ディーゼル機関車の仕組み

ディーゼルエンジンは、機関車を含むさまざまな種類の車両に使用されています。ディーゼル エンジンは、ガス エンジンよりも熱的に燃料効率が優れています。これは、燃費が 20% 向上し、ガス エンジンよりも運転コストが下がることを意味します。また、ディーゼル エンジンは、ガス エンジンよりもはるかに遅い rpm (1 分あたりの回転数) レートで動作するため、ガス エンジンよりも長持ちします。

ハイブリッド ディーゼル機関車は、驚異的なパワーと創意工夫を発揮します。これは、巨大な 12 ～ 16 気筒の 2 ストローク ディーゼル エンジンを含むいくつかの優れた機械技術と、頑丈な電気モーターおよび発電機を組み合わせたもので、コンピュータ技術も少しだけ投入されています。

機関車の重量は 91,000 ～ 181,000 キログラムで、最高時速 200 キロの速度で旅客列車を牽引できるように設計されています。シーメンスの最新のエンジンは最大 4,200 馬力を発生し、発電機はこれを約 4,700 アンペアの電流に変換できます。駆動モーターはこの電気を使用して約 60,000 ポンドフィートのトルクを生成します。列車の残りの部分に電力を供給するための二次ディーゼル エンジンと発電機もあります。この発電機は と呼ばれ、500 ～ 700 キロワット (kW) の電力を生成します。

ディーゼル エンジンと発電機およびモーターを組み合わせることで、機関車はハイブリッド車両になります。この記事では、まず機関車がこのように作られている理由と、なぜ鋼製の車輪が付いているのかを学びます。次に、レイアウトと主要コンポーネントを見ていきます。

なぜハイブリッドなのか?なぜディーゼルなのか？

ディーゼル機関車がハイブリッドである主な理由は、この組み合わせにより自動車のような機械式変速機が必要なくなるからです。車にトランスミッションが付いている理由を理解することから始めましょう。

ガソリン エンジンの物理的性質により、車にはトランスミッションが必要です。まず、どのエンジンにもレッドラインがあります。これを超えるとエンジンが爆発する最大回転数です。次に、「馬力のしくみ」を読んだことがある人なら、エンジンの馬力とトルクが最大になる回転数の範囲が狭いことをご存知でしょう。たとえば、エンジンは 5,200 ～ 5,500 rpm で最大馬力を生成します。トランスミッションにより、車の速度の上昇と減速に応じてエンジンと駆動輪の間のギア比が変化します。エンジンがレッドラインを下回り、最高のパフォーマンス (最大出力) の rpm 帯域付近に留まるようにギアをシフトします。

ほとんどの車の 5 ～ 10 速トランスミッションにより、500 ～ 6,000 rpm 以上のエンジン速度範囲で時速 110 マイル (177 キロ) 以上の速度で走行できます。ディーゼル エンジンの動作速度はガソリンよりもはるかに遅く、機関車に使用される大型エンジンの場合はその速度が 2 倍になります。大排気量ディーゼルエンジンは最高か、それ以下です。このような速度範囲では、機関車が時速 110 マイルに達するには 20 ～ 30 段のギアが必要になります。

このようなギアボックスは巨大で (4,200 馬力を処理する必要がある)、複雑かつ非効率で、機械的に故障が発生する可能性があります。また、4 組の車輪に動力を供給する必要があるため、複雑さがさらに増します。

ハイブリッド構成を採用することで、メインのディーゼルエンジンが一定速度で動作し、ドライブシャフトを介して発電機を回転させることができます。発電機は各車軸にある電力を送り、車輪に動力を供給します。トラクション モーターは、完全停止から時速 125 マイル (時速 200 キロ) までのあらゆる速度で、ギアを変更することなく適切なトルクを生成できます。

なぜディーゼルなのか？

ディーゼル エンジンはガソリン エンジンよりも効率が高く、文字通り何トンもの貨物や乗客を輸送する場合、効率が最も重要です。鉄道メーカーによると、自社の車両は 1 ガロン (4 リットル) の燃料あたり 1 トン (0.9 メートル トン) の貨物を平均 492 マイル (791 キロメートル) 移動し、機関車の効率は道路で荷物を輸送する場合の 4 倍になります。ディーゼル電気システムは古い蒸気機関車よりも優れており、20 世紀初頭に蒸気に完全に置き換えられたのはそのためです。

ディーゼルも、走行中に電力網から直接電力を供給する との競合が見られます。この方法は、あらゆる種類の車載燃料を燃焼させてエネルギーを生成するよりも数倍効率的です。電気機関車はヨーロッパとアジアで特に人気がありますが、米国での切り替えは遅れています。原因として考えられるのは、電車の運行には独自の特殊なインフラが必要であり、古い機関車は引退まで数十年にわたって使用される可能性があることです。当面はディーゼルが標準のままだ。しかし、アムトラックの北東回廊やカリフォルニアの通勤鉄道など、米国ではいくつかの旅客鉄道が電化されている。

スチールホイール

なぜ電車には車のようなタイヤではなく、 が付いているのか疑問に思ったことはありませんか?を減らすことです。車が高速道路を走行しているとき、タイヤの転がり抵抗は約100％失われます。タイヤは転がるときに大きく曲がったり変形したりするため、多くのエネルギーを消費します。

タイヤが消費するエネルギー量はタイヤにかかる重量に比例します。車は比較的軽いため、この程度のエネルギーは許容範囲です (ガソリンを少しでも節約したい場合は、車用に転がり抵抗の低いタイヤを購入できます)。

列車の重量は車の数千倍であるため、転がり抵抗は列車を牽引するのに必要な力を決定する大きな要素となります。電車の鋼鉄の車輪は小さな接触面の上を走行します。各車輪と線路との接触面積は 10 円玉ほどです。

鋼製トラックに鋼製ホイールを使用することで変形量を最小限に抑え、転がり抵抗を低減します。実際、電車は重量物を運ぶのに最も効率的な方法です。

スチールホイールを使用する場合の欠点は、牽引力があまりないことです。次のセクションでは、この問題に対する興味深い解決策について説明します。

トラクション

輪列の車輪には軌道上に保持するフランジ (車輪の周りに突き出たリム) があるため、曲がり角を曲がるときのトラクションは問題になりません。しかし、ブレーキ時と加速時のトラクションが問題です。

機関車は 60,000 ポンドフィートを超えるトルクを発生できます。しかし、このトルクを効果的に使用するには、機関車の 8 つの車輪が滑ることなく線路にトルクを適用できなければなりません。この機関車は牽引力を高めるために巧妙なトリックを使用しています。

各車輪の前には圧縮空気を使用して を噴霧するノズルがあり、このノズルは機関車の 2 つのタンクに保管されています。砂は駆動輪のトラクションを劇的に増加させます。この列車には電子牽引制御システムが搭載されており、車輪が滑ったり機関士が緊急停止したりすると砂噴霧器が自動的に始動する。このシステムは、車輪がスリップしている主電動機の出力を低減することもできます。

では、機関車のレイアウトを見てみましょう。

レイアウト: 主エンジンと発電機

54 フィート (16.2 メートル) の機関車のほぼすべてのインチに機器がぎっしり詰まっています。

主エンジンと発電機

巨大な 2 ストロークのターボチャージャー付きエンジンと発電機は、重い荷物を高速で引っ張るのに必要な膨大な電力を供給します。重さは24,000ポンド（10,886キログラム）以上あります。発電機と電気モーターはさらに質量を加えます。エンジンと発電機については後ほど詳しく説明します。

タクシー

機関車の運転台には独自のサスペンション システムが搭載されており、機関士を衝撃から守るのに役立ちます。シートにはサスペンションシステムも搭載されています。数席しかない小さな作業スペースです。通常、運転室には機関士と車掌のみが乗車します。

トラック

トラックとも呼ばれるこのトラックは、車輪、トラクション モーター、ギア、サスペンション、ブレーキを備えた 2 つの車軸の完全なアセンブリです。これらのコンポーネントについては後で説明します。

ヘッドエンド電源ユニット

(HEP) は別の大きなディーゼル エンジンで構成されており、それ自体で 3,000 ～ 4,000 馬力を発生できます。メインエンジンよりも回転がさらに遅くなり、最大回転数は約 1,000 rpm になります。エンジンは発電機を駆動し、列車の残りの部分に 480 ボルトの三相 AC 電力を供給します。多くの HEP は、電車の残りの部分に 500 キロワットを超える電力を供給し、電気エアコン、照明、キッチン設備で使用されます。

これらのシステムに完全に独立したエンジンと発電機を使用することで、主エンジンが故障した場合でも列車は乗客を快適に保つことができます。メインエンジンの負荷も軽減されます。さらに、現代の機関車の多くは、現在のエネルギー需要に応じて、二次エンジンからの電力を主モーターに送ったり、主エンジンから HEP に電力を送ったりできる電子システムを備えています。

燃料タンク

機関車の下部にあるこの巨大なタンクには、最大 (20,820 リットル) のディーゼル燃料、さらに 300 ガロン (1,135 リットル) の冷却剤、および 250 ガロン (946 リットル) のエンジン オイルが収納されます。燃料タンク 。コンパートメントが損傷したり漏れ始めた場合、ポンプによってそのコンパートメントから燃料を除去できます。

電池

機関車は公称値で動作します。機関車には 8 ボルトのバッテリーが 8 個搭載されており、それぞれの重量は 300 ポンド (136 kg) を超えます。これらのバッテリーは、エンジン (巨大なスターター モーターを備えています) を始動するだけでなく、機関車内の電子機器を動作させるのに必要な電力を供給します。メインエンジンが作動すると、オルタネーターが電子機器とバッテリーに電力を供給します。

機関車の主要システムのいくつかをさらに詳しく見てみましょう。

エンジンと発電機

この機関車の主エンジンはキャタピラーです。 「710」は、このターボチャージャー付き 2 ストローク ディーゼル V-12 の各シリンダーの排気量が 710 立方インチ (11.6 リットル) であることを意味します。これは、ほとんどの最大のガソリン V-8 車エンジンの 2 倍以上のサイズです。そして、ここで話しているのは、この 3,300 馬力エンジンの 12 シリンダーのうちの 1 つだけです。

では、なぜ2ストロークなのでしょうか？このエンジンは巨大ですが、ほとんどの小型ディーゼル エンジンと同様に 4 ストローク ディーゼル サイクルで動作した場合、出力は約半分にすぎません。これは、2 ストローク サイクルでは、1 回転あたり 2 倍の燃焼イベント (パワーを生み出す) が発生するためです。ディーゼル 2 ストローク エンジンは、実際には 2 ストローク ガソリン エンジンよりもはるかにエレガントで効率的であることがわかりました。詳細については、 「ディーゼル 2 ストローク エンジンの仕組み」を参照してください。

このエンジンが大型の V-8 車エンジンの約 24 倍の大きさで、4 ストローク サイクルの代わりに 2 ストローク サイクルを使用しているのに、なぜ出力が約 10 倍しかないのかと思うかもしれません。その理由は、このエンジンが 3,300 馬力を継続的に発生するように設計されており、数十年間持続するためです。車のエンジンをフルパワーで動かし続けた場合、それが 1 週間持続すれば幸運です。

このエンジンの一部を次に示します。

エンジンはこのトルクをすべて回転させ、ドライブシャフトを介して高電圧発電機に伝えます。生成された電気は、トラックに搭載された 4 つの巨大な電気モーターに送られます。

トラック: 推進力とサスペンション

列車の中で最も重いのはトラックで、1 台あたり 9,700 キログラムです。トラックはいくつかの仕事をします。これらは機関車の重量を支えます。それらは推進力、サスペンション、ブレーキを提供します。ご想像のとおり、それらは巨大な構造物です。

推進

車輪に推進力を与えます。各車軸に 1 つあります。各モーターは小さなギアを駆動し、アクスル シャフト上の大きなギアと噛み合います。これにより、モーターが時速 195 マイルまでの速度で列車を駆動できるギア減速が実現します。

各モーターの重量は重く、700 アンペアを超える電流が流れる可能性があります。

サスペンション

機関車のサスペンションも提供します。機関車の重量は大きな丸いベアリングにかかっており、これによってトラックが旋回して列車が方向転換できるようになります。ピボットの下には、プラットフォーム上に置かれた巨大な 板バネ、または一連のコイル スプリングがあります。プラットフォームは 4 つの巨大な金属リンクによって吊り下げられており、トラック アセンブリに接続されています。これらのリンクにより、機関車は左右に揺れることができます。

機関車の重量はバネにかかっており、段差を越えるとバネが圧縮されます。これにより、機関車の車体がバンプから分離されます。リンクにより、トラックはトラックの変動に合わせて左右に移動できます。一部の列車では、乗り心地をスムーズにし、乗客の快適性を高めています。トラックは完全に真っ直ぐではなく、高速走行時には、トラックが横にスイングできないと、トラックの小さな変化により乗り心地が荒くなります。また、このシステムは各レールにかかる重量を比較的均等に保ち、線路や車輪の摩耗を軽減します。

トラック: ブレーキング

ブレーキは自動車のドラムブレーキと同様の機構で行われます。パッドを輪列の外面に押し付けます。

機械式ブレーキと連動して、機関車には が備わっています。このモードでは、4 つの主モーターがそれぞれ発電機のように機能し、列車の車輪を使用してモーターにトルクを加え、電流を生成します。モーターを回転させるために車輪が加えるトルクによって列車は減速します (モーターが車輪を回すのではなく、車輪がモーターを回転させます)。生成された電流は、その電流を熱に変える巨大な抵抗メッシュに送られます。冷却ファンがメッシュを通して空気を吸い込み、機関車の上部から吹き出します。事実上、世界で最も強力なヘアドライヤーです。この減速方法を使用すると、時間の経過とともに機械ブレーキの摩耗が大幅に軽減されます。

完全電気列車、および電気自動車やハイブリッド自動車などの小型車両では、 回生ブレーキと呼ばれるシステムが使用されています。過剰なエネルギーは熱として放散されるのではなく、電力線またはバッテリーに送り返されるため、効率が向上します。

後部のトラックにもブレーキが付いています。そうです、電車でもハンドブレーキが必要です。ブレーキは空気の力で作動するため、コンプレッサーが作動している間のみ機能します。列車がしばらく停止していると、ブレーキを掛け続けるための空気圧がなくなります。ハンドブレーキと空気圧リザーバのフェイルセーフがなければ、列車は非常に重い重量と車輪と線路の間の転がり摩擦が非常に低いため、わずかな傾斜でも十分に走行できます。

ハンドブレーキはチェーンを引っ張るクランクです。チェーンを締めるにはクランクを何回も回転させる必要があります。チェーンがピストンを引っ張ってブレーキを掛けます。

機関車の運転

単に運転台に飛び乗り、キーを回してディーゼル機関車で走り去るだけではありません。電車の発進は、車の発進よりも少し複雑です。

機関士は 8 フィート (2.4 メートル) のはしごを登り、運転室の後ろの廊下に入ります。それらは、バッテリーをスターター回路に接続する (古いフランケンシュタイン映画に登場するものと同様) と連動します。次に、エンジニアは の約 100 個のスイッチをオンにし、ライトから燃料ポンプまであらゆるものに電力を供給します。

次に、エンジニアは廊下を歩いて機関室に入ります。そこにあるスイッチを押したままにすると、燃料システムにプライミングが行われ、システムからすべての空気が確実に排出されます。次にスイッチを逆に回すと、スターターモーターが作動します。エンジンが始動し、始動します。

次に、運転室に上がって計器を監視し、コンプレッサーがブレーキ システムを加圧したらブレーキを設定します。その後、列車の後部に向かい、ハンドブレーキを解除します。

最後に、運転台に戻り、そこから制御を引き継ぐことができます。列車の車掌から移動の許可を得たら、ベルを鳴らし続けます。ベルは鳴り続け、エアホーンを 2 回鳴らします (前進を示します)。

には 8 つのポジションとアイドル ポジションがあります。それぞれのスロットル位置はノッチと呼ばれます。ノッチ 1 が最低速度、ノッチ 8 が最高速度です。列車を動かすために、機関士はブレーキを解除し、スロットルをノッチ 1 に入れます。

スロットルをノッチ 1 に入れると、一連の (巨大な電​​気リレー) が作動します。これらの接触器は主発電機を主電動機に接続します。各ノッチはコンタクタの異なる組み合わせに係合し、異なる電圧を生成します。コンタクタの組み合わせによっては、発電機巻線の特定の部分が直列構成になり、電圧が高くなります。特定の部品を並列に接続して、電圧を低くするものもあります。トラクションモーターは、電圧が高くなるとより多くの電力を生成します。

コンタクタが作動すると、コンピュータ化されたエンジン制御が燃料インジェクタを調整して、より多くのエンジン出力を生成し始めます。

ブレーキシリンダー内の空気圧を変化させてブレーキシューに圧力を加えます。同時に、ダイナミックブレーキとブレンドし、モーターを使用して列車を減速させます。

コンピュータ化された表示により、機関車全体のセンサーからのデータが表示されます。エンジニアや整備士に問題の診断に役立つ情報を提供できます。たとえば、燃料ライン内の圧力が高くなりすぎる場合、これは燃料フィルターが詰まっていることを意味する可能性があります。

では、電車の中を覗いてみましょう。

電車に乗る

米国の主な通勤鉄道ネットワークは で、本土の州の大部分とカナダのいくつかの駅をカバーしています。一部の地域サービスには、カリフォルニア、アトランタ、および DC 周辺が含まれます。アムトラックは 2031 年までに (一部は 50 年前のものです)、ディーゼルと電気で走行できる新しいデュアルパワートレインの車両を導入するほか、いくつかの車両を追加します。国内の非電化鉄道地域向けのディーゼル専用機関車。

電車に乗るのは飛行機よりも遅いかもしれませんが、間違いなくはるかに快適です。歩き回るのに十分なスペースがあります。アムトラックでは、カフェ席と電子機器を充電するためのコンセントをご利用いただけます。サービス中は、食事、軽食、飲み物、コーヒーも販売しています。長距離の乗客のために、寝具付きの「寝台車」も手配できます。

一部の路線では、アムトラックは移動に使用できる保管スペースも提供しています。鉄道旅行は、多くの場合、広大な土地を横断するための、より広く、効率的で、手頃な価格の方法を提供します。