TE1G型煤氣內燃機車

TE1G型煤氣內燃機車是一種由蘇聯研製、裝用煤氣發動機、可燃用固體燃料的煤氣內燃機車，第一臺機車於1951年試製成功。中國亦曾經在1959年引進過兩臺TE1G型機車進行試驗，稱之為NDQ型煤氣內燃機車。TE1G型煤氣內燃機車是在TE1型柴油機車的基礎上改造而成，每臺機車由一輛內燃機車和一輛裝載煤氣發生器的煤水車組成，機車以無煙煤作為燃料，煤炭在煤氣發生爐內進行氣化產生煤氣，將煤氣和空氣按一定比例注入內燃機氣缸中形成混合燃燒氣體，氣體在氣缸內被壓縮到保證液體燃料燃燒的自燃溫度，然後將柴油經過噴油器噴入氣缸內進行點火。然而，由於發動機磨損和管道腐蝕等原因，加上國家石油產量增加，中蘇兩國都不再繼續發展煤氣內燃機車。發展歷史.早期研究.二十世紀初期，當內燃機車剛剛出現在蘇聯鐵路之時，就已經有人提出在這種機車上使用固體燃料的問題。雖然內燃機車的熱效率遠比蒸汽機車為高，但內燃機需要使用成本較昂貴的液體燃料。由於當時石油工業的開採技術水平還比較落後，而且石油資源儲量尚未經過詳細勘探探明，加上日益發展的汽車和航空交通都需要大量燃油，使石油成為一種需求不斷趨升的天然資源，因此在靠近煤炭生產地區和遠離石油生產地點的鐵路上，用固體替代液體燃料的內燃機車就有其特別的經濟價值。1926年，在蘇聯交通人民委員部總工程師的領導下，設計了一個將改造為煤氣內燃機車的專案。1932年起，列寧格勒鐵道運輸工程學院的研究部門與列寧格勒煤氣發生器工廠合作，先後進行了幾個煤氣內燃機車的設計專案，最後一個專案於1936年完成設計，設想建造一臺2-6-1軸式的機車，配備液力機械傳動裝置和一臺1860馬力的串聯臥式四缸四衝程雙作用活塞發動機，五個可燃用無煙煤的煤氣發生爐安置在一臺六軸煤水車上。1939年，科洛姆納機械製造廠建造了一臺實驗性的，該型機車是以FD型蒸汽機車為基礎的混合動力機車，既可以像蒸汽機車一樣利用來自鍋爐的蒸汽來推動活塞，亦可在活塞內燃用煤氣發生爐所產生的煤氣來做功。由於這種機車本質上仍然是用蒸汽機作為動力和蒸汽機車相比並沒有節省多少燃料，因此沒有得到進一步的發展，但該型機車的煤氣發生器取得令人滿意的效果，併成為後來蘇聯發展煤氣內燃機車的基礎。1943年，全蘇鐵道運輸科學研究院鐵道工程師П·В·雅各布森和А·А·波伊達建議將改造為可燃用褐煤的煤氣內燃機車。不久之後，隨著更先進的TE1型柴油機車開始投入生產，煤氣內燃機車的改造目標車型又變為TE1型柴油機車，取代了技術落後的Eel型柴油機車。研製過程.1940年至1948年，全蘇鐵道運輸科學研究院開展了一系列的試驗研究，旨在解決內燃機的煤氣供應和混合燃料燃燒問題。按照技術設計規劃，固體燃料在煤氣發生爐內進行氣化作用，而機車內燃機透過燃燒混合燃料來工作，透過氣閥將煤氣和空氣按一定比例注入內燃機氣缸中形成混合燃燒氣體，氣體在氣缸內被壓縮到保證液體燃料燃燒的自燃溫度，然後將柴油經過噴油器噴入氣缸內進行點火，燃燒熱量的75～85％來自煤氣，其餘15～25％來自液體燃料。與單純燃用煤氣的內燃機相比，使用混合燃料能達致較高的燃燒效率和輸出功率，並且只需對柴油機本身作微小的改動，機車總效率預計為16～18％。1950年8月，蘇聯第一臺煤氣內燃機車完成改造出廠，經煤氣化改造後的TE1型柴油機車被稱為TE1G型煤氣內燃機車。燃燒無煙煤的燃氣發生爐被放置在四軸煤水車上，煤水車採用類似棚車的車體和ЦНИИ-ХЗ型轉向架，車輪直徑為950毫米，固定軸距為1800毫米，車鉤中心間距長度為12,100毫米。燃氣發生爐採用乾式除渣順吸式氣化過程，機車發動機的渦輪鼓風機將空氣供給煤氣發生爐，並在進入爐膛的空氣中混入一定比例的蒸汽，使固體燃料在煤氣發生爐內進行氣化作用，產生的煤氣再經過過濾器濾清後供給機車上的內燃機。1951年底，TE1G-20-187號機車被送往伏爾加鐵路局上巴斯昆恰克機務段進行熱工試驗。1952年，全蘇鐵道運輸科學研究院決定擴大煤氣內燃機車的試製規模，並由改造出另外5臺TE1G型煤氣內燃機車，同時對設計進行了一些修改，以提高發動機和煤氣發生器的可靠性和耐用性。1950年至1954年間，共有16臺機車被改造成TE1G型煤氣內燃機車。與此同時，除了1000馬力的TE1G型煤氣內燃機車外，哈爾科夫運輸機械製造廠還製造了2000馬力的TE4型煤氣內燃機車。運用試驗.在巴斯昆恰克機務段的運用試驗結果顯示，TE1G煤氣內燃機車的總效率為14～16％，與擔當相同運輸任務的相比，煤氣內燃機車的每噸公里燃料消耗少5.5倍。但液體燃料的消耗量卻比預期高很多，燃油消耗量為TE1型柴油機車的35～40％，主要原因是煤氣發生爐在變動工況下產生的煤氣熱值有所降低，而且在牽引列車起動或內燃機快速提高輸出功率的情況下，煤氣供應量需要一段時間才能達到內燃機的需求，時間短則0.5～5分鐘，有時候甚至長達10分鐘，因此當煤氣供應不能滿足發動機功率的時候，將消耗更多的液體燃料以補足燃燒需要。另外，煤氣內燃機車的走行距離也較短，TE1G型機車在中途沒有補給燃油和水的情況下，最大執行距離只有500公里，而TE1型柴油機車一次加油則可走行1200公里。但更大的問題在於煤氣雜質，煤灰和灰塵等雜質進入發動機中，不僅會損壞氣缸蓋和氣閥閥門，還還使機油變質和潤滑性變差，從而導致氣缸套、活塞環、曲軸的磨損增加，並且還導致的氣體管路的腐蝕。例如，TE1型機車的曲軸壽命可達45～50萬公里，TE1G型機車在走行11～16萬公里之後就必須更換或修理曲軸。1950年代起，蘇聯石油產量隨著煉油業的發展大幅提高，鐵路燃料的供應問題已經得到基本解決。1956年，蘇聯開始批次生產裝用2D100型二衝程柴油機的TE3型柴油機車，再加上TE1G、TE4型煤氣內燃機車在試驗過程中發現的技術缺陷，導致了蘇聯放棄發展煤氣內燃機車。到了1958年，除了提供給中國試用的兩臺機車，其餘TE1G型煤氣內燃機車已經被複原為TE1型柴油機車。引進中國.1950年代，中國的石油工業尚處於起步階段，透過大規模恢復西北老油田、對陝甘寧地區的重點勘探等措施，中國原油產量雖然逐年上升但仍供不應求。為緩解石油供應緊張狀況，國家每年花費大量外匯從蘇聯進口石油產品。1956年8月，由中國鐵道科學研究院編制的中國首個鐵路科技發展規劃——《1956年—1967年鐵道科學技術發展遠景規劃》在全國鐵道科學工作會議上討論透過，指出“技術政策的中心環節是牽引動力改革，要迅速地、有步驟地由蒸汽機車轉到電力機車和內燃機車上去”。同時，鑑於當時中國石油產量不多、煤炭蘊藏量豐富的局面，中國提出了“發展新型熱力機車”的目標，“除研究改進蒸汽機車外，應積極展開煤氣內燃機車和電力機車的研究，並儘快研究燃氣輪機車”。1957年，鐵道科學研究院機車車輛研究所初步確定了加壓煤氣發生爐的技術方案，隨後委託大連通用機器廠代為試製，並於1958年進行了煤氣發生爐的試驗。1958年1月，中蘇兩國又簽訂了中蘇政府《關於共同進行和蘇聯幫助中國進行重大科學技術研究的議定書》，當中包括蘇聯幫助中國研究“用煤氣發生爐的活塞式內燃機車和燃用液體燃料和固體燃料的燃氣輪機車”。1959年1月至6月，由蘇聯向中國提供2臺經改造的TE1G型煤氣內燃機車，全蘇鐵道運輸科學研究院並派出專家與中國鐵道科學研究院、鐵道部機務局、一機部機車車輛研究所等合作，在中國的集二鐵路進行了為期半年的試驗，主要研究國產無煙煤是否適合此種煤氣發生爐，檢驗發動機主要部件的磨耗和腐蝕情況，以及煤氣內燃機車的運用及檢修情況，並研究在某些缺水地區的鐵路上用煤氣內燃機車代替蒸汽機車的可行性。1959年5月至6月，全蘇鐵道運輸科學研究院內燃機車研究所所長訪華，參加了TE1G型煤氣內燃機車的試驗總結及衛星型柴油機車的設計審查。試驗完成後，中華人民共和國鐵道部從蘇聯購入其中一臺機車，並且命名為NDQ型煤氣內燃機車，“N”代表內燃、“D”代表電力傳動、“Q”代表煤氣。試驗結果顯示，煤氣發動機的零部件磨損情況嚴重，亦未能解決煤氣管路腐蝕問題。此外，由於需要隨同裝載煤氣發生爐的煤水車工作，煤氣內燃機車的製造成本也比較高，而且研製大功率煤氣內燃機車的技術難度太大。1960年代初，隨著中國東北松遼盆地的大慶油田逐步開發投產，作為內燃機車液體燃料的柴油得以保證供應，此後研製煤氣內燃機車的計劃因而被擱置，鐵道牽引動力內燃化的重心亦轉移到柴油機車。後來，NDQ-1號機車亦改為調車柴油機車，配屬北京鐵路局北京內燃機務段使用。