柴油機車

柴油機車（）是指以柴油发动机为動力來源，并通过传动装置驱动车轮的鐵路機車。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汽機車高，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，如架空電纜或第三軌。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，鐵路電氣化开始普遍应用，随着技术进步，電力機車在牵引力、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型是柴油机车的世界速度紀錄保持者。它的最高速度是時速271公里/小時。

历史
220px|thumb|中国东风11型柴油机车
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，英国工程师为英国伍利奇的皇家军工厂（Royal Arsenal）设计制造了一种使用、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“準内燃机”（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，然而早期柴油机重量大、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、瑞士一家发动机制造商并肩合作，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。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Churella, page 12。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，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发明了一种可靠的直流电力控制系统并申报了专利Lemp, Hermann. U.S. Patent No. 1,154,785, filed April 8, 1914, and issued September 28, 1915. Accessed via Google Patent Search at: US Patent #1,154,785  on February 8, 2007.。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，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Churella, 25-27。1920年代中期，美国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Churella, 27。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Churella, 28-30。与传统的蒸汽机车相比，柴油机车动力强大，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柴油机车呈现双线发展。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—直流电力传动的柴油机车，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。

傳動方式
與蒸汽引擎不同，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。

電力傳動
220px|thumb|美國F59PHI型柴電機車
電力傳動柴油機車（Diesel-Electric），亦稱柴油電力式機車、或柴電機車，是把機車上柴油引擎带动發電機轉化成電力，再由牵引电动机帶動車輪转动。可以說，電力傳動柴油機車是自携發電機的電力機車。

在最初幾十年製造的柴電機車都使用调速简单的直流电动机來帶動車輪，但近年來交流电动机的使用有增加趨勢，因为交流牵引电动机比直流电动机结构简单，易于维护，功率更大，但是需要配搭技术要求和质量高的VVVF逆变器达到良好的调速性能。按照直流和交流模式，電力傳動又可再分为：
 直流电力传动：牵引发电机和电动机均为直流电机。
 交—直流电力传动：使用三相交流同步发电机，发出交流电经过整流器装置变为直流电，供应直流牵引电动机。
 交—直—交流电力传动：使用三相交流同步发电机，发出交流电通过整流器变为直流电，电路中恒定直流电压通过逆变器调节其振幅和频率，将直流电逆变成变频调压交流电，供给交流牵引电动机。

制動（煞車）裝置方面，所有電力傳動柴油机车都装有高效率的空气制动机，同时大部分也使用動態制動，在這個裝置下動能經由牵引电动机轉換成電力，電力再由電阻轉換成熱能後經由散熱裝置散去。动態制動能在山岳地區路線減少制動裝置使用及磨損，但在低速情況下則沒有顯著效果，仍需使用空气制动。

在美國，部分在紐約行走的柴電機車裝有第三軌配電設備。在市區設有第三軌的區間可以從電網取電，以純粹電力機車方式運作，在郊區未電氣化的路段則使用柴油引擎發電，這種機車通常被稱為雙模式機車。至於日本的JR東日本則開發出整合柴油引擎發電機－大容量蓄電池－電動馬達的混合動力柴電列車（Hybrid Train，其中KiHa E200型是最早投入實用的一款），此種設計進一步提升柴油電力傳動車輛的行車品質、降低油耗與噪音，是柴電動力列車的未來發展方向。

液力傳動
液力傳動（Diesel-Hydraulic），使用此種方式的機車亦稱柴油液力式機車、或柴液機車，使用液力變矩器（torque-converter，又称扭矩轉換器），利用流體傳動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（泵輪），渦輪，以及兩者之間的固定導輪（定子）。泵輪連接於引擎輸出軸，引擎轉動時驅動泵輪把傳動油泵向渦輪，於是傳動油通過導輪，帶動渦輪使其旋轉而输出機械能，經由傳動軸與万向轴令车轮转动。傳動油隨後經由導輪導引返回泵輪側，其能量加入引擎驅動泵輪轉動傳動油的動能，使得輸出軸扭力得以增大。以日本國鐵使用於 TC2 型與 DF115 型「萊斯霍姆-史密斯（Lysholm-Smith）」液體變速機中的「6要素3段式」扭力轉換器為例，能達到輸入側 4 至 5 倍的輸出扭力。不過當輸入側與輸出側的轉速差縮小時，扭力放大效果也下降，且固定的導輪對於流速加快的回流油液反而開始產生阻力，效率下降。

常見的液力傳動系統如下：

 萊斯霍姆-史密斯液體變速機：有一個扭力轉換器、摩擦板式離合器，搭配中間軸式（或稱副軸式）變速齒輪或行星齒輪變速齒輪。優點是體積較小，適合使用於動力客車；缺點是切換至直聯時衝擊較大，較難搭配大出力引擎。
 福伊特（Voith）液體變速機：基本原理為併聯使用 2 個以上的扭力轉換器，各個扭力轉換器皆配有專屬齒輪。其變速與傳輸動力，乃是在所需檔位的扭力轉換器充入傳動油使其發揮作用，不使用的檔位則排空傳動油使其空轉，而進行「換檔」，因此也稱為「充排油式」。如有直聯機轉，則搭配使用液力聯軸器。與萊斯霍姆-史密斯型相比，福伊特式適用於大功率、大扭力的引擎，但缺點是較佔空間。
 梅基德羅（Mekydro）式變速機：邁巴赫公司設計，由一個扭力轉換器搭配可自動變速的多段齒輪變速箱，使用爪型離合器換檔，全速域效率皆高，起動扭力也大。但變速時衝擊較大，且齒輪變速箱的自動變速構造也較複雜。

由於單靠扭力轉換器無法獲得極大的變速比，因此在要求中高速域加速力與低油耗並重的新型柴油客車中所使用的變速箱，無論是液聯（使用扭力轉換器）與直聯（跳過扭力轉換器而以機械式連結直接傳動），具有由 1 至 4 段變速齒輪、各檔位濕式多板離合器，以及讓引擎動力與機械直聯的鎖止機構所組成的系統，功能與汽車的自排變速箱相同，藉由電子控制中間軸式齒輪機構或行星齒輪機構，得以實現了早期機械式變速箱難以達成的多段變速箱總控。

液力傳動的柴油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，整流器／逆变器和电动机等部件才能运作。在同样的机车重量下，液力傳動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。而且液力傳動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柴油机车，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，液力傳動機車比電力傳動機車效率稍高。当液力傳動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很大，可以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，恰好配合机车高速运行时对牵引力小的需求，但因此加速較慢。柴油机发出的大小不变的扭矩，经过变扭器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，液力傳動的效率稍高于电力傳動；半负载情况下，液力傳動效率会进一步提升，而电力傳動效率会进一步下降。功率越小，液力传动的优势就越明显，但功率越大液力传动效率越低。且提高泵轮转速以增加功率使变扭器发出高热並損失能量，这时电力传动就較具优势。而且液力傳動柴油機車的功率难以提升，因为液力传动装置受到泵轮、变扭器箱体金属强度的限制，對於液壓力量的承受與傳遞有其極限。至2006年，德国福伊特公司才研制出世界上首台功率达5000马力的液力傳動柴油机车，但電力傳動机车早在十几年前已达到同功率级别。早期的液力傳動机车技术未成熟，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，耗油量要比電力傳動高出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，大部分的柴油機車都是採用電力傳動，这是因为液力傳動机车難以发展出单机大功率柴油机车。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，柴油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，而液力傳動机车中低速牵引力较大的特点恰好符合需求，所以这些国家的柴油机车主要为液力傳動。

機械傳動
220px|thumb|機械傳動的柴油機車British Rail Class 03型(1957)
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，所以機械傳動柴油機車功率通常很低，现时最高只有1500kW，传动效率低於液力传动和电力传动，所以機械傳動多用于轻型轨道车。1960年代匈牙利也曾经生产过NC系列機械（齿轮）傳動柴油动车组。

检修
柴油机车检修主要包含：
内燃机（通常包含柴油机、调速器、增压器、水泵、机油泵等）检修
走行部分（转向架）检修
电氣設備（包含启动电机、主发电机、牵引电机、机车控制电器电路、微机部分）
制动（制动机、制动管路、各类控制阀、风泵等）
车体（包含构架、蒙皮、涂装、门、窗等）有待完善

 “内燃机车”与“柴油机车”的关系 
因多数内燃机车使用柴油动力而使得很多人“内燃机车”与“柴油机车”两个词当作同义词而含糊的使用，但二者并非完全等同的关系。柴油机车是内燃机车的一种，而内燃机车不一定是柴油机车，比如“苯内燃机车”、“”、“煤油内燃机车”、“汽油内燃机车”、“氢内燃机车”、“天然气内燃机车”、“煤气内燃机车”是内燃机车但不是柴油机车。

型號列表
 龐巴迪TRAXX
 Eurorunner
 西門子Vectron

参看
内燃机车
電力機車
柴聯車
 中国柴油机车列表

 参考文献 

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