気動車・ディーゼル機関車の動力伝達方式
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内燃機関は、回転数に比例して出力が増大するという基本的な性質を持つ。対して鉄道車両や自動車は、発進・加速時に最大の出力を必要とする。従って内燃機関をこれらの車両に使用する場合には、電動機のように静止状態から直結発進することはできない。動力伝達の段階において何らかの形でトルクを増大させる必要が生ずる。
近年、各種交通機関のエネルギー効率上昇に向けた取り組みが行われているが、現時点で内燃機関の熱効率の改善は限界に近付きつつあり、大幅な向上は見込めなくなってきている。一方、駆動系の伝達効率にはまだ向上の余地があり、世界各国で伝達効率の向上への取り組みが図られている。
鉄道車両用の動力伝達方式としては、一般に以下の3方式が存在する。
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[編集] 機械式
非自動の摩擦クラッチと、手動の選択摺動式、または、シンクロナイザー付き変速機（ギアボックス）を組み合わせた方式で、自動車で言う「マニュアルトランスミッション」と同様である。
この方式の長所短所は、次のとおりである。
- 長所
-
- 構造が簡易で小型軽量
- 低コスト
- パワーロスがほとんどなく、動力伝達効率が95%以上と極めて高い
- 短所
日本では1953年以前の気動車、1950年代までの入換用・軽便鉄道用小型機関車のほとんどが該当したが液体式が実用化されると廃れた。現在、気動車では営業運転に用いられる例はないが[2]、ディーゼル機関車においては大井川鐵道のDB8・9が現在も在籍していて、入換やまれに客車牽引にも使用されている。また石川県小松市には、旧・尾小屋鉄道の機械式変速機を持つディーゼル機関車DC121が動態保存されている[3]。 保線用機械に属するモーターカーの一部でも機械式が使われている。
[編集] 電子制御機械式変速機
日本国外では近年、小型軽量で、流体式トルクコンバータに比べ伝達効率も高い、という長所を伸ばす方向で、エンジンの回転数とトルクに応じたスムーズな変速と統括制御が可能な、電子制御機械式変速機の開発が行われている[4]。
ただしこの種の新しい変速機は、かつての完全非自動な機械式変速機とは全くの別物と見なければならない。21世紀初頭の現代では、流体式トルクコンバータを用いた鉄道用変速機もやはり電子制御式多段変速構造に進歩している。それらはロックアップクラッチを備えて、トルクコンバータに依存する領域を狭める努力が為されており、電子制御機械式変速機との本質的差異は、もはやトルクコンバータの有無ぐらいでしかない。
また、摩擦クラッチの電子制御のみに頼って発進・変速することは、トルクコンバータを併用する場合に比べると、大出力への対処能力やトルク確保、変速ショック対策などの面で依然として不利であり、効率面での絶対的優位性をスポイルする課題点である。
ハイブリッド気動車への応用例も出現している。2007年10月、JR北海道はモータアシスト方式ハイブリッド気動車の試作車を発表した[5]。この車両には、「アクティブシフト変速機」と称する電子制御機械式変速機が使用されている。
[編集] 電気式
英語ではガスエレクトリック、または、ディーゼルエレクトリックエンジンと呼ばれる。エンジンで発電機を駆動、発生した電力で電動機を回して走行する方式。発電機を積んだ電車・電気機関車と言えば理解しやすい。
この方式の長所短所は、以下の通り。
- 長所
-
- 運転操作は簡易。出力調整については原則的に燃料噴射ポンプを電磁弁で遠隔操作するだけで済む。このため総括制御も容易。
- 駆動系が電気車と同等のため、部品（特に主電動機や駆動装置など）の共用によるコスト削減が可能。エンジン出力制御以外に、電気車両同様な制御を併用することで出力特性に幅を持たせることができる。
- 電動機は発進時から大きなトルクを発生出来る上、短時間であれば定格出力以上の出力での動作も可能。
- 変速機、逆転器（機）が不要[6]であるため、数千馬力の大出力エンジンであっても駆動系に関わる機械的な負荷に関する制約が少なく、特に多動軸の大型機関車には有利。
- 伝達効率は90%程度とかなり良好
- 電気車両としての特質を併せ持つことから、環境対策面でその性質を活かした技術的応用が可能である。
- 電化区間ではエンジンを停止させ、併設した集電装置を用いて、電車あるいは電気機関車として運行できるものもある[7]。
- ハイブリッドシステムの導入も行いやすい。大容量の蓄電池（バッテリー）を持つシリーズハイブリッド方式による電気式気動車が日本で出現している[8]。
- 短所
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- 内燃車両としての機関や冷却系といった装備に加え、電気車としての発電セットや制御・駆動系の装備が必要になるため、大型化・複雑化の傾向があり、重量軽減やコスト抑制には不利。
電気式はエンジンの出力確保や車両搭載面での問題を克服できさえすれば、先行して実用化されていた電気車両の技術を援用可能なため、技術的ハードルが比較的低かった。このため欧米では1920年代から採用例が出現し、1930年代以降は大出力機関を搭載した大型ディーゼル機関車・気動車の駆動方式における主流となって、大出力内燃車両の普及に大きな役割を果たした。欧米・ロシア・中国等の大型機関車は、現在でも殆どこの方式である。
その歴史では長年に渡って一般に直流電動機が用いられていたが、1970年代に西ドイツで、ヘンシェル-ブラウンボベリィ両社によるDE2500（DB 202）形試作ディーゼル機関車において、ブラシレス同期発電機と誘導電動機を組み合わせてインバータ制御する効率的な方式が確立され、そちらへの移行が進んでいる。
[編集] 日本での事例
日本で電気式内燃車両を導入する試みは、技術不足によるエンジンの出力不足と発電効率の悪さに、低規格の線路状況と言う悪条件が重なり、短所ばかりが目立った。機関車では、1950年代に西ドイツやスイスとの技術提携による大出力ディーゼルエンジンの導入でDF50形として量産化されたが、代替されるべき蒸気機関車などとに比して非力な割には重くしかも高価であり、後に国産エンジン搭載の液体式ディーゼル機関車の量産により、置き換えられて淘汰された。
爾来長年にわたって日本で電気式ディーゼル機関車の系譜は途絶えていたが、高効率エンジンとブラシレス交流機器、インバータ制御の組み合わせにより、JR貨物のDF200形に再び電気式が採用された。
日本では気動車においても、1930年代と1950年代にそれぞれ少数が製作されたのみであった。特に第二次世界大戦後は国鉄で限定して試作されるに留まり、それらはのちに全て液体式に改造されている。
しかし2000年代に入り、機関車同様の交流電動機普及と省エネルギー化を背景に、蓄電池を併用するハイブリッド型として電気式の制御・駆動方式を備える気動車の研究が進められ、2007年にはJR東日本によって営業運転にキハE200形 が導入された。
JR北海道のモータアシスト式ハイブリッド気動車（2007年に試作車発表）[9]は、電気モータの出力とエンジンの出力を電子制御機械式変速機に入力するものである。発電電源でモーターを回す点は電気式気動車であり、同時にその出力配分装置も兼ねた機械式変速機を用いる機械式気動車である点で、従来と異なる特異な例と言える。
[編集] 液体式（流体式）
気動車の動力伝達にトルクコンバータ（日本では俗にトルコンと呼ばれる。以後トルコンと略）を用いた方式。昔は液圧式と呼んでいたが、静油圧駆動方式が登場してから液体式と呼ばれるようになった。
この駆動システムは気動車での使用が一般的であるが、交流電源の整流技術が未発達の頃、クモヤ790形試作交流電車において、回転数の連続可変制御が難しい交流電動機、の段付き（トルク変動）を吸収するために用いられたこともあった。
トルコンとは、比較的低粘度の液体（専用油）を満たして密封したケースの中で、入力軸に油の流れを生むポンプインペラーと、出力軸に油の流れを受けるタービンランナーの二つの羽根車を向き合わせ、それぞれの中間に置かれたステーターと呼ばれる固定子でタービンランナーから戻る油を整流して、戻り油のエネルギーをポンプインペラー側に還元しトルクを増幅する装置である。
このトルク増幅作用が流体クラッチ・フルードカップリングと異なる点である。
構造上、入力側と出力側の回転数の差が少なくなるとトルク増幅効果は薄れていき、固定されているステーターが流速の上がった戻り油に対して逆に抵抗となり始め、損失が増えていく[10]。
また、トルコンのみでは大きな変速比を得られないため、中・高速域での加速力と低燃費の両立を求められる近年の気動車では、トルコンに頼らない領域（直結段）で2～4段の変速ギアと組み合わされて使われている[11]。
1950年代に国鉄に採用され、現在（2005年）でも一部で使われている液体式変速機であるTC-2とDF115は、共に戦前に設計された海外の製品を国産化したもので、発進～中速はトルコンが受け持ち、中速～最高速は直結で動力伝達を行っていたため、上記のような変速ギアを備えていなかった。
当時、機械式、電気式との比較で論じられていたこの方式の長所短所は、次のとおりである。
- 長所
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- 気動車・小型機関車に使用する場合は、電気式よりも低コスト・軽量・コンパクトに仕上がる
- 総括制御可能
- 機械式よりも運転操作は容易
- 短所
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- 変速機の構造が極めて複雑で高価
- トルコン内の滑り現象による損失が避けられず、動力伝達効率が80～85%程度と、電気式にやや劣る[12]
- 大出力エンジンへの適応性では、電気式に劣る
鉄道用の液体式変速機は、1930年代にドイツやスウェーデンなどで開発された。日本では1953年に国鉄が導入、以来、私鉄も含めてディーゼル鉄道車両のほとんどは液体式変速機を用いている。
世界的に、気動車や小型ディーゼル機関車に多く用いられるが、一時のドイツや日本では、大型ディーゼル機関車にも好んで使われた。多彩な方式があるが、日本で広く用いられているものは以下の2方式いずれかの系統に属する。
[編集] リスホルム・スミス型
トルコンは1個で、これに遊星歯車式変速ギアを組み合わせたタイプ。構造的には自動車用自動変速機に類似し、変速の制御は、遊星歯車のギア切り替えで行う。比較的コンパクトで、日本の鉄道においてはほとんどの気動車に採用されている。
詳細については国鉄キハ44500形気動車#リスホルム・スミス式変速機も参照されたい。
[編集] フォイト型
詳細はw:Turbo-transmissionを参照
ホイト式とも称される。非常に複雑な方式であるが、原理的にはトルコンを2個以上並列で使用し、それぞれのトルコンに専用のギアを備えたタイプ。変速の制御は、使用するギア段のトルコンのみにオイルを満たして動力伝達させ、それ以外のトルコンはオイルを抜いて空回りさせる（充排油式）。リスホルム・スミス型よりも大出力、大トルクの機関にも適するが、その反面スペースを取る。このため、機関車向きの方式とされる。
[編集] 脚注
- ^ 海外においては、機械式でも電磁クラッチを利用した総括制御運転が行なわれているが、日本では採用例が無い。
- ^ 日本での機械式変速機を搭載した営業用気動車としては、1997年に廃止された南部縦貫鉄道のレールバスであるキハ101・102が最後。
- ^ 以前は同地で動態保存されている気動車キハ1もオリジナルの機械式変速機を備えていたが、その後補修部品の入手難から液体式変速機に換装されている。
- ^ 例としてデンマークの「IC3」は180km/hを可能としており、実用化に向けて200km/h運転も視野に入れた試験運転が行われている。
- ^ 同社キハ160形気動車の改造車。[1]
- ^ モータアシスト方式ハイブリッド気動車を除く。モータアシスト方式ハイブリッド気動車は、エンジンの出力も直接動力として用いるため、少なくとも変速機は必要である。
- ^ 世界的にはアメリカ合衆国などで、大都市や地下線区間に乗り入れる場合での採用が見られる。一例としてはスイスのレーテッシュ鉄道Gem4/4形ディーゼル/電気機関車などがあり、スイスでは他にも入換用機関車などに例がある。
- ^ 日本の電気式気動車#電気式の将来（ハイブリッド気動車）・JR東日本キハE200形気動車 こちらも参照されたい。
- ^ [2]
- ^ 損失増大を防ぐため、国鉄末期～JR化以降に設計されたものでは、ステーターが一方の方向だけに自由に回転できるよう、ワンウェイ・クラッチ（爪クラッチ）が組み込まれ、さらに負荷や車速の変化に合わせ、トルコンのロック、アンロックをきめ細かく電子制御されるものが主流となっている。
- ^ 電子制御による直結段での多段変速機能が実現したことは、見方を変えると「トルクコンバーターを装備した機械式変速機の実現」でもある。
- ^ トルコン以外に直結クラッチを用いる「ロックアップ機構」の多用で、ある程度改善を図れる
