280/285系列柴油機

280/285系列柴油機是由中國戚墅堰機車車輛廠（今中車戚墅堰機車）開發研製的四衝程中速柴油機產品系列，氣缸直徑為280毫米，活塞行程為285毫米，氣缸排列形式有直立式和50°夾角V型兩種，輸出功率可達2,000馬力～6,000馬力。除戚墅堰機車車輛廠之外，資陽內燃機車廠亦有生產該系列柴油機。

## 發展歷史

### 16V280ZJ

1975年初，隨著資陽內燃機車廠建成投產，戚墅堰機車車輛廠根據中華人民共和國鐵道部的決定，將東方紅4型柴油機車的試製和改進任務交由資陽內燃機車廠繼續進行。「四五」、「五五」期間，由於當時中國鐵路機車車輛工業缺乏一個比較穩定的發展規劃，鐵路技術政策搖擺不定。戚墅堰機車車輛廠交出東方紅4型柴油機車的研製任務之後，工廠產品發展方向一時之間難以確定，國家計委批准工廠轉為承擔東風4型柴油機車的廠修任務。戚墅堰機車車輛廠在轉修內燃機車的同時，也在探索工廠未來主導產品的發展道路。工廠分析了當時中國鐵路運輸狀況和各種鐵路機車車型的生產及使用情況後，認定提高貨物列車重量、提高列車運行速度和密度將是鐵路發展的主要技術政策。工廠經過研究和計算後認為，針對當時鐵路科技發展規劃中提出的遠期計劃，機車要達到在平直道上以時速80公里以上牽引4,000噸的貨物列車、以時速120公里以上牽引旅客列車的目標，機車輪周牽引功率應達到3,450馬力（2,537千瓦）以上，柴油機裝車功率應達到4,750馬力（3,493千瓦）以上。戚墅堰機車車輛廠據此提出了研製4,500馬力至5,000馬力大功率柴油機的構想，但由於當時鐵道部制定的鐵路技術政策只限於180毫米、200毫米、240毫米（240/275系列柴油機）三種缸徑的柴油機，其他類型的柴油機不能列入國家發展計劃。1976年7月，工廠發動全廠職工大討論，工廠黨委召開常委擴大會議，用三天時間研討了中國鐵路牽引動力發展的方向和工廠研製大功率柴油機車的可行性，又分析了單節單機組大功率柴油機車的各方面優越性，最終拍板決定在沒有上級計劃、沒有試製費用的情況下著手自行研製大功率柴油機。

開發過程的第一步是確定柴油機的功率等級，除了考慮到柴油機的可靠性和使用壽命、需要保留一定的功率儲備的同時，也預留了未來的發展餘地，最後決定將柴油機的持續功率定為5,400馬力（3,972千瓦），最大功率定為6,000馬力（4,412千瓦），16缸機型的單缸功率功率在350~400馬力之間。因應中國當時的工業技術水平，決定將開發過程分為兩個階段，第一階段目標為最大功率5,000馬力（3,676千瓦）、持續功率定4,500馬力（3,310千瓦），在經過充分的試驗考核之後，再將柴油機功率水平逐步提升到原定目標值。為了避免產生過大的熱負荷及機械負荷、影響發動機的使用壽命，工廠決定將柴油機的平均有效壓力定為每平方厘米16~18公斤、活塞平均速度定為10.5米/秒，並在此基礎上對氣缸直徑為260~290毫米的方案進行了模擬計算，在考慮到柴油機的用途、性能、體積、重量等綜合因素之後，確定其氣缸直徑為280毫米、活塞行程為285毫米、氣缸夾角為50°、額定轉速為每分鐘1,100轉。

1977年春季，戚墅堰機車車輛廠完成了單缸發動機和V16發動機的全部設計圖紙，同時開始製作單缸試驗機。同年9月，試製出單缸試驗機並展開試驗，以尋找最佳燃燒系統參數。同年11月，單缸機在進行了磨合調整和完善試驗台配套後，借用12V240ZJ型柴油機的高壓噴油泵及多孔噴嘴，開始進行供油系統方案的配套試驗；由於280/285柴油機的缸徑和排量遠大於240/260柴油機，使得單缸機在250馬力以上工況下的燃燒過程嚴重惡化。工廠對供油、配氣、燃燒系統進行了40多種方案的比較試驗後，使其燃燒性能逐步改善。1978年1月，單缸試驗機功率首次達到330馬力；在經過進一步改良和強化後，於1978年5月和8月分別達到了375馬力和404馬力。與此同時，戚墅堰機車車輛廠還與鐵道部科學研究院機車車輛研究所合作，為280/285柴油機研製了新型三圓弧油泵凸輪，並在單缸機上進行了配氣機構動力學試驗和燃燒室主要零部件熱負荷試驗。

1978年3月，戚墅堰機車車輛廠開始準備試製16缸原型機。1979年5月6日，第一台16V280ZJ型柴油機組裝完畢，同年6月7日開始進行磨合調整試驗，當柴油機轉速為每分鐘1,000轉時，輸出功率已達到了5,000馬力的預期目標。同時，無錫動力機廠研製出新一代的60GP型軸流式增壓器，並與戚墅堰機車車輛廠合作完成了增壓器的第一階段配套試驗工作。1979年11月至12月，16缸原型機在運轉了71小時後，對其進行了全面解體檢查，未發現零部件的異常磨損情況。同時，戚墅堰機車車輛廠試製出第二台16V280ZJ型柴油機，並在該機上進行了全面的靜強度測試。1979年12月至1980年11月，戚墅堰機車車輛廠與鐵道部科學研究院合作，在16V280ZJ型柴油機上進行了燃燒、配氣、供油、增壓、震動、扭轉等試驗項目。試驗結果表明，柴油機大部分時間都能在按機車工況之牽引特性的高效率範圍內運轉，燃油消耗率介乎160～165克/有效馬力·小時。為了尋找適合16V280ZJ型柴油機使用的調速器，先後使用過五款調速器作配套試驗，包括戚墅堰機車車輛廠自製加裝阻尼裝置的QJY-2型調速器（原用於東方紅4型柴油機車之16V200ZL-2型柴油機）、天津機車車輛機械工廠研製的QY300型調速器（原用於東風4型柴油機車之16V240ZJ型柴油機）、伍德沃德PG型風控液壓全制式調速器（原用於進口的ND4型柴油機車）、大連內燃機車研究所研製的QY300NDG型全制式調速器（部分結構仿製自伍德沃德PG型調速器）、天津機車車輛機械工廠研製的聯合調節器-B型液壓全制式調速器（原用於東風4B型柴油機車之16V240ZJB型柴油機），最終決定採用性能較佳的聯合調節器-B型調速器。

1980年10月27日至31日，戚墅堰機車車輛廠聯同鐵道部科學研究院、大連內燃機車研究所、無錫動力機廠等，按照國際鐵路聯盟（UIC）的標準對16V280ZJ型柴油機進行了持續功率為4,500馬力（3,310千瓦）的100小時型式試驗。該柴油機順利完成UIC 100小時試驗後被全面拆解檢驗，顯示其主要零部件磨損較小，設計和工藝亦無重大缺陷。1981年12月，16V280ZJ型柴油機完成了UIC 360小時台架耐久試驗，同時並進行了兩種標定轉速（每分鐘1,100轉、每分鐘1,000轉）情況下的對比試驗。降低標定轉速意味著活塞平均速度降低，機械應力、運動零件磨損、燃油消耗率相應下降，從而提升了柴油機的可靠性，工廠最後決定在保持標定功率不變的情況下，將標定轉速由原來每分鐘1,100轉降為每分鐘1,000轉。當時，鐵道部專家組考察戚墅堰工廠後，評價「280柴油機是戚廠歷史的轉折點，也是中國大功率內燃機零突破的母體」。

1982年10月，為了儘早發現柴油機在長期使用中可能產生的問題，在配套之新型牽引電機機組尚未面世的情況下，鐵道部科技局與機務局向戚墅堰機車車輛廠下達通知，要求將16V280ZJ型柴油機裝上進廠大修的東風4型0267號機車，進行20萬公里運用考核。柴油機改裝工作於1982年12月20日竣工，由於16V280ZJ型柴油機的外型尺寸和16V240ZJ型柴油機相差不大，除了車體頂蓋、主發電機通風道、機組安裝位置、連接管道及傳動軸等零部件稍作修改外, 其餘部分均和原車保持相同。受牽引電機組實際容量的限制和受柴油機標定轉速降低的影響，將柴油機裝車功率暫定為3,600馬力（2,650千瓦），標定轉速定為每分鐘1,050轉，牽引發電機直流輸出功率從原本的2,059千瓦提高到2,260千瓦。改裝完畢後的東風4型0267號機車返回上海鐵路局南京東機務段，於1983年1月1日起投入滬寧鐵路運用，與該段配屬的其餘33台東風4型機車共同擔當南京東至南翔之間的貨物列車牽引任務。1984年6月18日，東風4型0267號機車行駛逾22萬公里之後進行架修，柴油機經部分拆解檢查後顯示情況良好，重新組裝好後於同年8月14日起繼續進行線路運行試驗。至1985年2月7日為止，該機車共計行駛302,865公里。試驗結果顯示，16V280ZJ型柴油機的熱負荷和15檔以下的燃油消耗率均低於16V240ZJ型柴油機，在30萬公里運行試驗期間的平均油耗為每萬噸公里19.33公斤。1983年，戚墅堰機車車輛廠根據柴油機的試驗結果，完成改進設計後的圖紙修訂工作，製造出第三台16V280ZJ型柴油機。1984年10月，裝用這台柴油機的東風8型0001號機車在戚墅堰機車車輛廠竣工，並於同年底交付上海鐵路局進行15萬公里運用考核。在東風8型柴油機車上，16V280ZJ型柴油機按標定功率5,000馬力（3,676千瓦）、持續功率4,500馬力（3,310千瓦）使用，已達到了當初定下的第一階段目標。

1981年起，為了進一步改善柴油機的技術性能、經濟性、可靠性，戚墅堰機車車輛廠便利用單缸試驗機開展了大量關於供油系統、配氣系統的優化工作，設計了新的噴油泵、噴油器和增壓系統。1983年，為了改善離心壓氣機的性能和效率，無錫動力機廠在鐵道部科學研究院的協助下，設計了採用雙列葉柵擴壓器 (熱力學)的60GP-4型增壓器（即320P-7M型增壓器），這也是中國第一款採用串列葉柵技術的渦輪增壓器。1983年9月，60GP-4型增壓器被裝上第二台16V280ZJ型柴油機，在戚墅堰機車車輛廠內的試驗台上進行匹配試驗。1984年5月，為了確定柴油機的最佳燃油消耗率，工廠再次進行了雙列與單列擴壓機的增壓器對比試驗；與原本採用單列雙圓弧擴壓機的60GP型增壓器相比，60GP-4型增壓器應用於16V280ZJ型柴油機後，不僅使額定工況下油耗率平均下降了1～2%，並有效解決了柴油機在高負荷時的喘振問題。

1985年，為了進一步改善柴油機的油耗表現和可靠性，工廠向瑞士布朗-博韋里公司（BBC）訂購了VTC254-13型增壓器，並設計了模件式串接脈衝轉換器增壓系統（MPC），取代了原本使用的320P-7M型增壓器和雙脈衝增壓系統。16V280ZJ型柴油機使用MPC增壓系統後，在標定工況下的油耗率比脈衝增壓系統低3～4克/有效馬力·小時。從1987年起，新造的東風8型柴油機車均改為使用江津增壓器廠引進布朗-博韋里公司專利生產的VTC254-13型增壓器。1988年9月，作為東風8型機車部級鑑定試驗的項目之一，16V280ZJ型柴油機於戚墅堰機車車輛廠的試驗台上完成了100小時性能鑑定試驗，並於1988年12月在大連內燃機車研究所的試驗台上完成了360小時耐久試驗，各項性能指標均達到了設計任務書的要求。1989年2月，16V280ZJ型柴油機與東風8型柴油機車通過了部級鑑定，並獲批准投入批量生產。16V280ZJ型柴油機先後於1986年獲得了「六五」國家科技攻關獎，於1989年獲得了鐵道部科技進步一等獎，於1990年獲得了國家科技進步一等獎。

### 16V280ZJA

1980年代後期，中華人民共和國鐵道部提出了開行編組輛數20節、最高速度140公里/小時、運行時間不超過15小時的「朝發夕至」或「夕發朝至」特快旅客列車，並將研製牽引這種列車的大功率客運柴油機車列入國家「七五」重點科技攻關項目。為此，鐵道部擬定了大功率客運柴油機車的主要技術條件，要求機車標稱功率達到4,200馬力（3,090千瓦），柴油機最大運用功率達到4,910馬力（3,610千瓦）。1987年，戚墅堰機車車輛廠聯合鐵道科學研究院機車車輛研究所、株洲電力機車研究所、西南交通大學、上海鐵道學院參加投標，並以最高分中標及承擔兩台客運機車的試製任務。同年，戚墅堰機車車輛廠在16V280ZJ型柴油機的基礎上，著手開發功率更大的16V280ZJA型柴油機。根據客運柴油機車的技術條件和使用要求，將柴油機的標定功率定為5,250馬力（3,860千瓦），裝車功率定為4,910馬力（3,610千瓦），比16V280ZJ型柴油機提高約10%。考慮到儘量減輕客運機車軸重的需要，因此在改進設計時還要對柴油機進行減重。同時，在滿足提升功率、降低油耗和提高可靠性、耐久性的前提下，零部件儘量保持與16V280ZJ型柴油機的通用性和互換性。

1988年1月，為解決提升功率後部分氣缸排溫比其餘氣缸高的原因，利用燃燒分析儀對柴油機進行性能測試。1989年6月至12月，對柴油機進行了增壓、燃燒、配氣、供油等方面的配套試驗，分析了在各種工況時的增壓器通流元件規格、壓縮比、噴油提前角之間的關係，在大量試驗數據的基礎上確定了柴油機主要參數。1990年6月，在16V280ZJA型柴油機上進行了連續50小時運轉考核試驗，並順利進行了標定功率負荷特性試驗、裝車功率牽引特性試驗、不同供油位置時的功率、扭矩和油耗特性試驗。1990年10月，戚墅堰機車車輛廠試製出第一台裝用16V280ZJA型柴油機的東風9型柴油機車，成為當時中國國內功率最大的單機組電力傳動柴油機車。隨後，因應廣深鐵路開行准高速鐵路的需要，鐵道部要求將機車最高速度提高至160公里/小時，戚墅堰機車車輛廠在東風9型柴油機車的基礎上，於1992年研製出新一代的東風11型柴油機車，同樣採用了16V280ZJA型柴油機作為動力裝置。1993年3月，16V280ZJA型柴油機按UIC試驗規程完成100小時模擬試驗。1994年4月，東風11型柴油機車在北京環行鐵道的最高試驗速度達到183公里/小時，創下了當時「中國鐵路第一速」。1994年9月，16V280ZJA型柴油機通過UIC 100小時性能試驗，並於1995年1月完成UIC 360小時耐久試驗。1996 年，16V280ZJA型柴油機隨同東風11型柴油機車通過鐵道部科技成果鑑定和國家「八五」重點科技攻關項目驗收。而後來面世的東風8B型柴油機車、東風11G型柴油機車亦採用了16V280ZJA型柴油機。

16V280ZJA型柴油機的最大功率為5,772馬力（4,246千瓦），標定功率為5,250馬力（3,860千瓦），額定轉速為每分鐘1,000轉，最低空載轉速為每分鐘400轉，活塞平均速度為9.5米/秒，標定工況下的平均有效壓力為1.65兆帕（每平方厘米16.82公斤），額定功率運轉時的燃油消耗量為153克/有效馬力·小時（208克/有效千瓦·小時）。16V280ZJA型柴油機仍採用球墨鑄鐵整體鑄造機體、合金鋼全纖維擠壓成形曲軸、鋼頂鋁裙組合式活塞、合金硼鑄鐵濕式氣缸套。出於機車軸重限制和製造成本上的考慮，16V280ZJA型柴油機採用了大圓盤薄板聯軸節與牽引發電機聯接，取代16V280ZJ型柴油機上使用的蓋斯林格聯軸節，並重新設計了與大圓盤薄板聯軸節相匹配的卷簧聯軸器，以及減少厚度的連結箱和盤車機構。此外，還增大了全鋁製中冷器的冷卻面積，以提高增壓空氣的散熱能力。柴油機採用模件式串接脈衝轉換器增壓系統（MPC），並選用江津增壓器廠的VTC254-13型增壓器與之配套。後來，為了進一步降低柴油機在部分負荷工況時的排氣溫度，部分又改為使用VTC254-13G型增壓器或由大連內燃機車研究所研製的ZN310-LSA4型增壓器。

## 基本資料

- 日語原文：280/285系列
- 製造商：戚墅堰機車車輛廠、資陽內燃機車廠
- 生產日期：1979年至今
- 衝程數：四衝程
- 缸數及排列：L6、V12、V16
- 排氣量：17.56升（單缸）
- 氣缸內徑：280毫米
- 活塞衝程：285毫米
- 渦輪增壓器：廢氣渦輪增壓
- 燃料系統：直接噴射
- 燃料：柴油
- 冷卻系統：水冷式
- 功耗：2,000馬力～6,000馬力
- 標定轉速：每分鐘1,000轉