Kraków 2023-02-22
Lokomotywy spalinowe.
W artykule omawiamy historię lokomotyw spalinowych używanych w kolejnictwie na normalnym rozstawie szyn, czyli 1435 mm. Przedstawiamy głównie historię polskich konstrukcji, oraz problemy z nimi związane. Artykuł nie porusza tematu wagonów silnikowych (wagonów motorowych) oraz spalinowych zespołów trakcyjnych.
Do spalinowych pojazdów trakcyjnych należą: lokomotywy spalinowe, spalinowe wagony silnikowe i SZT (spalinowe zespoły trakcyjne). Wszystkie te pojazdy szynowe są napędzane umieszczonym w pojeździe silnikiem spalinowym. Tak samo jak lokomotywy parowe, pojazdy te mają na pokładzie zapas paliwa, ale nie węgiel kamienny i wodę, jako „pośrednika”, tylko zwykle olej napędowy. W przeciwieństwie do pociągów elektrycznych, pociągi spalinowe są autonomiczne.
Lokomotywy elektryczne dużo wcześniej weszły do powszechnego użytku, bo skorzystano z doświadczeń zdobytych przy eksploatacji tramwajów elektrycznych. Wydawało się, że nie powstanie trzeci rodzaj kolejowej trakcji, czyli trakcja spalinowa. Jednak wszystko ma swoje plusy i minusy. Lokomotywy z silnikiem spalinowym są w każdej chwili gotowe do eksploatacji. Podczas postoju nie zużywają paliwa. Ich uruchomienie nie wymaga długich przygotowań, jak w przypadku lokomotyw parowych. Nie wymagają budowy kosztownej elektrycznej sieci trakcyjnej. Zapas paliwa w zbiorniku lokomotywy spalinowej sprawia, że energia może być magazynowana i użyta w stosownym czasie.
Sprawność lokomotywy parowej, a dokładnie jej silnika parowego, na haku, rzadko przekracza 10 % i zwykle wynosi 8 %. Natomiast sprawność lokomotywy spalinowej, na haku, często przekracza 32 %. Kiedy odkryto tę zależność zaczęto konstruować coraz więcej lokomotyw spalinowych. Chociaż z początku silniki spalinowe trafiły do stałych instalacji w fabrykach oraz do samochodów i motocykli. W pojazdach szynowych dużych mocy wstąpiły duże problemy.
Pod koniec XIX wieku, powstały pierwsze pojazdy szynowe napędzane silnikami spalinowymi. Problem był taki, że w tym okresie budowano małe silniki spalinowe o mocy 5 - 30 KM. Silniki te nadawały się do automobilów, a nie do dużych i ciężkich pojazdów szynowych. Inżynierowie zbudowali silniki spalinowe o mocy 500 - 1000 KM, ale był problem z przeniesieniem mocy z silnika na koła, o czym napisaliśmy poniżej.
Silnik spalinowy, wysokoprężny.
Pierwszy udany silnik spalinowy, czterosuwowy, z zapłonem iskrowym zbudował technik Nikolaus Otto razem z inżynierem Eugenem Langenem w 1863 roku, czyli w chwili, kiedy koła parowozów już były rozpędzone i budowano kolejne setki kilometrów linii kolejowych. Konstruktorzy rozwijali nowe lokomotywy parowe, które dobrze wykonywały swoje zadanie. Dlatego do zastosowania silników spalinowych w transporcie szynowym musiało minąć dużo czasu.
Kiedy piszemy - silnik spalinowy dużej mocy, mamy tutaj na myśli silnik wysokoprężny pracujący w układzie cztero-suwowym lub dwu-suwowym. Silnik wysokoprężny to jest silnik o zapłonie samoczynnym, nazywany także silnikiem diesla. Nazwy Diesel nie będziemy używać, bo sugeruje ona, że był Diesel, co nie jest prawdą. Silnik wysokoprężny został opracowany w tym samym czasie przez wielu konstruktorów, w tym z udziałem inżynierów Polskich.
Silnik wysokoprężny to jest silnik cieplny, spalinowy, tłokowy, o spalaniu wewnętrznym, w którym ciśnienie maksymalne czynnika jest znacznie większe niż w silnikach niskoprężnych, czyli w silnikach z zapłonem iskrowym. Do zapłonu paliwa w silniku wysokoprężnym nie jest wymagane zewnętrzne źródło energii i zapłon następuje samoczynnie. Mieszanka paliwa z powietrzem spala się po przekroczeniu w komorze spalania temperatury jego zapłonu. Stopień sprężania w silnikach wysokoprężnych mieści się w przedziale 12–25.
Historia silnika wysokoprężnego.
Według Polskich źródeł, silnik wysokoprężny opracował Polski inżynier Jan Nadrowski. Inżynier Jan Nadrowski otrzymał paten na swój silnik w Poznaniu, ale nie miał jednak funduszy na opłacenie patentu chronionego w całym świecie. Prusak Rudolfowi Diesel „pożyczył” plany Jana Nadrowskiego i otrzymał własny paten. Sprawa trafiła do sądu, w którym Jan Nadrowski przegrał. W 1892 roku, prusak Rudolf Diesel skonstruował silnik o nieco zmienionej konstrukcji i zasadzie działania, i w dniu 23 lutego 1893 roku, zdobył patent na swą konstrukcję „silnika o zapłonie samoczynnym”. Konstrukcja silnika, którą opracował prusak Rudolf Diesel była bardzo zawodna i trudna w eksploatacji, poprzez zastosowanie wtrysku paliwa do cylindra za pomocą sprężonego powietrza. Kolejne poprawki doprowadzały do komplikacji budowy silnika i jego eksploatacji. Dopiero opracowanie hydraulicznego systemu wtrysku paliwa rozwiązało problem. Układ opracował inżynier James Mc Kechnie, który otrzymał patent w 1910 roku. To rozwiązanie spowodowało, że silnik wysokoprężny może pracować na oleju napędowym.
W 1900 roku, polski inżynier Marian Lutosławski w warszawskim hotelu Bristol zbudował pierwszą w Polsce elektrownię napędzaną silnikiem wysokoprężnym.
Pierwszy seryjny silnik wysokoprężny DM-12 produkowała firma MAN. Silnik był jednocylindrowy, o pojemności 19,8 litra, który przy prędkości obrotowej 172 obrotów na minutę miał moc 15 kW (20,39 KM). W okresie 1902 - 1910, zbudowano 82 silniki wysokoprężne stacjonarne.
W 1903 roku, po raz pierwszy silnik wysokoprężny zastosowano do napędu statku i rozpoczął się proces wypierania silników parowych z transportu morskiego.
W 1923 roku, zbudowano pierwszy samochód ciężarowy i ciągnik, które były napędzane silnikiem wysokoprężnym.
W 1933 roku, firma Citroen zastosowała pierwszy silnik wysokoprężny w samochodzie osobowym.
W 1934 roku, w Polsce zbudowano pierwszy na świecie lekki czołg typu 7TP, który był napędzany silnikiem wysokoprężnym.
W 1936 roku, niezależnie od siebie, francuzi i germańcy rozpoczęli produkcję samochodów osobowych z silnikami wysokoprężnymi. Samochody te nie były jednak popularne, bo były głośne i nie miały takiej dynamiki jak auta z silnikami niskoprężnymi (benzynowe).
W 1937 roku, firma Junkers podjęła pierwszą próbę zastosowania silnika wysokoprężnego w samolocie. Program zakończył się fiaskiem.
Sposób przekazania mocy z silnika spalinowego na koła pojazdu szynowego.
Pierwsze próby polegały na przeniesieniu bezpośrednim obrotów z silnika na koła. Jednak niekorzystna charakterystyka silnika spalinowego, dla zastosowań w pojeździe szynowym sprawiła, że nie osiągnięto zamierzonego celu. Przykładem tego typu lokomotywy jest pojazd wyprodukowany w 1912 roku, na zlecenie Kolei Prusko - Helskiej przez szwajcarską firmę Sulzer. Była to lokomotywa z dwusuwowym silnikiem, o mocy aż 960 KM. Budowa lokomotywy trwała trzy lata. Jazdy testowe wypadły źle. Słabym punktem tej lokomotywy był system chłodzenia, a przede wszystkim układ bezpośredniego przekazania mocy silnika na osie napędne. Problemy się piętrzyły, a lokomotywa nadal nie nadawała się do eksploatacji. Tempo pracy znacznie spadło i inni producenci wycofali się ze swoich planów stworzenia lokomotywy spalinowej. W 1920 roku, lokomotywa została przekazana na złom.
Około 1920 roku, problem przeniesienia napędu został rozwiązany w USA. Tam zauważono, że nie da się przekazać mocy 1 000 KM z silnika w tradycyjny sposób, poprzez skrzynkę przekładniową. Każda przekładnia mechaniczna, gdzie użyto kół zębatych i wałków, szybko ulegała zniszczeniu. Należało zastąpić skrzynkę mechaniczną innym urządzeniem. Amerykańska firma General Electric zaproponowała, aby silnik wysokoprężny został mechanicznie połączony z prądnicą, która będzie zasilała silniki elektryczne prądu stałego. Wyliczenia wykazały słuszność takie rozwiązania przy sprawności takiej trój-maszyny w granicach 70 %.
Po USA, podobnie do problemu przeniesieni napędu w lokomotywach spalinowych podeszli moskale. W 1924 roku, profesor Yakov Modestovich Gakkel, zaprojektował spalinowóz o mocy około 1 000 KM. Wkrótce koleje sowieckie zamówiły tego typu lokomotywy. W 1933 roku, w CCCP produkowano już lokomotywy spalinowe o mocy 1 200 KM.
Jednak do popularności lokomotyw spalinowych było daleko. Dużo bardziej popularne były wagony silnikowe, które z prędkością 120 - 140 km/h, dużo szybciej przewoziły bogatych podróżnych.
Wybuch II wojny światowej zahamował rozwój spalinowych pojazdów trakcyjnych w Europie. Nie zatrzymał jednak ich rozwoju w USA. Do 1956 roku, około 80 % pracy przewozowej w tym kraju przejęły lokomotywy spalinowe. I ponownie widzimy głupotę niemców, którzy bezsensownie rozpoczęli II wojnę światową.
Przekładnie stosowane w lokomotywach spalinowych.
Przekładnie mechaniczne.
Moc z silnika spalinowego jest przenoszona za pomocą wałków i kół zębatych, podobnie jak w samochodach. Ten typ przekładni, sprawdza się tylko w przypadku lekkich pojazdów i na liniach o niewielkich wzniesieniach. Przekładnia ta jest stosunkowa lekka. Takie przekładnie użyto na przykład w lokomotywach: Ls60, SM04, SN61.
Przekładnie hydrauliczne.
W kolejnictwie zastosowanie znalazły przekładnie hydrokinetyczne. Przekładnie te wykorzystują energię kinetyczną cieczy, najczęściej oleju hydraulicznego, jako medium przekazującego energię z pompy (element czynny) do turbiny (element bierny). Silnik spalinowy napędza specjalną pompę. Pomiędzy pompą a turbiną znajduje się kierownica, zmieniająca parametry energetyczne cieczy. Cechą charakterystyczną przekładni hydrokinetycznej jest brak sztywnego połączenia, co pozwala na znaczne przeciążanie przekładni, bez niebezpieczeństwa przeciążenia układu napędowego. Wadą tej przekładni jest stosunkowo niska sprawność oraz konieczność intensywnego chłodzenia. Zaletą tego typu przekładni jest łagodne przenoszenie mocy. Przekładnia hydrokinetyczna była także stosowana w wagonach motorowych serii SAx „Luxtorpeda”, kursujących na sieci PKP w okresie 1933 – 1939. Jednak ten typ przekładni nie był często stosowany w PKP. W okresie 1945 - 1990, nie udało się uruchomić produkcji odpowiednich tego typu przekładni. W całym kołchozie socjalistycznym żadna fabryka nie opanowała produkcji tego typu przekładni.
Przekładnie elektryczne.
Najpopularniejsza i najlepsza dla kolejnictwa przekładnia to jest przekładnia elektryczna. Jest to przekładnia, która kiedyś była nazywana trój-maszyną. Silnik spalinowy napędza generator prądu elektrycznego, a wytworzony prąd elektryczny porusza silniki elektryczne zamontowane w wózkach lokomotyw. Prędkość jazdy lokomotywy spalinowej reguluje się poprzez zmiany wzbudzenia prądnicy za pomocą nastawnika elektrycznego, zmieniającego opór elektryczny w obwodzie wzbudzenia. Do wad tej przekładni należy jej duża masa i sprawność poniżej 80 %. Ale przy dużych mocach przekładnia tego typu jest niezastąpiona. Przekładnie tego typu zastosowano w lokomotywach spalinowych SM30, SM31, SM42 (SU42, SP42, 6Dg), SU45, SU46, SU47, ST43, ST44, SM40, SM41, SM48.
Pojazdy szynowe w Polsce.
W 1911 roku, prusacy w rejonie Poznania i Olsztyna uruchomili na trasach lokalnych wagony motorowe wyposażone w benzynowe silniki spalinowe. Wprowadzono także wagony akumulatorowe, które poruszały silniki elektryczne. Wykorzystywano także wagony parowe, które jednak były najmniej konkurencyjne.
W 1927 roku, PKP kupiło w Anglii wagony motorowe typu Clayton z silnikami parowymi. W Małopolsce wagony te testowano przez 18 miesięcy, na szlaku Kraków - Wieliczka. Wagony wykazały pewne mankamenty, dlatego z nich zrezygnowano.
Pierwszy normalnotorowy wagon spalinowy sprowadzono do Polski w 1927 roku, z niemieckiej firmy TAG z Kilonii. Wagon miał silnik benzynowy, o mocy 150 KM. Przekładnia była mechaniczna. Wagon kursował na trasie Kraków - Wieliczka.
W Polsce rozwój taboru spalinowego mógł nastąpić dopiero po odzyskaniu niepodległości w 1918 roku. Tabor przejęty po zaborcach włączono do powstałych Polskich Kolei Państwowych. Wśród pojazdów znalazł się również jeden osobowy wagon silnikowy. Jego eksploatacja przez PKP wykazała, że spisuje się lepiej, niż trakcja parowa. Do 1933 roku, poszukiwano odpowiednich wagonów motorowych za granicą. Ale ostatecznie podjęto produkcję wagonów motorowych własnej konstrukcji w Polskich fabrykach. (czytaj artykuł - Wagony silnikowe w okresie 1918 - 1939).
W okresie 1929 - 1930, w fabryce Fablok opracowano pierwszą polską lokomotywę spalinową z przekładnią elektryczną. Była to lokomotywa typu G1C, której prototyp ukończono w 1931 roku. Z wyglądu lokomotywa przypomina dwuosiowy letni wózek, całkowite przykryty dachem. W oknach nie było szyb, a widoczność była 360 stopni. We wnętrzu był silnik spalinowy, pozostały osprzęt i stanowisko maszynisty. Napędem był silnik spalinowy Diesel - Warchałowski, który kupiono w Austrii. Silnik dwucylindrowy miał moc 60 KM i poprzez elastyczne sprzęgło napędzał prądnicę, która dawała 230 - 300 V i moc 35 kW. Prądnica zasilała dwa elektryczne silniki trakcyjne, o mocy 2 x 35 kW. Obroty silników elektrycznych były przekazywane poprzez łańcuch na osie kół. Koła miały średnicę 1,00 m. Lokomotywa miała długość 5,5 m, wysokość 4,30 m.
W okresie 1934 - 1939, niemiecki zakłady WUMAG wyprodukował na zamówienie Kolei Izerskiej dwuosiowe wagony motorowe MsB. W 1945 roku, na linie PKP trafiło 12 egzemplarzy wagonów motorowych MsB / MsBi, które w PKP oznaczono SN51. Pojazdy służyły w DOKP Wrocław. Wagony były dwuosiowe, napędzane silnikami wysokoprężnymi, 4-cylindrowe, rzędowe, o mocy 85 KM. Przekładnia mechaniczna. Prędkość maksymalna 60 km/h. Liczba siedzeń 21. W Polsce zachował się jeden egzemplarz, który jest w Skierniewicach.
1945 rok.
Po drugiej wojnie światowej, w Polsce było trzech producentów lokomotyw. W Chrzanowie - Fablok produkował lokomotywy parowe i spalinowe. W Poznaniu - Zakład Cegielski produkował lokomotywy parowe, spalinowe i elektryczne. We Wrocławiu PaFaWag produkował lokomotywy elektryczne. Wszystkie trzy fabryki zakończyły produkcję lokomotyw na polski rynek w 90-latach XX wieku, w wyniku niszczenia polskiej gospodarki. Zakład we Wrocławiu - PaFaWag budował lokomotywy jeszcze dla PKP w okresie 1997 - 2002, elektryczne EU11 i EU43, które jednak nie trafiły na polskie tory.
Po 1945 roku, PKP włączyła do eksploatacji pierwsze lokomotywy spalinowe SM01. W PKP pracowały 3 egzemplarze. Były to lokomotywy produkcji niemieckiej z okresu 1930 - 1945. Były budowane w dużej liczbie, przez różnych producentów, z różnymi silnikami spalinowymi z przekładniami mechanicznymi.
W 1952 roku, Fablok wyprodukował pierwszą powojenną lokomotywę typu Ls40 oznaczoną w PKP SM02, z przekładnią mechaniczną.
Lokomotywa Fablok 2D, występuje pod różnymi oznaczeniami: Ls150, Ls160, Ls180, SM03 (w PKP), SM04 (w PKP dla silników o mocy 180 KM), 409D, 409Da. Lokomotywa 2D została opracowana jako lokomotywa manewrowa, z przeznaczeniem do pracy w PKP i przemyśle. Lokomotywa została zaprojektowana przez Centralne Biuro Konstrukcyjne Przemysłu Taboru Kolejowego w Poznaniu w 1958 roku. Lokomotywy 2D były budowane przez Polski przemysł przez 34 lata i były produkowane w czterech różnych fabrykach.
Lokomotywa Fablok Ls60 została opracowana w firmie Fablok w 1960 roku. Lokomotywa była rozwojową wersją lokomotywy Ls40. Produkcja seryjna trwała w okresie 1961 - 1971, w zakładzie Fablok oraz w fabryce ZASTAL Zielona Góra. Zbudowano ponad 500 egzemplarzy. Lokomotywa ma układ osi B. Masa służbową 16 000 kg. Typ silnika wysokoprężnego S-324. Moc silnika 46 kW (60 KM). Całkowita długość 5,93 m. Przekładnia mechaniczna.
Opracował Karol Placha Hetman