内燃機関車

内燃機関車は、内燃エンジンを使用して牽引力を生み出す鉄道 機関車の一種です。これらの機関車は、化石燃料（最も一般的なのは石油またはガソリン（英国ではペトロール））を燃焼させて回転力を生み出し、さまざまな直接的または間接的な伝達機構によって機関車の駆動輪に伝達されます。燃料は機関車に搭載されています。

灯油機関車は燃料として灯油を使用します。これはディーゼル機関車や他の石油機関車より数年先行した世界初の石油機関車でした。

最初の灯油鉄道車両として知られているのは、1887年にゴットリープ・ダイムラーがダイムラー・パラフィン鉄道向けに製造した乾式機関車である^[1]。この車両は旅客を輸送するもので、他の車両を牽引することはなかったため、厳密には機関車とは言えない。

1894年、ハル港で使用するためにキングストン・アポン・ハルのプリーストマン・ブラザーズ社が灯油機関車を製造した。この機関車は、毎分300回転で稼働する12馬力の複動式船舶用エンジンを4輪の貨車シャーシに搭載して製造された。出力が低かったため、一度に1台の積荷を積んだ貨車しか牽引できず、あまり成功しなかった。^[2]最初に成功した灯油機関車はリチャード・ホーンズビー・アンド・サンズ社が製造し、1896年にウーリッジ・アーセナル鉄道に納入された「ラケシス」である。同社は1896年から1903年にかけて、イギリス軍で使用するために一連の灯油機関車を製造した。

ベンゼン機関車は、ベンゼンを燃料とする内燃機関を搭載している。1890年代から1900年代にかけて、ベンゼン機関車を製造していた商業メーカーが数多く存在した。1890年代後半、ドゥーツはギーセンのマンガン鉱山向けの試作車を基に、成功を収めた機関車を製造した。^{[3] 1900年代初頭、}フランクフルトのオーバーウルゼルは、鉱山やトンネル工事用の機関車を販売した。^[4] 1900年代以降、それらは広く普及せず、ガソリン機関車やディーゼル機関車に取って代わられた。

ガソリン機関車（米国ではガソリン機関車）は、燃料としてガソリンを使用する。米国西部で最初のガソリン機関車は、1891年にサンノゼ・アンド・アラムロック鉄道向けにベスト・マニュファクチャリング・カンパニーによって製造された。この機関車は限定的な成功を収めたのみで、1892年にベストに返却された。^[5]

英国で最初に商業的に成功したガソリン機関車^{[疑わしい–議論が必要]}は、1902年にモーズレイ・モーター・カンパニーがロンドンのデプトフォード家畜市場向けに製造したガソリン機械式機関車だった。この機関車は、3気筒の垂直型ガソリンエンジンと2速機械式ギアボックスを搭載した80馬力の機関車だった。2台目の機関車は、 1903年1月にFCブレイク・オブ・キュー社がリッチモンド下水道局向けに製造した。^{[6] [7] [2]}

1914年以前にも、単発の小型ガソリン機関車が多数製造されていたが、量産型機関車が導入されたのは第一次世界大戦の頃だった。1916年、モーターレール社は「シンプレックス」ガソリン機関車の生産を開始し、20～40馬力のモーターと4輪機械式トランスミッションが600 mm（1フィート 11インチ）のレールで使用され始めた。+連合国軍は、西部戦線で1.5 ⁄ 8インチ ゲージの塹壕鉄道を。^[8]陸軍省はまた、ディック・カー社とブリティッシュ・ウェスティングハウス社これは、45馬力のドーマン4JO 4気筒ガソリンエンジンを搭載し、1,000rpmで30kWの直流発電機を駆動する^[9]連合国軍では、合計1,216台のガソリン機械式機関車と42台のガソリン電気式機関車が使用された。これらのガソリン機関車の多くは、戦闘終了後に余剰として売却され、小規模な産業鉄道で使用された。モーター・レール社は、数十年にわたって設計の開発と製造を続けた。^[8]

ガソリン機関車の最も一般的なタイプ^[要出典]は、機械式トランスミッションを使用するガソリン機械式機関車です。これらの機関車の最も初期の例では、プレートまたはコーン^[10]クラッチと機械式ギアボックスが使用され、直接^{[11] 、}チェーンドライブ^[8]を介して、またはベベルギアを使用して主軸を駆動していました。^[12]

ガソリン電気機関車は、エンジンの動力出力を駆動輪に伝えるために電気トランスミッションを使用するガソリン機関車です。これは、エンジンの回転機械力をダイナモで電気エネルギーに変換し、多段変速の電気牽引モーターで車輪に動力を与えることで、ギアボックスの必要性を回避します。これにより、ギアチェンジの必要性がなくなるため、よりスムーズな加速が可能になり、また、出力を複数のモーターに分割できるため、より優れた牽引制御が可能になります。ただし、発電機は機械式トランスミッションよりも高価で重く、メンテナンスが複雑になることが多いです。^[13]

注目すべき初期のガソリン電気機関車は、1913年にミネアポリス・セントポール・ロチェスター・アンド・デュビューク電気牽引会社向けに製造された。重量60トン、出力350馬力で、ボボ配置の2つの台車を介して走行した。^{[14] [15]}

ディーゼル機関車はディーゼルエンジンで駆動します。ディーゼル推進力の開発初期には、さまざまなトランスミッションシステムが採用され、成功の度合いもさまざまでしたが、電気トランスミッションが最も人気がありました。

ディーゼル機械式機関車は、機械式トランスミッションを使用して動力を車輪に伝達します。このタイプのトランスミッションは、一般に、低出力、低速の入換機関車、軽量の複数ユニット、および自走式鉄道車両に限定されます。最も初期のディーゼル機関車はディーゼル機械式でした。

鉄道の推進に使用される機械式トランスミッションは、一般に、標準的な道路用バージョンよりも複雑で、はるかに頑丈です。通常、エンジンとギアボックスの間には流体継手が介在し、ギアボックスは負荷がかかった状態でシフトできるように遊星型（プラネタリー）であることが多いです。ギアチェンジ中のトランスミッションの中断を最小限に抑えるために、さまざまなシステムが考案されています。たとえば、ハズウェル クラークが使用した SSS（シンクロセルフシフト）ギアボックスです。ディーゼル機械式推進は、重い列車を動かすために必要な パワーとトルクに対応できる適切なサイズのトランスミッションを製造するのが難しいという制限があります。

1906年、ルドルフ・ディーゼル、アドルフ・クローゼ、蒸気・ディーゼルエンジン製造会社のゲブリューダー・スルツァーは、ディーゼル機関車を製造するためにディーゼル・スルツァー・クローゼ社を設立した。プロイセン国鉄は1909年に同社にディーゼル機関車を発注した。世界初のディーゼル機関車（ディーゼル機械式機関車）は1912年夏、スイスのヴィンタートゥール・ローマンスホルン鉄道で運行されたが、商業的には成功しなかった。^[16]機関車の重量は95トン、出力は883kW、最高速度は100km/hであった。^[17] 1920年代半ばまでに、いくつかの国で少数の試作ディーゼル機関車が製造された。

ディーゼル電気機関車は、電気トランスミッションを使用するディーゼル機関車です。この構成では、ディーゼル エンジンが電気DC 発電機(通常、牽引用に 3,000 馬力 (2,200 kW) 未満) または電気AC オルタネーター整流器(通常、牽引用に 3,000 馬力 (2,200 kW) 以上) を駆動し、その出力が機関車を駆動する牽引モーターに電力を供給します。ディーゼル エンジンと車輪の間には機械的な接続はありません。今日のディーゼル機関車の大部分はディーゼル電気です。

ディーゼル電気推進の重要な構成要素は、ディーゼルエンジン（原動機とも呼ばれる）、主発電機/オルタネーター整流器、牽引モーター（通常4軸または6軸）、およびエンジン調速機と、牽引モーターへの電力供給を制御または変更するスイッチギア、整流器、およびその他のコンポーネントを含む電気または電子コンポーネントで構成される制御システムです。最も基本的なケースでは、非常に単純なスイッチギアのみを使用して、発電機をモーターに直接接続することができます。

当初、牽引モーターと発電機は直流機でした。1960年代に高容量シリコン整流器が開発され、直流発電機は、出力を直流に変換するダイオード ブリッジを使用する交流発電機に置き換えられました。この進歩により、機関車の信頼性が大幅に向上し、発電機の整流子とブラシが不要になったため、発電機の保守コストが削減されました。ブラシと整流子が不要になったことで、フラッシュオーバーと呼ばれる特に破壊的な事象の可能性がなくなりました。フラッシュオーバーが発生すると、発電機がすぐに故障し、場合によっては機関室で火災が発生することがあります。

1980 年代後半、高出力可変周波数/可変電圧(VVVF) 駆動装置、つまり「トラクション インバータ」の開発により、多相 AC トラクション モーターの使用が可能になり、モーター整流子とブラシも不要になりました。その結果、メンテナンスが比較的少なく、旧式のモーターが破損することが多かった過負荷状態にも対処できる、より効率的で信頼性の高い駆動装置が誕生しました。

1914年、ゼネラル・エレクトリック社の電気技師であるヘルマン・レンプは、信頼性の高い直流電気制御システムを開発し、特許を取得した（その後の改良もレンプによって特許取得された）。^[18] レンプの設計では、エンジンと発電機の両方を協調的に制御するために単一のレバーを使用し、これがすべてのディーゼル電気式機関車の制御の原型となった。1917年から1918年にかけて、GEはレンプの制御設計を使用して3台の実験的なディーゼル電気式機関車を製造した。 ^[19] 1924年、ディーゼル電気式機関車（E ^el 2、オリジナル番号Юэ 001 / Yu-e 001）が運行を開始した。これはユーリ・ロモノソフ率いるチームによって設計され、1923年から1924年にかけてドイツのMaschinenfabrik Esslingenで製造された。5つの駆動車軸（1'E1'）を備えていた。数回の試験走行の後、1925年から1954年までのほぼ30年間にわたって列車を牽引しました。^[20]これは世界初の機能的なディーゼル機関車でした。

ディーゼル油圧機関車は、油圧トランスミッションを使用するディーゼル機関車です。この構成では、ディーゼルエンジンからの動力を車輪に伝えるために、機械式ファイナルドライブとギアを組み合わせた 1 つ以上のトルクコンバータを使用します。

ハイドロキネティックトランスミッション（ハイドロダイナミックトランスミッションとも呼ばれる）は、トルクコンバータを使用します。トルクコンバータは3つの主要部分で構成され、そのうち2つは回転し、1つ（ステータ）には逆回転を防止するロックがあり、低出力回転数でオイルの流れの方向を変えることで出力トルクを追加します。3つの主要部分はすべて、オイルが充填されたハウジングに密封されています。機関車の速度範囲全体にわたってエンジン速度を負荷速度に一致させるには、十分な範囲を確保するための追加の方法が必要です。1つの方法は、車のオートマチックトランスミッションと同様に、トルクコンバータの後に機械式ギアボックスを接続し、比率を自動的に切り替えることです。もう1つの方法は、必要な合計の一部をカバーする可変範囲を持つ複数のトルクコンバータを提供することです。すべてのトルクコンバータは常に機械的に接続されており、必要な速度範囲に適したものを選択するには、オイルを充填して他のトルクコンバータを排出します。充填と排出はトランスミッションに負荷がかかった状態で実行され、伝達されるパワーが途切れることなく、非常にスムーズな範囲の変更が得られます。

幹線油圧トランスミッションの世界的な主要ユーザーはドイツ連邦共和国で、1950年代のDBクラスV 200や、1960年代と1970年代のDBクラスV 160ファミリーの設計がありました。イギリス国鉄は1955年の近代化計画中に、当初はドイツ設計のライセンス生産版であったディーゼル油圧設計を数多く導入しました。スペインでは、RENFEが1960年代から1990年代にかけて、高出力対重量比のドイツ製双発トランスミッションを使用して高速列車を牽引しました。（RENFEクラス340、350、352、353、354を参照）。

油圧駆動システムは鉄道にも応用されており、例えばCMIグループ（ベルギー）の350～750馬力（260～560kW）の入換機関車^[21]や、アトラスコプコの子会社GIAの4～12トン、35～58kW（47～78馬力）の産業用機関車^[22]などがその例である。油圧駆動は、タンパーやレールグラインダーなどの鉄道保守機械にも使用されている。^[23]

ガスタービン機関車は、ガスタービンで構成される内燃機関機関車です。ICE エンジンには、車輪に動力を供給するためのトランスミッションが必要です。機関車が停止しているときでも、エンジンは作動し続けなければなりません。

ガスタービン機械式機関車は、機械式トランスミッションを使用してガスタービンの動力出力を車輪に伝達します。ガスタービン機関車は、1861 年に Marc Antoine Francois Mennons によって特許を取得しました (英国特許番号 1633)。^[24]この機関車が実際に製造されたという証拠はありませんが、設計には、コンプレッサー、燃焼室、タービン、空気予熱器など、20 世紀に製造されたガスタービン機関車の基本的な機能が含まれています。1952 年に、ルノーは、タービンに一体化された同軸多段コンプレッサーではなく、ペスカーラの「フリータービン」ガスおよび圧縮空気生成システムを備えた、4 軸 1,150 馬力のガスタービン機械式機関車のプロトタイプを納入しました。このモデルの後継として、1959年に2基のタービンとペスカーラ給電装置を備えた6軸2,400馬力の機関車が2台登場した。ソ連ではハリコフ機関車工場で同様の機関車が数台製造された。^[25]

ガスタービン電気機関車は、ガスタービンを使用して発電機またはオルタネーターを駆動し、発生した電流が車輪を駆動するトラクションモーターに電力を供給します。1939年にスイス連邦鉄道はブラウン ボベリ社に最大エンジン出力1,620kW (2,170馬力)のGTELであるAm 4/6を発注しました。1941年に完成し、その後、定期運行に入る前に試験が行われました。Am 4/6は最初のガスタービン電気機関車でした。British Rail 18000はブラウン ボベリ社によって製造され、1949年に納入されました。British Rail 18100はメトロポリタン ビッカース社によって製造され、1951年に納入されました。3台目の機関車であるBritish Rail GT3は、1961年に製造されました。ユニオン パシフィック鉄道は、 1950年代からタービン動力の貨物機関車の大規模な艦隊を運行していました。^[26]これらは長距離路線で広く使用され、石油産業の「残り物」燃料を使用するため燃費が悪かったにもかかわらず、費用対効果が高かった。鉄道会社は、最盛期にはユニオンパシフィックの貨物列車の約10％を動力源としていたと推定しており、このクラスの他の例よりもはるかに広く使用されていた。

ガスタービンはピストンエンジンに比べていくつかの利点がある。可動部品が少ないため、潤滑の必要性が減り、メンテナンスコストが削減される可能性があり、パワーウェイトレシオがはるかに高い。また、所定の出力のタービンは、同等のパワーを持つピストンエンジンよりも物理的に小さいため、機関車は過度に大きくならずに非常に強力になる。しかし、タービンの出力と効率はどちらも回転速度とともに劇的に低下する。これは、比較的平坦なパワーカーブを持つピストンエンジンと異なる。このため、GTELシステムは主に長距離の高速走行に役立つ。ガスタービン電気機関車のその他の問題として、非常に騒音が大きいことが挙げられる。 ^[27]

主にフランスとイタリアの機関車の中には、ウッドガス発電機で走行するものもあった。^{[28] [自費出版ソース] [29] [ユーザー生成ソース]}

• Churella, Albert J. (1998)。『蒸気機関車からディーゼル機関車へ：20世紀アメリカ機関車産業における経営慣習と組織能力』プリンストン：プリンストン大学出版局。ISBN 978-0-691-02776-0。
• ピンケパンク、ジェリー A. (1973)。『第 2 版ディーゼル スポッターズ ガイド』。ミルウォーキー WI: カルムバッハ ブックス。ISBN 978-0-89024-026-7。