柴油机车

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柴油机车（diesel locomotive）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汽机车高，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，如架空电缆或第三轨。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型是柴油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

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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，思考让气缸内的空气高度压缩，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；这种方式与煤气或汽油发动机，将燃料空气混合气吸入气缸后点燃做功的方式不同。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（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，但当时技术远未成熟，将体积、重量庞大的柴油机置于铁路车辆上相当困难。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）。但这台机车的出现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，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，当时的柴油机仍有不少缺陷，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要求与体积都比汽油机大得多，而且早期的柴油机使用的空气压缩机体积也非常巨大，结果柴油机整体上十分笨重。这对将柴油机应用于陆地上的汽车、铁路带来不少困扰，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·苏尔寿合作，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，轨道电气化的费用高昂，通用电气公司将注意力转移到柴油机上，构想出一种采用柴油发动机发电供应牵引电动机电力的“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，所使用的由哈利·沃德·伦纳德发明的直流发电机、电动机变速控制系统，其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，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，内燃电传动机车就无需由人工调节发动机。这个系统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。到了这个时候，柴油机车终于进入实用阶段，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，柴油机车开始广泛运用于调车机车，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，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。

## 传动方式

与蒸汽引擎不同，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。

### 电力传动

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电力传动柴油机车（Diesel-Electric），亦称柴油电力式机车、或柴电机车，是把机车上柴油引擎带动发电机转化成电力，再由牵引电动机带动车轮转动。可以说，电力传动柴油机车是自携发电机的电力机车。

在最初几十年制造的柴电机车都使用调速简单的直流电动机来带动车轮，但近年来交流电动机的使用有增加趋势，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，电力传动又可再分为：

- 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。

制动（刹车）装置方面，所有电力传动柴油机车都装有高效率的空气制动机，同时大部分也使用动态制动，在这个装置下动能经由牵引电动机转换成电力，电力再由电阻转换成热能后经由散热装置散去。动态制动能在山岳地区路线减少制动装置使用及磨损，但在低速情况下则没有显著效果，仍需使用空气制动。

在美国，部分在纽约行走的柴电机车装有第三轨配电设备。在市区设有第三轨的区间可以从电网取电，以纯粹电力机车方式运作，在郊区未电气化的路段则使用柴油引擎发电，这种机车通常被称为双模式机车。至于日本的JR东日本则开发出整合柴油引擎发电机－大容量蓄电池－电动马达的混合动力柴电列车（Hybrid Train，其中KiHa E200型是最早投入实用的一款），此种设计进一步提升柴油电力传动车辆的行车品质、降低油耗与噪音，是日本内燃机动力客车的未来发展方向。

### 液力传动

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液力传动（Diesel-Hydraulic），使用此种方式的机车亦称柴油液力式机车、或柴液机车，使用液力变矩器（torque-converter，又称扭矩转换器），利用流体传动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（泵轮），涡轮，以及两者之间的固定导轮（定子）。泵轮连接于引擎输出轴，引擎转动时驱动泵轮把传动油泵向涡轮，于是传动油通过导轮，带动涡轮使其旋转而输出机械能，经由传动轴与万向轴令车轮转动。传动油随后经由导轮导引返回泵轮侧，其能量加入引擎驱动泵轮转动传动油的动能，使得输出轴扭力得以增大。以日本国铁使用于 TC2 型与 DF115 型“莱斯霍姆-史密斯（Lysholm-Smith）”液体变速机中的“6要素3段式”扭力转换器为例，能达到输入侧 4 至 5 倍的输出扭力。不过当输入侧与输出侧的转速差缩小时，扭力放大效果也下降，且固定的导轮对于流速加快的回流油液反而开始产生阻力，效率下降。

常见的液力传动系统如下：

- 莱斯霍姆-史密斯液体变速机：有一个扭力转换器、摩擦板式离合器，搭配中间轴式（或称副轴式）变速齿轮或行星齿轮变速齿轮。优点是体积较小，适合使用于动力客车；缺点是切换至直联时冲击较大，较难搭配大出力引擎。
- 福伊特（Voith）液体变速机：基本原理为并联使用 2 个以上的扭力转换器，各个扭力转换器皆配有专属齿轮。其变速与传输动力，乃是在所需档位的扭力转换器充入传动油使其发挥作用，不使用的档位则排空传动油使其空转，而进行“换档”，因此也称为“充排油式”。如有直联机转，则搭配使用液力联轴器。与莱斯霍姆-史密斯型相比，福伊特式适用于大功率、大扭力的引擎，但缺点是较占空间。
- 梅基德罗（Mekydro）式变速机：迈巴赫公司设计，由一个扭力转换器搭配可自动变速的多段齿轮变速箱，使用爪型离合器换档，全速域效率皆高，起动扭力也大。但变速时冲击较大，且齿轮变速箱的自动变速构造也较复杂。

由于单靠扭力转换器无法获得极大的变速比，因此在需要中高速域加速力又要降低油耗的新型柴油客车中所使用的变速箱，无论是液联（使用扭力转换器）与直联（动力不经扭力转换器而以机械式连结直接传动），皆具有由 1 至 4 段变速齿轮、各档位湿式多板离合器，以及让引擎动力与机械直联的锁止机构所组成的系统，功能与汽车的自排变速箱相同，借由电子控制中间轴式齿轮机构或行星齿轮机构，得以实现了早期机械式变速箱难以达成的多段变速箱总控。

液力传动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，液力传动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。而且液力传动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，液力传动机车比电力传动机车效率稍高。当液力传动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，但因此加速较慢。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，液力传动的效率稍高于电力传动；半负载情况下，液力传动效率会进一步提升，而电力传动效率会进一步下降。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并损失能量，这时电力传动就较具优势。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，对于液压力量的承受与传递有其极限。至2006年，德国福伊特公司才研制出世界上首台功率达5000马力的液力传动柴油机车Voith Maxima 40cc，但电力传动机车早在十几年前已达到同功率级别。早期的液力传动机车技术未成熟，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，耗油量要比电力传动高出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，这是因为液力传动机车难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，而液力传动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传动。

### 机械传动

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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，而且为了增加排档数以提供相对平稳的变速性能，变速箱结构必然十分复杂和庞大，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。

## 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
- 电气设备（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”、“萘机车”、“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。

## 型号列表

- 庞巴迪TRAXX
- Eurorunner
- 西门子Vectron