海子铁路网

 找回密码
 注册进站

QQ登录

只需一步,快速开始

查看: 1888|回复: 55

所以到底为什么内燃机不能直接带动火车

[复制链接]
发表于 2018-3-12 22:43:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
教材和科普说得最多的理由就是柴油机的扭矩特性不符合火车需要的牵引特性
但是都有一个限制条件是“每循环供油量一定”
但是显然实际运用这个值不是一定的
那如果我们配合改变每循环供油量
能不能调整柴油机的特性到直少加个变速箱能带动火车?

因为其他的限制条件
比如柴油机直接驱动的转速范围太窄
或者说柴油机要求的启动负载小拉不动火车
这都不好改变

但是我就是不太理解这个最主要的限制条件
为什么还非得加一句供油量一定

顺带要问的就是
所以内燃机车主手柄直接控制的是什么?
这个主要针对非微机车
像HXN5那种东西直接就微机算出来功率往上配了
 楼主| 发表于 2018-3-12 22:49:27 | 显示全部楼层
因为汽车这个东西
一个发动机一百千瓦左右
汽车才几吨几十吨

火车一个发动机比如2000千瓦
它可能要拉3000吨
我觉得这个影响对于汽车来说就不大了
所以汽车可以用变速箱
 楼主| 发表于 2018-3-17 22:02:52 | 显示全部楼层
零回复惨案
发表于 2018-3-17 22:15:47 来自手机 | 显示全部楼层
这个问题别的帖子中讨论过呀。低速需要的扭矩和高速追求的恒功率
发表于 2018-3-17 22:18:43 来自手机 | 显示全部楼层
按货运机车的功率,你这个齿轮箱得多大
 楼主| 发表于 2018-3-17 22:23:41 | 显示全部楼层
huamao_zhh 发表于 2018-3-17 22:15
这个问题别的帖子中讨论过呀。低速需要的扭矩和高速追求的恒功率

我觉得我可能是想讨论单循环供油量对柴油机输出特性的影响吧
 楼主| 发表于 2018-3-17 22:26:45 | 显示全部楼层
Rockies 发表于 2018-3-17 22:18
按货运机车的功率,你这个齿轮箱得多大

以前有过高速柴油机带齿轮箱驱动变矩器的先例
所以感觉也不会大到离谱
 楼主| 发表于 2018-3-17 22:31:22 | 显示全部楼层
然后就是恒功率这个特性我能不能通过给定总供油速率来决定
高转速少给油,低转速多给油
这样总的燃油消耗率是一定的,输出功率就一定了
发表于 2018-3-17 22:52:30 来自手机 | 显示全部楼层
Rockies 发表于 2018-3-17 22:18
按货运机车的功率,你这个齿轮箱得多大

想到了4df当初的一个方案,只不过没选择。
发表于 2018-3-18 10:30:57 | 显示全部楼层
美国卡车总重量36吨,柴油机一般是直列6缸或V8缸15升600马力前后,配的变速箱是18档的。
国产卡车早期斯太尔时代是9升10升直列6缸柴油机,9~10档变速箱,现在主要是11~13升直列6缸柴油机,多数配12档变速箱,少部分有配14档或16档的。
为啥这么多的档位?与柴油机输出特性有关。

以康明斯ISX15柴油机为例,15升(实际是14.9升,137x169)排量直列6缸,1650转达到额定400~600马力,1000~1350转达到最大扭矩2779牛米。一般来讲柴油机最大扭矩转速区间也是最省油的状态。也就是说它最大扭矩,同时也是最省油的状态才350转的宽度(你看看你家轿车发动机转速能到多少?),为了保证卡车在任意速度都能够找到一个档位档柴油机在这个转速下工作,就需要这么多的档位。否则的话先别说费油了,很可能会出现一个状态,挂4档柴油机转速都达到很高了,扭矩已经开始下降,但是挂5档转速就太低,扭矩还没上来。

那火车的你算算吧,柴油机最高转速才1000多转,有的可能还不到1000转,那最大扭矩转速区就更窄了,可能也就一两百转,那要想满足柴油机工作环境要求,估计没个四五十个档是够呛的。那大车开车可就有活干了,一路上进站出站,碰上个坡道就咔嚓咔嚓换档吧,不用干别的了。

再说说变速箱。就算能造出来40档50档变速箱,咱还是从卡车的变速箱说起。卡车的变速箱一般达到8档开始就要采用两段式变速箱了,也就是两个变速箱串联,8档就是一个4档主变速箱跟一个2档副变速箱,10档就是5x2,12档就是6x2。

如果你接触过开大卡车的人(3轴以上的卡车和少部分大型2轴卡车,一般180马力以上),在讨论变速箱操作的时候他们会提到高速档与低速档,那就是副变速箱的两个档位,这种变速箱在换档的手球位置会有个小开关,就是控制副变速箱的。这也是为什么大卡车往往有两个倒档的原因,就是副变速箱带来的,他挂倒档,副变速箱为低速就是倒1档,副变速箱挂高速就是倒2档。

到了12档开始,再往多了,14档(实际结构跟16档相同,只是最后两个档因为传动比太小或太接近,没有实际意义而被屏蔽)、16档、18档(结构与20档相同,原因同14档)甚至还有20档、24档的变速箱就是三段式变速箱了,一个2档范围档变速箱+主变速箱+2档副变速箱,档把上有两个开关分别控制两个小变速箱。那这种三段式变速箱的卡车理论上可以有4个倒档,倒4档车速估计能超过60,但多数三段式变速箱会屏蔽倒3和倒4档。

为什么要设计的这么复杂,以现在的变速箱结构来说,档位越多齿轮轴就得越长(这涉及变速箱结构,你可以到网上查,我就不详细解释了),而达到一定长度之后,在传递扭矩过程中齿轮轴就会变形,扭曲变形被拧成麻花或直接断裂,所以人们就采取了分段变速箱,让单个齿轮轴不会过长。

那要是40档50档变速箱,那结构你想象一下吧,40档用3段式,5x4x2?或者是4段式,5x2x2x2?

最后还有一点,机械结构越复杂越容易出故障。你搞这么多档位的变速箱,跟电传动相比,出勤率怎样?维修难度和成本,维护保养周期等等怎样?火车和卡车都属于生产资料,出勤率关乎生产能力,寿命周期关乎成本。
发表于 2018-3-18 10:43:15 | 显示全部楼层
本帖最后由 Lion2013 于 2018-3-18 11:04 编辑

另外还有一个概念,就是带载启动。

内燃机,采用活塞往复式结构的,咱不说绝对了,就现在常见的设计,全是是无法带载启动的。它的扭矩特性曲线是从一个大于0的某一个转速开始画的,而不是从0点开始画的。因为内燃机在低于一定转速之后,其循环就会被中断,它就无法继续保持运转,也就是俗称的憋熄火了。这个……我还不太会解释,就得你自己理解了,或者是别人来补充。

所以内燃机它们不能带载启动,必须在达到一定转速以上,才可以加载输出功率或扭矩。但是车辆以及其他机械都是从转速为0的状态开始启动,所以就需要有离合器、液力变扭器等装置,让一个已经具备一定转速的输入来带动一个转速为0的系统开始转动。

而外燃机,典型的就是蒸汽机,它是可以带载启动的。即使转速为0,只要有高压蒸汽输入,它就开始有扭矩,从而同步的带动一个静止的系统(列车,或其他机器)开始运转。

跟内燃机类似的可带载启动的原动机还有电动机、气动马达、液压马达等装置,它们都是可以从0转速就能输出扭矩。

说到这里在补充一个,汽车的离合器,我记得书上只是说它是用来控制中断发动机动力输出到变速箱的。那其实我觉得这……你直接丢空档不也是中断动力传递吗?所以它真正最重要的作用还是前边说的,适配无法带载启动的原动机与需要带载启动的系统。

为什么这么说,一些开车非常熟练的司机,尤其是大卡车司机,除了静止起步,只要车动起来换档根本不踩离合,车开老长时间跑老了路了离合器都没咋磨损,变速箱和发动机还都好好的。当然了,人家这样做的主要目的是缩短动力中断时间,他们不踩离合换挡的人换档都是相当迅速的,那大卡车,10多个档,本来重量大加速就慢,再换档中断动力输出,那不雪上加霜。我曾经在卡车之家网站看到一个案例,这个司机是开自卸车的,晚上10点多离合器坏了,分不开,结果他就这样凑合了一宿直到第二天天亮了修车铺开门了才去修车,过程中也没造成柴油机和变速箱损坏。但是他也说,起步必须让铲车或挖掘机在屁股帮着推一下,车稍微一动,1档能怼上就万事大吉了。
 楼主| 发表于 2018-3-18 19:58:42 | 显示全部楼层
Lion2013 发表于 2018-3-18 10:30
美国卡车总重量36吨,柴油机一般是直列6缸或V8缸15升600马力前后,配的变速箱是18档的。
国产卡车早期斯太 ...

好吧
我觉得我想要的应该就是这个最大扭矩转速区间太窄这个答案
毕竟对汽车完全不懂
发表于 2018-3-18 20:09:43 | 显示全部楼层
CRS 发表于 2018-3-18 19:58
好吧
我觉得我想要的应该就是这个最大扭矩转速区间太窄这个答案
毕竟对汽车完全不懂 ...

英国无敌级战列巡洋舰的蒸汽轮机可以直接连着主轴带动螺旋桨
发表于 2018-3-19 02:25:50 | 显示全部楼层
五子棋 发表于 2018-3-18 20:09
英国无敌级战列巡洋舰的蒸汽轮机可以直接连着主轴带动螺旋桨

蒸汽轮机也是可带载启动的。

区分能否带载启动的原动机,就看在转速为0的状态下,输入其工作所消耗的能源能否立即就开始输出扭矩,即使说带不动载荷,还是不转。

活塞往复式内燃机直接把柴油机、汽油、天然气等燃料给它,它没有任何扭矩输出。必须要借助启动马达。所以汽车电瓶没电了,有油也不好使,除非在带档状态下,有人或其他汽车通过推行或牵引的方式启动,或者是有摇把等工具来给发动机一个转速才可以。

喷气式飞机的发动机也是,也得从APU开始一步一步的来启动。

蒸汽机是可带载启动,就说咱最熟悉的蒸汽机车,只要加上水,锅炉里边生上火,锅炉压力上来了,它就有扭矩输出。

蒸汽轮机也是可带载启动,你只要有足够的高压蒸汽来推动转子的叶片,它就有扭矩输出。

电动机更是了,通电了就有扭矩了(当然这个输入的电流得匹配电动机,你给直流电机通交流电,或给交流电机通直流电肯定是不行的)。

还有气动马达和液压马达,都是,有气压或液压了它就开始有扭矩了。

发表于 2018-3-19 09:05:52 | 显示全部楼层
Lion2013 发表于 2018-3-18 10:30
美国卡车总重量36吨,柴油机一般是直列6缸或V8缸15升600马力前后,配的变速箱是18档的。
国产卡车早期斯太 ...

电传动不存在换挡过程的冲击,也就不会存在对齿轮和传动机构的损伤,而且动力可连续性地传递,不仅仅是火车,像一些超大型工程车辆都是电传动的。
发表于 2018-3-19 09:44:25 | 显示全部楼层
本帖最后由 Lion2013 于 2018-3-19 10:16 编辑
一只老斑鸠 发表于 2018-3-19 09:05
电传动不存在换挡过程的冲击,也就不会存在对齿轮和传动机构的损伤,而且动力可连续性地传递,不仅仅是火 ...

大型工程机械以前还有液力传动与电力传动竞争,现在随着电力传动技术更成熟、设备重量更低、传动效率更高,再加上交流传动的出现,液力传动的应用范围中很多会被电力传动所取代,典型的就是机车这个领域。

实际上在汽车上也能看到这个趋势。公交车现在油电混合的越来越多,采购新车好像用这个不敢说是多数但也不少。

旧金山这的燃气和电力公司叫PG&E,他们推出了一款插电式油电混合工程车(应该是跟其他公司联合研制的,或者是定制的)。这种车在城市或工地环境作业的时候,可以由现场的电源供电,其柴油机基本上只在长距离移动的时候才会工作。

我现在如果还在大学参加创新竞赛的话,我其实想拿插电式油电混合自卸车和其他工程车(搅拌车、水泥泵车等)这个构想去参赛的。简单点说就是行驶的时候,因为可以柴油机跟电池同时输出动力,所以一台搭配375马力柴油机的车短时间内可以爆发出超过500马力的动力以及对应的扭矩。这对于路况恶劣的环境下意义重大。同时这个自卸车或工程车不但可以输入电力,它也可以输出电力作为发电机组用。

说到这里顺便提一句,加拿大的Ontario和Quebec这两个地方98年发生过严重的雪灾,电力中断,他们曾经尝试用加拿大国家铁路(Canadian National, CN)MLW M-420机车从铁路上挪下来做发电机组,结果这俩不太靠谱,把自己的齿轮箱干坏了不说,还因为临时安放在人行道上把人行道压了个坑。

https://en.wikipedia.org/wiki/MLW_M-420

后来在网上用关键词“Locomotives as emergency portable generators(机车作为应急发电机组)”找了一下,确实有这样用的,大体上一台柴油机车点亮一座小镇(town)没多大问题
http://cs.trains.com/trn/f/111/t/194245.aspx

Firefox_Screenshot_2018-03-19T01-52-23.990Z.png
Firefox_Screenshot_2018-03-19T01-52-41.596Z.png

Firefox_Screenshot_2018-03-19T02-11-11.938Z.png
Firefox_Screenshot_2018-03-19T02-13-36.046Z.png
这个提到了关于SD40-2机车转换为应急发电机的说明,因为是直接供电,为了匹配60Hz交流频率,只能用6级手柄(最高8级),柴油机647转,输出的是64.7Hz,对应输出功率是1000kw,1350马力,还没到SD40-2最大功率的一半,有点憋屈,但也够点个几十上百户人家了。

还有一个地方看完找不到了,他说蒸汽机车也时常临时充当暖气或蒸汽锅炉给工厂或其他建筑用。特别是蒸汽机车的shop(算是机务段吧),基本上不用专门设置锅炉,就用来段修的机车即可。
发表于 2018-3-19 10:20:13 | 显示全部楼层
本帖最后由 一只老斑鸠 于 2018-3-19 10:23 编辑
Lion2013 发表于 2018-3-19 09:44
大型工程机械以前还有液力传动与电力传动竞争,现在随着电力传动技术更成熟、设备重量更低、传动效率更高 ...

虽然说现在流行的自动变速箱也同样可以实现不中断动力的情况下实现动力的传递,但在性质上仍然还属于传统的有级变速,同样存在换挡过程产生的顿挫,只不过相对于更加传统的手动变速箱,这种顿挫感对舒适度的影响已经大大降低了,我记得一些城市轨交的地铁列车也有采用自动变速箱传动的案例,毕竟质量轻,又不需要很大的牵引负载。
发表于 2018-3-19 10:26:13 | 显示全部楼层
一只老斑鸠 发表于 2018-3-19 10:20
虽然说现在流行的自动变速箱也同样可以实现不中断动力的情况下实现动力的传递,但在性质上仍然还属于传统 ...

自动变速箱因为有液力变扭器,实际上是属于一种液力传动了
发表于 2018-3-19 10:29:20 | 显示全部楼层
Lion2013 发表于 2018-3-19 10:26
自动变速箱因为有液力变扭器,实际上是属于一种液力传动了

说道用内燃机车坐临时发电设备,这让我联想到美国在二战之前就曾经拿航母给一个城市供电的案例,有的时候你不得不佩服欧美国家在科技研发上的前瞻性和大胆的创意。
发表于 2018-3-19 10:38:19 | 显示全部楼层
一只老斑鸠 发表于 2018-3-19 10:29
说道用内燃机车坐临时发电设备,这让我联想到美国在二战之前就曾经拿航母给一个城市供电的案例,有的时候 ...

类似的用法国内也不见得想不到,反正……就那点原因呗

您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册进站

本版积分规则

手机版|小黑屋|Archiver|海子铁路网 ( 京ICP证120035号 京公网安备11010702001036 )

GMT+8, 2018-6-22 07:43

Powered by Discuz! X3.4

© 2001-2017 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表