使用过用从前苏联引进的两冲程柴油机技术制造的内燃机车。那种两冲程柴油机给中国铁路留下了很不好的印象。其实两冲程柴油机的概念本身并没有错。经过在设计上的不懈努力，两冲程机车柴油机的综合表现完全可以与四冲程机车柴油机相媲美。本文较为详细地介绍了通用汽车公司机车部的710型两冲程柴油机。

 

关键词：710型两冲程柴油机 性能 结构

 

如果我告诉您，美国通用汽车公司机车部（GM EMD）向中国铁道部推荐的用于青藏铁路的高原机车将以710型两冲程柴油机为动力，您可能马上会说“你那个两冲程柴油机是落后的东西”，“两冲程柴油机不符合我们的技术政策”。那么，我们就暂且忽略两冲程或四冲程这个术语，先看一下710型柴油机的综合性能指标。

 

这里要特别强调看“综合性能指标”，也就是说不能一看到某一个指标高于或低于你心目中的某个基准值就贸然说好或不好，而要科学地全面分析；也不能用轿车/卡车发动机的指标与以下指标进行对比，而要找功率相近（4000至4500马力）的发动机进行对比。

 

16缸710型柴油机主要特性指标如下表所示。

上表中的最低比油耗和空载油耗这两个数据取自2003年6月出版的《RAILWAY GAZETTE》杂志上刊登的在俄罗斯Shcherbinka试验中心对使用机械式喷油系统的GM EMD 16-710柴油机所做试验的小结。

 

尽管站在铁路用户的角度看，710型柴油机的综合指标非常好，但是在中国，几乎所有关于两冲程柴油机的历史背景、口碑、印象以及大学课程中的叙述等都是负面的。数十年前，中国铁路曾经使用过用从前苏联引进的两冲程柴油机技术制造的内燃机车，并且对两冲程柴油机留下了很不好的印象。从世界范围来看，只有GM EMD及其合作伙伴以两冲程柴油机作为机车的牵引动力。如果GM EMD的两冲程柴油机真像很多人所想象的那样差，为什么世界上还会有大量的铁路用户选择了GM EMD生产的以两冲程柴油机为动力的机车，或者使用GM EMD的两冲程柴油机的推进系统呢？

 

下图为16缸710型两冲程柴油机外形图。外观非常简洁。

下图为710型两冲程柴油机的剖面图。

EMD已经累计生产了近70,000台两冲程大功率柴油机，并在继续发展两冲程柴油机。

• 向美国和加拿大的铁路公司提供了近47,000台两冲程柴油机内燃机车，其中20,000多台仍在运行。目前在北美铁路公司的在用机车中，仍有66%的机车是由GM EMD生产的装用两冲程柴油机的内燃机车。
• 向美、加以外的另外71个国家和地区如澳大利亚、印度、南非、英国、巴西、秘鲁、沙特阿拉伯、德国、瑞典、挪威、冰岛、中国台湾和香港等提供了近11,000台装用两冲程柴油机的内燃机车或两冲程柴油机推进系统，其中6,500多台仍在运行。
• 向40多个国家提供了近11,000台用于航运、钻探、市政、工业发电产品的两冲程柴油机，其中7,600多台仍在运行。在武汉长江轮船公司的推船上、在胜利油田的钻机旁都可以见到710型的前一代645型两冲程柴油机。所以GM EMD的两冲程柴油机一定有其与众不同之处！

 

学内燃机的人都知道，两冲程柴油机与四冲程柴油机的最根本区别是作功次数与曲轴转数的关系。在两冲程柴油机上，曲轴每转一圈作功一次，而在四冲程柴油机上是曲轴每转两圈作功一次。为了比较两冲程和四冲程柴油机，我们先来看一下关于柴油机功率的基本公式：

其中：

BHP/Cyl.：每缸的制动功率英制马力数

F：作功频率。两冲程柴油机F=1；四冲程柴油机F=0.5

C：常数，0.0000119

P：制动功率平均有效压力（磅/平方英寸）

S：活塞平均速度（英尺/分钟），= 冲程×转速×2

D：缸径（英寸）

从上述公式可以看出，在缸径D相同的情况下，要想得到同样的单缸功率，四冲程柴油机的“制动功率平均有效压力与活塞平均速度的乘积” （即上述公式中的P×S，称为“强化系数”）必须是相应的两冲程柴油机的两倍。

 

为了使枯燥的数字看起来更直观、更易理解、更有意义，我们从铁路用户的需求入手来看710型柴油机的各种指标（但切不可与常见的轿车或卡车发动机的指标去对比）。

 

机车柴油机制造商应通过在包括但不限于如下几方面的不懈努力来满足铁路用户的要求。

• 动力性好：在有限的排量、体积、重量范围内发出更大的功率。
• 经济性好：尽可能多地把燃料中的化学能转变为有效的机械功，即热效率和机械效率要高。可以用燃油消耗率来衡量。
• 排放好，对大气的污染小。
• 可靠性和耐久性好。
• 可维护性和可接近性好。

“升功率”是评价一台发动机整机动力性和强化程度的重要指标，等于有效功率除以排量，越大越好。16-710两冲程柴油机的升功率达到了17.0kW/L，在世界上功率级别相近的柴油机中名列前茅。

 

如前面关于柴油机功率的基本公式所示，为了实现更高的单缸功率或升功率，现代四冲程柴油机上都追求较高的平均有效压力。这导致了更高的爆发压力和机械负荷。更高的爆发压力加上更高的机械负荷会导致零件重量的增大并使紧固件的结构及系统的复杂性提高。零件重量的增加可能要求使用一些特殊的工装。紧固系统复杂性的提高一般会对维修人员的维修技能提出更高的要求。重量的增加和复杂性的提高还会增加柴油机拆解和组装过程的体力和工时消耗。710型两冲程柴油机以业内最低的平均有效压力（1.12MPa）实现了名列前茅的升功率。

 

仍如前面关于柴油机功率的基本公式所示，为了实现更高的单缸功率或升功率，现代四冲程柴油机上都通过增大冲程和提高转速来追求较高的活塞平均速度。随着活塞速度的增加，活塞-连杆-曲轴系统的惯性力将会增加，且惯性力与活塞速度的平方成正比。一般为了将四冲程柴油机的活塞-连杆-曲轴系统的惯性力降至较低的水平，在大型四冲程柴油机上普遍采用组合式活塞即钢顶铝裙活塞。这将会增加活塞设计和制造的复杂性，并可能产生额外的失效模式。随着活塞速度的增加，活塞、活塞环和缸套之间的磨损有增大的趋势，活塞与缸套之间发生拉缸现象的敏感性也会增大。710两冲程柴油机以业内最低的活塞平均速度（503m/min）实现了最大的升功率。

 

前面已经分别讨论了平均有效压力和活塞平均速度。二者的乘积称为“强化系数”。有的观点认为，“强化系数”越高说明设计越先进。但提高“强化系数”不能牺牲产品的可靠性和耐久性。如果从用户的角度来看这个问题，用户真正关心的是柴油机是否“有劲”，是否省油，是否可靠，是否易于维修。在柴油机排量、重量和输出功率具有可比性的前提下，“强化系数”越低，则柴油机的负荷越低，可靠性越高。

 

比重量等于柴油机净重除以制动功率。比重量越小，功率水平相当的柴油机的重量就越小，就能更好地适应不同轴重机车的需求。16-710型两冲程柴油机的比重量为5.7kg/kW，在全世界4500马力以下的中速柴油机中为最低值。

 

很多人都认为两冲程柴油机的油耗高。俄罗斯Shcherbinka试验中心对使用机械式喷油系统的16-710柴油机所做的试验表明这种柴油机的最低比油耗只有197.3g/kWh。

 

由于机车柴油机并非总是在满负荷状态下工作，所以与标定工况下的燃油消耗率相比，油耗曲线的总体位置和走势能更好地反映实际运用油耗的高低。与业内其它柴油机（下图中曲线1~5）相比，16-710型两冲程柴油机油耗曲线（下图中曲线6）总体位置最低、最平缓，因此可以在更宽广的负荷范围内降低实际运用油耗。

在铁路公司的实际运营中，柴油机处在怠速状态的时间百分比通常非常高。以下是EPA（美国环保署）推荐的排放试验中各档位的加权因子。

因此，柴油机的空载油耗也是影响实际运用油耗的重要因素。俄罗斯Shcherbinka试验中心在使用机械式喷油系统的16-710柴油机上测得的空载油耗只有11.5kg/h。 

 

反对两冲程柴油机技术的人士的另一个重要观点就是认为两冲程柴油机的排放很差。我们都知道美国和欧洲的柴油机排放标准是相当严格的。以GM EMD的710型两冲程柴油机为动力的内燃机车能够在美国获得广泛应用，并向欧洲诸多电气化铁路非常发达的国家大量出口，从一个侧面说明这种两冲程柴油机完全能够满足最严格的排放法规。

 

此外，完全满足将于2005年开始执行的EPA Tier 2排放法规的16-710型柴油机已经装车并从2003年6月开始在北美进行运用考核。

自1985年开始量产以来，710型柴油机的累计产量已经超过5000台，并且仍在进行不断的改进，包括提高功率、提高可靠性、降低油耗、改善排放等等。

 

看完了综合指标，下面再看看这种柴油机具体的结构特点。

绝大多数的柴油机制造商都没有使用作功单元（或称“动力组”）这一结构。如果作功系统中的某个零件发生故障，检修人员必须先将V型发动机一侧的进排气管路拆开，然后再将某一气缸的零件全都拆开。整个拆解过程及其后的组装必须在柴油机上进行。在这种情况下机车也必须停在检修车间而不能出勤创造任何价值。另外，这种复杂的拆解和组装还对检修人员的操作技能提出了很高的要求。

如下图所示，710型两冲程柴油机的每个缸都是一个单独的作功单元，其中包括缸盖总成、缸套、活塞和活塞环、活塞载体、连杆总成等。

根据各铁路公司维修方式的不同，检修人员既可以在机车上把作功单元拆成分散的零件，也可以把作功单元作为一个整体从缸体上拆下来并换上备用的作功单元总成。这样就可以在车下对换下来的作功单元进行进一步的检修和更换零件，从而减少了机车整车的停运时间。

 

即使与使用了作功单元的四冲程柴油机相比，710型两冲程柴油机独特的作功单元结构使其在易于检修方面仍具有绝对的优势。这种两冲程柴油机的进气系统和排气系统没有进排气歧管，在作功单元排气道与缸体的排气弯管之间没有任何垫片和螺栓连接，在缸盖冷却水出口与缸体冷却系统之间也没有垫片和螺栓连接，所以在710型两冲程柴油机上更换作功单元时不涉及任何进排气系统连接方面的拆解和装配，消除了再装配质量对垫片和螺纹紧固件的敏感性因素，进而消除了潜在的气体和流体泄漏，减少了维修工时。

下图左为710型两冲程柴油机。右为典型的四冲程柴油机。

具有一定吨位的客运列车或货运列车如果不能尽快加速，从所停的侧线并入主线，将影响全线的运行速度，并带来一定的安全隐患。如果加速/加载过快又将使柴油机冒烟加剧，影响环保。为了获得一定的加速度，对于一定功率的机车，可能要减小牵引定数。所以铁路用户要在列车加速度、吨位和柴油机烟度之间寻找一个平衡点。

 

710型两冲程柴油机具有非常好的加载特性，远远超过任何四冲程柴油机。如下图所示，它能够在保持更低烟度（“不透光度”）的同时实现更快的加载率。

710型两冲程柴油机的这种加载特性是由两冲程柴油机的基本原理和其独特的带有齿轮传动和废气涡轮双重驱动机构的增压器结构共同决定的。

 

两冲程柴油机曲轴每转一周作功一次，所以在柴油机的作功过程中各缸的作功间隔短。由于有较高的扭矩脉冲，所以对曲轴的输入更加柔和，可以使用转动惯量更小的飞轮来避免各扭矩脉冲之间的减速作用。由于使用了低转动惯量的飞轮，所以在柴油机提速或降速过程中飞轮的迟滞作用小，对负荷变化的反应快。

与一般的四冲程柴油机相比，710型两冲程柴油机的增压器上除了具有高效的废气涡轮和压气机以外，最独到之处是由GM EMD自己设计和制造的独特的增压器上有一个与涡轮相连的齿轮传动机构。见下图。

一般涡轮增压柴油机在变负荷或部分负荷工况下，废气中的能量不足以推动涡轮以足够快的速度转动，因而不能为燃烧提供充足的新鲜空气。

 

在710型两冲程柴油机上，由于有一套机械传动机构，在低负荷时柴油机主要通过齿轮传动系带动增压器，而废气能量只起辅助作用。当柴油机接近满负荷时，废气能量已经足以驱动增压器涡轮的高速旋转，而不再需要柴油机提供机械驱动。这时齿轮传动系中的超速离合器将使增压器与柴油机之间的机械连接脱开。因此，710型两冲程柴油机的增压器不象其它很多四冲程柴油机那样受“热滞”的影响。

 

除了对变负荷的快速反应，借助于高效的涡轮及压气机设计以及齿轮传动，这种增压器能够随时提供充足的新鲜空气和强大的扫气气流。这有助于改善燃油经济性，降低负荷突增时的烟度，降低排气温度，维持适度的热负荷从而简化缸盖和活塞的设计，延长维修间隔。一个典型的例子就是，一般人都认为，两冲程柴油机的作功系统零件很自然地要承受更高的热负荷（相同转速下的作功频率比四冲程柴油机高一倍）。而现实情况是，在现代四冲程柴油机的缸盖设计上几乎无一例外地必须使用气门座镶圈，而在710型两冲程柴油机的缸盖上，只有在缸盖基体上直接磨削形成的简单的气门座而没有使用气门座镶圈。

 

在有助于使机车具有更好的加速性的同时，710型两冲程柴油机对负荷变化的这种快速反应还是实现机车的车轮蠕滑控制（一种机车牵引控制技术）的一个核心要素。

对于一般四冲程柴油机来说，最难判断的就是气缸内各摩擦副的状况。如果不拆下缸盖、拉出活塞连杆总成，就无法了解活塞环、活塞和缸套的磨损状况。这种无谓的拆检不但增加了检修工作量和工时，而且产生了更多的失效可能。所以，有时柴油机不是被“用坏”的而是被“修坏”的。

 

710型两冲程柴油机使用的缸套非常与众不同。该缸套包括上下两节铸造的水套，二者通过水道相连。水道之间的空隙形成一圈环绕缸套的进气孔，见下图。

由于缸壁上独特的进气孔结构，在710型两冲程柴油机上，只要盘动曲轴就可以通过这些进气孔对燃烧室、活塞裙部、活塞环以及缸套内壁状态进行快速的目视检查而无需打开缸盖、松开连杆螺栓、拉出活塞连杆总成等过程。见下图。

另外，由于活塞可以绕自身轴线旋转（奇怪吗？下面会有答案），所以通过进气孔观察到的活塞裙部是整个圆周上的一个随机部分，因此可以代表整个裙部的状况。

 

 

两冲程柴油机的基本原理，加上GM EMD工程师的精心设计，使710型两冲程柴油机以较低的热负荷、机械负荷、平均有效压力和活塞平均速度实现了较高的强化程度（指升功率和比重量）。因此，整个柴油机在具有优越性能的同时，仍然具有工作可靠耐久的特性。

以活塞组件为例，这种两冲程柴油机使用整体式铸铁活塞。活塞裙部没有活塞销孔（奇怪吗？下面会有答案）。活塞通过一个止推环“浮”在活塞载体上。由于这种柴油机采用的是两冲程循环，所以无论是压缩还是作功冲程，活塞都被压紧在活塞载体上。连杆通过活塞销与活塞载体相连而不是与活塞相连。由于没有活塞销对活塞进行周向定位，所以活塞在发动机运转过程中能够围绕自身轴线转动。

 

这种自由转动能够避免活塞裙部的不均匀磨损。活塞寿命甚至能达到160万公里。

在供油系统方面，很多四冲程柴油机都用高压油管连接位于缸体侧面的喷油泵和缸盖顶面的喷油器。在喷油泵与高压油管以及高压油管与喷油器之间都存在着高压燃油泄漏的潜在趋势。有时提高喷射压力的努力还受制于高压油管的结构及强度。在高压油管中往复传递的压力波对燃烧和排放还可能产生不利的影响。

在710型两冲程柴油机上，喷油泵和喷油器被结合到一个单元喷油器体中。如下图所示。它看起来很像一个普通喷油器，但实际上其上半部相当于一个“柱塞泵”，下半部相当于一个“喷油器”，二者之间没有高压油管。因此可以在消除高压油泄漏隐患的同时实现更高的喷油压力，并最大限度地消除压力波的影响。此外，零件少、拆卸方便省时也是显而易见的。

710型柴油机不仅指标先进，结构独特，而且产品可靠，零部件寿命长。

 

在对使用710型两冲程柴油机的机车进行三个月维护、六个月维护和十二个月维护过程中都不涉及单元喷油器的检查。对“中等负荷率”工况下的运用统计表明，累计运行三年（或80万公里）后更换单元喷油器。

 

关于柴油机里的其它摩擦副，这里有一组对运行了5年（110万公里至160万公里）以后的一些16-710G型柴油机拆检结果的数字：

• 90%以上的作功单元零件（缸盖、缸套、活塞）满足继续使用的规范。
• 几乎所有易损易耗件（轴瓦、活塞环、止推片）仍具有可观的继续使用的能力。

按时间衡量，这种柴油机的大修期超过6年；按里程衡量，大修期为100万英里；按累计输出功衡量，大修期超过2800万千瓦小时。

 

 

 

结束语

 

在结束本文前，我们再来看一下关于柴油机功率的基本公式：

追求更高的功率一直是柴油机制造商的目标。在四冲程柴油机上是通过提高平均有效压力（P）、活塞平均速度（S）等实现这一目标，而在两冲程柴油机上是通过提高作功频率（F）等实现这一目标。尽管方式不同，但殊途同归。可以把两冲程柴油机和四冲程柴油机都看成是具有给定体积和重量的能量转换器：输入的是燃油，输出的是机械功。其性能表现好坏取决于设计和制造水平。

710型两冲程柴油机所具有的升功率大、比重量小、产品紧凑、机械负荷和热负荷低、结构可靠耐久、对负荷变化响应迅速、燃油消耗率低、部分负荷油耗和空载油耗低、运用成本低、排放好以及检修方便省时等特点使之成为一种在技术上先进成熟，并经过实践充分检验的非常好的铁路牵引动力。

世界上没有任何一种柴油机产品能够做到在所有方面都完美无缺，这也是推动各制造商不断完善其产品的动力。GM EMD的710型两冲程柴油机也不例外。尽管与世界上其它高水平的四冲程机车用柴油机相比710型两冲程柴油机并非在所有方面都是最佳，但在3100千瓦这一功率等级它仍然具有很多其它四冲程中速和高速柴油机永远无法比拟的优势。

参考资料:

1. “2 stroke cycle vs. 4 stroke cycle”，GM EMD 
2. “EMD16-710G3C机车柴油机”的演讲材料，John R. Zagone, 2001 
3. “710G3B/G3C系列增压发动机维护手册”，GM EMD