標籤:柴油機車

柴油機車,又稱內燃機車,是指以柴油發動機為動力來源,並通過傳動裝置驅動車輪的鐵路機車。

1簡介

於20世紀中期開始各地鐵路廣泛使用。這些機車的功率輸出和效率比蒸氣機車高,自20世紀中開始在世界大部份地方成為主要鐵路機車種類,柴油機車可以直接取代蒸汽機車,不像電力機車必須依賴其他的電力傳送設施,如架空線或第三軌。柴油機車可按用途分類為貨運機車、客運機車、調車機車、廠礦機車和內燃動車組。自1950年代起,鐵路電氣化開始普遍應用,隨著技術進步,電力機車在牽引力、加速力、爬坡能力和最高速度上逐漸超越柴油機車,因此現時柴油機車多在一些缺乏電氣化的鐵路區段行走。
英國的252-HST型是內燃機車的世界速度紀錄保持者。它的最高速度是時速143英里(229公里),量產型運行速度亦達時速125英里(200公里)。
柴油機車

2歷史

1892年,德國工程師魯道夫·狄塞爾(Rudolf Diesel)基於熱力學中的卡諾循環,設想將吸入氣缸的空氣高度壓縮,使其溫度超過燃料的自燃溫度,再用高壓空氣將燃料吹入氣缸並使之燃燒做功,這有別於煤氣或汽油發動機吸入燃氣混合氣點燃做功的方式。根據這一原理,狄塞爾發明了採用柴油作為燃料的壓縮點火式內燃機,也就是世界上第一台柴油機,並用自己的名稱為這種發動機命名。功率大、效率高的柴油機自然成為車輛的理想動力來源,但當時柴油機剛剛起步,技術遠未成熟,將體積、重量龐大的柴油機置於鐵路車輛上無疑遇到相當的技術困難。1896年,英國工程師赫伯特·史塔特(Herbert Akroyd Stuart)為英國伍利奇的皇家軍工廠(Royal Arsenal)設計製造了一種使用熱球式內燃機(hot bulb engine)、以柴油為燃料的鐵路機車,但由於設計和技術上的缺陷,其發動機功率效率比很低,被稱為「准內燃機」(semi-diesel)。但另一方面這台機車的出現無疑是邁向柴油機車的重要一步。
隨著狄塞爾的柴油發動機專利保護在1912年終止,這種發動機的優勢很快發揮出來,被廣泛應用於船舶推進和靜止設備,然而早期柴油機質量大、功率重量比低的問題仍然沒有得到有效解決,當時的柴油機確實存在著不少缺陷,其中最大的問題就是重量。由於柴油機汽缸壓力比汽油機高很多,因而柴油機的缸體強度、體積比汽油機大得多,同時早期的柴油機使用的空氣壓縮機體積也非常巨大,使得柴油機整體上十分笨重。這對應用於陸地上的汽車、鐵路構成一定阻礙,因此柴油發動機作為鐵路機車動力來源的潛力當時並沒有得到重視。
1906年,狄塞爾和德國鐵路工程師阿道夫·克勞茨(Adolf Klose)、瑞士一家發動機製造商格林·蘇爾壽(Gebrüder Sulzer)並肩合作,三方合股,成立了狄塞爾-蘇爾壽-克勞茨有限公司(Diesel-Sulzer-Klose GmbH),專門設計生產鐵路柴油機車。格林·蘇爾壽發動機廠除了生產傳統的蒸汽機,也在1898年開始生產柴油機。普魯士國家鐵路(德語:Preußische Staatseisenbahnen)於1909年向狄塞爾-蘇爾壽-克勞茨公司訂購了一台柴油機車作為試驗,經過3年時間的研究,世界上首台真正意義上的柴油機車於1912年的瑞士誕生。這台柴油機車重量為95噸,功率為883千瓦,最高速度100公里/小時。當年夏季這台機車在瑞士的溫特圖爾至羅曼斯霍恩(Romanshorn)的鐵路首次亮相,經過短暫的試運行後於1912年9月交付德意志帝國使用。在1913年的試運行期間又相繼發現一些問題和故障,德國和瑞士工程師也不斷進行技術改進。但由於第一次世界大戰在1914年爆發,進一步的試驗亦告終止。
而在大洋彼岸的美國,美國啤酒製造商安海斯-布希合夥創辦人之一的阿道弗斯·布希(Adolphus Busch),在1898年買下了在美國生產柴油發動機的授權,雖然在20世紀初期曾經有將柴油機用於鐵路軌道車的記錄,但美國並沒有廣泛運用這種新興動力來源於交通運輸。美國通用電氣公司在20世紀初涉足鐵路軌道車市場,而作為通用電氣創始人之一的托馬斯·愛迪生也於1880年進行了電力軌道車的實驗,通用電氣公司於1895年首次推出了電力機車原型車。然而,高成本的電氣化費用令通用電氣公司將其注意力轉移到柴油機上,構想出一種採用柴油發動機發電、向牽引電動機供電的「電動」軌道車,也就是後來的電傳動柴油機車。但一開始研製就遇上技術困難,由於採用了哈利·沃德·倫納德(Harry Ward Leonard)發明的直流發電機、電動機變速控制系統,導致柴油機和電動機協調性欠佳。至1914年,研製出現了重大技術突破,一位通用電氣工程師赫爾曼·萊帕(Hermann Lemp)發明了一種可靠的直流電力控制系統並申報了專利。該控制系統將內燃發動機調節器與發電機和牽引電動機自動耦合,內燃電傳動機車上就無需由第三者來人工調節發動機。這個系統的意義在於解決了電傳動柴油機車的控制協調問題,並成為以後電傳動柴油機車控制系統的始祖。
1917年,通用電氣利用萊帕的控制系統,試製了一台實驗性電力傳動柴油機車,也是美國第一台電傳動柴油機車。1923年,紐約市通過了考夫曼法案(Kaufman Act),禁止污染嚴重的蒸汽機車進入紐約市的範圍。這項法案的目的是將紐約市內所有高運輸量的鐵路進行電氣化改造,然而將低運輸量地區的鐵路電氣化並不划算。為此紐約市向英格索蘭公司(Ingersoll Rand)要求研製一種調車用柴油機車,即「Boxcab」,採用了通用電氣的發動機、牽引電動機及控制系統,機車功率220千瓦,並於1925年7月交付。這種機車的實際運用顯示,在當時鐵路電氣化成本非常高的情況下,柴油機車是十分經濟的選擇。1920年代中期,美國鮑德溫機車廠(Baldwin Locomotive Works)也設計生產了一種電傳動柴油機車的原型車,採用西屋電氣公司(Westinghouse Electric)的電器設備,主要運用於難以運行蒸汽機車的路段,例如缺水、缺煤的地方。在這個時候,柴油機車進入實用階段,其性能優勢逐漸顯現。1929年,加拿大國家鐵路向西屋電氣訂購了兩台柴油機車,成為北美首家將柴油機車運用於鐵路幹線的鐵路公司。另一方面,柴油機車開始在調車機車範疇廣泛使用,通用電氣公司在1930年代生產了一系列小型調車柴油機車,西屋電氣公司及鮑德溫機車廠也在1929年開始生產調車柴油機車。但由於不久之後的經濟大蕭條,西屋電氣後來停產機車,轉而提供機車的電氣部件。與傳統的蒸汽機車相比,內燃機車動力強大,沒有煤煙污染,而且維護要相對容易。在1930年代的北美大陸,電傳動柴油機車迅速成為鐵路幹線上的主力,正式展開了由蒸汽機車到柴油機車的過度階段,並出現了一些由單機功率900~1000千瓦柴油機車多節重聯連掛組成的幹線柴油機車,例如易安迪(EMD)於1939年研製成功的FT型柴油機車。
而在歐洲方面,德國的克勞斯-瑪菲·威格曼公司、奧格斯堡-紐倫堡機械工廠股份公司和福伊特公司於1935年研製成功世界首台液力傳動柴油機車——V140——並投入運用。這一類型的柴油機車較電傳動機車結構簡潔、重量輕,德國國家鐵路(Deutsche Reichsbahn,DR)對這種機車的表現十分滿意,自此液傳柴油機車成為德國鐵路幹線的主型機車。
第二次世界大戰之後,柴油機車進入迅速發展的階段。由於柴油機的性能和製造技術迅速提高,此外廢氣渦輪增壓系統開始普及,柴油機車功率比二戰前普遍提高了約50%。到了1950年代,柴油機車數量急驟增長,直流電力傳動柴油機車和液力傳動內燃機車呈現雙線發展。1960年代,大功率硅整流器研製成功,並應用於鐵路機車,出現了交—直流電力傳動的內燃機車,功率水平進一步提高。隨著電子技術的發展,聯邦德國(西德)在1971年試製出功率1840千瓦的交—直—交流電力傳動柴油機車(Henschel-BBC DE2500),從而為柴油機車的技術發展提供了新的途徑。

3傳動方式

與蒸氣引擎不同,柴油機車的內燃機需經傳動方能把動力輸出到其車輪上,當機車停下時,其引擎可繼續運作。依照動力傳動方式的不同,柴油機車又可分為電力傳動液力傳動、和機械傳動三大類。
液力傳動
液力傳動柴油機車(Diesel-Hydraulic),亦稱柴油液力式機車、或柴液機車,使用液力變矩器(torque-converter),又稱液力變扭器,用液力把內燃機的動力傳到車輪上。液力變矩器主要有三個浸在傳動油的部分:離心式油泵渦輪及中間固定導輪。離心式油泵和內燃機曲軸相連,當內燃機轉動時,離心式油泵隨著轉動,把傳動油泵向渦輪,渦輪被傳動油帶動而旋轉,並帶動導輪轉動輸出機械能,液力耦合器與輪軸用萬向軸相連,令車輪轉動。
液力傳動的內燃機車結構較電傳動機車簡潔,重量輕,不像電力傳動機車同時需要發電機,整流櫃/逆變器和電動機等部件才能運作。即在同樣的機車重量下,液傳機車的功率一般都比電傳機車大。以中國的東方紅3型(液傳機車)和東風型(電傳機車)為例,東方紅3型重量為92噸,功率達1980kW;而東風型車重126噸,功率僅1500kW。而且液傳機車不需要消耗電傳機車電機設備所需要的大量銅金屬,製造成本較低。另外,許多工礦企業使用液力傳動內燃機車,因為電傳動機車的發電機和直流牽引電機電刷會產生火花,容易引起粉塵或危險氣體爆炸。
一般來說,液力傳動機車比電傳動機車效率稍高。當液力機車起動和低速運行時,變扭器中的渦輪轉速很低,傳動油對渦輪葉片的壓力就很大,從而滿足機車起動時牽引力大的需求;當渦輪的轉速隨著機車運行速度提高而加快時,傳動油對渦輪葉片的壓力也逐漸減小,正好滿足機車高速運行時對牽引力小的需求,但因此也有加速慢的問題。所以柴油機發出的大小不變的扭矩,經過變扭器就能變成滿足列車牽引要求的機車牽引力。在特定的負載條件下,液傳機車的功率傳遞效率比電傳機車略高。全負載情況下,液傳的效率稍高於電傳;半負載情況下,液傳效率會進一步提升,而電傳效率會進一步下降。功率越小,液力傳動的優勢就越明顯,功率越大液力傳動效率越低,依靠提高泵輪轉速推高功率使變扭器發出高熱,造成能量流失,這時電力傳動更有優勢。而且液力傳動柴油機車的功率難以提升,因為液力傳動裝置受到泵輪、變扭器箱體金屬強度的限制,只能有限度承受並傳遞非常巨大的液壓力。至2006年,德國福伊特公司才研製出世界上首台功率達5000馬力的液傳內燃機車Voith Maxima 40cc,但電傳機車早在十幾年前已達到同功率級別。早期的液傳機車技術未成熟,故障率稍高。但液力變扭器傳動裝置本身沒有磨耗零件,只要金屬質量、精度達標,機車可靠性可以相當高,保養也更便捷。然而在同等功率下,液力傳動的機車,耗油量要高出10~20%,經濟性較差。
在鐵路發展方向為重載和高速的國家,如中國和北美洲,大部分的柴油機車都是採用電力傳動,這是因為液傳機車無法發展為單機大功率內燃機車。而在日本和歐洲,尤其是德國,以電力為主要牽引動力,客車普遍使用高速列車,內燃機車居於次要的位置,大多用於中速輕載或調車作業,對功率要求不高,而液傳機車正擁有中低速牽引力較大的特點,所以這些國家的柴油機車主要為液力傳動。

機械傳動

機械傳動柴油機車(Diesel-mechanical)、像汽車的手動變速器一様用變速箱和離合器。但機械結構的離合器難以承受高功率,而且變速箱結構就必然十分複雜和龐大,以增加排檔數提供相對平穩的變速性能,所以機械傳動柴油機車功率通常很低,現時最高只有1500kW,傳動效率低於液力傳動和電力傳動,所以機械傳動多用於輕型軌道車。1960年代匈牙利也曾經生產過NC系列機械(齒輪)傳動柴油動車組。
機械傳動的柴油機車

  機械傳動的柴油機車

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