柴油機車

柴油機車，又稱內燃機車，是指以柴油發動機為動力來源，並通過傳動裝置驅動車輪的鐵路機車。於20世紀中期開始各地鐵路廣泛使用。這些機車的功率輸出和效率比蒸氣機車高，自20世紀中開始在世界大部份地方成為主要鐵路機車種類，柴油機車可以直接取代蒸汽機車，不像電力機車必須依賴其他的電力傳送設施，如架空線或第三軌。柴油機車可按用途分類為貨運機車、客運機車、調車機車、廠礦機車和內燃動車組。自1950年代起，鐵路電氣化開始普遍應用，隨著技術進步，電力機車在牽引力、加速力、爬坡能力和最高速度上逐漸超越柴油機車，因此現時柴油機車多在一些缺乏電氣化的鐵路區段行走。
蘇聯的TEP80型是內燃機車的世界速度紀錄保持者。它的最高速度是時速271公里/小時。

歷史

1892年，德國工程師魯道夫·狄塞爾（Rudolf Diesel）基於熱力學中的卡諾循環，設想將吸入氣缸的空氣高度壓縮，使其溫度超過燃料的自燃溫度，再用高壓空氣將燃料吹入氣缸並使之燃燒做功，這有別於煤氣或汽油發動機吸入燃氣混合氣點燃做功的方式。根據這一原理，狄塞爾發明了採用柴油作為燃料的壓縮點火式內燃機，也就是世界上第一台柴油機，並用自己的名稱為這種發動機命名。功率大、效率高的柴油機自然成為車輛的理想動力來源，但當時柴油機剛剛起步，技術遠未成熟，將體積、重量龐大的柴油機置於鐵路車輛上無疑遇到相當的技術困難。1896年，英國工程師赫伯特·史塔特為英國伍利奇的皇家軍工廠（Royal Arsenal）設計製造了一種使用熱球式內燃機、以柴油為燃料的鐵路機車，但由於設計和技術上的缺陷，其發動機功率效率比很低，被稱為「准內燃機」（semi-diesel）。但另一方面這台機車的出現無疑是邁向柴油機車的重要一步。
隨著狄塞爾的柴油發動機專利保護在1912年終止，這種發動機的優勢很快發揮出來，被廣泛應用於船舶推進和靜止設備，然而早期柴油機質量大、功率重量比低的問題仍然沒有得到有效解決，當時的柴油機確實存在著不少缺陷，其中最大的問題就是重量。由於柴油機汽缸壓力比汽油機高很多，因而柴油機的缸體強度、體積比汽油機大得多，同時早期的柴油機使用的空氣壓縮機體積也非常巨大，使得柴油機整體上十分笨重。這對應用於陸地上的汽車、鐵路構成一定阻礙，因此柴油發動機作為鐵路機車動力來源的潛力當時並沒有得到重視。
1906年，狄塞爾和德國鐵路工程師阿道夫·克勞茨、瑞士一家發動機製造商格林·蘇爾壽並肩合作，三方合股，成立了狄塞爾-蘇爾壽-克勞茨有限公司（Diesel-Sulzer-Klose GmbH），專門設計生產鐵路柴油機車。格林·蘇爾壽發動機廠除了生產傳統的蒸汽機，也在1898年開始生產柴油機。普魯士國家鐵路於1909年向狄塞爾-蘇爾壽-克勞茨公司訂購了一台柴油機車作為試驗，經過3年時間的研究，世界上首台真正意義上的柴油機車於1912年的瑞士誕生。這台柴油機車重量為95噸，功率為883千瓦，最高速度100公里/小時。當年夏季這台機車在瑞士的溫特圖爾至羅曼斯霍恩（Romanshorn）的鐵路首次亮相，經過短暫的試運行後於1912年9月交付德意志帝國使用。在1913年的試運行期間又相繼發現一些問題和故障，德國和瑞士工程師也不斷進行技術改進。但由於第一次世界大戰在1914年爆發，進一步的試驗亦告終止。
而在大洋彼岸的美國，美國啤酒製造商安海斯-布希合夥創辦人之一的阿道弗斯·布希，在1898年買下了在美國生產柴油發動機的授權，雖然在20世紀初期曾經有將柴油機用於鐵路軌道車的記錄，但美國並沒有廣泛運用這種新興動力來源於交通運輸。美國奇異公司在20世紀初涉足鐵路軌道車市場，而作為奇異創始人之一的湯瑪斯·愛迪生也於1880年進行了電力軌道車的實驗，奇異公司於1895年首次推出了電力機車原型車。然而，高成本的電氣化費用令奇異公司將其注意力轉移到柴油機上，構想出一種採用柴油發動機發電、向牽引電動機供電的「電動」軌道車，也就是後來的電傳動柴油機車。但一開始研製就遇上技術困難，由於採用了哈利·沃德·倫納德發明的直流發電機、電動機變速控制系統，導致柴油機和電動機協調性欠佳。至1914年，研製出現了重大技術突破，一位奇異工程師赫爾曼·萊帕發明了一種可靠的直流電力控制系統並申報了專利。該控制系統將內燃發動機調節器與發電機和牽引電動機自動耦合，內燃電傳動機車上就無需由第三者來人工調節發動機。這個系統的意義在於解決了電傳動柴油機車的控制協調問題，並成為以後電傳動柴油機車控制系統的始祖。
1917年，奇異利用萊帕的控制系統，試製了一台實驗性電力傳動柴油機車，也是美國第一台電傳動柴油機車。1923年，紐約市通過了考夫曼法案，禁止污染嚴重的蒸汽機車進入紐約市的範圍。這項法案的目的是將紐約市內所有高運輸量的鐵路進行電氣化改造，然而將低運輸量地區的鐵路電氣化並不划算。為此紐約市請求英格索蘭公司研製一種調車用柴油機車，即「Boxcab」，採用了奇異的發動機、牽引電動機及控制系統，機車功率220千瓦，並於1925年7月交付。這種機車的實際運用顯示，在當時鐵路電氣化成本非常高的情況下，柴油機車是十分經濟的選擇。1920年代中期，美國鮑德溫機車廠也設計生產了一種電傳動柴油機車的原型車，採用西屋電氣公司（Westinghouse Electric）的電器設備，主要運用於難以運行蒸汽機車的路段，例如缺水、缺煤的地方。在這個時候，柴油機車進入實用階段，其性能優勢逐漸顯現。1929年，加拿大國家鐵路向西屋電氣訂購了兩台柴油機車，成為北美首家將柴油機車運用於鐵路幹線的鐵路公司。另一方面，柴油機車開始在調車機車範疇廣泛使用，奇異公司在1930年代生產了一系列小型調車柴油機車，西屋電氣公司及鮑德溫機車廠也在1929年開始生產調車柴油機車。但由於不久之後的經濟大蕭條，西屋電氣後來停產機車，轉而提供機車的電氣部件。與傳統的蒸汽機車相比，內燃機車動力強大，沒有煤煙污染，而且維護要相對容易。在1930年代的北美大陸，電傳動柴油機車迅速成為鐵路幹線上的主力，正式展開了由蒸汽機車到柴油機車的過度階段，並出現了一些由單機功率900～1000千瓦柴油機車多節重聯連掛組成的幹線柴油機車，例如易安迪（EMD）於1939年研製成功的FT型柴油機車。
而在歐洲方面，德國的克勞斯-瑪菲公司、奧格斯堡-紐倫堡機械工廠股份公司和福伊特公司於1935年研製成功世界首台液力傳動柴油機車——V140——並投入運用。這一類型的柴油機車較電傳動機車結構簡潔、重量輕，德意志國鐵路對這種機車的表現十分滿意，自此液傳柴油機車成為德國鐵路幹線的主型機車。
第二次世界大戰之後，柴油機車進入迅速發展的階段。由於柴油機的性能和製造技術迅速提高，此外廢氣渦輪增壓系統開始普及，柴油機車功率比二戰前普遍提高了約50%。到了1950年代，柴油機車數量急驟增長，直流電力傳動柴油機車和液力傳動內燃機車呈現雙線發展。1960年代，大功率矽整流器研製成功，並應用於鐵路機車，出現了交—直流電力傳動的內燃機車，功率水平進一步提高。隨著電子技術的發展，聯邦德國（西德）亨舍爾公司和瑞士勃朗-包維利股份公司（BBC）在1971年試製出功率1840千瓦的交—直—交流電力傳動柴油機車（DE2500），從而為柴油機車的技術發展提供了新的途徑。

傳動方式

與蒸氣引擎不同，柴油機車的內燃機需經傳動方能把動力輸出到其車輪上，當機車停下時，其引擎可繼續運作。依照動力傳動方式的不同，柴油機車又可分為電力傳動、液力傳動、和機械傳動三大類。

液力傳動

液力傳動柴油機車（Diesel-Hydraulic），亦稱柴油液力式機車、或柴液機車，使用液力變矩器（torque-converter），又稱液力變扭器，用液力把內燃機的動力傳到車輪上。液力變矩器主要有三個浸在傳動油的部分：離心式油泵，渦輪及中間固定導輪。離心式油泵和內燃機曲軸相連，當內燃機轉動時，離心式油泵隨著轉動，把傳動油泵向渦輪，渦輪被傳動油帶動而旋轉，並帶動導輪轉動輸出機械能，液力耦合器與輪軸用萬向軸相連，令車輪轉動。
液力傳動的內燃機車結構較電傳動機車簡潔，重量輕，不像電力傳動機車同時需要發電機，整流櫃／逆變器和電動機等部件才能運作。即在同樣的機車重量下，液傳機車的功率一般都比電傳機車大。以中國的東方紅3型（液傳機車）和東風型（電傳機車）為例，東方紅3型重量為92噸，功率達1980kW；而東風型車重126噸，功率僅1500kW。而且液傳機車不需要消耗電傳機車電機設備所需要的大量銅金屬，製造成本較低。另外，許多工礦企業使用液力傳動內燃機車，因為電傳動機車的發電機和直流牽引電機電刷會產生火花，容易引起易燃氣體或粉塵的爆炸。
一般來說，液力傳動機車比電傳動機車效率稍高。當液力機車起動和低速運行時，變扭器中的渦輪轉速很低，傳動油對渦輪葉片的壓力就很大，從而滿足機車起動時牽引力大的需求；當渦輪的轉速隨著機車運行速度提高而加快時，傳動油對渦輪葉片的壓力也逐漸減小，正好滿足機車高速運行時對牽引力小的需求，但因此也有加速慢的問題。所以柴油機發出的大小不變的扭矩，經過變扭器就能變成滿足列車牽引要求的機車牽引力。在特定的負載條件下，液傳機車的功率傳遞效率比電傳機車略高。全負載情況下，液傳的效率稍高於電傳；半負載情況下，液傳效率會進一步提升，而電傳效率會進一步下降。功率越小，液力傳動的優勢就越明顯，功率越大液力傳動效率越低，依靠提高泵輪轉速推高功率使變扭器發出高熱，造成能量流失，這時電力傳動更有優勢。而且液力傳動柴油機車的功率難以提升，因為液力傳動裝置受到泵輪、變扭器箱體金屬強度的限制，只能有限度承受並傳遞非常巨大的液壓力。至2006年，德國福伊特公司才研製出世界上首台功率達5000馬力的液傳內燃機車Voith Maxima 40cc，但電傳機車早在十幾年前已達到同功率級別。早期的液傳機車技術未成熟，故障率稍高。但液力變扭器傳動裝置本身沒有磨耗零件，只要金屬質量、精度達標，機車可靠性可以相當高，保養也更便捷。然而在同等功率下，液力傳動的機車，耗油量要高出10~20%，經濟性較差。
在鐵路發展方向為重載和高速的國家，如中國和北美洲，大部分的柴油機車都是採用電力傳動，這是因為液傳機車無法發展為單機大功率內燃機車。而在日本和歐洲，尤其是德國，以電力為主要牽引動力，客車普遍使用高速列車，內燃機車居於次要的位置，大多用於中速輕載或調車作業，對功率要求不高，而液傳機車正擁有中低速牽引力較大的特點，所以這些國家的柴油機車主要為液力傳動。

機械傳動

機械傳動柴油機車（Diesel-mechanical）、像汽車的手動變速器一樣用變速箱和離合器。但機械結構的離合器難以承受高功率，而且變速箱結構就必然十分複雜和龐大，以增加排檔數提供相對平穩的變速性能，所以機械傳動柴油機車功率通常很低，現時最高只有1500kW，傳動效率低於液力傳動和電力傳動，所以機械傳動多用於輕型軌道車。1960年代匈牙利也曾經生產過NC系列機械（齒輪）傳動柴油動車組。