JP2014113838A - 高速走行機関車 - Google Patents

Abstract

【課題】高速性能を達成するために搭載したディーゼルエンジン及び液体変速機に対して十分な冷却性能を確保しつつ、冷却室をコンパクトに構成できる４軸車の高速走行機関車を提供すること。
【解決手段】高速走行機関車１は、動力室２０にディーゼルエンジン２１と液体変速機２２とを有し、４軸の車輪４で走行する。冷却室３０は、２つのラジエータ３１Ａ，３１Ｂと２つのオイルクーラ３２Ａ，３２Ｂと２つの冷却ファン３３Ａ，３３Ｂとを有する。冷却室３０の中央部には、回転軸３３ａが鉛直方向に延びる２つの冷却ファン３３Ａ，３３Ｂが長手方向に直列的に配置される。そして、冷却室３０の両側面３０ａ，３０ｂには、１つのラジエータ３１Ａ（３１Ｂ）と１つのオイルクーラ３２Ａ（３２Ｂ）とが長手方向に直列的に配置されると共に、対向する両側面３０ａ，３０ｂでラジエータ３１Ａ（３１Ｂ）とオイルクーラ３２Ｂ（３２Ａ）とが正対するように配置される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、高速走行機関車に関し、特に、ディーゼルエンジン及び液体変速機に対して十分な冷却性能を確保しつつ、冷却室をコンパクトに構成できる高速走行機関車に関する。

機関車として、例えば、下記非特許文献１に記載されているように、ＤＥ１０型ディーゼル機関車と呼ばれるもの（以下、「従来の機関車」と呼ぶ）がある。この従来の機関車は、大型のディーゼルエンジンに一体的に組付けられた液体変速機と逆転機とを台枠に搭載し、逆転機と２台の台車の駆動輪とを推進軸で連結している。そして、一方の台車が３軸の車輪を有し、他方の台車が２軸の車輪を有するため、ディーゼルエンジンから液体変速機と逆転機と推進軸を介して各台車に駆動力が伝達されて、５軸の車輪で走行するようになっている。

この従来の機関車は、５軸車であると共に大型のディーゼルエンジンを搭載しているため、低速における十分な牽引力を有しているが、車両自体が重く且つ約７５ｋｍ／ｈ以上の高速性能を達成することができない。そして、５軸車用の台車は独特であるため、現在その台車をほとんど製造することができないという事情がある。そこで、４軸車において、低速における十分な牽引力を確保できると共に、約９０ｋｍ／ｈ以上の高速性能を達成することができる機関車が求められていた。即ち、従来の機関車の代替え車両として、従来の機関車の基本性能を維持しつつ、車両自体が軽く且つ高速性能を達成することができる４軸車が求められていた。

ここで、４軸車の機関車において、約９０ｋｍ／ｈ以上の高速性能を達成するためには、高回転且つ高馬力の大型のディーゼルエンジンと、このディーゼルエンジンに合う液体変速機を搭載することが必要である。そして、このディーゼルエンジンの冷却水を熱交換するラジエータと、液体変速機の作動油を熱交換するオイルクーラと、冷却風を吸引する冷却ファンを搭載する必要がある。従来の機関車では、これらラジエータとオイルクーラと冷却ファンが、図７に示すように、冷却室１３０に配置されていた。

即ち、図７に示すように、冷却室１３０の中央部に、回転軸を鉛直方向に向けた１つの大型の冷却ファン１３３が配置され、冷却室１３０の一方側（図７の左側）の側面１３０ａに、１つの大型のラジエータ１３１が配置され、冷却室１３０の他方側（図７の右側）の側面１３０ｂに、１つの大型のオイルクーラ１３２が配置されていた。そして、このような冷却室内１３０の各機器の配置は、例えば下記特許文献１の図６においても、同様に記載されている。

特開２００５−６７３５２号公報

「ＤＥ１０型ディーゼル機関車（量産形）」株式会社交友社 １９８６年第１７頁

しかしながら、図７に示すような冷却室１３０は、５軸車用の従来の機関車に用いられるものであって寸法が大きく、４軸車の機関車に適用しようとすると、コンパクト且つ軽量に構成される４軸車のメリットが阻害されてしまう。即ち、大きな冷却室１３０によって、車両重量が増加して高速性能が低下すると共に、機関車の全長が長くなってホイールベースも長くなるため、急なカーブが曲がり難くなる。更に、耐荷重の低い橋を通過する際に橋に高負荷を与えることになる。一方、仮に、冷却室１３０をコンパクトに構成するために、ラジエータ１３１、オイルクーラ１３２、冷却ファン１３３の大きさを単に小さくすると、高速性能を達成するために搭載したディーゼルエンジン及び液体変速機に対して十分な冷却性能を確保できなくなるという問題点がある。

そこで、本発明は上記した課題を解決するためになされたものであり、高速性能を達成するために搭載したディーゼルエンジン及び液体変速機に対して十分な冷却性能を確保しつつ、冷却室をコンパクトに構成できる４軸車の高速走行機関車を提供することを目的とする。

本発明に係る高速走行機関車は、ディーゼルエンジンと液体変速機とを有する動力室と、前記動力室に隣接していて前記ディーゼルエンジンの冷却水を熱交換するラジエータと前記液体変速機の作動油を熱交換するオイルクーラと冷却風を吸引する冷却ファンとを有する冷却室とを備え、前記ディーゼルエンジンから台車に駆動力が伝達されて４軸の車輪で走行するものであって、前記冷却室は、２つの前記ラジエータと２つの前記オイルクーラと２つの前記冷却ファンとを有し、前記冷却室の中央部には、回転軸が鉛直方向に延びる２つの冷却ファンが長手方向に直列的に配置され、前記冷却室の両側面には、１つのラジエータと１つのオイルクーラとが長手方向に直列的に配置されると共に、対向する両側面でラジエータとオイルクーラとが正対するように配置されていることを特徴とする。

本発明に係る高速走行機関車によれば、比較的小さな２つの冷却ファンを長手方向に直列的に配置することで、吸引する冷却風の風量を十分に確保しつつ、冷却室の幅方向の寸法を小さくできる。また、冷却室の両側面に、１つのラジエータと１つのオイルクーラとを長手方向に直列的に配置すると共に、対向する両側面でラジエータとオイルクーラとが正対するように配置することで、十分な冷却性能を確保しつつ、冷却室の長手方向の寸法を小さくできる。従って、十分な冷却性能を有する冷却室を、コンパクトに構成することができる。

また、本発明に係る高速走行機関車において、前記液体変速機の中間軸に、その回転角を検出する回転角検出器が設けられ、前記台車に、走行中の車輪の進行方向前方に対して増粘着剤を噴射する噴射装置が設けられ、前記動力室に隣接する運転室に、前記検出された回転角に基づいて走行速度を演算すると共に前記噴射装置の噴射を制御する制御装置が設けられ、前記制御装置は、走行速度が微小時間に所定速度値以上変化したときに空転又は滑走が生じていると判定して、前記噴射装置が前記粘着剤を噴射するように制御することが好ましい。

この場合には、液体変速機の中間軸に回転角検出器を設けて、この回転角検出器を用いて演算される走行速度の変化を見ることで、空転又は滑走が生じているか否かを判定する。このように、空転又は滑走を判定するために、液体変速機の中間軸に１つの回転角検出器を取付けるだけであり、台車側に電気機器を設ける必要がなく、動力室と運転室の制御装置との間に短い電気配線を設ければ良い。従って、構造がシンプルで安価に空転又は滑走を判定できる。
そして、空転又は滑走が生じていると判定されると、噴射装置が車輪の進行方向前方に対して増粘着剤を噴射する。これにより、車輪とレールとの間の粘着力を大きくすることができ、空転又は滑走を防止できる。

また、本発明に係る高速走行機関車において、前記制御装置は、空転が生じていると判定すると所定時間の間、エンジン回転数をアイドリング状態に制御すると共に、前記噴射装置が増粘着剤を噴射し続けるように制御し、その後に空転が生じていると判定したときのエンジン回転数より下げた値から空転が生じていると判定したときのエンジン回転数まで、エンジン回転数を徐々に増加させるように制御することが好ましい。

この場合には、空転が生じていると判定されると所定時間の間、エンジン回転数がアイドリング状態に制御されて、車輪に作用する駆動力が減少すると共に、噴射装置が増粘着剤を噴射し続けて、車輪とレールとの間の粘着力が大きくなる。こうして、車輪に作用する駆動力の減少と、車輪に作用する粘着力の増大とによって、空転を確実に防止できる。その後、エンジン回転数は、空転が生じていると判定されたときのエンジン回転数より下げた値から、空転が生じていると判定されたときのエンジン回転数まで徐々に増加する。この結果、空転を一旦防止した後に、車輪に作用する駆動力を、空転が生じていると判定されたときの駆動力まで徐々に戻すことによって、空転が再発することを防止できる。

また、本発明に係る高速走行機関車において、前記増粘着剤は、アルミナであることが好ましい。
この場合には、増粘着剤として少量のアルミナを用いることで、結果として安価で、車輪とレールとの間の粘着係数を大幅に向上できる。

本発明によれば、高速性能を達成するために搭載したディーゼルエンジン及び液体変速機に対して十分な冷却性能を確保しつつ、冷却室をコンパクトに構成できる４軸車の高速走行機関車を提供できる。

本実施形態の高速走行機関車の側面図である。 図１に示した高速走行機関車の平面図である。 図２に示した冷却室を拡大した平面図である。 図３に示した冷却室の正面図である。 本実施形態の空転防止制御の機能ブロック図である。 （ａ）速度指令値を示したタイムチャートである。（ｂ）エンジン回転数を示したタイムチャートである。（ｃ）走行速度を示したタイムチャートである。（ｄ）噴射指令を示したタイムチャートである。 従来の機関車の冷却室を示した平面図である。

本発明に係る高速走行機関車の実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の高速走行機関車１の側面図であり、図２は、図１に示した高速走行機関車１の平面図である。図２では、車体２に収容されている各機器を透視した状態が示されている。

高速走行機関車１は、図１に示すように、車体２を支持する２台の台車３Ａ，３Ｂによって、合計４軸の車輪４で走行する４軸車である。車体２は、運転室１０を有する凸形状になっていて、ボンネットの長い方に動力室２０と冷却室３０を有し、ボンネットの短い方に燃料室４０を有している。各台車３Ａ，３Ｂは、軸梁式で枕バネを備えている。ここで、高速走行機関車１の走行方向によって車両前方側と車両後方側とが入れ替わるが、本実施形態では説明を分かり易くするために、図１及び図２の左側を前方側とし、図１及び図２の右側を後方側とする。

運転室１０には、図２に示すように、運転台１１が設けられていて、運転士が走行するために必要な各装置、即ち、速度指令値Ｎを入力するためのマスコンハンドル１２（図５参照）、ブレーキ入力値を入力するブレーキハンドル、走行方向を切替えるためのレバーサ等が備えられている。運転室１０は、車体２のうち比較的軽量であるため、図１に示すように、台枠５の長手方向の中央付近の上側に設けられていて、車両の長手方向の重量バランスを保つようになっている。運転室１０の上部には、運転士が前後左右方向の視界を確保するための運転窓１３が設けられている。

動力室２０は、運転室１０に対して前方側に隣接して設けられていて、図２に示すように、ディーゼルエンジン２１と、液体変速機２２とを有している。ディーゼルエンジン２１は、Ｖ型１２気筒であって大きいが、運転窓１３からの視界が悪くならないように、台枠５の上側にできるだけ低く設置されている。液体変速機２２は、ディーゼルエンジン２１に一体的に連結されていて、図示しない逆転機を介して第１推進軸６Ａ及び第２推進軸６Ｂ（図１参照）に連結されている。そして、第１推進軸６Ａは、台車３Ａの終減速機を介して車輪４に連結し、第２推進軸６Ｂは、台車３Ｂの終減速機を介して車輪４に連結している。こうして、ディーゼルエンジン２１の駆動力は、液体変速機２２と逆転機と第１推進軸６Ａ及び第２推進軸６Ｂと台車３Ａ，３Ｂの終減速機とを介して、車輪４に伝達される。

本実施形態では、ディーゼルエンジン２１は、機関車に用いられるエンジンとして高回転且つ高出力の大型のディーゼルエンジンである。具体的に、約９０ｋｍ／ｈ以上の高速性能と十分な牽引力を確保できるように、約２１００ｒｐｍで１０５０ＰＳのディーゼルエンジンを用いている。液体変速機２２は、正逆２段変速機であり、低速段（１速）の変速比が２．５に設定され、高速段（２速）の変速比が１．０に設定されている。これにより、低速段では、変速比が大きいため、高トルクによって大きな牽引力を得られるようになっている。一方、高速段では、エンジンの高回転を減速せずに伝達することによって、高速性能を達成できるようになっている。

冷却室３０は、動力室２０に対して前方側に隣接して設けられていて、図２に示すように、同一である２つのラジエータ３１Ａ，３１Ｂと、同一である２つのオイルクーラ３２Ａ，３２Ｂと、同一である２つの冷却ファン３３Ａ，３３Ｂとを有している。各ラジエータ３１Ａ，３１Ｂは、ディーゼルエンジン２１を冷却するための冷却水を大気と熱交換して冷却するものである。各オイルクーラ３２Ａ，３２Ｂは、液体変速機２２の作動油（トルコンオイル）を大気と熱交換して冷却するものである。なお、各オイルクーラ３２Ａ，３２Ｂは、空冷式のものに限られるものではなく、例えば水冷式のものであっても良い。

これらラジエータ３１Ａ，３１Ｂ及びオイルクーラ３２Ａ，３２Ｂは、大気に当接する面積を大きくし且つコンパクトに構成するために、図３に示すように、薄い略直方体形状になっていて、冷却室３０の両側面３０ａ，３０ｂに沿って配置されている。そして、図１に示すように、車体２の前方側の側面には、冷却風としての大気が内部へ流れるための開口部２ａが形成されている。このため、開口部２ａから内部に流れる冷却風は、各ラジエータ３１Ａ，３１Ｂのコア部を流れる冷却水、及び各オイルクーラ３２Ａ，３２Ｂのコア部を流れる作動油を冷やすようになっている。

各冷却ファン３３Ａ，３３Ｂは、冷却風を開口部２ａから吸引するためのものであり、図１に示すように、車体２の前方側の天井面に配置されている。また、各冷却ファン３３Ａ，３３Ｂは、図２に示すように、それぞれ回転軸３３ａと複数の回転羽根３３ｂとを有している。回転軸３３ａは鉛直方向に向かって延びていて、図示しない油圧モータが回転駆動することによって、回転軸３３ａ及び回転羽根３３ｂが回転する。なお、油圧モータは、水温センサによって検出される冷却水の水温、又は油温センサによって検出される作動油の油温が或る一定値以上に達したときに、回転駆動するように制御されている。こうして、各冷却ファン３３Ａ，３３Ｂが駆動したとき、車体２の開口部２ａから吸引された冷却風は、冷却室３０の内部を通って各冷却ファン３３Ａ，３３Ｂから排出される。各ラジエータ３１Ａ，３１Ｂと各オイルクーラ３２Ａ，３２Ｂと各冷却ファン３３Ａ，３３Ｂの配置については、後に詳しく説明する。

燃料室４０は、運転室１０に対して後方側に隣接して設けられていて、図２に示すように、燃料タンク４１と空気タンク４２とを有している。燃料タンク４１は、ディーゼルエンジン２１に供給する燃料である軽油を貯留するものである。空気タンク４２は、空気圧で作動するエアブレーキ装置等に供給する圧縮空気を貯留するものである。燃料室４０の下側、及び冷却室３０の下側には、フランジ塗油器７が設けられている。フランジ塗油器７は、走行中の車輪４の進行方向前方に対して微量の油を吐出して、車輪４の騒音を抑制するものである。

ところで、本実施形態の高速走行機関車１は、上述したように高回転且つ高馬力のディーゼルエンジン２１とこのディーゼルエンジン２１に合う液体変速機２２とを搭載することによって、９５ｋｍ／ｈの高速性能を達成できる４軸車になっている。しかしながら、このディーゼルエンジン２１と液体変速機２２に対して冷却性能を確保するために、仮に、図７に示すような従来の冷却室１３０を適用すると、冷却室１３０の寸法が大きくなり、コンパクト且つ軽量に構成される４軸車のメリットが失われてしまう。

特に、本実施形態の高速走行機関車１は、支線用貨客列車の牽引と入換を兼用する機関車であり、従来の機関車（ＤＥ１０型ディーゼル機関車）の代替え車両として開発されたものである。このため、４軸車としてコンパクト且つ軽量であることに加えて、支線走行に十分対応できることも要求される。しかし、図７に示す冷却室１３０を適用する場合、車両重量が増加して高速性能が低下すると共に、急なカーブが曲がり難くなり、且つ耐荷重の低い橋を通過する際に橋に高負荷を与えることになる。一方、仮に、冷却室１３０をコンパクトに構成するために、従来のラジエータ１３１、オイルクーラ１３２、冷却ファン１３３の大きさを単に小さくすると、高速性能を達成するために搭載したディーゼルエンジン２１及び液体変速機２２に対して十分な冷却性能を確保できなくなるという問題点がある。

そこで、本実施形態の高速走行機関車１では、上記した問題点を解決するために、冷却室３０が図３に示すように構成されている。図３は、図２に示した冷却室３０を拡大した平面図である。また、図４は、図３に示した冷却室３０の正面図である。ここで、本実施形態の冷却室３０と、従来の冷却室１３０とを比較して説明するために、先ず従来の冷却室１３０の構成を説明する。

従来の冷却室１３０では、図７に示すように、吸引する冷却風の風量を十分に確保するために、中央部に１つの大きな冷却ファン１３３が配置されている。この冷却ファン１３３の直径φ２は１８００ｍｍであって大きいため、従来の冷却室１３０の幅方向の寸法ｘが必然的に大きくなり２０５０ｍｍであった。そして、従来の冷却室１３０では、十分な冷却性能を得るために、一方側の側面１３０ａに沿って大きなラジエータ１３１が配置され、他方側の側面１３０ｂに沿って大きなオイルクーラ１３２が配置されている。この結果、従来の冷却室１３０の長手方向の寸法ｙも大きく２５００ｍｍであった。

これに対して、本実施形態の冷却室３０では、図３に示すように、中央部に２つの冷却ファン３３Ａ，３３Ｂを長手方向に直列的に配置している。このように２つの冷却ファン３３Ａ，３３Ｂであれば、直径φ１が小さい冷却ファン３３Ａ，３３Ｂであっても、吸引する冷却風の風量を十分に確保できる。加えて、直径φ１が小さい冷却ファン３３Ａ，３３Ｂを直列的に配置することで、冷却室３０の幅方向の寸法Ｘを小さくできる。具体的に、本実施形態では冷却ファン３３の直径φ１は８８９ｍｍであり、冷却室３０の幅方向の寸法Ｘは１６００ｍｍになっていて、従来の冷却室１３０の幅方向の寸法ｘ（２０５０ｍｍ）より大幅に小さくできる。

更に、本実施形態の冷却室３０では、図３に示すように、従来のラジエータ１３１より小さい２つのラジエータ３１Ａ，３１Ｂと、従来のオイルクーラ１３２より小さい２つのオイルクーラ３２Ａ，３２Ｂとによって、十分な冷却性能を確保している。そして、ラジエータ３１Ａとオイルクーラ３２Ａとを一方側の側面３０ａに沿って直列的に配置し、ラジエータ３１Ａを後方側（図３の上側）に配置するのに対してオイルクーラ３２Ａを前方側（図３の下側）に配置している。また、ラジエータ３１Ｂとオイルクーラ３２Ｂとを他方側の側面３０ｂに沿って直列的に配置し、ラジエータ３１Ｂを前方側に配置するのに対して、オイルクーラ３２Ｂを後方側に配置している。即ち、冷却室３０の両側面３０ａ，３０ｂには、１つのラジエータ３１Ａ（３２Ａ）と１つのオイルクーラ３２Ａ（３２Ｂ）とが長手方向に直列的に配置されると共に、対向する両側面３０ａ，３０ｂで、ラジエータ３１Ａ（３１Ｂ）とオイルクーラ３２Ｂ（３２Ａ）とが正対する（面と向かい合う）ように配置されている。こうして、本実施形態では冷却室３０の長手方向の寸法Ｙは２０５０ｍｍになっていて、従来の冷却室１３０の長手方向の寸法ｙ（２５００ｍｍ）より大幅に小さくできる。

ここで、各ラジエータ３１Ａ（３１Ｂ）と各オイルクーラ３２Ｂ（３２Ａ）とを正対するように配置するのは、以下の理由に基づく。先ず、ラジエータ３１Ａ，３１Ｂの長手方向の長さＬ１は約１０００ｍｍであるのに対して、各オイルクーラ３２Ａ，３２Ｂの長手方向の長さは約８００ｍｍであり、ラジエータ３１Ａ，３１Ｂがオイルクーラ３２Ａ，３２Ｂより長い。このため、仮に、ラジエータ３１Ａとラジエータ３１Ｂとを一方側の側面３０ａに沿って直列的に配置すると、冷却室の３０の長手方向の寸法Ｙは２３００ｍｍ以上になってしまう。従って、本実施形態のように各ラジエータ３１Ａ（３１Ｂ）と各オイルクーラ３２Ｂ（３２Ｂ）を正対するように配置することで、冷却室３０の長手方向の寸法Ｙをより小さくすることができる。そして、本実施形態の高速走行機関車１では、各ラジエータ３１Ａ（３１Ｂ）と各オイルクーラ３２Ｂ（３２Ｂ）を正対するように配置することで、二つの冷却ファン３３Ａ，３３Ｂのうち一方が、二つのラジエータ３１Ａ，３１Ｂのうち一方と二つのオイルクーラ３２Ａ，３２Ｂの一方をそれぞれ独立して冷却できるようになっている。このため、仮に二つの冷却ファン３３Ａ，３３Ｂのうち一方が故障しても、他方の冷却ファンが対応するラジエータとオイルクーラを一つずつ冷却することができるため、高速走行は困難でも低速走行することができ、走行不可能な事態を防止できる。

こうして、本実施形態の高速走行機関車１によれば、高速性能を達成するために搭載したディーゼルエンジン２１及び液体変速機２２に対して十分な冷却性能を確保しつつ、冷却室３０をコンパクトに構成できる。このため、冷却室３０の重量が軽くなり、車両重量が減少するため高速性能を阻害することはない。また、冷却室３０がコンパクトに構成されることによって、ホイールベースを短くできるため急なカーブが曲がり難くなることを防止できると共に、耐荷重の低い橋を通過する際に橋に高負荷を与えることを防止できる。従って、支線走行に十分対応できる高速走行機関車１である。

次に、本実施形態の高速走行機関車１において、大きな牽引力に対する問題点を説明する。高速走行機関車１では、上述したように、１０５０ＰＳである高馬力のディーゼルエンジン２１と低速段の変速比が２．５であって大きい液体変速機２２を搭載したことによって、低速で大きな牽引力（トルク）を得られるようになっている。しかしながら、４軸車であって車両重量が軽くなっているため、空転が生じ易くて、実際に牽引できる牽引重量を大きくし難いという問題点があった。そこで、本実施形態では、空転を防止して牽引重量を大きくするために、空転防止制御が図５に示すように構成されている。

本実施形態では、空転防止制御を実行するために、図５に示すように、噴射装置５０とアブソコーダ６０と制御装置７０とが設けられている。噴射装置５０は、車輪４の空転を防止するために、走行中の車輪４の進行方向前方に対して増粘着剤を噴射して、車輪４とレールとの間の粘着係数（摩擦係数）を増加させるものである。なお、粘着係数と車輪４に掛かる重量との積が、車輪４とレールとの間の粘着力であって、粘着力が大きいほど空転を防止して牽引重量を大きくできる。

噴射装置５０は、増粘着剤を収容するタンクと圧縮空気を収容するエアタンクと増粘着剤と圧縮空気とを噴射するノズルを備えると共に、固定絞りとレギュレータを備えていて、噴射する圧力を調整可能になっている。噴射装置５０による増粘着剤の噴射は、制御装置７０から出力される噴射指令に基づいて行われるようになっているが、運転士が運転台１１に設けられている噴射ボタン（図示省略）を押すことによって人為的にも行われるようになっている。

この噴射装置５０は、図１に示すように、台車３Ａの前方側と後方側、及び台車３Ｂの前方側と後方側に、合計４つ設けられている。ここで、図１の左側から図１の右側に向かって順番に、噴射装置５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄと呼ぶことにすると、図１の左側に向かって走行する場合には、噴射装置５０Ａ，５０Ｃのみが増粘着剤を噴射し、図１の右側に向かって走行する場合には、噴射装置５０Ｂ，５０Ｄのみが増粘着剤を噴射するように、制御装置７０によって制御される。これは、高速走行機関車１の進行方向が切り替わっても、第１軸と第３軸（進行方向前方から見たときの軸）の車輪４の走行方向前方のみに増粘着剤を噴射して、増粘着剤を無駄に消費することなく効率的に粘着係数を増加させるためである。

ここで、本実施形態では、噴射装置５０が噴射する増粘着剤がアルミナであることに特徴がある。アルミナは、材質が硬くてスパイクのように突き刺さることによって、粘着係数を大幅に向上させることができる。一方、従来において、機関車で噴射される増粘着剤は、一般的に砂であり、安価であるが粘着係数を上げる効果は低いものであった。これは、機関車では、新幹線等の高速鉄道車両に比べて十分低い速度で走行するため、粘着係数を上げる効果に比べて、安価な増粘着剤を用いることが一般的に考えられていたためである。

そこで、発明者は、機関車において増粘着剤として少量のアルミナを用いることで、結果として安価で、粘着係数を大幅に向上できることを見出した。具体的に、アルミナは、砂に比べて約６倍高価であるが、使用量が約１／３０で済む。こうして、本実施形態では、アルミナを噴射することで、安価且つ大幅に粘着係数を向上させることができる。この結果、車輪４とレールとの間の粘着力を大きくすることができ、牽引重量を大きくすることができる。

実測データとして、噴射する圧力（空気圧）を約５００ｋＰａに設定して、粒径が０．３ｍｍであるアルミナを噴射することで、晴天時に粘着係数を０．３８以上得ることができ、雨天時に粘着係数を０．３３以上得ることが確認された。一般的に、晴天時で乾燥している状態の粘着係数は０．２５〜０．３０であり、雨天時で湿っている状態の粘着係数は０．１８〜０．２０である。従って、本実施形態によれば、雨天時であっても、一般的な晴天時で乾燥している状態の粘着係数よりも、大きな粘着係数を得ることができる。

アブソコーダ６０は、車輪４の空転を検知するためのものであり、図２に示すように、液体変速機２２の中間軸２２ａに取付けられていて、中間軸２２ａの回転角θを検出している。検出された回転角θは、図５に示すように、制御装置７０の速度検出部７１が入力するようになっている。このアブソコーダ６０が、本発明の「回転角検出器」に相当する。

制御装置７０は、検出された回転角θに基づいて走行速度Ｖを演算すると共に噴射装置５０の噴射を制御するものであり、図２に示すように、運転室１０の運転台１１の内部に設けられている。制御装置７０は、図５に示すように、速度検出部７１と、噴射指令決定部７２と、エンジン回転数決定部７３と、エンジン制御部７４とを備えている。

速度検出部７１は、検出された回転角θが逐次入力されるようになっていて、入力された回転角θから中間軸２２ａの回転速度を算出することで、高速走行機関車１の走行速度Ｖを演算できるようになっている。演算された走行速度Ｖは、噴射指令決定部７２及びエンジン回転数決定部７３にそれぞれ入力される。

噴射指令決定部７２は、空転が生じているか否かを判定して、噴射装置５０に噴射指令を出力するようになっている。本実施形態において、噴射指令決定部７２は、入力した走行速度Ｖが０．１秒間（微小時間）で５ｋｍ／ｈ（所定速度値）以上増加した場合に、車輪４がレールに対して粘着力を超えて回転する空転が生じていると判定する。また、噴射指令決定部７２は、入力した走行速度Ｖが０．１秒間で５ｋｍ／ｈ以上減少した場合に、車輪４がブレーキでロックして滑る滑走が生じていると判定する。こうして、空転又は滑走が生じていると判定されたとき、噴射指令決定部７２が噴射装置５０に噴射指令を出力することで、噴射装置５０がアルミナを噴射するようになっている。なお、上述した空転又は滑走を判定するための条件の値（０．１秒間で５ｋｍ／ｈ以上の変化）は、本実施形態における一例であって適宜変更可能である。

本実施形態によれば、上述したように、液体変速機２２の中間軸２２ａにアブソコーダ６０を取付けて、このアブソコーダ６０を用いて演算される走行速度Ｖの変化を見ることで、空転又は滑走が生じているか否かを判定している。一方、従来においては、台車の駆動輪及び従動輪に回転角センサを取り付けて、駆動輪の回転速度と従動輪の回転速度との差を見ることで、空転又は滑走が生じているか否かを判定する方法がある。

しかし、この従来の方法では、台車側に電気機器を取付ける必要があると共に、台車側と運転室内の制御装置との間に長い電気配線を設ける必要があるため、構造が複雑でコストが高くなる方法であった。これに対して、本実施形態では、液体変速機２２の中間軸２２ａに１つのアブソコーダ６０を取付けるだけであり、台車３Ａ，３Ｂ側に電気機器を取付ける必要がなく、動力室２０と運転室１０内の制御装置７０との間に短い電気配線を設ければ良い。従って、構造がシンプルで安価に空転又は滑走を判定できる。

また、本実施形態では、噴射指令決定部７２は、図５に示すように、ディーゼルエンジン２１のエンジン回転数Ｅを逐次入力されていて、走行速度Ｖが０から増加したときに、エンジン回転数Ｅが１０００ｒｐｍになってから一定時間内に走行速度Ｖが１ｋｍ／ｈまで達しないと、重荷重状態であると判定するようになっている。言い換えると、発進時にエンジン回転数Ｅに対する走行速度Ｖの上昇度合いが小さいとき、重荷重状態と判定される。そして、噴射指令決定部７２は、重荷重状態と判定したときには、走行速度Ｖが１０ｋｍ／ｈ（基準速度）に達するまで、噴射装置５０に噴射指令を出力するようになっている。なお、上述した重荷重状態を判定するための条件の値（１０００ｒｐｍ、１ｋｍ／ｈ）、及び噴射指令を出力する際の走行速度Ｖの上限値（１０ｋｍ／ｈ）は、本実施形態における一例であって適宜変更可能である。

エンジン回転数決定部７３は、図５に示すように、マスコンハンドル１２から速度指令値Ｎ（ノッチ）と、噴射指令決定部７２から空転が生じているか否かの判定結果と、速度検出部７１から走行速度Ｖとを入力して、ディーゼルエンジン２１が出力すべきエンジン回転数Ｅに対応した回転数指令値Ｒを決定する。

具体的に、エンジン回転数決定部７３は、通常時には、エンジン回転数Ｅが速度指令値Ｎに対応した値になるように、回転数指令値Ｒを決定する。一方、エンジン回転数決定部７３は、空転が生じていると判定されたときには、１．５秒間（所定時間の間）エンジン回転数Ｅがアイドリング状態であるときのエンジン回転数になるように、回転数指令値Ｒを決定する。ここで、「空転判定時のエンジン回転数」をＥ１とし、「アイドリング状態のエンジン回転数」をＥ２とすると、エンジン回転数決定部７３は、上述した１．５秒が経過した後、アイドリング状態のエンジン回転数Ｅ２から、空転判定時のエンジン回転数Ｅ１より所定値だけ下げた値Ｅ３（Ｅ１＞Ｅ３＞Ｅ２）になるように、回転数指令値Ｒを決定する。その後、エンジン回転数決定部７３は、空転判定時のエンジン回転数Ｅ１より下げた値Ｅ３から、空転判定時のエンジン回転数Ｅ１まで、エンジン回転数Ｅが徐々に増加するように、回転数指令値Ｒを決定する。

エンジン制御部７４は、エンジン回転数決定部７３が決定した回転数指令値Ｒに基づいて、燃料供給量や燃料供給タイミング等を決定して、ディーゼルエンジン２１の作動を実際に制御する。本実施形態においては、アイドリング状態のエンジン回転数Ｅが７００ｒｐｍに設定され、空転が生じていると判定されたときに下げるエンジン回転数が３００ｒｐｍに設定され、アイドリング状態にする所定時間の間が１．５秒間に設定されているが、上記した各値は本実施形態における一例であって適宜変更可能である。

次に、上記のように構成された空転防止制御において、高速走行機関車１が走行し始めたときの作用効果について、図６を参照しながら説明する。図６（ａ）は、速度指令値Ｎ（ノッチ）を示したタイムチャートであり、図６（ｂ）は、エンジン回転数Ｅ（ｒｐｍ）を示したタイムチャートである。また、図６（ｃ）は、走行速度Ｖ（ｋｍ／ｈ）を示したタイムチャートであり、図６（ｄ）は、噴射指令を示したタイムチャートである。なお、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）では、説明を分かり易くするために、模式的なタイムチャートが示されている。

高速走行機関車１が走行し始めるとき、図６（ａ）に示すように、運転士がマスコンハンドル１２で速度指令値Ｎとして３ノッチを入力すると、図６（ｂ）に示すように、エンジン回転数Ｅはアイドリング状態である７００ｒｐｍから１０００ｒｐｍまで上昇する。しかし、図６（ｃ）に示すように、走行速度Ｖは、時間ｔ１までに１ｋｍ／ｈまで達しなくて、発進時に走行速度Ｖの上昇度合いが小さい。このため、本実施形態では、噴射指令決定部７２が時間ｔ１であるときに重荷重状態と判定して、走行速度Ｖが１０ｋｍ／ｈに達するまで（時間ｔ２まで）、噴射装置５０に噴射指令を出力する。これにより、牽引重量が大きくて重荷重状態であっても、噴射装置５０がアルミナを噴射し続けることで、車輪４とレールとの間の粘着力を大きくすることができる。こうして、図６（ｃ）の時間ｔ１から時間ｔ２までに示すように、走行速度Ｖの上昇度合いを大きくすることができる。

そして、時間ｔ３まで、図６（ａ）に示すように、速度指令値Ｎとして３ノッチを維持することで、図６（ｂ）に示すように、エンジン回転数Ｅが１０００ｒｐｍに維持される。ここで、時間ｔ３であるときに、図６（ａ）に示すように、運転士が速度指令値Ｎを９ノッチまで急に大きくすると、図６（ｂ）に示すように、エンジン回転数Ｅは１０００ｒｐｍから１６００ｒｐｍまで急に上昇する。これにより、図６（ｃ）に示すように、時間ｔ３から時間ｔ４までの短時間に、走行速度Ｖが急激に上昇し、車輪４がレールに対して粘着力を超えて回転する。

こうして、空転が生じたとき、走行速度Ｖが０．１秒間で５ｋｍ／ｈ以上増加することになる。このため、噴射指令決定部７２は、空転が生じていると判定して、図６（ｄ）に示すように、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの１．５秒間、噴射装置５０に噴射指令を出力する。これにより、噴射装置５０が１．５秒間アルミナを噴射し続けることで、車輪４とレールとの間の粘着力を大きくする。更に、本実施形態では、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの１．５秒間、エンジン回転数決定部７３は、エンジン回転数Ｅがアイドリング状態であるときのエンジン回転数になるように回転数指令値Ｒを決定するため、エンジン回転数Ｅが７００ｒｐｍに戻される。この結果、車輪４に作用する粘着力の増大と、車輪４に作用する駆動力の減少とによって、空転を確実に防止できる。

加えて、本実施形態では、時間ｔ５であるときに、エンジン回転数決定部７３は、エンジン回転数Ｅが空転が生じていると判定されたときのエンジン回転数（時刻ｔ４で１６００ｒｐｍ）より３００ｒｐｍ下げた値である１３００ｒｐｍになるように、回転数指令値Ｒを決定する。そして、エンジン回転数Ｅが１３００ｒｐｍから１６００ｒｐｍまで徐々に増加するように、回転数指令値Ｒを決定する。こうして、図６（ｂ）に示すように、時刻ｔ５から時刻ｔ６までに、エンジン回転数Ｅが１３００ｒｐｍから１６００ｒｐｍまで徐々に増加する。この結果、空転を一旦防止した後、車輪４に作用する駆動力を、空転が生じていると判定されたときの駆動力まで徐々に戻すことによって、空転が再発することを防止できる。

こうして、本実施形態の高速走行機関車１によれば、４軸車であって車両重量が軽くなっていても、制御装置７０による空転防止制御によって、空転に対して的確に対処できて、低速における牽引力を十分に活用できる。従って、本実施形態の高速走行機関車１は、約９０ｋｍ／ｈ以上の高速性能を達成することができると共に、実際に牽引できる牽引重量を大きくできる４軸車の機関車である。

以上、本発明に係る高速走行機関車の実施形態について説明したが、本発明はこの実施形態の高速走行機関車１に限定されることはなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
本実施形態において、液体変速機２２の中間軸２２ａの回転角を検出する回転角検出器として、アブソコーダ（アブソリュートエンコーダ）６０を用いたが、回転角検出器の構成は適宜変更可能であり、例えばインクリメンタルエンコーダと原点センサを用いても良い。

１ 高速走行機関車
２ 車体
３Ａ，３Ｂ 台車
４ 車輪
１０ 運転室
１１ 運転台
１２ マスコンハンドル
２０ 動力室
２１ ディーゼルエンジン
２２ 液体変速機
２２ａ 中間軸
３０ 冷却室
３０ａ，３０ｂ 側面
３１Ａ，３１Ｂ ラジエータ
３２Ａ，３２Ｂ オイルクーラ
３３Ａ，３３Ｂ 冷却ファン
３３ａ 回転軸
４０ 燃料室
５０（５０Ａ〜５０Ｄ） 噴射装置
６０ アブソコーダ
７０ 制御装置
７１ 速度検出部
７２ 噴射指令決定部
７３ エンジン回転数決定部
７４ エンジン制御部

Claims (5)

1. ディーゼルエンジンと液体変速機とを有する動力室と、
   前記動力室に隣接していて前記ディーゼルエンジンの冷却水を熱交換するラジエータと前記液体変速機の作動油を熱交換するオイルクーラと冷却風を吸引する冷却ファンとを有する冷却室とを備え、
   前記ディーゼルエンジンから台車に駆動力が伝達されて４軸の車輪で走行する高速走行機関車において、
   前記冷却室は、２つの前記ラジエータと２つの前記オイルクーラと２つの前記冷却ファンとを有し、
   前記冷却室の中央部には、回転軸が鉛直方向に延びる２つの冷却ファンが長手方向に直列的に配置され、
   前記冷却室の両側面には、１つのラジエータと１つのオイルクーラとが長手方向に直列的に配置されると共に、対向する両側面でラジエータとオイルクーラとが正対するように配置されていることを特徴とする高速走行機関車。
2. 請求項１に記載された高速走行機関車において、
   前記液体変速機の中間軸に、その回転角を検出する回転角検出器が設けられ、
   前記台車に、走行中の車輪の進行方向前方に対して増粘着剤を噴射する噴射装置が設けられ、
   前記動力室に隣接する運転室に、前記検出された回転角に基づいて走行速度を演算すると共に前記噴射装置の噴射を制御する制御装置が設けられ、
   前記制御装置は、走行速度が微小時間に所定速度値以上変化したときに空転又は滑走が生じていると判定して、前記噴射装置が増粘着剤を噴射するように制御することを特徴とする高速走行機関車。
3. 請求項２に記載された高速走行機関車において、
   前記制御装置は、空転が生じていると判定すると所定時間の間、エンジン回転数をアイドリング状態に制御すると共に、前記噴射装置が増粘着剤を噴射し続けるように制御し、その後に空転が生じていると判定したときのエンジン回転数より下げた値から空転が生じていると判定したときのエンジン回転数まで徐々に、エンジン回転数を増加させるように制御することを特徴とする高速走行機関車。
4. 請求項２又は請求項３に記載された高速走行機関車において、
   前記制御装置は、発進時にエンジン回転数に対する走行速度の上昇度合いが小さいときに重荷重状態と判定して、走行速度が基準速度に達するまで前記噴射装置が増粘着剤を噴射し続けるように制御することを特徴とする高速走行機関車。
5. 請求項２乃至請求項４の何れかに記載された高速走行機関車において、
   前記増粘着剤は、アルミナであることを特徴とする高速走行機関車。