0 引言

从工业革命开始，人类活动便前所未有地撼动了地球的自然平衡，碳循环体系首当其冲，碳源和碳汇的平衡不再，引发了世界对全球变暖、海平面上升等后果的思考。2020年9月22日，习近平总书记在第75届联合国大会一般性辩论上宣布中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。2021年10月24日，中共中央、国务院《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》发布，为完整、准确、全面贯彻新发展理念，做好碳达峰、碳中和工作做出了全面细致的安排。

受矿区本土煤炭开采量限制，矿区铁路煤炭运量已到达天花板，作为铁路专用线，业务单一，如何降本增效，实现可持续发展已成为摆在矿区铁路公司面前的课题，机车能耗成本是铁路专用线的最大成本之一，对内燃机车油电混合动力改造的研究，经济效益可观，同时，在“双碳”政策背景下，发展节能型混合动力机车技术已成为趋势，具有深远的社会意义。

1 内燃机车新能源改造必要性分析

传统内燃机车采用柴油机为动力系统，通过柴油机、主发电机、变流装置、牵引电机等，将燃油的热能转换为机械能-电能-机械能，从而驱动机车运行，该执行系统因机械环节较多等因素，造成严重的能量浪费。同时因受各方面因素的影响普遍存在以下问题：柴油机效率低、功率得不到充分发挥，实际油耗比标定油耗一般要高5％一10％；柴油机空载运行造成的燃油浪费比较严重、柴油机机械磨损及负荷频繁变化造成柴油燃烧不充分、冒黑烟，废气中碳化物含量高，对环境污染严重。

由生态环境部主导，北京交通大学主持，国家铁路局、国家铁路集团有限公司、中国铁路交通协会等21家单位参与起草的《路内燃机车及其发动机排气污染物排放限值及测量方法》，即将发布，预计2025年执行一阶段（等同EUⅢA)，2028年执行二阶段(等同EUⅢB），新排放标准的污染物限值要求高、执行准备期短。

内燃机车新能源改造是符合国家双碳战略，助力实现碳达峰、碳中和的重要举措，在现有基础上可以降低碳排放约20%-30%，社会效益明显；符合集团发展方向，走生态优先、绿色低碳的高质量发展道路，是发展道路的必然选择；符合公司发展利益，节约成本，数据显示，理想状态下，可以节约油耗成本约20-30%，经济效益突出；可以降低噪声对职工健康的危害，符合公司家文化建设及人文要求，突显人文价值。

2 内燃机车新能源改造路径

内燃机车新能源改造路径主要有铁路电气化改造、混合动力机车、内燃机车电池组改造三种技术路径，下面本文对三种技术路径进行研究分析。

表1机车选型方案对比表

通过对三种内燃机车节能技术路径的研究分析，发现三种技术路径均不适合淮南铁路运输分公司的运输现状。根据该公司的运输现状提出一种新的技术方案，对现有机车进行混合动力改造方案。

3 技术方案

3.1 机车总体改造方案

经现场查看，DF4B型机车上可加装动力电池的空间有两处，一是技改燃油箱，通过缩减燃油储存空间加装动力电池；二是去除电器间的储物柜，在此位置加装辅助电池。

在电器间储物箱的位置用钛酸锂电池或小型号铅酸蓄电池来替代机车原有蓄电池组的作用，用于柴油机的启动以及控制电路用电。

3.1.1 燃油箱技改方案

将燃油箱容积由9000L改为6000L，燃油箱和原电池组进行重新设计，空出的位置用于加装动力电池及其附属设备，该动力电池用于单机运行、站内转线、带装、带卸等低效工况的用电和空调、生活电器等辅助用电，预计加装300-350kWh的磷酸铁锂动力电池或200-250kWh钛酸锂电池即可满足用电。

为满足设计要求，将原燃油箱设计成“回”字形，将动力电池组镶嵌于燃油箱内部。一部分是按照6000L的容量制作的燃油箱，另一部分空间用于加装动力电池，总风缸位置不变。

3.1.2 电器间储物柜技改方案

电器柜与Ⅰ端司机室之间原设计是制动电阻柜，本段4B机车均未加装制动电阻，因此该位置为储物柜。可提供用于加装电池的空间。该储物柜拆除座脚螺栓后可从机车上部吊出。电池厂家根据我方提供的尺寸生产带安装框架的电池组，安装于原储物柜的位置。电池两端的输出线可就近连接在电器柜XK上，改动量较小。

3.2 电气改造方案

通过对机车电池组进行改造，加装动力电池，机车在站内作业（调车、带装带卸、生活辅助）时，将柴油机停机，主发电机不再发电，由动力电池提供动力来源。

图1改造后的动力电池系统框图

3.3 动力电池选型

（1）电器间电池选用考虑的特点一是能量体积密度高，在有限的空间内可提供必要的输出能量；二是放电功率高，适合于柴油机启动这种短时间大功率的使用工况；三是温度适应范围宽，不需要额外的温控系统，进一步节省空间，降低系统复杂度；四是安全性好，相较于其它类型的锂电池，更适合于安装在机车内部。

（2）为确保油箱电池组改造后的运用安全，加装的动力电池建议使用钛酸锂电池，相较于磷酸铁锂电池，其安全性更高，电池使用受制于环境影响较低，其缺点是能量密度低，改造成本较高。

4 投资回报测算

根据以上技术方案探讨，辅助电池和动力电池计划均采用钛酸锂电池。

DF4B型机车改造后在保证其充分使用的情况下（月度平均库外使用时间不低于517小时），测算年节约成本50.66万元。投资回报期为7.31年。以上投资回报测算均为含税价。

5 结束语

本文提出了对机车进行混合动力改造的方案，这在铁路企业是首次创新运用，通过技改方案，不仅可以完全消除无效工况，更能提高机车的使用性能，通过数据分析，铁运公司全部按照新能源混合动力机车车模式运行，全年节约成本约合1200万元。这对同类型厂矿铁路企业，旧内燃机车改造为混合动力机车提供了一定的理论基础和指导意见。

参考文献：

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