Двигатель Paxman Hi-Dyne был экспериментальным дизельным двигателем, разработанным для использования на железнодорожном транспорте британскими производителями двигателей Paxman из Колчестера . Они использовали переменный наддув , чтобы обеспечить постоянную выходную мощность во всем диапазоне скоростей.
Название «Hi-Dyne» является отсылкой к дине , единице силы в системе СГС , и косвенно к крутящему моменту .
Тепловозы появились в 1930-х годах, после появления надежных, компактных дизельных двигателей. Первыми были тихоходные маневровые локомотивы с механическими трансмиссиями. За ними последовали более мощные высокоскоростные экспресс-локомотивы с дизель-электрическими трансмиссиями . Однако эти электрические трансмиссии и их тяговые двигатели были дорогими и сложными, часто требуя совершенно новых навыков для обслуживающего персонала. [1] Хотя гидротрансформатор Феттингера использовался в легких дизельных вагонах , еще не была разработана мощная дизель-гидравлическая трансмиссия . Существовала четкая потребность в мощном и надежном тепловозе, основанном на механической трансмиссии.
Одной из основных потребностей трансмиссии является соответствие скорости двигателя скорости локомотива, чтобы двигатель мог работать в своем полезном рабочем диапазоне скоростей. Все локомотивы должны обеспечивать высокий крутящий момент от нулевой скорости рельса для запуска. Таким образом, общий диапазон передаточных чисел, требуемых от трансмиссии, зависит от максимальной скорости поезда. Чем уже диапазон мощности двигателя, тем более точный контроль передаточного числа коробки передач требуется либо с помощью бесступенчатой трансмиссии , либо с помощью дискретной трансмиссии с большим количеством передаточных чисел.
Вместо того чтобы строить все более сложные трансмиссии, Паксман решил разработать более гибкий двигатель.
Выходная мощность двигателя является произведением его крутящего момента и скорости. Крутящий момент изменяется со скоростью, увеличиваясь до пикового значения и уменьшаясь как выше, так и ниже этого значения. Диапазон, для которого крутящий момент является полезной долей максимума, описывается как «диапазон мощности». Дизельные двигатели, как правило, имеют более широкий диапазон, чем бензиновые двигатели, и они также теряют меньше топливной экономичности при частичной настройке дроссельной заслонки.
Принцип Hi-Dyne заключался в создании двигателя, где кривая крутящего момента была бы обратной обычной: максимум на низких оборотах и постепенное уменьшение с ростом скорости, так что общая мощность (произведение крутящего момента и мощности) оставалась бы постоянной, независимо от скорости. Такой двигатель не может быть получен только с помощью конструкции двигателя без наддува.
Эксперименты по наддуву дизельных двигателей с 1930-х годов, первоначально проведенные Зульцером [2] и Заурером , показали, что прочно сконструированный дизельный двигатель может быть сильно наддуваем, так что его выходной крутящий момент может стать в несколько раз больше. Окончательным ограничением этого процесса стала способность двигателя извлекать мощность за счет работы, совершаемой на поршне расширяющимися газами. [i]
Используя турбокомпрессор , можно увеличить крутящий момент (и, следовательно, мощность) на низких скоростях, чтобы соответствовать максимальной мощности без наддува на пике крутящего момента. Если турбокомпрессор и его впускной коллектор тщательно подобраны для обеспечения необходимого наддува при низком давлении, но для того, чтобы подаваемый объем оставался относительно постоянным выше этого, можно получить обратную характеристику крутящего момента с оборотами в минуту.
Та же концепция дизельного двигателя постоянной мощности с переменным наддувом ранее [ii] использовалась в многомоторном локомотиве Fell с механической трансмиссией мощностью 2000 л. с. (British Rail 10100). В нем использовалось всего шесть двигателей: четыре двигателя Paxman 12RPH и два двигателя AEC A210D исключительно для привода нагнетателей Roots в Холмс-Коннерсвилле [iii] . [4] На низких скоростях, до 24 миль в час, четыре двигателя включались в передачу один за другим. Выше этой скорости и до максимальной скорости локомотива в 84 мили в час [3] скорость двигателя нагнетателя контролировалась регулятором для поддержания массового потока наддува и, таким образом, поддержания выходной мощности на постоянном уровне. На полной скорости эффект наддува был практически сведен к нулю, поскольку поток через нагнетатель теперь был эквивалентен нормальному потреблению главных двигателей на этой скорости. Хотя эта система оказалась гибкой, обеспечивая плавный ход и надежную эксплуатацию, у нее были недостатки: сложность, а также то, что потенциально более мощные двигатели не работали на полную мощность, когда требования к локомотиву были максимальными.
Hi-Dyne использовал характеристическую кривую турбокомпрессора, которая была достаточна для обеспечения полного наддува на низких оборотах, но при увеличении оборотов двигателя она ограничивалась, поэтому наддув снижался, а следовательно, и выходной крутящий момент. [5] [6] [7]
Подача топлива в двигатель через инжекторный насос контролировалась регулятором . В отличие от обычной схемы, где управляющий сигнал с рычага водителя устанавливает обороты двигателя , которые поддерживаются регулятором, в двигателе Hi-Dyne управляющий сигнал выбирает уровень выходной мощности , который поддерживается регулятором. [5] [6] [7]
.jpg/1280px-Hudswell_Clarke_D810_Enterprise_at_Ashford_Steam_Centre_1972_(8613530103).jpg)
В 1954 году первый прототип Hi-Dyne был установлен на Enterprise , 48-тонном промышленном локомотиве Hudswell Clarke . [9] Он был испытан для ряда промышленных применений, в частности для движения в шахтах на линии Стоктон-Дарлингтон . Что необычно для испытания небольшого локомотива, испытательные поезда также включали динамометрический вагон . [7] Двигатель представлял собой 6-цилиндровый двигатель RPHXL V , оснащенный турбокомпрессором Brown Boveri VTR 160. Регулятор был настроен на постоянную выходную мощность 210 л. с. между 735 и 1250 об./мин. [10] Установленная трансмиссия представляла собой трехскоростную коробку передач Dual Fluidrive [iv] (разновидность трансмиссии с двойным сцеплением ) с парой гидромуфт . Эта коробка передач имела то преимущество, что она избегала кратковременной потери мощности при переключении передач. Это было ценной функцией, когда легкие локомотивы трогали тяжелые поезда на подъемах, поскольку помогало избежать выхода поезда из-под контроля.
Одно из наиболее стойких, хотя и неясных, наследий этого локомотива было связано с его названием. Этот локомотив впервые появился в 1954 году во время строительства DP1 , прототипа Class 55 Deltic . DP1 уже имел внутреннее название проекта Enterprise , и предполагалось, что локомотив будет назван так же при поставке. Чтобы избежать путаницы с Hudswell Clarke и ассоциации этого престижного проекта с таким маленьким и второстепенным локомотивом, DP1 вместо этого получил название DELTIC , в честь своего тягача Deltic . [12]
Впоследствии Paxman поставила шестнадцать двигателей Hi-Dyne на базе 6-цилиндрового RPHXL (контракты 55096-103 и 55721-8) компании Hudswell Clarke для локомотивов государственных железных дорог Сьерра-Леоне . [7]
Паксман был не одинок в попытках разработать дизельные двигатели, которые давали высокий крутящий момент на низкой скорости. Итальянские изобретатели Энрико Хокке и Фаусто Зарлатти запатентовали «Дизельный локомотив с прямой передачей и с автоматическим наддувом двигателя при снижении скорости» в 1938 году, патент US2115525. [13]