蒸気モーター

蒸気モーターは、鉄道で使用される軽量の機関車や軽量の自走式モーターカーに使用される蒸気エンジンの一種です。 ^[1]鉄道用蒸気モーターカーの起源は、少なくとも1850年代、あるいはそれ以前にまで遡り、鉄道や予算が限られた鉄道会社のための実験的な経済化として始まりました。これらの最初の例は、少なくとも北米では、軽量の往復エンジンと、直結またはギア付きドライブ、またはギア付きエンドレスチェーンドライブを備えていたようです。ほとんどは、エンジンとボイラーに（通常は固定された状態で）接続された客車を組み込んでいました。これらの初期の例ではボイラーの種類が異なり、最初の10年間は​​垂直ボイラーが主流でしたが（スペースを節約するため）、その後、直径が非常に小さい水平ボイラーが使用されました。蒸気モーターカーの他の例では、急行手荷物または荷物用の車体が組み込まれ、蒸気モーターカーが軽量の客車を牽引できるように連結装置が設けられていました。

オールインワン（客車、荷物、郵便物、速達品のコンパートメント）の初期の実例は、南北戦争中にテネシー州のナッシュビル・チャタヌーガ・アンド・セントルイス鉄道で作業中に写真に撮られました（1863～64年頃）。^[2]アメリカの会社、グライス・アンド・ロングは、独自の機械的特許を使用して、1860年代半ばに郊外および市内の路面電車で使用するためにさまざまなバージョンを考案しました。^{[3] 1930年代には、高度に進化した蒸気モーターが、}蒸気機関車の最終的な開発の1つとなりました。内燃機関または電気モーターの鉄道モーターカーの同時開発は、1900～1950年代頃に最も人気があり、蒸気自動車の必要性を排除しました。

すべての蒸気モーターカーは、経済的な動力装置と蒸気源に依存していたようです。メンテナンスの容易さも、初期の製造コストと同じくらい重要な考慮事項だったようです。最新バージョンの蒸気モーターの原理は、高速蒸気エンジンの開発を利用し、それを軽量の機関車に適用することです。駆動輪の速度で動く2つのシリンダーしかない従来の大型機関車ではなく^、蒸気モーターは、高速で走行するようにギアが付けられたいくつかの小さなシリンダーを使用します。他のすべての要素が同じままであれば、ピストンエンジンの速度を2倍にすると、その出力も2倍になります。蒸気モーターにより、小型で軽量のエンジンを使用することができました。エンジンの性能損失の多くは一定のままであるか、エンジンのサイズにも関連しているため、これらの小型エンジンは全体的に効率も向上する可能性があります。

すべての蒸気モーターには次のような特徴がありました。

小型

後期型のモーターは、メーカーの製品ラインに応じた標準サイズでした。より大きな出力が必要な場合は、車軸または台車ごとに 1 つずつ、複数のモーターが使用されました。

密閉型クランクシャフト潤滑

最も近代的な形式の蒸気モーターでは、クランクシャフトと、多くの場合はバルブ ギアが、オイル サンプを備えたクランクケース内に収められていました。これにより、潤滑油が十分に供給され、汚れも排除されました。19 世紀半ばなどのかなり初期の例では、小さなドリップ カップから手動で潤滑油を供給するあらゆる種類のメカニズムが採用されていました。

ギアドライブ

これによりクランクシャフトの回転速度が速くなり、効率が向上します。^[1]すべてのギア付き蒸気機関車がこれを利用したわけではありませんが、特にシェイやクライマックスなどの米国の設計では、これは最も近代的な蒸気モーターのコンセプトの重要な部分でした。

初期のセンチネル特許機関車の最終駆動はチェーンでした。後の設計、特にアブナー・ドーブルの設計では、平歯車が好まれました。歯車駆動では、蒸気モーターを車軸の横の低い位置に取り付ける必要がありました。北米で使用された初期の蒸気モーター車のいくつかには歯車駆動が見られましたが、コネクティングロッドでつながれた単一の動力車軸または二重の動力車軸を備えた、より従来型の往復駆動がかなり一般的でした。これらのほとんどは、従来のスティーブンソン式バルブギアを使用していました。

世界中で使用されているほとんどの蒸気自動車では、燃料と水の消費量の節約も重要な考慮事項でした。全体的な運転コストの削減は、購入者にとって非常に重要でした。燃料は石炭で、場合によってはさまざまな種類の石油も使用されました。

先進的なバルブギア

後期に製造された蒸気モーターには、カムシャフトで駆動するポペットバルブが取り付けられているのが一般的でした。センチネル社が製造した蒸気モーターでは、モーターは既に先進的だった蒸気貨車設計から派生したものでした。

小型駆動輪

従来の蒸気機関車では、「ギア比」は駆動輪のサイズによって設定されます。ギア駆動を使用する蒸気モーターでは、車輪のサイズを小さくすることができます。これにより、特に大きな車輪のバネ下重量が軽減され、シャーシがより軽量でコンパクトになります。また、車輪が小さいため、大きな車輪を機関車と同じサイズにするのではなく、モーターを客車内の台車に取り付けて鉄道車両を形成することもできます。

これらの機能には次のような利点があります:

より高い効率

これは主に、現代のエンジンの高速性と減速ギアによるものですが、その他の高度な設計機能も理由の 1 つです。

サービスの削減

オイルバス潤滑を使用すると、毎日の給油に費やす時間が短縮されます。

メンテナンスの削減

オイルバス潤滑を使用すると摩耗率が下がり、定期的なメンテナンスの必要性が減ります。これは主に、汚れが入らないことと、たっぷりと信頼できる潤滑によるものです。ブレイドのチェーン駆動バルブギアなど、蒸気機関車の他のオイルバスシステムは信頼性の点で評判が悪かったのですが、これは主に、このような大きな容器を密閉するのが難しかったためです。蒸気モーターの場合、モーターの比較的小さなクランクケースだけが密閉された箱でした。

メンテナンスが簡単

メンテナンスが必要な場合、より小さな部品が使われます。これらは作業が簡単で、特別な持ち上げ装置をあまり必要としません。モーターは、メンテナンスのために車庫内またはメーカーに返却することで、1 つの部品として簡単に取り外すことができます。これにより、モーター ユニットを交換することで、車両をより迅速にサービスに戻すことができます。

製造コストが低い

多くの機関車の設計は標準化されたモーター設計に基づいて構築されるため、部品はより大量に製造されます。蒸気モーターの製造に必要な機械も小型であるため、それほど特殊ではなく、安価です。

ハンマー打撃の軽減

ギアードモーターのよりスムーズな駆動と複数のシリンダーにより、個々のシリンダーストロークの動的影響が低減されました。^[1]

アーティキュレーション

複数のモーターを搭載することで、駆動輪すべてを 1 つの大きなフレームで支える必要がなくなりました。これは、柔軟なシャーシに強力な機関車が搭載されたコロンビアの機関車にとって魅力的な特徴でした。

駆動輪は小さく連結されていたため、別個の支持車軸は不要でした。すべての車輪に動力を与えることができたため、機関車の全重量を接着に使うことができました。

1901年から1908年にかけて、ブダペストのガンツ工場とパリのデ・ディオン・ブートンは、ハンガリー国鉄向けに、デ・ディオン・ブートン製ボイラー、ガンツ製蒸気機関車と機器、ジェールのラバ・ハンガリー貨車・機械工場で製造されたラバ客車を備えたユニットとともに、多数の車両を共同で製造した。1908年、カルパティア・ルーシ（現在のウクライナ）の狭軌鉄道であるボルジャヴォルジ・ガズダスアギ・ヴァスート（BGV）は、ガンツから5両の車両と、ハンガリー王立国鉄機械工場からデ・ディオン・ブートン製ボイラーを備えた4両の車両を購入した。ガンツ社は、蒸気機関車鉄道車両を英国、イタリア、カナダ、日本、ロシア、ブルガリアに輸出し始めた。^{[4] [5] [6]}

蒸気モーターの原理を実証した最初の多気筒機関車は、1907年のミッドランド鉄道のパジェット機関車でした。 ^{[7]これは、}ハンマーブローの問題を回避するためにバランスのとれた機関車を製造しようとする多くの試みのうちの1つでした。^[8]また、単動シリンダーを使用するという当時の先進的な固定エンジンの慣行に従いました。この機関車は、当時の蒸気エンジン設計の頂点を極めたウィランズエンジンの設計に触発された、または実際に使用しているなど、さまざまな説明がなされてきました。実際、機関車に使用されたロータリーバルブは、両方とも単動トランクピストンを使用していたにもかかわらず、ウィランズの特徴的な中央バルブスピンドルとはまったく異なっていました。8つのシリンダーが使用され、2つが3つの駆動車軸の前車軸を駆動し、4つが中央車軸、2つが後車軸を駆動しました。3つの車軸はすべて外部の連結ロッドによって連結されていました。中央の車軸は、スティーブンソンの伝統的な慣例に従ってはいるものの、4 スローの内部クランク車軸として複雑に鍛造されていました。シリンダー用の追加スペースを確保するため、機関車は外側にフレームが取り付けられていました。

Paget と蒸気モーター機関車の大きな違いは、Paget のバルブギアが中央で駆動され、各シリンダーのバルブが単一のジャックシャフトからのギア付きシャフトによって駆動され、ジャックシャフトが連結ロッドによって駆動される点です。

この機関車は振動やハンマーによる打撃を避けるという目標を達成し、斬新なボイラーと耐火レンガの火室もシンプルで信頼性があったが、全体的には成功とは考えられなかった。回転式バルブ装置は従来の設計よりも駆動に多くの電力を消費し、熱膨張の問題を抱えていた。バルブ装置の機械的な故障により本線が固まって数時間にわたって遮断されたため、機関車は撤退し、後に廃車となった。

完全な蒸気機関車のコンセプトに基づいて設計された最初の機関車は、センチネル社によるものでした。1922年に、センチネル社をベースとした2つの別々の蒸気機関車プロジェクトが提案されました。最初のものは、1922年5月に、センチネル社自身の蒸気貨車ボイラーとエンジンをベースにした軽量蒸気鉄道機関車のコンセプトでした。^[9]このパターンの鉄道機関車は製造されませんでしたが、後にインドへの輸出用に同様の「鉄道貨物車」が2台製造されました。^[10]

同年、カイル・ウィランズ^{[ii] [11]}は、老朽化し​​た従来型機関車、マニング・ウォードルのアンコーツを、センチネル蒸気貨車のボイラーとエンジンを機関車のフレームに取り付け、ローラーチェーンドライブで接続して改造することを提案した。^{[12]これはセンチネルが製造した最初の蒸気機関車であり、鉄道用蒸気モーターの最初の例であった。センチネルは}ギア駆動の機関車で知られるようになったが、古い連結棒機関車を改造した他の例も引き続き製造された。^{[13] 2つの例が、放置された状態ではあるものの、}コールブルックデール鉄博物館に残っている。

センチネルの最初の新構造の機関車である第5156号は、1923年7月に製造されました。^{[14]レールモーターの設計と同様に、これは}スーパーセンチネル貨車の新開発エンジンを使用し、フレームの間に水平に配置されました。^{[15]これは}750 mm（2フィート 5インチ）でした。+1 ⁄ 2 インチセンチネルの前例を確立しました。使用されたボイラーも、スパイラル火室。

量産型のセンチネルは、エンジンを垂直に搭載することで、よりアクセスしやすいレイアウトを実現した。小型の「バランスド・エンジン」設計^[iii]では、ボイラーとエンジンがフレームの両端にあり、水タンクの上に低い車体、一段高いキャブ、エンジンの上に小さな円筒形のケースがあった。 ^{[iv] [16]}より一般的なタイプは、後の「セントラル・エンジン」^[17]で、エンジンを大きな箱型のキャブの中央に配置した。^{[18] [19]}これらの CE エンジンは、後にボイラーをわずかに拡大し、ボイラー圧力を 275 psi に上げることで出力が向上した。これにより、出力は BE 機関車の元の 80 bhp から 100 bhp に増加した。^[18]これらの機関車はすべて0-4-0T の車輪配置で、両方の車軸が同じエンジンのチェーンで駆動されていた。^[20]これらは200馬力の「ダブルエンジン」機関車でした。ボイラーはさらに拡大され、各エンジンの送風管用に1つずつ、合計2つの煙突が取り付けられていました。^[21]

最終減速機のギア比は市場や機関車に求められる仕事量によって異なり、6:1から1:1の間で変化した。^[22]同じサイズのエンジンを使用したオリジナルの蒸気貨車は、約15トンの荷物を運ぶことができた。鉄道機関車は123,000 lbfの牽引力を達成し、650トンの荷物をゆっくりとした入換作業で牽引することができた。典型的な入換荷重は、平坦な操車場で時速5マイルで約350トンで、典型的な貨物列車の重量であった。^[22]

1925 年までに、エンジンの垂直配置は、蒸気ポートとメンテナンスのためのアクセスを改善するために利用されました。スーパーセンチネルエンジンは、吸気と排気の 2 つのカムシャフトを使用していました。これらは、クランクケース内のクランクシャフトの近くに配置され、長いプッシュロッドを介してポペットバルブを操作します。元のワゴンエンジンでは、4 つのバルブすべてがクランクシャフトからシリンダーの遠い端に取り付けられていたため、シリンダーの反対側の端に長く狭いポートが必要でした。機関車では、アクセスしやすい垂直エンジンにより、これらのバルブのペアをシリンダーの下端に移動することができ、デッドスペースが少ない短く効率的なポートが可能になりました。^[23]エンジンのクランクケースは、クロスヘッドトランクガイドとともに密閉され、オイルスプラッシュ潤滑が行われました。シリンダーのピストンロッドスタッフィングボックスとクランクケースへの別のグランドシールの間には、小さなプレナムが露出したまま残されていました。これにより、シールから漏れた蒸気は、クランクケース内で凝縮するのではなく、大気中に放出されました。^[21]

機関車の開発に続いて、センチネル社も蒸気機関車の製造に取り組んだ。蒸気機関車は従来の機関車牽引の列車よりはるかに軽量であったため、軽量構造の鉄道には便利であった。軽量水管ボイラーと小型ギア付き蒸気モーターを採用したセンチネル社の設計は、グレートブリテンおよびウェールズ鉄道の垂直ボイラー式蒸気機関車などの初期の蒸気機関車と比べてもさらに軽量であった。この頃にはガソリン機関車やレールバスも登場していたが、出力が限られていたため重量、サイズ、積載量が制限されていた。センチネル社の鉄道車両の主な市場は輸出向けであったが、ロンドン鉄道も数台を運行していた。^[24]

蒸気エンジンの原理は、蒸気自動車に関する初期の研究に触発されたアブナー・ドーブルの研究と提唱に大きく負っている。彼は後にドイツのヘンシェルに勤務し、ヘンシェルは蒸気エンジンの原理を利用してトラック、バス、鉄道車両、さらには機関車を製造した。 ^{[25] [26] [27]}

ドブルはセンチネル社でも設計を担当し、特に先進的なボイラー設計の開発に携わった。^[27]

221TQ

230クラスの4-6-0Tタンク機関車を4-4-2Tに改造し、縦置きのV12蒸気モーターがドライブシャフトを介して2つの駆動車軸を駆動しました。^[1]これは、多数のシリンダーからの駆動全体が依然として1つのシャフトに統合されているという点で、通常の蒸気モーターの慣例に従っていませんでしたが、小型シリンダーと減速ギアの概念は使用していました。機関車は不十分であったと思われますが、おそらくモーターの重量が先頭の搬送輪の上にあるため、駆動部にかかる粘着重量が機関車全体の半分に減少したためです。^[1]

232.P.1

高圧ボイラーを使用した4-6-4の流線型の急行旅客機関車。3つの駆動車軸のそれぞれに3気筒複動ユニフロー蒸気モーターが1組ずつ搭載されており、合計18気筒となっている。^[28]

高圧機関車

1927年にブフリが設計した2-6-2高圧機関車。3気筒モーターを使用し、1:2.5減速ギアボックスと従来の連結ロッドを介して車輪を駆動した。このモーターにはポペットバルブとユニフロー吸気があった。^[29]

リューベック・ビュッヘナー鉄道

リューベック・ビュッヘナー鉄道は、アブナー・ドーブルの設計に基づいてヘンシェルに車両を発注した。^{[25]同様の車両が}ドイツ国営鉄道向けにも製造された。^{[25] [26]} 1936年から1937年には、3基のV型2気筒蒸気モーターを搭載した2-6-4T機関車が続いた。^[30]

V19.1001

1930年代後半のドイツの流線型急行旅客機関車V19.1001 。 ^[1]この2-8-2または1'Do1' ( UIC ) 機関車には、各車軸に1つずつ、計4つのV型ツイン蒸気モーターが搭載されていました。

1938年の蒸気機関車

これは外枠2-4-2で、それぞれ200馬力のセンチネル蒸気モーター2基を搭載していた。センチネルとしては珍しく、従来の機関車用ボイラーを使用していた。^[31]

1951年、エジプト国鉄はメトロポリタン・カメル社がセンチネル動力台車を使用して製造した最後のセンチネル蒸気機関車のうち数台を購入した。これらは4台のジェイコブス台車に連結された3客車10両で構成されていた。現在1台はイギリスのバッキンガムシャー鉄道センターにあるクエイントン鉄道協会によって保存されている。^[32]

センチネル社はアルゼンチン、コロンビア、そしてベルギー向けに 多数のメートルゲージの機関車を製造しました。

最初のものは1931年にブエノスアイレス・ミッドランド鉄道向けに作られた。この鉄道ではすでにLNERパターンに似たセンチネル貨車を使用していたが、より大きな多連ユニットが必要だった。2両は4連装として製造され、以前の貨車のシャシーをベースにした機関車と3両のトレーラー客車だった。BB機関車は2台の4輪台車を使用し、それぞれが貨車をベースにした6気筒モーターで駆動され、合計250馬力だった。^[33]ボイラーはセンチネルとしては一般的だが比較的高圧で、300psiの ウールナフ水管ボイラーを使用していた。

センチネルの機関車の中で最も有名なのは、アブナー・ドブレの設計に基づいた「コロンビアン」である。これらは4台が製造され、最初のものは1934年にベルギーに売却され、続いて3台がコロンブ鉄道会社に売却された。^{[34] [27]}コロンビアン機関車の少なくとも1台はベルギーで試験され、現存する写真のほとんどがそこで撮影された。一部の報告によると、ベルギーの機関車も後にコロンビアに輸送されたという。

これらの機関車は、これまでに製造された中で最も洗練された蒸気機関車、間違いなくセンチネルが製造した中で最も先進的な機関車と言われている。これらは550psiの高圧ウールナフボイラーを使用した。シャーシレイアウトはCo-Coで、各車軸は2気筒複合ダブル蒸気モーターによって独立して駆動された。^{[34]このモーターは、}サザン鉄道の他のセンチネル鉄道車両設計にも使用された。信頼性に関する珍しい特徴は、いずれかのモーターが故障しても、すぐに切り離して機関車を走行させることができることだった。

北米の蒸気自動車は 1880 年代以前に人気がピークに達し、そのほとんどは 1875 年以前に小規模な専門製造業者によってカスタム設計で製造されました。ほぼすべての例がユニークで、注文に応じて特別に製造されました。少数は小規模な企業または個人によって試験的に製造および販売された実験的な車両でしたが、そのユニークさや相対的なコストのために完全に成功することはありませんでした。電気牽引の台頭は、アメリカの蒸気自動車が最終的に消滅した原因の 1 つでした。1905 年から 1915 年頃に直接駆動のガソリン機械式鉄道自動車が開発されたことで新しい市場が生まれ、最終的に、1950 年代に広く普及した Budd RDC [鉄道ディーゼル車] などのガス電気駆動、さらにディーゼル油圧駆動の自動車により、自己完結型のモーター トレインの必要性がなくなりました。ボルチモア・アンド・オハイオ鉄道は、1930年代後半に車軸ごとに1基ずつV4モーターを搭載した強力な5,000馬力の4-2-2-2-2-4急行機関車の艦隊を検討したが、結局建造されなかった。^[35]