中国大陆的东风11型柴油动力内燃机车
内燃机车 (英语:Internal combustion locomotive)是以内燃机 作为原动力,通过传动装置驱动车轮转动的机车,所使用的燃料由机车自身携带。多使用柴油 动力,但也有汽油 动力、天然气 动力、燃气轮机 、煤气 动力、苯 动力、萘 动力、煤油 动力、汽油 动力、氢 动力等其它动力种类。[1] [2] [3] [4]
动力来源
苯
苯机车 是以苯 为燃料的内燃机车。在1890年代至1900年代曾有多型以苯机车投入商业运营。一间名为“道依茨 ”的德国企业曾于1890年代末制造出在德国 吉森 的一处锰矿运用的实验型苯 燃料内燃机车。[5] 德国 上乌瑟尔 曾出产用于矿区和隧道工程使用的苯 燃料内燃机车。[6] 1900年年代之后就逐渐被以汽油 和柴油 为燃料的内燃机车取代。
煤油
煤油机车 是以煤油 为燃料的内燃机车。煤油机车为全球最早的燃油机车,比包括柴油机车 在内的任何燃油机车都要早些年诞生。
已知最早的煤油 动力轨道交通车辆为戈特利布·戴姆勒 于1887年研制的一型轻型轨道车 ,其在严格意义上并不属于机车。[7]
1894年,英国 赫尔河畔金斯敦 的普里斯特曼兄弟公司 为赫尔河畔金斯敦 的赫尔港 制造了一台煤油机车。该机车采用12马力双动船用发动机,转速为300转/分,使用4轮铁路货车 底盘。由于功率输出低,它一次只能牵引一节满载的铁路货车 ,并没有取得很大的成功。[8]
第一款实用型煤油机车为英国 的理查德·霍恩斯比父子公司 制造的“拉刻西斯号机车”(英文原名:Lachesis),1896年交付英国 的皇家兵工厂铁路 。理查德·霍恩斯比父子公司 曾于1896年至1903年间为英国军队 制造过一批煤油机车。
萘
萘机车 是以萘 为燃料的内燃机车。“萘 ”(音同“奈”,英语:Naphthalene),旧称艿 ,俗称焦油脑,是一种多环芳香烃 ,可从煤焦油 分离和石油提炼 制得。1913年的法国 曾测试以萘 为燃料的内燃机车。因为各种原因以萘 为燃料的内燃机车最终没能普及。
汽油
汽油内燃机车 是以汽油 为燃料的内燃机车。1894年,德国研制成功了第一台汽油内燃机车。[9] 第一型实用型商用汽油内燃机车是1902年莫兹利动力公司 为伦敦 德普特福德牛类市场(Deptford Cattle Market)制造的机械传动汽油内燃机车,其功率为80马力,使用一台3缸纵置汽油发动机,配有双速机械变速箱。[8] [10]
尽管在1914年之前即存在汽油机车,但直到一战 时期汽油机车才进入大批量运用阶段。1916年,英国企业“铁路机动车辆公司 ”开始生产“简便”[註 1] 品牌汽油机车,用于一战时期的西方战线 ,这批机车功率介乎20至40马力,设有4个车轮,轨距 为600毫米,采用机械传动。[11] 当时的英国战争部 还向“迪克—克尔联合公司 ”以及“西屋英国 ”[註 2] 订购了一批功率更大的电力传动汽油机车,这些电力传动汽油机车使用“威廉·亨利·多尔曼公司 “出品的45马力4缸汽油发动机,发电机功率为30千瓦、转速为1000转/分钟。[12] 协约国 军队共计使用1216台机械传动汽油机车和42台电力传动汽油机车。一战 结束后,大批汽油机车被当作剩余物资卖掉,并在小型工业铁路上继续发挥余热。“铁路机动车辆公司 ”在之后的数十年里仍继续制造轨道交通车辆。[11] 因汽油用作铁路机车燃料的成本过高,故汽油内燃机车最终未被普遍使用。[9]
机械传动汽油机车
多数汽油机车为机械传动汽油机车,使用机械传动 。最早的一批使用圆盘离合器或锥形离合器[13] 并以机械变速箱 驱动主轴或直接驱动,[14] 中间经鏈條傳動[11] 或经锥齿轮。[15]
电力传动汽油机车
电力传动汽油机车 是以汽油 为燃料,采用电力传动驱动车轮的内燃机车。其先通过内置汽油发电机发电,再通过多速牵引电动机 驱动车轮,无需机械传动所使用的变速箱 。因其没有机械传动装置,故拥有更平顺的加减速表现。此外,动力可由多台引擎提供,这使得它拥有了更强的牵引控制性。然而,电力传动汽油机车的发电机也存在价格偏贵、重量偏重以及因结构复杂而导致可维护性不及机械传动的不足。[16]
柴油
柴油动力内燃机车目前是内燃机车中最常用的动力来源,由柴油机 驱动。柴油机车 在历史上曾发展出多种传动模式,其中电力传动柴油机车(又称:柴电机车 )目前最为普及。
机械传动柴油机车
机械传动柴油机车使用机械装置驱动车轮。但机械结构的离合器 难以承受高功率,若增加功率则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,传动效率低于液力传动和电力传动。最早的柴油机车使用机械传动。
用于火车的机械传动装置通常比用于汽车的更复杂、更坚固。机械传动柴油机车通常在发动机 和变速箱 之间插入一个液力耦合器 ,且变速箱通常使用行星齿轮 以允许在负载下进行换档。现已有多种最大限度地减少换档过程中传动中断的设计;例如“哈德斯维尔—克拉克联合公司 ”所使用的同步自动换档变速箱。
1906年,鲁道夫·狄塞尔 和德国铁路工程师阿道夫·克劳茨 、瑞士企业苏尔寿公司 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。普鲁士国家铁路 在1909年向该公司订购一批柴油机车。全球第一台柴油机车1912年夏季在瑞士 温特图尔—罗曼斯霍恩铁路 上投入运营,但未取得商业成功;该机车使用机械传动,自重95吨,功率为883千瓦,最高速度100千米/小时。20世纪20年代中期,其它一些国家也有少量研制实验型柴油机车。[17] [18]
电力传动柴油机车
电力传动柴油机车 (Diesel-Electric),亦称柴油电力式机车 、或柴电机车 ,是通过柴油机 带动发电机 将柴油转化成电力,再由牵引电动机 驱动车轮转动的柴油机车 。可以说,电力传动柴油机车是自携发电机的电力机车 。其中使用直流发电机的柴电机车功率一般小于2200千瓦,使用交流发电机 的柴电机车功率一般大于等于2200千瓦。柴电机车的柴油机 和车轮之间不通过机械结构连接。目前的柴油机车 多数为电力传动柴油机车。
柴电机车的重要部件包含柴油机 、发电机 、牵引电动机 (通常为四轴或六轴),以及由发动机调速器、开关设备、整流器 、电子设备等组成的控制系统。控制系统可以调整对牵引电动机 的供电。最简单的情况是发电机仅通过非常简单的开关设备直接连接牵引电动机 。
在最基本的情况下,发电机 可以直接连接到电机,只有非常简单的开关设备。
最初的牵引电机和发电机均使用直流电 。随着20世纪60年代大容量硅二极管 的发展,直流发电机被先通过交流发电机 发电而后通过二极管电桥 转换为直流电 的方式取代。这一技术革新通过去除了发电机 内的整流子 和电刷 ,大大提高了柴电机车的可靠性,降低了发电机 的维护成本,避免了旧式柴电机车因发电机 内的整流子 和电刷 而导致机车故障甚至引发火灾。
在20世纪80年代末,随着大功率变频器 的发展,柴电机车已允许使用多相交流牵引电机,因而淘汰了了电机整流子 和电刷 。这使得柴电机车拥有了更加高效而稳定的表现、更低的维护成本,同时减少了像旧式牵引电动机 因过载而烧毁的情况。
1914,通用电气 工程师赫尔曼·莱帕 开发了实用型直流电 控制系统,并获得专利(后续的相关改进项目也获得了专利)。[19] 赫尔曼·莱帕 设计的使用一根控制杆同时控制发动机 和发电机 的控制方式被后来所有的柴电机车所采用。通用电气 在1917年至1918年间研制的3个柴电机车实验型号使用了赫尔曼·莱帕 的控制设计。[20]
1924年,Eel2型柴油机车 的首台机车(初始编号:Юэ 001)开始运行,该型机车为全球第一型实用型柴油机车。该型机车的总设计师为尤里·弗拉基米罗维奇·罗蒙诺索夫 ,1923年至1924年间在德国埃斯林根机械制造厂 。其拥有5根驱动轴,国际铁路联盟机车轴式 为:1'E1'。经过多次试跑后,其在1925年至1954年间进行正式运行。[21]
液力传动柴油机车
液力传动柴油机车 ,亦称“柴油液力式机车”、或“柴液机车”,使用液力变矩器 (torque-converter),又称液力变扭器,用液力把柴油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。为了让机车的整个速度范围内将发动机转度与负荷速度相匹配,需要一些额外的方法来提供足够的范围。一种方法是采用机械变速箱随液力变矩器 自动变速,类似汽车上的自动变速器。另一种方法是在同一台机车上安装多个液力变矩器 ,每个都有其对应的变化范围,进而通过多液力变矩器 联手涵盖所需变化范围的总量;全部液力变矩器 都采用机械结构连接,并通过充排传动油选择适合当前速度的液力变矩器 。充排传动油的过程是在负载下进行的,其范围变化非常平稳,不会导致传动力出现中断。
德意志联邦共和国 在其干线铁路上大量使用液力传动柴油机车,包括20世纪50年代设计的“德国联邦铁路V200.0型柴油机车 ”和20世纪六七十年代的“V160系列机车 ”。英国铁路在1955年现代化计划中亦有引入液力传动柴油机车,其中第一批为向德国引进技术后本土制造。
西班牙国家铁路曾于20世纪60年代至90年代间使用过多型由德国设计的高功率重量比的双引擎液力传动柴油机车牵引快速列车,包括:西班牙国铁340型柴油机车 、西班牙国铁352型柴油机车 、西班牙国铁353型柴油机车 、西班牙国铁354型柴油机车 。
很多调车机车 和工矿机车也采用液力传动内燃机车。[22] [23] 液力传动 在轨道交通维保车辆上也有使用,比如道碴搗固車 和钢轨打磨车 。[24]
煤气
煤气内燃机车 是以煤气 为燃料的内燃机车,其通过自身搭载的煤气发生炉将煤炭 进行气化 产生煤气 ,将煤气和空气 按一定比例注入内燃机气缸 中形成混合燃烧气体再产生动力。在20世纪20年代至60年代期间,苏联 和中国 均有研制和使用煤气内燃机车。[25] [26]
苏联运用
二十世纪初期,当内燃机车刚刚出现在苏联铁路 之时,就已经有人提出在这种机车上使用固体燃料的问题[27] 。虽然内燃机车的热效率 远比蒸汽机车 为高,但内燃机 需要使用成本较昂贵的液体燃料。由于当时石油工业 的开采技术水平还比较落后,而且石油资源储量尚未经过详细勘探探明,加上日益发展的汽车 和航空交通 都需要大量燃油,使石油 成为一种需求不断趋升的天然资源,因此在靠近煤炭 生产地区和远离石油生产地点的铁路上,用固体替代液体燃料的内燃机车就有其特别的经济价值[27] 。1926年,在苏联交通人民委员部 总工程师彼得·瓦西里耶维奇·雅各布森 的领导下,设计了一个将Eel2型柴油机车 改造为煤气内燃机车的项目。1932年起,列宁格勒铁道运输工程学院 的研究部门与列宁格勒煤气发生器工厂合作,先后进行了几个煤气 内燃机车的设计项目,最后一个项目于1936年完成设计,设想建造一台2-6-1轴式 的机车,配备液力机械传动装置和一台1860马力的串联卧式四缸四冲程 双作用活塞发动机 ,五个可燃用无烟煤 的煤气发生炉安置在一台六轴煤水车 上[28] 。
1939年,科洛姆纳机械制造厂 建造了一台实验性的TP1型内燃蒸汽机车 ,该型机车是以FD型蒸汽机车 为基础的混合动力机车,既可以像蒸汽机车一样利用来自锅炉 的蒸汽 来推动活塞 ,亦可在活塞内燃用煤气发生炉所产生的煤气来做功。由于这种机车本质上仍然是用蒸汽机 作为动力来源,和蒸汽机车 相比并没有节省多少燃料,因此没有得到进一步的发展,但该型机车的煤气发生器取得令人满意的效果,并成为后来苏联发展煤气内燃机车的基础[29] 。1943年,全苏铁道运输科学研究院 铁道工程师П·В·雅各布森和А·А·波伊达(А. А. Пойда)建议将Eel型柴油机车 改造为可燃用褐煤 的煤气内燃机车。不久之后,随着更先进的TE1型柴油机车 开始投入生产,煤气内燃机车的改造目标车型又变为TE1型柴油机车 ,取代了技术落后的Eel型柴油机车 [28] 。
TE1G 型煤气内燃机车
1950年8月,苏联第一台煤气内燃机车(TE1G -20-187)完成改造出厂,经煤气化改造后的TE1型柴油机车 被称为TE1G 型煤气内燃机车。燃烧无烟煤的燃气发生炉被放置在四轴煤水车上,煤水车采用类似棚车 的车体和ЦНИИ-ХЗ型转向架 ,车轮直径为950毫米,固定轴距为1800毫米,车钩中心间距长度为12,100毫米。燃气发生炉采用干式除渣顺吸式气化过程,机车发动机的涡轮鼓风机将空气供给煤气发生炉,并在进入炉膛的空气中混入一定比例的蒸汽,使固体燃料在煤气发生炉内进行气化作用,产生的煤气 再经过过滤器滤清后供给机车上的内燃机 。1951年底,TE1G -20-187号机车被送往伏尔加铁路局 上巴斯昆恰克机务段进行热工试验。
1952年,全苏铁道运输科学研究院 决定扩大煤气内燃机车的试制规模,并由乌兰乌德机车车辆修理厂 改造出另外5台TE1G 型煤气内燃机车 (114、146、176、209、210),均配属上巴斯昆恰克机务段投入运用。1954年,乌兰乌德机车车辆修理厂 又制造了10台TE1G 型煤气内燃机车(包括90~96号),同时对设计进行了一些修改,以提高发动机和煤气发生器的可靠性和耐用性。1950年至1954年间,共有16台机车被改造成TE1G 型煤气内燃机车 。与此同时,除了1000马力的TE1G 型煤气内燃机车 外,哈尔科夫运输机械制造厂 还制造了2000马力的TE4型煤气内燃机车 [30] 。
1959年,
苏联 向
中国 提供的TE1
G -20-096、TE1
G -20-127号煤气内燃机车。
TE4型煤气内燃机车
TE4型煤气内燃机车(俄語:ТЭ4 )是苏联 铁路的煤气内燃机车 车型之一,由位于乌克兰 的馬雷舍夫工廠 设计制造。TE4型煤气内燃机车 是在TE2型柴油机车 基础上开发的三节十二轴干线货运机车,机车中部增加了一节装有煤气 发生炉的煤气车,其余两节机车各装有一台内燃发电机组,机车燃料为液体柴油 和煤气气体的混合物。机车采用直—直流电传动,电传动系统与TE2型机车完全相同。TE4型内燃机车 于1952年试制成功,出厂后在位于乌克兰的南方铁路局进行了试运行;1953年,机车配属伏尔加铁路局 巴斯昆察机务段投入运用考核。1960年,TE4型煤气内燃机车 被改造成TE2型柴油机车 ,拆除了煤气车并换装D50型柴油机,机车车号改为TE2-20-001。
中国引入
1950年代,中国的石油工业尚处于起步阶段,通过大规模恢复西北老油田 、对陕甘宁地区 的重点勘探等措施,中国原油产量虽然逐年上升但仍供不应求。为缓解石油供应紧张状况,国家每年花费大量外汇 从苏联进口石油产品[31] 。此时中国的煤炭产能与国内需求间却无巨大的缺口。中国因而20世纪50年代产生在以后的内燃机车时代使用煤气内燃机车的想法。1959年1月至6月,由苏联向中国提供2台经改造的TE1G 型煤气内燃机车 (TE1G -20-096、TE1G -20-127),全苏铁道运输科学研究院 并派出专家与中国铁道科学研究院 、铁道部 机务局、中华人民共和国第一机械工业部 机车车辆研究所等合作,在中国的集二铁路 进行了为期半年的试验,主要研究国产无烟煤 是否适合此种煤气发生炉,检验发动机主要部件的磨耗和腐蚀情况,以及煤气内燃机车的运用及检修情况,并研究在某些缺水地区的铁路上用煤气内燃机车代替蒸汽机车 的可行性[32] 。1959年5月至6月,全苏铁道运输科学研究院 内燃机车研究所所长尼古拉·亚历山德罗维奇·富弗良斯基 访华,参加了TE1G 型煤气内燃机车 的试验总结。试验完成后,中华人民共和国铁道部 从苏联 购入其中一台TE1G 型煤气内燃机车 [33] ,并且在引入中国后称为NDQ型煤气内燃机车,“N”代表内燃、“D”代表电力传动、“Q”代表煤气。
1960年的北京内燃机务段,右为NDQ-1号煤气内燃机车,左为
卫星型 液力传动内燃机车
淘汰
无论是在苏联 还是中国 ,煤气内燃机车均表现出了因煤气杂质,煤灰和灰尘等杂质进入发动机中后,不仅会损坏气缸盖 和气阀阀门,还使机油 变质和润滑性变差,从而导致气缸套、活塞环、曲轴 的磨损增加,并且还导致的气体管路的腐蚀 及其它诸多的不足。因而20世纪60年代苏联 和中国 石油产量大幅增长后,均淘汰了煤气内燃机车。[25] [26]
天然气
天然气内燃机车 是以天然气 为燃料的内燃机车。天然气内燃机车较比现在内燃机车中最为普及的柴油内燃机车 更加环保。与柴油相比,天然气体积发热量高10%,有毒燃烧产物排放量少33%~50%,对润滑油老化的影响低30%~40%。这一切能使内燃机车具有较高的经济、生态和寿命指标。因此天然气在能量学性能和物理学性能上最适合用于内燃机车。有些天然气内燃机车实际上为天然气 、柴油 混合动力。[4]
1987年6月10日在莫斯科 近郊谢尔宾克全苏铁路运输科研所的试验场上进行了全球第一台以天然气 为燃料的机车运行试验。把烧油的内燃机车改装为天然气机车是按照四年前苏联 通过的节能纲要进行的。[34] 前苏联 及俄罗斯 曾研制出多型天然气内燃机车,天然气内燃机车至今在俄罗斯 仍有使用。中国 、秘鲁 、美国 等国均有对天然气内燃机车的研制工作。2015年,东风8B -5672号机车由原先的柴油机车 改装为柴油 -液化天然气 双燃料机车。[35] [34] [36]
燃气轮机
燃氣渦輪機車 ,又称燃气轮机机车 、燃气轮机车 ,是内燃机车的一种,使用燃气涡轮 (又称:燃气轮机 )动力。其所使用的燃气轮机 需要一个变速器来驱动车轮。当机车停车时,必须允许燃气轮机 继续运转。
燃氣渦輪機車 中使用机械传动的机车通过机械传动装置将动力由燃气轮机 传动至车轮。1861年,马克·安托万·弗朗索瓦·门诺斯(Marc Antoine Francois Mennons)在英国 成功申请了一项燃氣渦輪機車 专利(英国专利号:1633)。[37] 没有证据表明上述专利中的燃氣渦輪機車 被真正制造出来,但其设计包含了后来20世纪建造的燃氣渦輪機車 的基本特征,包括压气机 、燃烧室、涡轮机 和空气预热器。苏联 的哈尔科夫机车工厂 曾生产过多型经典燃气涡轮机车 。[38]
电力传动燃气涡轮机车是通过燃气轮机 驱动发电机 发电,而后使用电力驱动牵引电动机 驱动车轮的燃气涡轮机车 。全球第一型燃气涡轮机车 是“瑞士联邦铁路Am 4/6型燃气涡轮机车 ”,采用电力传动,由布朗-博韦里股份公司 制造,该型机车燃气轮机 的功率为1,620千瓦(2,170马力),1938年开始制造,1941年首次试跑,1944年交付瑞士联邦铁路 。同样由布朗-博韦里股份公司 制造的实验型燃氣渦輪機車 ——英国铁路18000号机车 ,于1949年交付,是英国铁路 所使用的第1型燃气涡轮机车 。英国铁路 所使用的第2型实验型燃氣渦輪機車 ——英国铁路18100号机车 ,由都城-维克斯公司 制造,1951年交付,该机车采用电力传动,后改装为电力机车 。英国铁路 所使用的第3型燃气涡轮机车 ——英国铁路燃气涡轮3型机车 ,于1961年制造完成,同样是实验型机车。[註 3]
20世纪50年代,美国铁路业者联合太平洋铁路 开始将燃气涡轮机车 用于长编组列车。[39] 这些燃气涡轮机车 被广泛用于长途列车线路,尽管其使用在石油炼制过程中所产生的低质燃油,但其燃油经济性依然较差。联合太平洋铁路 货运列车有约10%由燃气涡轮机车 牵引,燃气涡轮机车 在联合太平洋铁路 的普及率较比其它一些铁路业者要高得多。
燃气轮机 较比往复式发动机 有诸多优点。其运动部件较少,减少了润滑 需求并可能降低维护成本,并且功率重量比 要高得多。燃气轮机 在等功率下比往复式发动机 体积更小,因而能够做到机车在拥有较大的功率的同时体积却能相对较小。然而,与具有相对平顺的功率曲线的活塞发动机 不同,燃气轮机 的功率输出和效率都随着转速 而急剧下降。这使得电力传动燃氣渦輪機車更适合用于长途高速/快速列车。[40] 燃气轮机 能使用多种燃料,包括较为劣质的燃料,如重油 、天然气 、煤粉、柴油 等。因此对能源的适应性比同属内燃机车的柴油机车 强。又因为不需要水,可在低气压的高原 环境工作,环境适应性比柴油机车 和蒸汽机车 强。
电力传动燃氣渦輪機車 也存在一些诸如噪音很大等不足。[40] 燃气涡轮机车于第二次世界大战 时期开始试验,但早于1950、60年代已达高峰期。随着燃料价格飙升(石油危机 ),发现重油裂解为汽油的方法,燃氣渦輪機車 丧失了廉价的燃料,燃氣渦輪機車 已逐渐淡出。在某些天然资源特异的路线,能沿路使用一些重工厂的劣质残余油,此情况下燃氣渦輪機車 依然有竞争力,因而俄罗斯 至今仍然进行燃氣渦輪機車 的研究和生产 。
“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”、“萘内燃机车 ”、“煤油内燃机车”、“氢内燃机车”、“汽油内燃机车”、“天然气内燃机车”是内燃机车但不是柴油机车 。[3] [5] [6] [7] [8]
注释
參考資料
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外部連結