柴油機車
柴油機車（英語：diesel locomotive）是指以柴油引擎為動力來源，並通過傳動裝置驅動力車輪的鐵路機車。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汽機車高，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，如高架電車線或第三軌。柴油機車可按用途分類為貨運機車、客運機車、調車機車、廠礦機車和內燃列車組。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。
歷史
編輯
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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，設想將吸入汽缸的空氣高度壓縮，使其溫度超過燃料的自燃溫度，再用高壓空氣將燃料吹入汽缸並使之燃燒做功，這有別於煤氣或汽油引擎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引擎命名。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、以柴油為燃料的鐵路機車，但由於設計和技術上的缺陷，其引擎功率效率比很低，被稱為「準內燃機」（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。
隨著狄塞爾的柴油引擎專利保護在1912年終止，這種引擎的優勢很快發揮出來，被廣泛應用於船舶推進和靜止設備，然而早期柴油機重量大、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，因此柴油引擎作為鐵路機車動力來源的潛力當時並沒有得到重視[1]。
1906年，狄塞爾和德國鐵路工程師阿道夫·克勞茨、瑞士一家引擎製造商格林·蘇爾壽並肩合作，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·蘇爾壽引擎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，經過短暫的試運轉後於1912年9月交付德意志帝國使用[2]。在1913年的試運轉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[3]。
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，在1898年買下了在美國生產柴油引擎的授權，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[4]。美國奇異公司在20世紀初涉足鐵路軌道車市場，而作為奇異創始人之一的湯瑪斯·愛迪生也於1880年進行了電力軌道車的實驗，奇異公司於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奇異公司將其注意力轉移到柴油機上，構想出一種採用柴油引擎發電、向牽引馬達供電的「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·Ward·倫納德發明的直流發電機、馬達變速控制系統，導致柴油機和馬達協調性欠佳。至1914年，研製出現了重大技術突破，一位奇異工程師赫爾曼·萊帕發明了一種可靠的直流電力控制系統並申報了專利[5]。該控制系統將內燃引擎調節器與發電機和牽引馬達自動耦合，內燃電傳動機車上就無需由第三者來人工調節引擎。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，奇異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，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。為此紐約市請求英格索蘭公司研製一種調車用柴油機車，即「Boxcab」，採用了奇異的引擎、牽引馬達及控制系統，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[6]。1920年代中期，美國鮑德溫機車廠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，主要運用於難以運轉蒸汽機車的路段，例如缺水、缺煤的地方[7]。在這個時候，柴油機車進入實用階段，其性能優勢逐漸顯現[8]。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，奇異公司在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[9]。與傳統的蒸汽機車相比，柴油機車動力強大，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EMD（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，德意志國鐵路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柴油機車呈現雙線發展。1960年代，大功率矽整流器研製成功，並應用於鐵路機車，出現了交—直流電力傳動的柴油機車，功率水平進一步提高。隨著電子技術的發展，聯邦德國（西德）亨舍爾公司和瑞士勃朗-包維利股份公司（BBC）在1971年試製出功率1840千瓦的交—直—交流電力傳動柴油機車（DE2500），從而為柴油機車的技術發展提供了新的途徑。
傳動方式
編輯與蒸汽引擎不同，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。
電力傳動
編輯
電力傳動柴油機車（Diesel-Electric），亦稱柴油電力式機車、或柴電機車，是把機車上柴油引擎帶動發電機轉化成電力，再由牽引馬達帶動車輪轉動。可以說，電力傳動柴油機車是自攜發電機的電力機車。
在最初幾十年製造的柴電機車都使用調速簡單的直流馬達來帶動車輪，但近年來交流馬達的使用有增加趨勢，因為交流牽引馬達比直流馬達結構簡單，易於維護，功率更大，但是需要配搭技術要求和品質高的VVVF變流器達到良好的調速性能。按照直流和交流模式，電力傳動又可再分為：
- 直流電力傳動：牽引發電機和馬達均為直流電機。
- 交—直流電力傳動：使用三相交流同步發電機，發出交流電經過整流器裝置變為直流電，供應直流牽引馬達。
- 交—直—交流電力傳動：使用三相交流同步發電機，發出交流電通過整流器變為直流電，電路中恆定直流電壓通過變流器調節其振幅和頻率，將直流電逆變成變頻調壓交流電，供給交流牽引馬達。
制軔（煞車）裝置方面，所有電傳動柴油機車都裝有高效率的氣軔機，同時大部分也使用電軔，在這個裝置下動能經由牽引馬達轉換成電力，電力再由電阻轉換成熱能後經由散熱裝置散去。電軔能在山嶽地區路線減少制軔裝置使用及磨損，但在低速情況下則沒有顯著效果，仍需使用氣軔。
在美國，部分在紐約行走的柴電機車裝有第三軌配電設備。在市內設有第三軌的地方行走時可以從電網取電，以純粹電力機車方式運作，在郊區未電氣化的路段則使用柴油引擎發電，這種機車通常被稱為雙模式機車。至於日本的JR東日本則開發出整合柴油引擎發電機－大容量蓄電池－電動馬達的混合動力柴電列車（Hybrid Train，其中KiHa E200型是最早投入實用的一款），此種設計可以進一步提升柴電車輛的行車品質、降低油耗與噪音，是柴電動力列車的未來發展方向。
液力傳動
編輯
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，液壓聯軸器與輪軸用萬向軸相連，令車輪轉動。
液力傳動的柴油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，整流器／變流器和馬達等部件才能運作。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柴油機車，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，容易引起易燃氣體或粉塵的爆炸。
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轉時，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轉速度提高而加快時，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轉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馬力的液傳柴油機車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，只要金屬品質、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柴油機車。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，柴油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
編輯
機械傳動柴油機車（Diesel-mechanical）、像汽車的手動變速箱一樣用變速箱和離合器。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）傳動柴聯車。
檢修
編輯柴油機車檢修主要包含：
- 內燃機（通常包含柴油機、調速器、增壓器、水泵、機油泵等）檢修
- 走行部分（轉向架）檢修
- 電氣設備（包含啟動電機、主發電機、牽引電機、機車控制電器電路、微電腦部分）
- 制軔（軔機、制軔管路、各類控制閥、風泵等）
- 車體（包含構架、蒙皮、塗裝、門、窗等）有待完善
「內燃機車」與「柴油機車」的關係
編輯因多數內燃機車使用柴油動力而使得很多人「內燃機車」與「柴油機車」兩個詞當作同義詞而含糊的使用，但二者並非完全等同的關係。柴油機車是內燃機車的一種，而內燃機車不一定是柴油機車，比如「苯內燃機車」、「萘內燃機車」、「煤油內燃機車」、「汽油內燃機車」、「氫內燃機車」、「天然氣內燃機車」、「煤氣內燃機車」是內燃機車但不是柴油機車。[10][11][12][13][14]
型號列表
編輯參看
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參考文獻
編輯- ^ Churella, Albert J. From Steam to Diesel: Managerial Customs and Organizational Capabilities in the Twentieth-Century American Locomotive Industry. Princeton, New Jersey: Princeton University Press. 1998: 15. ISBN 0-691-02776-5.
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- ^ Churella, 28-30
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