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電気式への改造
キハ３９１の試験終了後、電気式への改造案も検討されたようです。クモハ５９１を種車にするようなことすら検討されたようですが具体化はしませんでした。３９１クラスの電気式ガスタービン動車を作ったらどうなるか試してみましょう。
前項と同じ出力、編成で動力伝達方式を電気式とします。ノッチマンミニにはガスタービン発電セットの設定に高速発電機直結方式しかありません。しかし当時の日本にはこの技術が実用レベルになかったため当時作られたかもしれない電気式ガスタービン動車よりも軽量になってしまいますが仕方ありません。
電気式の場合は発電機と電力制御回路によりガスタービンを最適回転数で運転できるため前項のような回転数の範囲を拡大するとかの設定は無意味で、上図のように設定欄も消えています。
列車の諸元は次のようになります。
前項の２車両と今回の車両の３者の引張力曲線の比較です。赤色が標準設定１０５％回転数、黄色が１５０％設定、そして緑色が電気式ガスタービン動車のものです。電気式がその特性を発揮して低速で高い引張力を発揮しています。電動機の許容電流の制限で30km/h以下は一定値となっています。。
しかし、速度が上がると電気式と直結機械式の動力伝達効率の差が影響して電気式がやや不利になります。
低速での引張力の差は加速力の差として現れ、下の図のように低速で加速力が大きく向上し、40‰以上の勾配均衡速度は圧勝ですが伯備線で特急車両がこの速度域の性能を活かす場面は駅発車時と通過駅でのポイント制限を抜けて加速する場面に限られます。
動輪周出力でも電気式と機械式の特性差はあきらかです。30km/h以上では電気式は一定出力を速度に無関係に発揮しています。
伯備線でのシミュレーション結果です。曲線通過速度本則としたものです。左から150％回転の列車、105％の列車、最後の列が電気式のデータです。
低速での加速性能向上が効いて電気式がトップとなっています。
燃料消費はどうでしょうか。
広い速度域で効率が良い電気式も重量増加と伝達効率の低さが響いたのか150％回転車両に一歩及びません。
では次に３９１で行われた曲線通過速度向上の影響を見ます。本則＋20km/hのシミュレーション結果です。
電気式は9秒差まで追い上げられますがかろうじてトップを維持しています。差が縮まったのは低速からの加速頻度が減ったためです。
燃料消費が次の表です。
こちらは3者とも同じような減り方であまり変化はないようです。
走行状況を見てみましょう。低速引張力の強化は上り勾配での加速に効いてきます。
前項同様新郷駅通過後の25‰勾配での加速状況を見てみます。
45km/h制限からの加速という電気式が得意な場面です。しかし150％回転車両に途中から敗れ、２５‰終端では2km/h以上の速度差が生じています。
不利になる高速域ではどうでしょうか。次は山陰側に出た軽い下り区間ですが、岸本駅通過後130km/hまでの加速です。
110km/h以上からじりじり追い上げられますが低速での高加速が効いて有利になっています。
このように性能面ではオリジナルのキハ391に比べて電気式のほうが改善しそうです。電気式はガスタービンを常に適正速度で運転できるためフルノッチ起動時の極端な高騒音の問題は解消します。また、キハ391で採用した中バリ方式という特殊な車体構造が不要で、すでに実用化段階にあった振り子電車の車体や駆動系をそのまま流用可能という利点もありました。
このような状況下であえて機械式を採用したのはやはり車両重量の問題があります。上記シミュレーションでは発電セットがガスタービン直結とされ非常に軽量なものとして計算されており、機械式との重量差がかなり少なく見積もられています。当時の技術でもディーゼル直結の発電機の2倍以上の回転数は確保できるためディーゼル発電機ほど重くはなりません。しかしそれでも毎分2万回転近い速度で回る高速発電機と比べると発電機の重量増加はかなりあり、減速機構を加えると1000馬力級の発電セットでは3トン程度は重くなります。編成重量は80トンを超え、機械式に比べ軸重が1トン以上増えることとなり高速走行時の軌道負担が増加します。結果的に保守や起動強化に必要な経費が増加、採算性の厳しい地方幹線投入には無理と判断されたようです。
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