機関車

機関車は、列車に動力を供給する鉄道輸送車両です。機関車が積載物を運ぶことができる場合、通常はマルチプルユニット、モーターコーチ、鉄道車両、またはパワーカーと呼ばれます。これらの自走式車両の使用は、旅客列車ではますます一般的になっていますが、貨物列車ではほとんどありません。

従来、機関車は先頭から列車を牽引していました。しかし、プッシュプル方式が一般的になり、列車の先頭、最後尾、または両端に機関車 (または複数の機関車) を配置するようになりました。最近では、鉄道会社は DPU (分散型電源) を採用し始めています。先頭には 1 台または 2 台の機関車を配置し、その後ろには先頭ユニットから遠隔制御される列車の中間に機関車を配置します。

機関車という言葉は、ラテン語の loco（場所から）（locus（場所）の奪格）と中世ラテン語のmotivus （動きを引き起こす）に由来し、機関車エンジン^[1]の短縮形であり、1814年に初めて使用されました^[2] 。これは、自走式蒸気エンジンと固定式蒸気エンジンを区別するためでした。

機関車が登場する以前は、鉄道の動力は、人力、馬力、重力、ケーブル システムを動かす固定エンジンなど、さまざまな低技術の方法によって生成されていました。現在でも、このようなシステムはほとんど残っていません。機関車は燃料 (木材、石炭、石油、天然ガス) から動力を生成する場合もあれば、外部の電源から 電力を得る場合もあります。機関車をエネルギー源によって分類するのは一般的です。一般的な分類には次のものがあります。

蒸気機関車は、蒸気エンジンを主な動力源とする機関車です。最も一般的な形式の蒸気機関車には、エンジンが使用する蒸気を生成するためのボイラーも含まれています。ボイラー内の水は、可燃性物質 (通常は石炭、木材、または石油) を燃やして加熱され、蒸気を生成します。蒸気は、機関車の主輪 (「動輪」と呼ばれる) に接続された往復ピストンを動かします。燃料と水の供給は、機関車自体の燃料庫とタンク(この配置は「タンク機関車」と呼ばれます) または機関車の後ろの炭水車(この配置は「炭水車」と呼ばれます)で牽引されて、機関車とともに運ばれます。

最初の本格的な鉄道用蒸気機関車は、1802年にリチャード・トレビシックによって製造された。この機関車はイングランドのシュロップシャーにあるコールブルックデール製鉄所向けに製造されたが、そこで稼働した記録は残っていない。^{[3] 1804年2月21日、別のトレビシックの機関車が}マーサー・ティドビルのペニダレン製鉄所から南ウェールズのアバーカノンまで列車を牽引し、記録に残る最初の蒸気機関車による鉄道の旅が行われた。 ^{[4] [5]}アンドリュー・ビビアンの同乗により、この機関車は成功と失敗が入り混じった。^[6]この設計には、高圧蒸気の使用を含むいくつかの重要な革新が取り入れられており、これにより機関車の重量が軽減され効率が向上した。

1812年、マシュー・マレーのツインシリンダー・ラック式機関車 サラマンカが、エッジレールの ラック・アンド・ピニオン 式ミドルトン鉄道で初めて走りました。^[7]これは一般に最初の商業的に成功した機関車と見なされています。^{[8] [9]}もう一つのよく知られた初期の機関車は、ニューカッスル・アポン・タイン近郊のワイラム炭鉱向けに技師ウィリアム・ヘドリーが1813年から1814年にかけて製造したパッフィング・ビリーです。この機関車は現存する最古の機関車であり、ロンドンのサイエンス・ミュージアムに静態展示されています。ジョージ・スチーブンソンは、イングランド北東部のストックトン・アンド・ダーリントン鉄道向けにロコモーション1号を製造しました。これは世界初の公営蒸気鉄道でした。1829年、息子のロバートはニューカッスル・アポン・タインでロケットを製造しました。ロケットはレインヒル・トライアルに出場し、優勝しました。この成功により、同社は英国、米国、そしてヨーロッパの多くの地域で鉄道で使用される蒸気機関車の初期の主要な製造業者として浮上しました。^[10]スティーブンソンによって建設されたリバプール・アンド・マンチェスター鉄道は、1年後に旅客列車と貨物列車に蒸気動力のみを使用して開通しました。

蒸気機関車は、第二次世界大戦後まで圧倒的に最も一般的な機関車の種類であり続けました。^[11]蒸気機関車は現代のディーゼル機関車や電気機関車に比べて効率が悪く、運転と整備にかなり多くの労働力が必要です。^[12] イギリス国鉄の統計によると、蒸気機関車の乗務員と燃料補給のコストは、同等のディーゼル機関車を維持するコストの約2.5倍であり、1日の走行距離はディーゼル機関車よりも短いことがわかりました。^[要出典] 1950年から1970年の間に、蒸気機関車の大部分が商用サービスから引退し、電気機関車とディーゼル電気機関車に置き換えられました。^{[13] [14]}北米では1950年代に、ヨーロッパ大陸では1970年代までに蒸気から移行しましたが、世界の他の地域では移行はもっと遅く起こりました。蒸気は、広く入手可能な燃料を使用する、よく知られた技術であり、低賃金経済ではそれほど大きなコスト差は生じませんでした。蒸気は、20 世紀末まで多くの国で使用され続けました。20 世紀末までに、世界中で定期的に使用されていた蒸気動力は、ほとんど歴史ある鉄道のみとなりました。

内燃機関車は、トランスミッションによって駆動輪に接続された内燃エンジンを使用します。通常、機関車が停止しているか動いているかに関係なく、エンジンはほぼ一定の速度で回転し続けます。内燃機関車は、燃料の種類によって分類され、トランスミッションの種類によってサブカテゴリに分類されます。

最初の内燃機関鉄道車両は、 1887年にゴットリープ・ダイムラーが製造した灯油を動力とする機関車であったが、^[15]これは積荷を積んでいたため、技術的には機関車ではなかった。

アメリカ西部で最初のガソリン機関車は、1891年にベスト・マニュファクチャリング・カンパニーがサンノゼ・アンド・アラムロック鉄道向けに製造した。この機関車は限定的な成功を収めたのみで、1892年にベスト社に返却された。^[16]

英国で最初に商業的に成功したガソリン機関車は、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でした。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馬力の機関車でした。

ディーゼル機関車はディーゼルエンジンで駆動される。ディーゼル推進開発の初期には、様々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あったが、電気トランスミッションが最も普及していた。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）。^[17] 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機関車制御のプロトタイプとなった。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機関車を製造した。^[18] 1924年、ディーゼル電気機関車（E ^el 2、オリジナル番号Юэ 001 / Yu-e 001）が運行を開始した。この機関車はユーリ・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エスリンゲン機械工場で製造された。5つの動軸（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、列車を牽引した。^[19]

電気機関車は、電気のみで駆動する機関車です。走行中の列車への電力供給は、線路に沿って走る（ほぼ）連続した導体によって行われます。この導体は、通常、線路沿いの柱や塔、または建物やトンネルの天井から吊り下げられた架空線、線路レベルに取り付けられた第 3 軌条、または車載バッテリーの3 つの形式のいずれかになります。架空線システムと第 3 軌条システムはどちらも、走行レールを戻り導体として使用しますが、一部のシステムでは、この目的で別の第 4 軌条を使用します。使用される電力の種類は、直流(DC) または交流(AC) のいずれかです。

集電方式にはさまざまなものがあり、トロリーポール（車輪またはシューで線路にかみ合う長くて柔軟なポール）、ボウコレクター（長い集電棒を線路に押し付けるフレーム）、パンタグラフ（集電シューを線路に固定された形状で押し付けるヒンジ付きフレーム）、コンタクトシュー（第 3 レールに接触するシュー）などがあります。3 つのうち、パンタグラフ方式は高速運転に最適です。

電気機関車は、ほぼ例外なく車軸吊り式のトラクションモーターを採用しており、動力車軸ごとにモーターが 1 つずつあります。この配置では、モーターハウジングの片側は、車軸に一体化した研磨済みのジャーナルに乗るすべり軸受で支えられています。ハウジングのもう片側には舌状の突起があり、台車ボルスターの対応するスロットとかみ合っています。その目的は、トルク反応装置として機能することと、サポートとして機能することです。モーターから車軸への動力伝達は、モーターシャフトのピニオンが車軸のブルギアとかみ合う平歯車によって行われます。両方のギアは、潤滑油が入った液密ハウジングに収められています。機関車が使用されるサービスの種類によって、採用されるギア比が決まります。数値的に高い比率は貨物ユニットでよく見られ、数値的に低い比率は旅客用エンジンで一般的です。

電気は通常、大規模で比較的効率的な発電所で発電され、鉄道網に送電され、列車に配給されます。一部の電気鉄道は専用の発電所と送電線を持っていますが、ほとんどの鉄道は電力会社から電力を購入しています。鉄道は通常、独自の配電線、スイッチ、変圧器を提供します。

電気機関車は通常ディーゼル機関車よりも20％安く、メンテナンスコストは25～35％低く、運転コストは最大50％安くなります。^[20]

最も初期のシステムは直流システムであった。最初の電気旅客列車は、 1879年にベルリンでヴェルナー・フォン・シーメンスによって発表された。機関車は2.2kWの直巻モーターで駆動され、機関車と3両の車両で構成される列車は時速13kmに達した。4か月間、列車は長さ300メートル（984フィート）の円形の線路で9万人の乗客を運んだ。電気（150V直流）は、線路間の第3の絶縁レールを通じて供給された。電気を集めるために接触ローラーが使用された。世界初の電気路面電車の路線は、1881年にドイツのベルリン近郊のリヒターフェルデで開業した。これはヴェルナー・フォン・シーメンスによって建設された（グロース・リヒターフェルデ路面電車およびベルリン・シュトラーセンバーンを参照）。フォルクス電気鉄道は1883年にブライトンで開業し、現存する最古の電気鉄道である。 1883年にはオーストリアのウィーン近郊でメードリング・ヒンターブリュール路面電車が開通した。これは架空線で電力を供給される世界初の定期運行列車であった。5年後の1888年、米国ではフランク・J・スプレイグが設計した設備を使用し、リッチモンド・ユニオン旅客鉄道で初めて電気路面電車が導入された。^[21]

最初の電気で動く地下鉄路線は、蒸気動力の使用を禁止する法律の条項によって促進されたシティ・アンド・サウス・ロンドン鉄道でした。 ^{[22]この鉄道は1890年に}マザー・アンド・プラット社製の電気機関車を使用して開業しました。 1897年に スプレイグが多重ユニット列車制御を発明したことにより、電気はすぐに地下鉄の電力供給源として選ばれるようになりました。

幹線での電化が初めて実施されたのは、1895年にボルチモア・アンド・オハイオ鉄道（B&O）のボルチモア・ベルト線の4マイル区間で、ボルチモアのダウンタウンの端を巡る一連のトンネルを通ってB&Oの主要部分とニューヨークへの新線が接続された。当初は電化区間の南端で3台のBo+Boユニットが使用され、機関車と列車を連結してトンネルを通り抜けた。^[23]

初期のシステムでは DC が使用されていました。これらのシステムは徐々に AC に置き換えられました。現在、ほぼすべての幹線鉄道は AC システムを使用しています。DC システムは、電力要件が少ない地下鉄、ライトレール、路面電車などの都市交通に限定されています。

最初の実用的な交流電気機関車は、当時チューリッヒのエリコン社に勤務していたチャールズ・ブラウンによって設計された。1891年、ブラウンは三相交流を使用して、ラウフェン・アム・ネッカーの水力発電所とフランクフルト・アム・マイン西の間、280kmの長距離送電を実証した。ブラウンは、ジャン・ハイルマンのもとで蒸気電気機関車の設計に携わっていたときに得た経験から、三相モーターは直流モーターよりも重量出力比が高く、整流子がないため製造と保守が簡単であることに気付いた。^[a]しかし、当時の直流モーターよりもはるかに大きく、床下台車に搭載することができず、機関車内にしか搭載できなかった。^[25]

1894年、ハンガリーの技術者カルマン・カンドーは、電気機関車用の新しいタイプの3相非同期電動駆動モーターと発電機を開発した。カンドーの1894年初頭の設計は、1896年から1898年にかけて建設されたフランスのエヴィアン・レ・バンの短い3相交流路面電車に初めて適用された。^{[26] [27] [28] [29] [30]} 1918年、^{[31]カンドーは}回転位相変換器を発明・開発し、高電圧全国ネットワークの単純な産業用周波数（50Hz）単相交流を運ぶ単一の架空線を介して電力を供給しながら、電気機関車が3相モーターを使用できるようにした。^[32]

1896 年、エリコンはルガーノ路面電車にこのシステムの最初の商用例を設置しました。各 30 トンの機関車には 2 台の 110 kW (150 hp) モーターが搭載され、二重の架空線から供給される 750 V 40 Hz の三相電源で稼働していました。三相モーターは一定速度で稼働し、回生ブレーキを提供するため、急勾配の路線に適しており、最初の幹線用三相機関車は 1899 年にブラウン社 (当時はウォルター ボヴェリ社と提携) によってスイスの 40 km のブルクドルフ - トゥーン線に納入されました。機関車用の産業用周波数単相交流電源の最初の実装は、1901 年にハンス ベーン エッシェンブルクとエミール フーバー シュトッカーの設計を使用してエリコン社によって行われました。スイス連邦鉄道のゼーバッハ-ヴェッティンゲン線への設置は1904年に完了した。15kV、50Hz、345kW（460馬力）、48トンの機関車は、変圧器と回転変換器を使用して直流牽引モーターに電力を供給した。^[33]

イタリアの鉄道は、短い区間だけではなく幹線全体に電気牽引を導入した世界初の鉄道であった。106 km のヴァルテッリーナ線は、カンドーとガンツ工場のチームによって設計され、1902 年 9 月 4 日に開通した。^{[34] [32]}電気システムは 3 kV 15 Hz の三相であった。電圧は以前に使用されていたものより大幅に高く、電動モーターとスイッチング デバイスの新しい設計が必要であった。^{[35] [36]}三相 2 線システムは北イタリアのいくつかの鉄道で使用され、「イタリア システム」として知られるようになった。カンドーは 1905 年にソシエタ イタリアーナ ウェスティングハウスの経営を引き受けるよう招かれ、いくつかのイタリアの電気機関車の開発を主導した。^[35]

バッテリー電気機関車（またはバッテリー機関車）は、車載バッテリーで駆動する電気機関車であり、バッテリー電気自動車の一種です。

このような機関車は、従来のディーゼル機関車や電気機関車が適さない場所で使用される。一例としては、電力供給が停止している電化線路上の保守列車が挙げられる。また、燃焼機関車（蒸気機関車やディーゼル機関車）が閉鎖空間での火災、爆発、または煙の危険により安全上の問題を引き起こす可能性がある産業施設で使用される。鉱山では、トロリー駆動ユニットが集電シューでアークを発生してガスが引火する恐れがある場合や、特にレールの継ぎ目部分で供給回路または戻り回路に電気抵抗が生じて危険な電流が地面に漏れる恐れがある場合に、バッテリー機関車が好まれる。^[37]長距離輸送に使用されるバッテリー機関車は、制動エネルギーを吸収しながら充電することができる。^[38]

最初の電気機関車は1837年にアバディーンの化学者ロバート・デイビッドソンによって製造され、ガルバニ電池（バッテリー）で駆動された。デイビッドソンは後にガルバニという名のより大きな機関車を製造し、 1841年に王立スコットランド芸術協会博覧会に出展した。7トンの車両には2つの直接駆動リラクタンスモーターがあり、各車軸の木製シリンダーに取り付けられた鉄の棒に作用する固定電磁石と簡単な整流子があった。6トンの荷物を時速4マイル（時速6キロメートル）で1.5マイル（2.4キロメートル）の距離を牽引した。翌年9月にエディンバラ・グラスゴー鉄道で試験されたが、バッテリーからの限られた電力のために一般には使用されなかった。 ^{[39] [40] [41]}

もう一つの例は、アラスカ州ラトゥーシュのケネコット銅鉱山で、1917年に地下の運搬路が拡張され、4馬力のバッテリー機関車2台で作業できるようになりました。+1⁄2トン。 ^{[42] 1928年、ケネコット・カッパー}社は、車載バッテリーを搭載した700シリーズ電気機関車を4台発注した。これらの機関車の重量は85トンで、750ボルトの架空トロリー線で稼働し、バッテリー駆動時は相当長い距離を走行できた。 [ ^{43]機関車は、}ニッケル鉄電池（エジソン）技術を使用して数十年にわたって運行された。バッテリーは鉛蓄電池に置き換えられ、機関車はその後まもなく引退した。4台すべてが博物館に寄贈されたが、1台は廃棄された。他の機関車は、アイオワ州のブーン・アンド・シーニック・バレー鉄道とカリフォルニア州リオビスタのウェスタン鉄道博物館で見ることができる。トロント交通委員会は、 1968年に日本車輛が製造し、2009年に引退したバッテリー電気機関車を運行していた。 ^[44]

ロンドン地下鉄では、一般的なメンテナンス作業のために 定期的にバッテリー電気機関車を運行しています。

1950年代初頭、ユタ大学のライル・ボーストは米国の鉄道会社や鉄道メーカーから資金提供を受け、搭載された原子炉で蒸気を作り、電気を生み出す電気駆動の機関車の実現可能性を研究した。当時、原子力は十分に理解されておらず、ボーストはウランの価格が最大の障害であると信じていた。ボーストの原子力機関車では、事故の際に放射能が漏れるのを防ぐために、中央部に200トンの原子炉室と5フィートの厚さの鋼鉄の壁が設けられる予定だった。彼は、7000馬力のエンジンを搭載した原子力機関車の製造コストを1台あたり約120万ドルと見積もった。^[45]その結果、原子力発電機を搭載した列車は、法外なコストのため一般的に実現不可能とみなされた。

2002年、ケベック州ヴァルドールで、3.6トン、17kWの水素（燃料電池）動力の鉱山用機関車が初めて実演されました。2007年には、台湾の高雄で教育用ミニハイドロレールが運行を開始しました。Railpower GG20Bは、燃料電池電気機関車のもう1つの例です。

2 種類以上の動力を使用するハイブリッドまたはデュアルモード機関車には、さまざまな種類があります。最も一般的なハイブリッドは、電源または搭載されたディーゼル エンジンで駆動する電気ディーゼル機関車です。これらは、部分的にしか電化されていない路線を連続的に走行するために使用されます。例としては、EMD FL9やボンバルディア ALP-45DPなどがあります。

鉄道輸送業務における機関車の主な用途は、旅客列車、貨物列車の牽引、および入換（英国英語：入換） の 3 つです。

貨物機関車は通常、始動時の牽引力が高く、持続的な動力も高いよう設計されています。これにより、長く重い列車を始動させて動かすことができますが、通常は最高速度が比較的低くなります。旅客機関車は通常、始動時の牽引力は低くなりますが、旅客スケジュールを維持するために必要な高速で運転することができます。旅客列車と貨物列車の両方を対象とする混合交通機関車 (米国英語: 汎用機関車またはロードスイッチャー機関車) は、始動時の牽引力は貨物機関車ほど高くありませんが、旅客機関車よりも重い列車を牽引することができます。

ほとんどの蒸気機関車は往復エンジンを搭載しており、ピストンはコネクティング ロッドを介して駆動輪に連結されており、ギアボックスは介在していません。つまり、始動時の牽引力と最高速度の組み合わせは、駆動輪の直径に大きく左右されます。貨物輸送用の蒸気機関車は、一般に旅客用機関車よりも駆動輪の直径が小さくなっています。

ディーゼル電気機関車と電気機関車では、牽引モーターと車軸間の制御システムが、貨物または旅客サービスのためにレールへの電力出力を調整します。旅客機関車には、ヘッドエンド電源（ホテル電源または電車電源とも呼ばれる）や蒸気発生器などの他の機能が含まれる場合があります。

一部の機関車は、急勾配の鉄道での使用に特化して設計されており、広範囲にわたる追加のブレーキ機構と、場合によってはラック・アンド・ピニオンを備えています。急勾配のラック・アンド・ピニオン鉄道用に製造された蒸気機関車は、ボイラーが機関車のフレームに対して傾いていることが多く、そのため、急勾配でもボイラーはほぼ水平に保たれます。

一部の高速列車では機関車も使用されています。一部の高速列車はプッシュプル編成で運行され、列車のもう一方の端にはトレーラー制御車が付いており、トレーラー制御車のキャビンは機関車のキャビンと同じデザインになっていることがよくあります。従来の機関車を使用したこのような列車の例としては、レールジェットやインターシティ 225があります。

また、すべてのTGV、多くのTalgo (250 / 350 / Avril / XXI)、一部のKorea Train Express、ICE 1 / ICE 2、Intercity 125などの多くの高速列車は、専用の動力車を使用しています。これらの動力車には乗客用の場所がなく、技術的には特殊な片側のみの機関車です。従来の機関車との違いは、これらの動力車が列車の不可欠な部分であり、他の種類の客車と一緒に運行するようには適合されていないことです。一方、新幹線ネットワークなどの多くの高速列車では、機関車が使用されません。機関車のような動力車の代わりに、電動ユニット(EMU) またはディーゼルユニット (DMU) を使用します。これらは、牽引モーターと動力機器も備えた客車です。機関車のような専用の動力車を使用することで、乗り心地が向上し、電気機器が少なくなります。^[46] しかし、EMUは車軸重量が軽いためメンテナンスコストが削減され、EMUは加速性が高く、座席数も大きい。^{[46]また、} TGV PSE、TGV TMST、TGV V150 などの一部の列車では、非旅客用動力車と追加の旅客用モーター車の両方が使用されています。

機関車は、次のような特定の役割で動作することがあります。

• 列車エンジンは、列車を牽引するために鉄道列車の前部に取り付けられた機関車の専門用語です。または、プッシュプル操作の設備がある場合は、列車エンジンが列車の後部に取り付けられることもあります。
• パイロット機関車-複線化を可能にするために機関車の前に取り付けられた機関車。
• バンキング機関車- 発進が困難な場合や急な上り坂の場合に、機関車が一時的に後方から列車を支援すること。
• ライト エンジン- 移転または運用上の理由により、後ろに列車を接続せずに運転される機関車。ライト エンジン自体が列車と呼ばれることもあります。
• 駅操縦装置-鉄道駅で旅客列車を入換させるために使用される機関車。

機関車の車輪配置は、車輪の数を表します。一般的な方法には、AAR 車輪配置、UIC 分類、およびWhyte 表記システムがあります。

20 世紀後半には、遠隔操作機関車が、機関車運転室の外にいるオペレーターによって遠隔操作されるようになり、スイッチング操作に利用されるようになりました。主な利点は、1 人のオペレーターが穀物、石炭、砂利などの車両への積み込みを制御できることです。さらに、同じオペレーターが必要に応じて列車を移動できます。これにより、機関車の積み込みや積み下ろしにかかる時間が 3 分の 1 程度に短縮されます。^{[引用が必要]}

ウィキメディア・コモンズの機関車関連メディア

• 1891年のエンジニア向けガイド 2021年6月2日にWayback Machineでアーカイブ
• 日付順に並べられたいくつかの国の機関車の断面図と歴史的な機関車
• Pickzone 機関車モデル^{[永久リンク切れ‍ ]}
• 国際蒸気機関車
• 機関車を固定エンジンに変える、ポピュラーサイエンス月刊誌、1919年2月、72ページ、Googleブックスでスキャン：ポピュラーサイエンス