240/275系列柴油机

16V240ZJ

1950年代，中國開始踏上鐵路牽引動力內燃化和發展國產內燃機車的道路。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通過，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」，從此確定了牽引動力改革的方向。1956年至1958年，第一機械工業部機車車輛研究所、鐵道部鐵道科學研究院展開一系列的課題研究，通過技術人員的培養和技術資料的研究，初步掌握了內燃機車的工作原理、設計方法和試驗方法，完成了發展內燃機車的前期準備工作。
1958年起在大躍進運動形勢的推動下，鐵道部各主要機車製造和修理工廠紛紛掀起「爭取生產內燃機車」的熱潮，大連機車車輛廠參照蘇聯的TE3型柴油機車，成功試製了兩台巨龍型柴油機車。中國第一代電傳動柴油機車經過數年試驗改進後，於1965年定型為ND型柴油機車（1966年8月改稱為東風型柴油機車），並正式投入批量生產。與此同時，大連機車車輛廠立即開始第二代大功率柴油機車的研製工作，首先重點是研製柴油機車的動力來源——新型大功率中速柴油機。實際上，機車用大功率柴油機的早期研究早於1960年已經開始，當時由鐵道部鐵道科學研究院機輛所和長辛店機車車輛工廠牽頭，計劃研製缸徑240毫米、行程270毫米的16V24/27型柴油機，於1962年完成雙缸試驗機的設計，1964年9月研製出雙缸機樣機，並完成了初步的台架試驗和改進試驗。但由於當時試驗經費和技術條件的限制，而且新中速柴油機的研製工作正式開始，因此長辛店工廠的16V24/27型柴油機未有繼續發展，但其研製經驗為後來的新中速柴油機打下了基礎。
1965年初，大連機車車輛廠、大連熱力機車研究所、鐵道科學研究院等機構聯合組成新中速柴油機設計組。當時同類型柴油機的設計參考資料十分缺乏，設計組只能從國內外雜誌文獻中尋找相關資訊，將國外同類型柴油機及機車的數據、圖片以及使用中情況等作為設計參考，例如蘇聯哈爾科夫運輸機械製造廠的Д70系列、法國阿爾薩斯機械製造公司的AGO 240系列、瑞士蘇爾壽公司的LVA系列等。1965年7月，鐵道部內燃機車會戰指揮小組在青島召開會議，批准下達新中速柴油機設計任務書，主要技術指標為缸徑240毫米、行程275毫米、小時功率4000馬力、額定功率3600馬力、額定轉速為每分鐘1100轉、四行程、16缸、渦輪增壓。1966年初，大連機車車輛廠試製成雙缸機並調試成功，並於同年8月完成試製首台16缸樣機。
正當柴油機樣機依試驗程序進行調試和設計改進時，突如其來的文化大革命在全國範圍內爆發，各地科研機構首當其衝的遭到巨大的衝擊，研製工作只能在斷斷續續的情況下進行。1969年，大連機車車輛廠為慶祝中華人民共和國二十周年國慶，將第一台16缸柴油機樣機安裝在原型車上，試製出首台東風4型2001號柴油機車。但由於這台機車為「國慶獻禮」草率上馬，其零部件未經必要的試驗考核和改進，柴油機和電氣部分以及機車其它一些裝置都未達到設計要求，導致整台機車的性能和質量未能過關。從1971年到1974年間，除了於1966年試製的首台16缸樣機之外，工廠又生產了另外四台柴油機進行試驗考核，這五台柴油機進行總計2400小時的各種試驗，基本解決了柴油機功率不足、燃燒不良、排氣溫度高、機油稀釋和柴油機振動等幾大關鍵問題。
在16V240ZJ型柴油機改進過程取得進展的情況下，大連機車車輛廠分別於1973年和1974年試製了東風4型2002號和0001號機車，連同首台原型車進行了20萬公里的路線運行試驗、動力學試驗和環形鐵道上的牽引熱工試驗。1974年下半年，為了滿足中國鐵路對大功率柴油機車的急切需求，裝用16V240ZJ型柴油機的東風4型柴油機車正式投入批量生產。

16V240ZJA

然而，從1975年開始隨著機車走行里程的增加，柴油機的可靠性問題不斷暴露出來，相繼出現如連杆螺栓斷裂、連杆瓦蓋斷裂、連杆結合齒斷裂、配氣齒輪打牙、凸輪軸剝離、滑油泵斷軸等故障，僅在1975年就有22台柴油機連杆螺栓折斷，可以說柴油機上的主要零部件都出現了大大小小的質量問題。為此，大連機車車輛廠對零部件出現的問題進行了詳細的分析研究後，制定了一系列結構改良方案並再進行疲勞試驗驗證，同時派出技術人員到各機務段現場進行維修。在改進過程中，工廠首先針對較廣泛的連杆螺栓和連杆蓋斷裂故障，改為採用了全纖維輾制滾壓螺栓和加厚對稱連杆蓋，以提高連杆零部件的疲勞強度和剛度；此外，將原來左、右兩列氣缸並聯工作的兩根排氣總管，分別接到兩端的增壓器上的結構，改成兩列氣缸共用一根排氣總管，從其兩端接到柴油機兩端的渦輪增壓器上，並在柴油機頂部加設排氣穩壓箱，這樣既可以改善增壓系統的穩定性，又可以降低柴油機低工況時的燃油消耗率。為了區別原有的16V240ZJ型柴油機，經過上述兩項改進的柴油機被定型為16V240ZJA型。第一台裝用A型柴油機的東風4型0109號機車於1976年6月出廠，並於同年下半年開始批量生產。

16V240ZJB

從1976年開始，柴油機又發現了更嚴重的機體裂紋事故，到1978年末已有多達143台柴油機出現機體裂紋，占當時已出廠東風4型機車總數的41.6%，造成大量機車無法運用趴窩待修。設計部門通過大量試驗研究查明，柴油機各種故障的根源在於機體強度和剛度不足，以及柴油機軸系動力性能欠佳所致，因此對柴油機機體等二十多個零部件進行了修改設計，還大膽採用了先進的薄壁球鐵活塞和簧片式彈性聯軸節，如曲軸氮化、連杆螺栓滾絲、連杆牙齒成型磨加工、缸套雷射淬火、蠕蟲狀鑄鐵等新技術都相繼實施。
新結構機體將原來機座高度減少250毫米，並在加高主軸承座以增加機體的高度，各主軸承蓋都加設了水平的兩個橫拉螺釘以及加厚側板等等，使機體縱向和橫向剛度分別提高了60%和77%。為了提高曲軸的強度，將平衡塊由原來只占平衡迴轉質量的15%，增加到平衡迴轉質量的50%左右，並將主軸頸直徑由原來的220毫米增加到225毫米。為改善柴油機軸系的動力性能，大連機車車輛廠得到上海船用柴油機研究所（今中船重工第七一一研究所）的協助，於1976年12月成功研製出專為機車柴油機設計的簧片式彈性聯軸節，這種聯軸節的應用使柴油機由連續發火改為間斷髮火，並使曲軸可以按需要增加平衡重，達到降低機體和曲軸應力、減少軸承負荷的效果。此外，又將原來的鍛鋁活塞改為整體薄壁球鐵活塞，以改善活塞工作的可靠性和使用壽命，亦可降低柴油機工作時的機油消耗率。供油系統和配氣機構方面，將原來對稱的圓弧切線配氣凸輪改成函數凸輪，並加大了噴油泵的圓弧凹面凸輪的最小曲率半徑。
1977年11月，經過上述改良的0255號柴油機完成了500小時台架耐久試驗，結果顯示柴油機性能和部件狀態良好，脫胎換骨的16V240ZJB型柴油機從此誕生。1978年3月，鐵道部在大連召開技術鑑定會，批准16V240ZJB型柴油機初步定型並投入小批量生產。16V240ZJB型柴油機得到鐵道部肯定後，為了使柴油機更加可靠，大連機車車輛廠決定參照國外柴油機的試驗規範，對柴油機再進行2000小時耐久試驗。1979年7月至1980年6月，大連內燃機車研究所對0503號柴油機進行了2000小時耐久試驗。隨後，設計部門先後在單缸機和三台16缸柴油機上進行了三種標定轉速的對比試驗，最終決定在保持裝車功率3300馬力不變的情況下，將標定轉速由原來每分鐘1100轉降為每分鐘1000轉，空轉轉速由原來每分鐘500轉降到每分鐘430轉，以降低柴油機零部件的機械負荷裝車功率。1984年底，正式定型的16V240ZJB型柴油機投入批量生產，同時推出裝用該型柴油機的東風4B型柴油機車。從1986年起，資陽內燃機車工廠亦投產東風4B型柴油機車和16V240ZJB型柴油機，並在原設計的基礎上改用鍛鋼曲軸和球墨鑄鐵機體。

16V240ZJC

1980年代初，為了進一步提高機車柴油機的性能和可靠性，大連機車車輛廠根據「生產一代產品、試製一代產品、研究一代產品」的方針，在試製試驗16V240ZJB型柴油機的同時，已經開始著手研究開發下一代的16V240ZJC型柴油機。1982年11月，中國技術進出口總公司與英國里卡多公司簽訂了第一期技術合作合同，邀請里卡多公司為大連機車車輛廠的16V240ZJB型柴油機提供評價，總費用13.5萬英鎊，評價目標是將B型柴油機的裝車功率由2430千瓦提高至2650千瓦以上。評價結論認為16V240ZJB型柴油機的結構有很大潛力，經濟性處於中等水平，可靠性有待提高。大連機車車輛廠採用里卡多公司提供的評價數據和改進建議，於1984年9月完成試製作為第一期技術合作成果的首台16V240ZJC型柴油機，並於1985年9月通過熱工性能試驗、扭振試驗和UIC 100小時性能試驗。1985年10月，裝用16V240ZJC型柴油機的東風4C型柴油機車由大連機車車輛廠研製成功，並於1989年投入批量生產。資陽內燃機車廠和青島四方機車車輛廠也分別從1996年和1998年起生產東風4C型機車。大連廠生產的16V240ZJC型柴油機採用鑄焊組合結構機體和球墨鑄鐵曲軸，而資陽廠和四方廠則採用整體鑄造機體和合金鋼鍛制曲軸，四方廠還採用了蓋斯林格減振器和蓋斯林格聯軸節。
16V240ZJC型柴油機安裝了經改進的曲軸、連杆、氣缸套、機油泵、水泵等部件，通過將平均有效壓力提高到1.77MPa，使其裝車功率提高到3600馬力。為了改善主軸瓦的工作條件，對曲柄臂嵌裝了鍛制的平衡重塊，使平衡塊占平衡迴轉質量的比值達到89.2％。渦輪增壓器採用江津增壓器廠引進瑞士ABB技術生產的VTC254-13型增壓器，或天津機車車輛機械廠製造的ZN290型增壓器（基於VTC254型增壓器）。其他改進措施還包括取消氣缸套螺旋筋，並增加氣缸壁厚度以提高強度；簡化調控傳動裝置，由凸輪軸通過彈性聯軸節直接驅動；改良配氣齒輪中雙聯齒輪和軸承結構；採用新型機油泵和高效水泵等。