Diesel locomotive
Unlike steam engines, internal combustion engines require a transmission to power the wheels. The engine must be allowed to continue to run when the locomotive is stopped.
Diesel–mechanicalEdit
A diesel–mechanical locomotive uses a mechanical transmission in a fashion similar to that employed in most road vehicles. This type of transmission is generally limited to low-powered, low speed shunting (switching) locomotives, lightweight multiple units and self-propelled railcars.
The mechanical transmissions used for railroad propulsion are generally more complex and much more robust than standard-road versions. 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も変速できるように、しばしばエピサイクリック（遊星）タイプになっています。 たとえば、Hudswell Clarke が使用した S.S.S. (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処できる適度なサイズのトランスミッションを作ることの難しさによって制限されています。
ディーゼル機械推進は、重い列車を動かすのに必要なパワーとトルクに対処できる合理的な大きさの変速機を作るのが難しいという制約があります。 しかし、最終的に成功した例はない。
Diesel-electricEdit
ディーゼル電気機関車では、ディーゼルエンジンが直流発電機（一般に牽引用で正味3,000馬力（2,200kW）以下）、または交流整流器（一般に牽引用で正味3,000馬力（2,200kW）以上）を動かし、その出力で牽引モーターを動かして機関車の動力としています。
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/交流整流器、トラクションモータ（通常 4 軸または 6 軸）、エンジン制御装置とスイッチギア、整流器、その他の部品を含む電気または電子部品からなる制御システムで、トラクションモータへの電気供給を制御または変更するものである。
元はといえば。 牽引モーターと発電機は直流機である。 1960年代に大容量のシリコン整流器が開発されると、直流発電機はダイオードブリッジを用いたオルタネーターに置き換えられ、出力は直流に変換された。 これにより、発電機内の整流子やブラシがなくなり、機関車の信頼性が大幅に向上し、発電機のメンテナンス費用も削減された。 ブラシと整流子をなくしたことで、フラッシュオーバーと呼ばれる特に破壊的なタイプのイベントの可能性を排除しました。
現在の北米の慣習では、高速の旅客や「時間」貨物では4軸、低速の「マニフェスト」貨物では6軸となっています。
1980年代後半に、高出力の可変電圧/可変周波数 (VVVF) ドライブ、または「トラクション インバーター」の開発により、多相交流トラクション モーターを使用できるようになり、モーター整流子とブラシも不要になりました。
Diesel-electric controlEdit
ディーゼル電気機関車の出力は、発電機の電流と電圧の制限を超えない限り、道路の速度に関係なく出力されます。 したがって、牽引力（ドローバープルまたは牽引力とも呼ばれ、実際に列車を推進するもの）を開発するユニットの能力は、これらの制限内で速度に反比例して変化する傾向があります。 (下のパワーカーブを参照）。
スロットル操作
原動機の出力は主に回転数（RPM）と燃料量で決まり、これらはガバナなどの機構で調整されます。
機関車の出力、したがって速度は、一般に、スロットル位置に対応するバイナリ状の電気信号を生成するステップまたは「ノッチ」スロットルを使用して、機関車の運転手によって制御されます。 この基本設計は、スロットル位置に対応するすべてのユニットが同じ方法で反応することを保証する個別の条件を生成することにより、マルチユニット (MU) 操作に適しています。 また、バイナリーエンコーディングは、ユニットからユニットへの信号の受け渡しに必要なトレインライン（電気的接続）の数を最小限に抑えることができる。
北米の機関車 (EMD や General Electric 製) は、8 つのスロットル位置または「ノッチ」と、双方向に動作するための「リバーサー」を備えています。 イギリス製の機関車には10ポジションのスロットルを持つものが多くあります。
古い機関車では、スロットル機構がラチェット式で、一度に複数のパワーポジションを進めることができなかった。
旧式の機関車では、スロットル機構がラチェット式で、一度に2つ以上の出力位置を進めることができないようになっていました。 これは、急激なスロットル操作による急激な出力上昇（多くの鉄道会社で運転規則違反とされる「スロットルストリッピング」）で列車が荒れるのを防ぐためのものである。
スロットルがアイドル位置にある場合、原動機には最小限の燃料しか供給されないため、低回転でアイドル状態になります。 また、牽引モーターは主発電機に接続されておらず、発電機の界磁巻線は励磁（通電）されていないため、発電機は無励磁で電気を発生させません。 したがって、機関車は「ニュートラル」状態になる。
機関車を動かすには、逆転制御ハンドルを正しい位置（前進または後退）に置き、ブレーキを解除し、スロットルを走行1の位置（最初の出力ノッチ）に動かします。 経験豊富なエンジン運転手は、これらのステップを協調して行うことができ、その結果、ほとんど気づかないうちに始動することができます。
スロットルを第1電源の位置に入れると、トラクションモータが主発電機に接続され、主発電機の界磁コイルが励起されます。 主発電機が励磁されると、トラクションモータに電気が供給され、運動が起こります。 機関車が軽快に走行し、上り勾配でなければ、容易に加速することができる。 一方、長い列車を発車させる場合、弛緩した部分がなくなると、列車による抵抗が牽引力を上回り、機関車が失速することがある。
スロットルを高出力ノッチに動かすと、原動機への燃料供給量が増加し、その結果、回転数と出力馬力が対応するように増加します。 同時に、主発電機の界磁は、より高い電力を吸収するために比例して増加します。 これにより、トラクションモータへの電気出力が増加し、牽引力が増加する。
推進システムは、始動時に最大のトラクション モーター トルクを生成するように設計されており、最新の機関車が、上り勾配でも 15,000 トンを超える重量の列車を始動できるのは、このためです。 現在の技術では、機関車の牽引力は積載した運転手の体重の30％にもなり、大型の6軸貨物（商品）車では12万ポンド（530kN）もの牽引力を発生させることができる。 実際、このようなユニットで構成された列車は、発車時に十分すぎるほどのドローバー牽引力を発揮し、カーブでは車両を損傷したり脱線させたり、カプラーを破損させたりする（後者は北米の鉄道スラングで「jerking a lung」と呼ばれている）。 したがって、エンジンの運転手は、始動時にかかるパワーの量を注意深く監視して、損傷を避ける義務がある。 特に、上り勾配で「ジャーキング・ア・ラング」が起きると大変なことになるが、現在、貨車に装備されているフェイルセーフの自動列車ブレーキが正しく作動すれば、列車の空気圧が低下しても自動的に貨車のブレーキがかかり、暴走を防ぐことができるので安全である。
推進系動作編
機関車の制御システムは、主発電機の電気出力が任意のエンジン速度に一致するように設計されています。 トラクションモーターの特性や主発電機との接続方法を考慮すると、低速時には高電流・低電圧となり、機関車が加速すると低電流・高電圧に徐々に変化していきます。
古い設計では、原動機のガバナーと、それに付随するロードレギュレータが制御システムの中心的な役割を果たします。 ガバナーには、エンジン運転者のスロットル設定によって決まる要求エンジン回転数と、実際のエンジン回転数（フィードバック）の2つの外部入力がある。 また、外部制御出力として、エンジン燃料量を決定する燃料噴射装置の設定と、主発電機の励磁に影響する現在のレギュレータ位置の2つがある。 また、ガバナーには別途オーバースピードプロテクション機構が組み込まれており、原動機が規定の回転数を超えた場合、直ちにインジェクターへの燃料供給を遮断し、運転室でアラームを鳴らすことができる。 これらの入出力は、必ずしもすべてが電気的であるとは限らない。
エンジンの負荷が変化すると、その回転速度も変化します。 これをガバナーは、エンジン回転数のフィードバック信号の変化で検出します。
「トラクション コンピューター」によって制御される新しい設計では、各エンジン速度ステップは、適切な出力、つまり「kW 基準」をソフトウェアで割り当てられます。 コンピューターは、この値を、トラクション モーター電流および主発電機電圧のフィードバック値から計算された実際の主発電機出力、つまり「kW フィードバック」と比較します。 コンピュータは、上記のように主発電機の励磁を制御することで、フィードバック値を基準値に一致させるように調整する。 ガバナーによるエンジン回転数の制御は残っているが、このタイプの制御システムではロードレギュレーターが中心的な役割を果たさなくなった。 ただし、エンジンの過負荷に備えた「バックアップ」としての負荷調整器は残されている。
トラクションモーターの性能は、直流モーターの場合は主発電機の直流電圧出力を、交流モーターの場合はVVVFの周波数と電圧出力を変化させることによって制御されます。
静止状態では、主発電機の出力は最初は低電圧/高電流で、フルパワーでモーターあたり 1000 アンペアを超えることがよくあります。 機関車が停止しているとき、または停止に近いとき、電流の流れは、主発電機自体の容量と同様に、モーター巻線および相互接続回路の直流抵抗によってのみ制限されます。 直列巻きのモータのトルクは、電流の2乗にほぼ比例する。 従って、トラクションモータは最大のトルクを発生し、機関車の牽引力を最大にし、列車の慣性に打ち勝つことを可能にする。
機関車が加速すると、回転中のモーター電機子は逆起電力 (逆起電力、つまりモーターは発電機としても働こうとする) を発生し始め、主発電機の出力に対抗してトラクション モーター電流を減少させることになります。 これに応じて主発電機の電圧も上昇し、モーターの出力を維持しようとするが、やがて頭打ちになる。 このとき、下り勾配でない限り、機関車の加速は基本的に停止する。 このプラトーには、通常、希望する最高速度よりかなり低い速度で到達するため、加速を継続できるように駆動特性を変更する必要があります。 この変更は「移行」と呼ばれ、自動車のギアシフトに類似したプロセスです。
移行方法には次のようなものがあります。
- 抵抗はモーター磁界と並列に接続されます。
両方の方法を組み合わせて、動作速度範囲を拡大することもできます。
- Generator / rectifier transition
- 出力電圧を増加させるために、2つの整流器の別々の内部主発電機固定子巻線を並列から直列に再接続する。
古い機関車では、エンジン運転手は別の制御を使用することによって手動で移行することが必要だった。 また、適切なタイミングで移行するための補助として、ロードメーター（牽引機の電流量を運転手に示す表示器）を校正し、どの時点で前進・後進の移行を行うべきかを指示することも行われました。
現代の機関車には、1200 ボルトの交流から直流へのトラクションインバータが組み込まれています（初期の直流から直流へのトラクションジェネレータは、600 ボルトしか供給できませんでした）。 これは、シリコンダイオードの技術改良によるところが大きい。
動的ブレーキ の編集
ディーゼル電気機関車の一般的なオプションは、動的（レオスタティック）ブレーキです。
動的ブレーキは、機関車が動いているときにトラクションモータの電機子が常に回転しているという事実と、モータが界磁巻線を個別に励起して発電機として動作することができるという事実を利用しています。
- 各トラクションモータの界磁巻線は主発電機を挟んで接続される。
- 各トラクションモータの電機子は機関車のボンネットの屋根にある強制空冷式抵抗グリッド（ダイナミックブレーキグリッド）を挟んで接続される。
- 原動機の回転数が上がり、主発電機の界磁が励起され、それに対応してトラクションモーターの界磁が励起されます。
上記の総合的効果として、各トラクションモーターが電力を生成し、熱としてダイナミックブレーキグリッドに放散させることができます。 グリッドに接続されたファンにより、強制空冷が行われます。
結局のところ、ダイナミックブレーキグリッドで消費されるエネルギーの源は、トラクションモータのアーマチュアに伝えられる機関車の動きなのです。 そのため、トラクションモータが抗力を、機関車がブレーキとして機能する。
ダイナミックブレーキは、特に山岳地帯で運転する場合に有益で、下降中に摩擦ブレーキの過熱による暴走の危険性が常にあります。 このような場合、ダイナミックブレーキは通常、空気ブレーキと組み合わせて使用され、その組み合わせはブレンドブレーキと呼ばれます。 また、勾配を越える際に長い列車の弛緩を維持し、脱線の原因となる列車の弛緩の束である「駆け込み乗車」を防止するためにも、ブレンドブレーキを使用することができる。 また、通勤電車では、走行中に何度も停車するため、機械式ブレーキの摩耗や損傷を軽減するために、ブレンドブレーキがよく使われている。
電気式ディーゼル機関車
電気機関車としてもディーゼル機関車としても運行できる特殊な機関車です。 ロングアイランド鉄道、メトロノース鉄道、ニュージャージートランジット鉄道事業では、マンハッタントンネルでのディーゼル機関車の使用を禁止する地方法のため、非電化区間とニューヨーク市間でディーゼル電気/サードレール（NJTransitではカテナリー）のデュアルモード機関車を運行しています。 同じ理由で、アムトラックはニューヨーク地区でデュアルモード機関車を運行している。 英国鉄道では、ディーゼル機関車と電気機関車の二重運転を行い、主に電気機関車として走行し、ディーゼル機関車走行時には出力を下げて使用できるように設計されていた。 このため、鉄道操車場ではサードレール方式は非常に危険であるため、非電化のままであった。
Diesel-hydraulicEdit
ディーゼル油圧機関車では固定比ギアと組み合わせた一つ以上のトルクコンバータを用いています。 また、トルクコンバーターから車輪に動力を伝達し、逆転させるためにドライブシャフトとギアがファイナルドライブを構成しています。 油圧式と機械式の違いは、速度とトルクをどこで調整するかということである。 ギアボックスのように複数の比率を持つ機械式変速機では、油圧部分があったとしても、列車が遅すぎるときや停止しているときにエンジンをかけるためのものでしかない。 油圧式では、エンジン速度やトルクを列車の状況に合わせるための主要なシステムであり、ギアの選択はリバースギアなどの限られた用途に限られます。
Hydrostatic transmissionEdit
静油圧駆動システムを使用した油圧駆動システムは鉄道用に適用されています。 現代の例としては、Cockerill (ベルギー) による 350 ～ 750 hp (260 ～ 560 kW) の分流機関車、アトラスコプコ子会社の GIA による 4 ～ 12 トン 35 ～ 58 kW (47 ～ 78 hp) 狭軌産業機関車などがあります。
静圧駆動装置は、鉄道保守機械 (タンパー、レール グラインダー) にも利用されています。
静圧変速装置の応用は、一般に小型分流機関車や鉄道保守装置に限られており、トラクション モーター ファン用のドライブなどディーゼル エンジンの非牽引用途にも使用されています。 トルクコンバータと流体継手
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動圧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ます）は、トルクコンバータを使用します。 トルクコンバータは主に3つの部品からなり、2つの部品は回転し、1つの部品（ステータ）は逆回転を防止するロックを持ち、低出力回転時には油の流れを変えることで出力トルクを付加しています。 3つの主要部品はすべて、オイルが充填されたハウジングに密閉されています。 機関車の全速度域でエンジン回転数と負荷回転数を一致させるには、十分な範囲を確保するために何らかの工夫が必要である。 一つは、トルクコンバータに続いて、自動車のオートマチックトランスミッションのように、自動的に変速比を切り替える機械式変速機を搭載する方法です。 また、必要な回転数の一部をカバーする可変範囲のトルクコンバータを複数個用意し、すべてのトルクコンバータを常時機械的に接続し、必要な回転数範囲に適したものを選んでオイルを充填し、他のものを排出する方法もある。
機関車編集部
ディーゼル油圧機関車はディーゼル電気機関車より効率が悪いです． BRの第一世代のディーゼル油圧式は、ディーゼル電気式（約80％）に比べて効率が著しく悪く（約65％）、しかも初期のものは機械的に複雑で故障しやすいことが多くの国で判明しています。 機関車用油圧トランスミッションはドイツで開発された。
21世紀には、世界のディーゼル機関車牽引のために、大多数の国がディーゼル電気式を使用し、ディーゼル油圧式はドイツと日本、および貨物用設計に使用されているいくつかの近隣諸国以外では使用されていない。
ドイツとフィンランドでは、ディーゼル油圧システムは、運転において高い信頼性を達成しています。イギリスでは、マイバッハ・メキドロ油圧トランスミッションの耐久性と信頼性の低さから、ディーゼル油圧原理は評判が悪くなりました。
Diesel-hydraulic drive is common in multiple units, with various transmission designs used including Voith torque converters, and fluid coupling in combination with mechanical gearing.
英国鉄道の第2世代の旅客 DMU 車両の大半は油圧トランスミッションを使用しています。 21 世紀には、ボンバルディア社のターボスター、タレント、レジオスウィンガー シリーズ、シーメンス社のデシロ プラットフォームのディーゼル エンジン版、スタドラー社のレジオシャトルなどが、油圧式トランスミッションを使用する設計となっています。
編集例
ディーゼル油圧機関車はディーゼル電気機関車に比べてシェアが小さく、世界的に見ても本線用油圧トランスミッションの主なユーザーはドイツ連邦共和国であったといえます。 1950年代のDBクラスV 200、1960～1970年代のDBクラスV 160ファミリーなどがある。 また、イギリス鉄道は1955年の近代化計画で多くのディーゼル油圧式機関車を導入したが、当初はドイツの設計をライセンス生産していた（Category:イギリスのディーゼル油圧式機関車 を参照）。 スペインでは1960年代から1990年代にかけて、RENFEがドイツ製の高出力重量比の双発機関車を高速列車の牽引に使用していた。 (RENFE340、350、352、353、354形参照)
戦後の本線用機関車としては、他に1950年代のGMD GMDH-1の実験機関車、ヘンシェル& Son製の南アフリカの61-000形、60年代にはサザン・パシフィックがクラウス・マッファイKM ML-4000形ディーゼル水圧機関車18台を購入しています。 デンバー& リオグランデウェスタン鉄道も3両購入しましたが、すべて後にSPに売却されました。
フィンランドでは、200台以上のフィンランド製のVRクラスDv12およびDr14ディーゼル油圧機にヴォイス製トランスミッションを搭載して、1960年代初頭から継続的に使用されています。 Dr14クラスのすべてのユニットとDv12クラスのほとんどのユニットがまだ使用されています。
21世紀に入ってからは、ドイツ鉄道が発注したVoith Gravita、ドイツ製の貨物用Vossloh G2000 BB、G1206、G1700などの標準軌ディーゼル油圧式が量産されるようになり、現在に至っています。
Diesel-steamEdit
div 蒸気ディーゼルハイブリッド機関車
蒸気ディーゼルハイブリッド機関車は、ボイラーで発生させた蒸気やディーゼルをピストンエンジンの動力に利用するものです。
蒸気機関車
ディーゼル・ニューマチック
1930年代、既存の蒸気機関車をディーゼル運転に転換できることから、ディーゼル機関車は注目されるようになりました。 蒸気機関車のフレームとシリンダーはそのままに、ボイラーをエアコンプレッサーを駆動するディーゼルエンジンに置き換えたものです。 しかし、エアコンプレッサーの熱によるエネルギー浪費が大きいため、熱効率が悪いという問題があった。 このため、ディーゼルエンジンの排気を圧縮空気の再加熱に利用するなどの工夫がなされたが、効果は限定的であった。 1929年にドイツが提案し、試作機が完成したが、1932年にイギリスが提案したLNERのクラスR1機関車を使用する同様の案は、設計段階を通過することができなかった。