ディーゼル機関車のしくみ

ハイブリッドディーゼル機関車は、パワーと創意工夫の驚くべき展示です。それは、巨大な12気筒、2ストロークディーゼルエンジンを含むいくつかの優れた機械技術と、いくつかの頑丈な電気モーターおよび発電機を組み合わせて、適切な測定のために少しのコンピューター技術を投入します。

この270,000ポンド（122,470 kg）の機関車は、時速110マイル（177 kph）の速度で客車を牽引するように設計されています。ディーゼルエンジンは3,200馬力を発生し、発電機はこれをほぼ4,700アンペアの電流に変えることができます。 4つの駆動モーターはこの電気を使用して64,000ポンドを超える推力を生成します。列車の残りの部分に電力を供給するために、完全に独立したV-12エンジンと発電機があります。この発電機はヘッドエンドパワーユニットと呼ばれます。この列車の列車は560キロワット（kW）以上の電力を作ることができます。

ディーゼルエンジンと発電機およびモーターのこの組み合わせにより、機関車はハイブリッド車になります。この記事では、機関車がこのように作られている理由と、機関車にスチールホイールが付いている理由を学ぶことから始めます。次に、レイアウトと主要コンポーネントを見ていきます。

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コンテンツ

1. なぜハイブリッドなのか？なぜディーゼル？
2. スチールホイール
3. トラクション
4. レイアウト：メインエンジンと発電機
5. レイアウト：キャブとトラック
6. レイアウト：電力、燃料、バッテリー
7. エンジンと発電機
8. トラック：推進力とサスペンション
9. トラック：ブレーキ
10. 機関車の運転
11. 電車に乗る

ディーゼル機関車がハイブリッドである主な理由は、これにより、自動車に見られるような機械式トランスミッションが不要になるためです。車にトランスミッションがある理由を理解することから始めましょう。

あなたの車はガソリンエンジンの物理学のためにトランスミッションを必要とします。まず、どのエンジンにもレッドラインがあります。これを超えると、エンジンが爆発せずに進むことができない最大rpm（1分あたりの回転数）値です。次に、「馬力のしくみ」を読んだ場合、エンジンの回転数範囲が狭く、馬力とトルクが最大になることがわかります。たとえば、エンジンは5,200〜5,500rpmの最大馬力を生成する場合があります。トランスミッションは、車の速度が上がったり下がったりするときに、エンジンと駆動輪の間のギア比を変更することを可能にします。エンジンがレッドラインを下回り、最高のパフォーマンス（最大出力）のrpm帯域の近くにとどまることができるように、ギアをシフトします。

ほとんどの車の5速または6速トランスミッションでは、500〜6,000rpmのエンジン速度範囲で110mph（177 kph）以上の速度で走行できます。私たちのディーゼル機関車のエンジンは、はるかに狭い速度範囲を持っています。アイドル回転数は約269rpm、最高速度はわずか904rpmです。このような速度範囲では、機関車を110 mph（177 kph）にするには、20または30のギアが必要になります。

このようなギアボックスは巨大で（3,200馬力を処理する必要があります）、複雑で非効率的です。また、4セットのホイールに電力を供給する必要があり、複雑さが増します。

一緒に行くことでハイブリッドセットアップ、メインディーゼルエンジンが発電機を回し、一定の速度で実行することができます。発電機は、各車軸の主電動機に電力を送り、主電動機が車輪に動力を供給します。トラクションモーターは、ギアを変更することなく、フルストップから110 mph（177 kph）までの任意の速度で適切なトルクを生成できます。

なぜディーゼル？

ディーゼルエンジンはガソリンエンジンよりも効率的です。このような巨大な機関車は、約5台の乗用車をけん引するときに、1マイルあたり平均1.5ガロンのディーゼル（100kmあたり352L）を使用します。何百台もの満載の貨車をけん引する機関車は、これの何倍もの燃料を使用するため、効率が5〜10％低下しただけでも、すぐに燃料費が大幅に増加します。

なぜ電車は車のようなタイヤではなく、スチール製の車輪を持っているのか疑問に思ったことはありませんか？転がり摩擦を減らすためです。あなたの車が高速道路を運転しているとき、エンジン出力の25パーセントのようなものがタイヤを道路に押し下げるために使用されています。タイヤは転がるにつれて大きく曲がったり変形したりするため、多くのエネルギーを消費します。

タイヤが使用するエネルギー量は、タイヤにかかる重量に比例します。車は比較的軽いので、この量のエネルギーは許容範囲です（少しのガスを節約したい場合は、車用に低転がり抵抗タイヤを購入できます）。

電車は車の何千倍もの重さがあるので、転がり抵抗は電車を引っ張るのにかかる力を決定する大きな要因です。列車の鋼製の車輪は小さな接地面に乗っています。各車輪と線路の間の接触面積は約10セント硬貨の大きさです。

スチールトラックにスチールホイールを使用することで、変形量を最小限に抑え、転がり抵抗を低減します。実際、電車は重い物を運ぶ最も効率的な方法です。

スチールホイールを使用することの欠点は、トラクションがあまりないことです。次のセクションでは、この問題の興味深い解決策について説明します。

列車の車輪には軌道上を維持するフランジが付いているため、曲がり角を曲がるときの牽引力は問題になりません。しかし、ブレーキをかけたり加速したりするときのトラクションは問題です。

この機関車は64,000ポンドの推力を発生させることができます。しかし、この推力を効果的に使用するためには、機関車の8つの車輪が、滑ることなくこの推力を軌道に加えることができなければなりません。機関車は巧妙なトリックを使用して牽引力を高めます。

各車輪の前には、圧縮空気を使用して砂を噴霧するノズルがあり、機関車の2つのタンクに保管されています。砂は駆動輪のトラクションを劇的に増加させます。列車には、車輪が滑ったとき、またはエンジニアが緊急停止したときに、砂噴霧器を自動的に始動する電子トラクションコントロールシステムがあります。このシステムは、車輪がスリップしているトラクションモーターの出力を下げることもできます。

それでは、機関車のレイアウトを確認しましょう。

54フィート（16.2 m）の機関車のほぼすべてのインチには、機器がぎっしり詰まっています。

 

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メインエンジンと発電機

巨大な2ストロークのターボチャージャー付きV-12と発電機は、高速で重い負荷を引くのに必要な膨大な量の電力を供給します。エンジンだけで30,000ポンド（13,608 kg）以上の重量があり、発電機だけで17,700ポンド（8,029 kg）の重量があります。エンジンとジェネレーターについては後で詳しく説明します。

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タクシー

機関車の運転台は独自のサスペンションシステムに乗っており、エンジニアを衝突から隔離するのに役立ちます。シートにもサスペンションシステムを搭載。

キャブ内には2つの座席があります。1つはエンジニア用、もう1つは消防士用です。エンジニアは、機関車のすべてのコントロールに簡単にアクセスできます。消防士はラジオとブレーキコントロールだけを持っています。また、車内の機関車のすぐ前にはトイレがあります。

トラック

トラックは、車輪、トラクションモーター、ギア、サスペンション、ブレーキを備えた2つの車軸の完全なアセンブリです。これらのコンポーネントについては後で説明します。

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ヘッドエンドパワーユニット

ヘッドエンド電源ユニットはもう一つの大きなディーゼルエンジン、今回4ストローク、ツインターボキャタピラーV-12から成ります。エンジン自体は、ほとんどすべてのセミトラックのエンジンよりも強力です。列車の残りの部分に480ボルトの3相AC電力を供給する発電機を駆動します。このエンジンと発電機は、残りの列車に560 kWを超える電力を供給し、電気エアコン、照明、キッチン設備で使用します。これらのシステムに完全に独立したエンジンと発電機を使用することにより、列車はメインエンジンが故障した場合でも乗客を快適に保つことができます。また、メインエンジンの負荷を軽減します。

燃料タンク

機関車の下腹にあるこの巨大なタンクは、2,200ガロン（8,328 L）のディーゼル燃料を保持します。燃料タンクは区画化されているため、区画が損傷したり漏れ始めたりした場合、ポンプはその区画から燃料を取り除くことができます。

バッテリー

機関車は公称64ボルトの電気システムで動作します。機関車には8個の8ボルトのバッテリーがあり、それぞれの重量は300ポンド（136 kg）を超えます。これらのバッテリーは、エンジンを始動するために必要な電力を提供し（巨大なスターターモーターを備えています）、機関車内の電子機器を実行します。メインエンジンが作動すると、オルタネーターが電子機器とバッテリーに電力を供給します。

機関車の主要なシステムのいくつかをより詳細に見てみましょう。

この機関車の主なエンジンは、General Motors EMD710シリーズエンジンです。 「710」は、このターボチャージャー付き2ストロークディーゼルV-12の各シリンダーの排気量が710立方インチ（11.6 L）であることを意味します。これは、ほとんどの最大のガソリンV型8気筒エンジンの2倍以上のサイズです。ここでは、この3,200馬力のエンジンの12気筒のうちの1つについてのみ説明します。

では、なぜ2ストロークなのか？このエンジンは巨大ですが、ほとんどの小型ディーゼルエンジンのように、4ストロークディーゼルサイクルで作動すると、出力は約半分になります。これは、2ストロークサイクルでは、1回転あたり2倍の燃焼イベント（電力を生成する）が発生するためです。ディーゼル2ストロークエンジンは、2ストロークガソリンエンジンよりもはるかにエレガントで効率的であることがわかりました。詳細については、ディーゼル2ストロークエンジンのしくみを参照してください。

このエンジンが大型V型8気筒エンジンの約24倍のサイズで、4ストロークサイクルではなく2ストロークを使用している場合、なぜ約10倍の出力しか得られないのでしょうか。その理由は、このエンジンは3,200 hpを継続的に生成するように設計されており、数十年持続するためです。あなたが車のエンジンをフルパワーで継続的に動かしているなら、それが一週間続いたならあなたは幸運でしょう。

このエンジンの仕様の一部を次に示します。

この巨大なエンジンは、同様に印象的な発電機に接続されています。直径は約6フィート（1.8 m）、重さは約17,700ポンド（8,029 kg）です。ピーク時の電力では、この発電機は約1,000戸の住宅に電力を供給するのに十分な電力を供給します。

では、このすべての力はどこに行くのでしょうか？それは、トラックに配置された4つの巨大な電気モーターに入ります。

トラックは電車の中で最も重いもので、それぞれの重量は37,000ポンド（16,783 kg）です。トラックはいくつかの仕事をします。それらは機関車の重量を支えます。それらは推進力、サスペンションおよびブレーキングを提供します。ご想像のとおり、それらは途方もない構造です。

推進

トラクションモーターは、車輪に推進力を提供しています。各車軸に1つあります。各モーターは、車軸上の大きなギアと噛み合う小さなギアを駆動します。これにより、モーターが最大110mphの速度で列車を運転できるようにするギア減速が提供されます。

各モーターの重量は6,000ポンド（2,722 kg）で、最大1,170アンペアの電流を引き出すことができます。

サスペンション

トラックは機関車のサスペンションも提供します。機関車の重量は大きな丸いベアリングにかかっており、これによりトラックが旋回して列車が曲がることができます。ピボットの下には、プラットフォーム上にある巨大な板ばねがあります。プラットフォームは、トラックアセンブリに接続する4つの巨大な金属リンクによって吊り下げられています。これらのリンクにより、機関車は左右にスイングできます。

機関車の重量は板ばねにかかっており、板ばねはバンプを通過すると圧縮されます。これにより、機関車の本体がバンプから分離されます。リンクにより、トラックはトラックの変動に応じて左右に移動できます。トラックは完全に真っ直ぐではなく、高速では、トラックが横方向にスイングできない場合、トラックのわずかな変化がラフな乗り心地になります。このシステムはまた、各レールの重量を比較的均等に保ち、トラックとホイールの摩耗を減らします。

ブレーキは、車のドラムブレーキと同様のメカニズムによって提供されます。空気駆動ピストンは、輪列の外側表面に対してパッドを押します。

機械式ブレーキと組み合わせて、機関車はダイナミックブレーキを備えています。このモードでは、4つの主電動機のそれぞれが発電機のように機能し、列車の車輪を使用してモーターにトルクを加え、電流を生成します。車輪がモーターを回転させるために加えるトルクは、列車を減速させます（モーターが車輪を回転させる代わりに、車輪がモーターを回転させます）。生成された電流（最大760アンペア）は、その電流を熱に変える巨大な抵抗メッシュに送られます。冷却ファンがメッシュを通して空気を吸い込み、機関車の上部から吹き飛ばします。これは事実上、世界で最も強力なヘアドライヤーです。

後部トラックにはハンドブレーキもあります-はい、電車でさえハンドブレーキが必要です。ブレーキは空圧式であるため、コンプレッサーが作動している間のみ機能します。列車がしばらく停止していると、ブレーキをかけ続けるための空気圧がなくなります。ハンドブレーキと空気圧リザーバーのフェイルセーフがなければ、その重量が非常に大きく、車輪と軌道の間の転がり摩擦が非常に小さいため、わずかな傾斜でも列車を転がすのに十分です。

ハンドブレーキはチェーンを引っ張るクランクです。チェーンを締めるにはクランクを何度も回す必要があります。チェーンがピストンを引き出してブレーキをかけます。

あなたはただタクシーに飛び乗って、キーを回して、ディーゼル機関車で走り去るだけではありません。電車を始めることはあなたの車を始めることより少し複雑です。

エンジニアは8フィート（2.4 m）のはしごを登り、運転台の後ろの廊下に入ります。彼または彼女は、バッテリーをスターター回路に接続するナイフスイッチ（古いフランケンシュタイン映画のもののような）を使用します。次に、エンジニアは回路ブレーカーパネルの約100個のスイッチを切り替えて、ライトから燃料ポンプまですべてに電力を供給します。

次に、エンジニアは廊下を歩いてエンジンルームに入ります。彼はそこでスイッチを回して保持し、燃料システムをプライミングして、すべての空気がシステムから出ていることを確認します。次に、スイッチを反対方向に回すと、スターターモーターが作動します。エンジンがクランキングして回転を開始します。

次に、彼はキャブに上がってゲージを監視し、コンプレッサーがブレーキシステムを加圧したらブレーキを設定します。その後、彼は列車の後ろに向かい、ハンドブレーキを解除することができます。

最後に、彼はタクシーに戻り、そこから制御を引き継ぐことができます。列車の車掌から移動の許可を得ると、ベルを鳴らし続けます。ベルは連続して鳴り、エアホーンを2回鳴らします（前進を示します）。

スロットルコントロールには、8つの位置とアイドル位置があります。それぞれのスロットル位置は「ノッチ」と呼ばれます。ノッチ1が最も遅い速度で、ノッチ8が最も速い速度です。列車を動かすために、エンジニアはブレーキを解除し、スロットルをノッチ1に入れます。

このゼネラルモーターズEMD710シリーズエンジンでは、スロットルをノッチ1に入れると、一連のコンタクタ（巨大な電気リレー）が作動します。これらの接触器は、主発電機を主電動機に接続します。各ノッチは、コンタクタの異なる組み合わせに係合し、異なる電圧を生成します。コンタクタのいくつかの組み合わせは、発電機巻線の特定の部分を直列構成にし、その結果、電圧が高くなります。他の部品は特定の部品を並列に配置するため、電圧が低くなります。トラクションモーターは、より高い電圧でより多くの電力を生成します。

コンタクタが作動すると、コンピュータ化されたエンジン制御が燃料噴射装置を調整して、より多くのエンジン出力を生成し始めます。

ブレーキ制御は、ブレーキシューに圧力を印加するブレーキシリンダ内の空気圧を変化させます。同時に、それはダイナミックブレーキに溶け込み、モーターを使用して列車を減速させます。

エンジニアには、他にも多数のコントロールとインジケーターライトがあります。

コンピューター化された読み出しは、機関車全体のセンサーからのデータを表示します。エンジニアや整備士に問題の診断に役立つ情報を提供できます。たとえば、燃料ラインの圧力が高くなりすぎている場合は、燃料フィルターが詰まっている可能性があります。

それでは、電車の中を見てみましょう。

旅客列車内の宿泊施設はかなり豪華です。この列車は、ローリーからノースカロライナ州シャーロットまで毎日運行しているピエモンテです。この列車の座席は、航空会社の座席よりもリクライニングし、足元に余裕があります。フットレストもあります。

電車に乗るのは飛行機に乗るより遅いかもしれませんが、それは間違いなくはるかに快適です。歩き回るスペースも十分にあり、食堂車で食事をしたり、ラウンジカーの上からの眺めを眺めたりすることができます。一部の列車には一流の乗客用の個室さえあります-ここからそこへ行くのに悪い方法ではありません。

ディーゼル機関車と関連トピックの詳細については、次のページのリンクを確認してください。

ディーゼル機関車はどのように機能しますか？

ディーゼル機関車は何馬力ですか？

ハイブリッドディーゼル機関車と従来の機関車の違いは何ですか？

なぜ機関車はディーゼル動力ですか？

なぜ電車にスチールホイールがあるのですか？

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