柴油機車

柴油机车，又称内燃机车，是指以柴油发动机为动力来源，并通过传动装置驱动车轮的铁路机车。于20世纪中期开始各地铁路广泛使用。这些机车的功率输出和效率比蒸气机车高，自20世纪中开始在世界大部分地方成为主要铁路机车种类，柴油机车可以直接取代蒸汽机车，不像电力机车必须依赖其他的电力传送设施，如架空线或第三轨。柴油机车可按用途分类为货运机车、客运机车、调车机车、厂矿机车和内燃动车组。自1950年代起，铁路电气化开始普遍应用，随着技术进步，电力机车在牵引力、加速力、爬坡能力和最高速度上逐渐超越柴油机车，因此现时柴油机车多在一些缺乏电气化的铁路区段行走。
苏联的TEP80型是内燃机车的世界速度纪录保持者。它的最高速度是时速271公里/小时。

历史

1892年，德国工程师鲁道夫·狄塞尔（Rudolf Diesel）基于热力学中的卡诺循环，设想将吸入气缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高压空气将燃料吹入气缸并使之燃烧做功，这有别于煤气或汽油发动机吸入燃气混合气点燃做功的方式。根据这一原理，狄塞尔发明了采用柴油作为燃料的压缩点火式内燃机，也就是世界上第一台柴油机，并用自己的名称为这种发动机命名。功率大、效率高的柴油机自然成为车辆的理想动力来源，但当时柴油机刚刚起步，技术远未成熟，将体积、重量庞大的柴油机置于铁路车辆上无疑遇到相当的技术困难。1896年，英国工程师赫伯特·史塔特为英国伍利奇的皇家军工厂（Royal Arsenal）设计制造了一种使用热球式内燃机、以柴油为燃料的铁路机车，但由于设计和技术上的缺陷，其发动机功率效率比很低，被称为“准内燃机”（semi-diesel）。但另一方面这台机车的出现无疑是迈向柴油机车的重要一步。
随着狄塞尔的柴油发动机专利保护在1912年终止，这种发动机的优势很快发挥出来，被广泛应用于船舶推进和静止设备，然而早期柴油机质量大、功率重量比低的问题仍然没有得到有效解决，当时的柴油机确实存在着不少缺陷，其中最大的问题就是重量。由于柴油机汽缸压力比汽油机高很多，因而柴油机的缸体强度、体积比汽油机大得多，同时早期的柴油机使用的空气压缩机体积也非常巨大，使得柴油机整体上十分笨重。这对应用于陆地上的汽车、铁路构成一定阻碍，因此柴油发动机作为铁路机车动力来源的潜力当时并没有得到重视。
1906年，狄塞尔和德国铁路工程师阿道夫·克劳茨、瑞士一家发动机制造商格林·苏尔寿并肩合作，三方合股，成立了狄塞尔-苏尔寿-克劳茨有限公司（Diesel-Sulzer-Klose GmbH），专门设计生产铁路柴油机车。格林·苏尔寿发动机厂除了生产传统的蒸汽机，也在1898年开始生产柴油机。普鲁士国家铁路于1909年向狄塞尔-苏尔寿-克劳茨公司订购了一台柴油机车作为试验，经过3年时间的研究，世界上首台真正意义上的柴油机车于1912年的瑞士诞生。这台柴油机车重量为95吨，功率为883千瓦，最高速度100公里/小时。当年夏季这台机车在瑞士的温特图尔至罗曼斯霍恩（Romanshorn）的铁路首次亮相，经过短暂的试运行后于1912年9月交付德意志帝国使用。在1913年的试运行期间又相继发现一些问题和故障，德国和瑞士工程师也不断进行技术改进。但由于第一次世界大战在1914年爆发，进一步的试验亦告终止。
而在大洋彼岸的美国，美国啤酒制造商安海斯-布希合伙创办人之一的阿道弗斯·布希，在1898年买下了在美国生产柴油发动机的授权，虽然在20世纪初期曾经有将柴油机用于铁路轨道车的记录，但美国并没有广泛运用这种新兴动力来源于交通运输。美国通用电气公司在20世纪初涉足铁路轨道车市场，而作为通用电气创始人之一的托马斯·爱迪生也于1880年进行了电力轨道车的实验，通用电气公司于1895年首次推出了电力机车原型车。然而，高成本的电气化费用令通用电气公司将其注意力转移到柴油机上，构想出一种采用柴油发动机发电、向牵引电动机供电的“电动”轨道车，也就是后来的电传动柴油机车。但一开始研制就遇上技术困难，由于采用了哈利·沃德·伦纳德发明的直流发电机、电动机变速控制系统，导致柴油机和电动机协调性欠佳。至1914年，研制出现了重大技术突破，一位通用电气工程师赫尔曼·莱帕发明了一种可靠的直流电力控制系统并申报了专利。该控制系统将内燃发动机调节器与发电机和牵引电动机自动耦合，内燃电传动机车上就无需由第三者来人工调节发动机。这个系统的意义在于解决了电传动柴油机车的控制协调问题，并成为以后电传动柴油机车控制系统的始祖。
1917年，通用电气利用莱帕的控制系统，试制了一台实验性电力传动柴油机车，也是美国第一台电传动柴油机车。1923年，纽约市通过了考夫曼法案，禁止污染严重的蒸汽机车进入纽约市的范围。这项法案的目的是将纽约市内所有高运输量的铁路进行电气化改造，然而将低运输量地区的铁路电气化并不划算。为此纽约市请求英格索兰公司研制一种调车用柴油机车，即“Boxcab”，采用了通用电气的发动机、牵引电动机及控制系统，机车功率220千瓦，并于1925年7月交付。这种机车的实际运用显示，在当时铁路电气化成本非常高的情况下，柴油机车是十分经济的选择。1920年代中期，美国鲍德温机车厂也设计生产了一种电传动柴油机车的原型车，采用西屋电气公司（Westinghouse Electric）的电器设备，主要运用于难以运行蒸汽机车的路段，例如缺水、缺煤的地方。在这个时候，柴油机车进入实用阶段，其性能优势逐渐显现。1929年，加拿大国家铁路向西屋电气订购了两台柴油机车，成为北美首家将柴油机车运用于铁路干线的铁路公司。另一方面，柴油机车开始在调车机车范畴广泛使用，通用电气公司在1930年代生产了一系列小型调车柴油机车，西屋电气公司及鲍德温机车厂也在1929年开始生产调车柴油机车。但由于不久之后的经济大萧条，西屋电气后来停产机车，转而提供机车的电气部件。与传统的蒸汽机车相比，内燃机车动力强大，没有煤烟污染，而且维护要相对容易。在1930年代的北美大陆，电传动柴油机车迅速成为铁路干线上的主力，正式展开了由蒸汽机车到柴油机车的过度阶段，并出现了一些由单机功率900～1000千瓦柴油机车多节重联连挂组成的干线柴油机车，例如易安迪（EMD）于1939年研制成功的FT型柴油机车。
而在欧洲方面，德国的克劳斯-玛菲公司、奥格斯堡-纽伦堡机械工厂股份公司和福伊特公司于1935年研制成功世界首台液力传动柴油机车——V140——并投入运用。这一类型的柴油机车较电传动机车结构简洁、重量轻，德意志国铁路对这种机车的表现十分满意，自此液传柴油机车成为德国铁路干线的主型机车。
第二次世界大战之后，柴油机车进入迅速发展的阶段。由于柴油机的性能和制造技术迅速提高，此外废气涡轮增压系统开始普及，柴油机车功率比二战前普遍提高了约50%。到了1950年代，柴油机车数量急骤增长，直流电力传动柴油机车和液力传动内燃机车呈现双线发展。1960年代，大功率硅整流器研制成功，并应用于铁路机车，出现了交—直流电力传动的内燃机车，功率水平进一步提高。随着电子技术的发展，联邦德国（西德）亨舍尔公司和瑞士勃朗-包维利股份公司（BBC）在1971年试制出功率1840千瓦的交—直—交流电力传动柴油机车（DE2500），从而为柴油机车的技术发展提供了新的途径。

传动方式

与蒸气引擎不同，柴油机车的内燃机需经传动方能把动力输出到其车轮上，当机车停下时，其引擎可继续运作。依照动力传动方式的不同，柴油机车又可分为电力传动、液力传动、和机械传动三大类。

液力传动

液力传动柴油机车（Diesel-Hydraulic），亦称柴油液力式机车、或柴液机车，使用液力变矩器（torque-converter），又称液力变扭器，用液力把内燃机的动力传到车轮上。液力变矩器主要有三个浸在传动油的部分：离心式油泵，涡轮及中间固定导轮。离心式油泵和内燃机曲轴相连，当内燃机转动时，离心式油泵随着转动，把传动油泵向涡轮，涡轮被传动油带动而旋转，并带动导轮转动输出机械能，液力耦合器与轮轴用万向轴相连，令车轮转动。
液力传动的内燃机车结构较电传动机车简洁，重量轻，不像电力传动机车同时需要发电机，整流柜／逆变器和电动机等部件才能运作。即在同样的机车重量下，液传机车的功率一般都比电传机车大。以中国的东方红3型（液传机车）和东风型（电传机车）为例，东方红3型重量为92吨，功率达1980kW；而东风型车重126吨，功率仅1500kW。而且液传机车不需要消耗电传机车电机设备所需要的大量铜金属，制造成本较低。另外，许多工矿企业使用液力传动内燃机车，因为电传动机车的发电机和直流牵引电机电刷会产生火花，容易引起易燃气体或粉尘的爆炸。
一般来说，液力传动机车比电传动机车效率稍高。当液力机车起动和低速运行时，变扭器中的涡轮转速很低，传动油对涡轮叶片的压力就很大，从而满足机车起动时牵引力大的需求；当涡轮的转速随着机车运行速度提高而加快时，传动油对涡轮叶片的压力也逐渐减小，正好满足机车高速运行时对牵引力小的需求，但因此也有加速慢的问题。所以柴油机发出的大小不变的扭矩，经过变扭器就能变成满足列车牵引要求的机车牵引力。在特定的负载条件下，液传机车的功率传递效率比电传机车略高。全负载情况下，液传的效率稍高于电传；半负载情况下，液传效率会进一步提升，而电传效率会进一步下降。功率越小，液力传动的优势就越明显，功率越大液力传动效率越低，依靠提高泵轮转速推高功率使变扭器发出高热，造成能量流失，这时电力传动更有优势。而且液力传动柴油机车的功率难以提升，因为液力传动装置受到泵轮、变扭器箱体金属强度的限制，只能有限度承受并传递非常巨大的液压力。至2006年，德国福伊特公司才研制出世界上首台功率达5000马力的液传内燃机车Voith Maxima 40cc，但电传机车早在十几年前已达到同功率级别。早期的液传机车技术未成熟，故障率稍高。但液力变扭器传动装置本身没有磨耗零件，只要金属质量、精度达标，机车可靠性可以相当高，保养也更便捷。然而在同等功率下，液力传动的机车，耗油量要高出10~20%，经济性较差。
在铁路发展方向为重载和高速的国家，如中国和北美洲，大部分的柴油机车都是采用电力传动，这是因为液传机车无法发展为单机大功率内燃机车。而在日本和欧洲，尤其是德国，以电力为主要牵引动力，客车普遍使用高速列车，内燃机车居于次要的位置，大多用于中速轻载或调车作业，对功率要求不高，而液传机车正拥有中低速牵引力较大的特点，所以这些国家的柴油机车主要为液力传动。

机械传动

机械传动柴油机车（Diesel-mechanical）、像汽车的手动变速器一样用变速箱和离合器。但机械结构的离合器难以承受高功率，而且变速箱结构就必然十分复杂和庞大，以增加排档数提供相对平稳的变速性能，所以机械传动柴油机车功率通常很低，现时最高只有1500kW，传动效率低于液力传动和电力传动，所以机械传动多用于轻型轨道车。1960年代匈牙利也曾经生产过NC系列机械（齿轮）传动柴油动车组。