気動車
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気動車（きどうしゃ）とは、人員・荷物もしくは貨物を積載する空間を有し、運転に必要な動力源として熱機関を搭載して自走する鉄道車両のことをいう。
日本語の「気動車」は、蒸気機関を搭載する蒸気動車に対しても、内燃機関を搭載する車両に対しても用いる。そのうち、内燃機関を動力とする車両を「内燃動車」と呼ぶが一般にはあまり使われていない。
現在の気動車では、一般に内燃機関の中でも熱効率と安全性に優れるディーゼルエンジンが動力として用いられている。そのため、日本では「ディーゼル動車」または「ディーゼルカー」(Diesel Car, DC)、「汽車」 などと呼ぶことも多い。対して、欧州では動力分散方式の車両を「マルチプル ユニット」と呼ぶことから、気動車を「DMU」 (Diesel Multiple-Unit) と呼称する[1]。 また「レールカー」(Railcar）とも呼ばれる。
以下、特記ない限り、主に日本国内の事情に基づいて記す。
目次 |
[編集] 概要
[編集] 構造
[編集] 機関
何らかの熱機関を搭載し、燃料を燃焼させ、その熱エネルギーを機械的エネルギーに変換し、車輪を駆動させる。電車と同様に動力分散方式の鉄道車両に分類され、一両ごとに床下に内燃機関を配置し、複数両の車両を連ねる場合にはそれらを先頭車の運転台から一括して制御する、動力分散型総括制御方式を用いている。気動車の構造はその種類により全く異なるため、「気動車の分類」に掲載されている各記事も参照されたい。
[編集] ディーゼルエンジン以外の機関を持つ気動車
現在営業運行に供されている気動車では、ディーゼルエンジン以外の熱機関を搭載したものは皆無である。このため、一般社会においては「気動車＝ディーゼル動車」という認識になってきており、「内燃動車」「ディーゼル動車」「ディーゼルカー」などの細かい区分用語はあまり用いられなくなっている。
もっとも過去においては、明治時代末期から戦後間もない頃までは蒸気動車があったほか、大正時代から1950年代まではガソリンエンジンを動力とする「ガソリン動車」（「ガソリンカー」とも）も存在したが、いずれも経済性・安全性などの面から廃れた。なお、ガソリン動車は現在、日本においては全廃され、禁止されている。ガソリンカー廃止のきっかけとなった事件については西成線列車脱線火災事故を参照されたい。
またガスタービンエンジンを搭載した「タービン動車」（「ターボトレイン」とも）も研究され、1960年代以降アメリカ・フランスなどでは実用化されたが、日本では燃費の悪さと甲高い騒音、故障の頻発が嫌われ、更にオイルショックにも見舞われたため、試作車（キハ07 901、キハ391-1）の製作に止まり、実用化されなかった[2]。
海外ではマイクロガスタービンを使用した新世代ガスタービン-エレクトリック式気動車が開発されつつある。
[編集] 車体
車体は、床下に架装されるエンジンと変速機の重量・動揺に対応するため桁の強度を上げてあること、遮音、吸音に配慮されている以外は一般的な客車や電車と大きく変わるところは無い。出力面での制約を補う見地から、概して軽量化への志向が強い。
ホームの高さが古い時代の基準で低いままの地方線区で主に使われるため、乗降口にステップを備えている車両が多い[3]。
[編集] 燃料
現代のディーゼル動車では軽油が用いられている。また、一部の鉄道会社においてバイオディーゼル燃料が試験的に導入されている。
ガソリン動車はガソリンを使用していた。
戦争の影響による石油の不足により石油燃料に統制がしかれていた1940年代には、ガソリン機関を（終戦後はディーゼル機関も）改造して木炭ガスや天然ガスを燃料に使用した例もある。
蒸気動車は蒸気機関車と同様、石炭を使用しており、機関助手の乗務による投炭作業を要した。
[編集] 運用特性
直接的な運転経費では動力費や保守整備費用で電車に劣る反面、発電所、変電所、架線など電気系統の地上設備は不要である。輸送量が小さい路線において運用される場合、総合的に見ると経済的で環境負荷も少ない。
編成として機能する特急形を除き、気動車は多くの場合、1両毎での単独運転が可能である。多くが2両以上の車両によるユニット構成を採る電車と異なり、1両単位での編成組成が可能で、需要に応じて編成両数を柔軟に増減することも容易である。
かつて日本国有鉄道（国鉄）の気動車は、特急形車両を除いて制御段、制御信号及びブレーキシステムが、統一もしくは新旧互換化されており、急行用・通勤用を問わずすべて相互連結運転可能な仕様になっていた。そのために旧型の気動車を使用した列車には、一般用のキハ40系と急行用のキハ58系の混成編成などのように、違う形式による編成も少なくなかった[4]。しかし、互換性を過度に重視したシステム構築は車両性能改善の制約にもなり、JR移行後はその傾向が弱まっている。
また電化設備の有無や変電所容量などに影響されず走行が可能なため、運用面でも柔軟性が高い。しかし、実際には気動車の運転免許（甲種内燃車運転免許）を有する乗務員が必要となることや、自動列車保安装置の互換性などから、営業用の気動車が通常運行されていない区間に臨時列車として入線することは少なくなっている。電化区間と非電化区間が混在する地域で機動性を求められる事業用車（「East i-D」など）での採用例は、気動車の柔軟性を活かしたものと言える。
そのほか、電化区間でも閑散化の著しい場合、普通列車には編成単位の大きくなる電車でなく、小単位運用の可能な気動車を、近傍の非電化路線との共通運用によって代用する例もある[5]。
[編集] 走行性能
現代の日本の気動車は、ほぼすべてがトルクコンバータを介して動力伝達する「液体式変速機」を用いており、トルクコンバータのトルク増幅機能によって低速域の牽引性能を確保すると共に、直結段での変速によって、広い速度領域でエンジン性能の有効活用を図っている。
ディーゼルエンジンの特徴として全域でフラットトルクであるため、出力が回転数にほぼ比例して上がることから、高速域での牽引力は、同出力の直流直巻モーターを上回ることがあげられる。
ただし内燃機関は過負荷・過回転への耐性が低く、過負荷に対する耐性が高い電気モーターではあたりまえに見られる「短時間定格」、いわゆる定格オーバーでの運転が不可能である。また、国鉄旧型気動車に見られるような比較的簡易な2段変速（トルコン+直結1段）などのようにギアリングが限られる場合にはエンジン出力を有効に使えず、登坂速度等は一般に電車より劣ることになる。
液体変速機を使用した気動車の、起動直後の低速域での加速度は一般に電車より高い。しかしながら、電車のモーターは右下がりのトルク特性で、起動時から同じ加速度を維持できるのに対し、気動車では変速機の出力側回転数が増すにつれ加速度が急激に減少するのが一般的で、そのため、上の段に変速する必要がある。
従って気動車の高性能化に際しては過大出力とも言える機関の搭載を要するが、これにはエンジン技術の他にも車両床下への搭載性、更には経済性などの制約を伴う。かつてはこれに加え、エンジン性能の有効利用を可能とする多段変速機の改良・発達が滞っていた実情もあり、日本の気動車の性能向上を大きく妨げた。
1980年代以降、民生用高性能エンジンの採用と、電子制御の発展に伴う多段型変速機の実用化で気動車の性能改善は飛躍的に進んだ。しかし、現行の技術をもってしても高出力化には車両搭載性、そして経済面での制約が依然として存在する。
[編集] 日本の気動車の略史
詳細は「日本の気動車史」を参照
日本の非電化鉄道路線では、1872年（明治5年）の鉄道創業から長らく蒸気機関車が牽引する客車列車を主力としていた。運転経費の低減とフリークエンシー向上に効果のある「自走式車両」の開発も試みられ、1905年に蒸気機関を搭載して自走する蒸気動車が出現したが、1910年代までに限られた両数が製造されたのみで一般化はしなかった。
その後、1921年にはガソリンエンジン動力の「ガソリンカー」が営業運転を開始、列車本数頻発や運行コスト低減のメリットから1930年代には国鉄・私鉄を通じて広く普及した。ディーゼルエンジン動力の「ディーゼルカー」は日本では1928年に出現したが、エンジン技術の未発達から戦前にはほとんど普及しなかった。
1937年の日中戦争勃発以降、ガソリン不足によって内燃動車の新製および運行が年々困難となった。更に1940年に発生した西成線列車脱線火災事故により、ガソリンカーの火災危険性が指摘された。これに伴いディーゼルカーへの転換が図られる事になるが、同時期、戦時体制による燃料そのものの欠乏から、太平洋戦争中および終戦直後にかけ、内燃動車の運行自体が一時衰退する。
1950年以降、ディーゼルエンジン技術と燃料供給が改善されると、戦前のガソリンカーに代わって、ディーゼルカーが隆盛を極めることになった。特に1953年の液体式変速機実用化は、気動車による長大編成組成を可能とし、国鉄での著しい気動車普及の原動力となった。
蒸気機関車牽引列車に比して優れた居住性と走行性能を活かし、気動車による準急・急行列車が出現、更に1960年には特急列車も登場した。戦後しばらくの間、国鉄線は主要幹線でも電化率が低かったこともあって、気動車は全国で広範に用いられるに至った。
1970年代までには5,000両を超える大量の気動車増備が図られ、日本国有鉄道は世界最多の気動車保有数を誇った時期もあった。しかし、同時期に主要幹線の電化が進展したことで気動車の地位は徐々に後退、一方で、極端な車両標準化施策及び労使関係の悪化により、気動車技術の発達も停滞した。
1980年代以降、第三セクター鉄道向け軽量気動車の開発や新型エンジンの出現、電子制御式多段変速機の実用化などの技術改良から性能は大きく改善されたが、運用路線は主として地方の非電化亜幹線とローカル線に限定されるようになっている。
[編集] 現状
現在、JR各社では亜幹線・ローカル線を中心に運用され、非電化区間は気動車の独擅場である。客車列車は既に定期普通列車運用から完全撤退しており、少数の寝台列車がディーゼル機関車牽引で残存しているに過ぎない。北海道においては、かつて道内発着の夜行列車を「気動車で寝台客車を挟み込む」といった編成で運行していたが、2008年8月31日までに廃止している。
国鉄継承の旧型車両から、JR移行後新製の車両まで、多彩な形式が存在する。なお、国鉄時代には気動車の荷物車・郵便車も存在したが、JR移行後は、少数の事業用車両をのぞいてほとんどが旅客車である。
[編集] 現代の気動車・高性能化とレールバス
エンジンの高出力化と変速機の性能改善は著しく進展した。21世紀初頭の現在では、11～15リッタークラスの6気筒エンジンで定格460PSを発生する例もあり、各社が新製する2基エンジン搭載型気動車（多くは特急列車用）は電車と遜色ない走行性能水準に到達した。北海道旅客鉄道（JR北海道）の通勤形気動車キハ201系のように、電車と併結して協調運転を行う機能を備えた気動車も出現した。
車体を傾斜させることによりカーブを高速で通過できる機能を持った「振り子式車両」は、かつてはプロペラシャフトの伸縮の制約から気動車では不可能と見られていたが、1990年頃からスプラインに変わるボール式伸縮機構の採用によりその制約を克服した「振り子式気動車」が実用化された[6]。曲線区間での高速運転を実現し、非電化幹線での大幅な高速化に寄与している。
また、JR東日本では、日本初の営業用のハイブリッド気動車であるキハE200形を開発し、運行を開始している。また、キハ160系もITTの導入に向けて試験走行が行われている。
一方、第三セクター鉄道や地方の非電化私鉄、またJR各社では、従来の国鉄型気動車よりも小型軽量で製造・運用コストの低い標準規格化車両が多く導入されている。これらについては「レールバス」[7]と呼ばれることもある。富士重工業の「LE-Car・LE-DC」シリーズ、新潟鐵工所の「NDC」シリーズの車両が該当したが、1980年代～1990年代にかけて製造されたバスのような外観の車両は1990年代後半以降廃れ、本来の鉄道車両的な構造へと回帰しつつある。
高性能レールバスが出現すると、一部私鉄では電気鉄道でありながら気動車を運用する方が低コストと判断し、気動車運行に転換する例も出現した[8]。
更に現在では、道路と鉄道線路の両方を走る事が可能な、鉄道車両とバスを兼ねる車両の研究開発もJR北海道などを中心に進んでいる。これについてはデュアル・モード・ビークル (DMV) を参照のこと。
[編集] メーカーの寡占化
かつては日本の主要な鉄道車両メーカーのほとんどが気動車製造を手がけていたが、1960年代以来大手メーカーは電車製造に重点を置くようになり、メーカーの寡占化が進んだ。1970年代以降、日本における気動車の大多数は新潟鐵工所と富士重工業の2社で製造されるようになっていた。
しかし、2002年に新潟鐵工所が経営破綻し、さらに富士重工業も鉄道車両製造事業からの実質的撤退を発表した。その後、石川島播磨重工業が新潟鐵工所の当該部門へ出資したことにより新潟トランシス株式会社が設立され、上記2社の鉄道車両製造事業の一部を承継した。現在、新潟トランシスの気動車分野における日本国内シェアは約8割に達する寡占状態である。そのほかのメーカーでは日本車輌製造が近年気動車製造に力を入れていて、1970年代以降製造車輛が少なかった私鉄においても納入例が増加している。
[編集] 今後の課題
昨今ではディーゼルエンジンの環境に対する悪影響（大気汚染や酸性雨、地球温暖化）が強く指摘され、気動車やディーゼル機関車のエンジンにも環境対策を施す例が見られるようになった。
現在はエンジンの直噴化、ユニットインジェクターやコモンレールと電子制御インジェクターの組み合わせによる超高圧、多段燃料噴射の導入、自動車用エンジンで培われた熱効率向上など機関の改良が行なわれている。また DPF 取付や尿素による排気ガス浄化、燃料のバイオディーゼルへの移行といった環境対策技術も導入されつつあり、変速、駆動系の改良も進んでいる。
さらに燃料電池を用いた車両も研究されており、現状の燃料電池の超々高コスト・貴金属使用が改善されれば鉄道用として導入される可能性もある。
[編集] 気動車の分類
[編集] 機関・燃料の種類による分類
- 蒸気動車
- ガソリン動車
- ディーゼル動車
- 天然ガス動車
- ガス発生炉搭載動車（発生炉ガス動車）
- ガスタービン動車
- デュアルモード車
- 燃料電池電車（仮称、鉄道総研で開発中）
- 燃料電池車両は、電源機構が一般的な熱機関に該当しない電気動力車であるため、正確には気動車の範疇に含まれない。ただし非電化路線での気動車を代替する運用の想定や、在来型気動車およびハイブリッド気動車との開発研究上の兼ね合いから、気動車を解説する文脈で併せて取り上げられることが多い。
[編集] 変速機による分類
詳細は、気動車・ディーゼル機関車の動力伝達方式の項を参照されたい。
- 流体式（液体式とも） - トルクコンバータ（略称・トルコン）を使用して総括制御可能とした変速方式。比較的軽量なことが特徴。戦後の日本における主流。かつてはトルクコンバータに依存する領域が広く、動力伝達時のロスを生じがちだったが、1990年代以降多段式の遊星歯車変速機を電子制御してトルクコンバータと組み合わせることで、広い速度域に適応させつつトルクコンバータへの依存領域を小さくする手法が普及し、伝達効率を向上させている。その為、現在の流体式と、電子制御化された機械式との違いは「トルクコンバータの有無だけ」となっている。
- 機械式 - 自動車のマニュアル車同様に、手動・足動式操作の変速機・クラッチを用いる原始的方式だが伝達効率は良い。日本では1950年代前半まで主流だったが、クラッチ容量の限界による出力向上の制約や、当時の日本ではこの方式による総括制御の研究が進まなかったため、1960年代までにほぼ廃れた。
- ただし昨今の技術向上に伴い、電子制御による総括制御が可能になった事もあり、液体式のトルコンによる変速領域のロスを回避する見地から、ハイブリッド気動車として復権の兆しが見えている（→JR北海道キハ160形気動車）。デンマークでは機械式気動車を用いた200km/h運転の試験が行われているが、これは多段変速液体式のトルコンを省略して摩擦クラッチのみの装備に置換したものである。もっとも摩擦クラッチも発進時のロスを完全に克服できるものではなく、将来的に液体式を代替できるシステムであるかは未知数である。
- 電気式 - エンジン動力で発電を行い、発生電力でモーターを駆動して走行する方式。大出力向けで伝達効率自体は良く、保守点検も流体式に比べて容易なため、重量は増加するものの世界的には主流とする国が多い。日本では1930年代～1950年代に若干の試験的な採用例が見られたのみであったが、2000年代に入り、ハイブリッド気動車という形態で新たな開発がなされている。
[編集] 俗称
日本の都市圏においては電車による運行が比較的早期に広く発達したことから、都市圏の住民や首都圏所在のマスコミの間では「鉄道車両・列車」は、すなわちすべて「電車」である、という意識が定着している。一般利用者の立場からは、電気動力と内燃動力の相違をあえて区別する必要自体がなく、ディーゼルエンジンによって走行する気動車も「電車」と呼ばれてしまうことが多い。
近年は鉄道職員の案内放送において、気動車列車を「電車」と呼称する例も珍しくないが、「電車」と呼ばないと乗客が意味を理解できない場合すらあるのも一因である。（一般的には案内放送では電車・気動車等を問わず「列車」と呼称する事が多い）
元来「気動車」自体、「電車」に比べると専門用語的な傾向が強く、鉄道職員や専門家、愛好者等を除いて「気動車」という名詞そのものが一般に認知されていない。
一方、非電化路線沿線や客車列車が遅くまで残っていた地域（特に北海道や四国・山陰地方）では、蒸気機関車時代からの習慣そのままに汽車、または即物的にディーゼルなどと呼ばれる。また、年輩者の間では古い発音の「ジーゼル」と呼ぶケースもある。
なお、浅田次郎の小説・映画「鉄道員（ぽっぽや）」での台詞にある「キハ」は称号であるが、これは実際の鉄道員の言葉としては一般的ではない。
「キハ」を趣味者間で気動車の通称として使う例はあるが、「キハ」は、国鉄（旧・鉄道省）が定め、その後多くの鉄道事業者にも使われた、普通客室（1960年まで三等、以後1969年まで二等）設備の気動車の称号である。国鉄の特急形や急行形気動車にはグリーン客室の「キロ」（1960年まで二等、以後1969年まで一等）車や、食堂車である「キサシ」や「キシ」が含まれている。「キハ○○系」などと括りに用いることは厳密には誤用であり、また古い時代の車両は「系列」という公式な総称がないものがほとんどで、呼称はあくまでも趣味分野や実務上の便宜的なものに過ぎない。
[編集] 列車番号
国鉄およびJR各社、第三セクター鉄道では、気動車列車の列車番号は原則として末尾に D（ディーゼル）が付けられる。
- 例外
[編集] 脚注
- ^ 但し、「DMU」 (Diesel Multiple-Unit) が動力分散式のディーゼル列車を意味する言葉であるのに対し、日本語の気動車は蒸気動車、ガソリンカーも含む点で異なる。日本語の気動車の意味により近い英語にはSelf-propelled Railway Vehicle（もしくはSelf-propelled Car）がある。
- ^ キハ181系気動車の性能が概ね485系電車を凌ぐものであった（速度種別A31）ことから、日本ではあえてガスタービン車を開発する必要性も薄かった。
- ^ 近年は運用線区のホームを嵩上げして、ステップをなくしたものも出てきている（JR四国1000形気動車など）。信楽高原鐵道の車両には、低床化を行って段差をなくしているものもある。
- ^ かつて日本では、編成中の1両1両が違う形式で組成された気動車列車はありふれたもので、1950年代から1970年代にかけて製造された形態も塗色も違う複数系列の気動車群が「気動車の展覧会」の如く凸凹だらけの長大編成を組む例も、国鉄時代には珍しくなかった。
- ^ 例として、羽越本線の直流電化と交流電化の境界である村上駅～酒田駅間の普通列車には、製造コストのかさむ交直流電車の代わりに気動車が運用されている。また、現在は富山ライトレールとなった富山港線では、その末期、電化区間ながら日中の列車にワンマン運転が可能な気動車を投入していた。
- ^ 車体が傾斜した際、プロペラシャフトに大きなトルクがかかっていてもスムーズに伸縮できるように、ボールベアリングを数列並べた伸縮機構を持つプロペラシャフトを導入した。
- ^ 西ドイツ国鉄のシーネンオムニブスにヒントを得、小規模輸送用にバスの部品を流用して昭和20～30年代に製造された、国鉄のキハ01系、南部縦貫鉄道のキハ101・102形などは、日本における「レールバス」の始祖である。また、山鹿温泉鉄道ではボンネットバスに鉄輪をつけた、文字通りの「レールバス」を走らせていた。
- ^ 1920年代から1930年代にかけて、電化私鉄がコスト対策からガソリンカー併用を行った先駆例が複数存在するが、新型レールバス出現後の1980年代以降の気動車化では、名古屋鉄道の一部路線（現在は路線廃止）、近江鉄道（現在は電車運転）、くりはら田園鉄道（現在は路線廃止）、肥薩おれんじ鉄道といった例がある。
- ^ 発生したガスは使用した燃料により「木炭ガス」、「シンダガス」等と呼ばれるが成分的には大差がないものである。
- ^ 戦時中は正規の燃料油以外の燃料を代用燃料と称した。代用燃料を使って走行する内燃動車が代用燃料車である。天然ガス動車も戦時中は代用燃料車の一種として扱われた。
[編集] 関連項目
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この「気動車」は鉄道に関連した書きかけの項目です。この記事を加筆・訂正などして下さる協力者を求めています（P:鉄道/PJ鉄道）。 |
