Дизельные двигатели используются во многих типах транспортных средств, включая локомотивы. Тепловая эффективность дизельных двигателей на 20 процентов выше, чем у газовых двигателей. Это означает 20-процентное увеличение экономии топлива и, следовательно, более низкие эксплуатационные расходы, чем у газового двигателя. Дизельные двигатели также служат дольше, чем газовые двигатели, потому что они работают на гораздо более низких оборотах в минуту, чем газовые двигатели.
Гибридный тепловоз — это невероятное проявление мощи и изобретательности. Он сочетает в себе некоторые замечательные механические технологии, в том числе огромный двухтактный дизельный двигатель с 12-16 цилиндрами, с некоторыми мощными электродвигателями и генераторами, добавляя для верности немного компьютерных технологий.
Локомотивы весят от 100 до 200 тонн (91 000-181 000 кг) и предназначены для буксировки вагонов пассажирских поездов со скоростью до 125 миль в час (200 км/ч). Современные двигатели Siemens вырабатывают до 4200 лошадиных сил, а генератор может превратить это в почти 4700 ампер электрического тока. Приводные двигатели используют это электричество для создания крутящего момента около 60 000 фунт-фут. Существует также дополнительный дизельный двигатель и генератор для обеспечения электроэнергией остальной части поезда. Этот генератор называется головной силовой установкой и вырабатывает от 500 до 700 киловатт (кВт) электроэнергии.
Такое сочетание дизельного двигателя, подробнее, с электрическими генераторами и моторами делает локомотив гибридным транспортным средством. В этой статье мы начнем с изучения того, почему локомотивы построены таким образом и почему у них стальные колеса. Затем мы рассмотрим компоновку и ключевые компоненты.
Основная причина, по которой дизельные локомотивы являются гибридными, заключается в том, что эта комбинация устраняет необходимость в механической трансмиссии, как в автомобилях. Давайте начнем с понимания того, почему в автомобилях есть трансмиссии.
Вашему автомобилю нужна трансмиссия из-за физики бензинового двигателя. Во-первых, у любого двигателя есть красная линия — максимальное значение оборотов, выше которого двигатель не может работать без взрыва. Во-вторых, если вы читали, как работает лошадиная сила, то знаете, что двигатели имеют узкий диапазон оборотов, в котором мощность и крутящий момент максимальны. Например, двигатель может выдавать максимальную мощность в диапазоне от 5200 до 5500 оборотов в минуту. Трансмиссия позволяет изменять передаточное отношение между двигателем и ведущими колесами по мере увеличения или замедления скорости автомобиля. Вы переключаете передачи так, чтобы двигатель мог оставаться ниже красной линии и вблизи диапазона оборотов, обеспечивающего его наилучшую производительность (максимальную мощность).
Коробка передач с пятью-десятью скоростями на большинстве автомобилей позволяет им развивать скорость 110 миль / ч (177 км / ч) или быстрее при диапазоне оборотов двигателя от 500 до 6000 или выше оборотов в минуту. Дизельные двигатели имеют гораздо меньшую рабочую скорость, чем бензиновые, и это вдвое больше, чем у мощных двигателей, используемых в локомотивах. Дизельный двигатель большого объема выдает максимальную мощность примерно при 2100 оборотах в минуту или ниже. При таком диапазоне скоростей локомотиву потребуется 20 или 30 передач, чтобы разогнаться до 110 миль в час.
Такая коробка передач была бы огромной (она должна была бы развивать 4200 лошадиных сил), сложной и неэффективной и создавала бы возможную точку механического отказа. Также пришлось бы обеспечивать питание четырех пар колес, что усложнило бы задачу.
Благодаря гибридной установке главный дизельный двигатель может работать с постоянной скоростью, приводя в действие электрогенератор с помощью карданного вала. Генератор подает электроэнергию на тяговый двигатель на каждой оси, который приводит в действие колеса. Тяговые двигатели могут выдавать достаточный крутящий момент на любой скорости, от полной остановки до 125 миль/ч (200 км/ч), без необходимости переключения передач.
Почему дизельные?
Дизельные двигатели более эффективны, чем бензиновые, и при перевозке буквально тонн грузов или пассажиров эффективность имеет первостепенное значение. Производитель поездов CSX оценивает, что их парк перевозит 1 тонну (0,9 метрических тонны) груза в среднем на 492 мили (791 километр) на 1 галлон (4 литра) топлива, что делает локомотивы в четыре раза эффективнее, чем перемещение грузов по дорогам. Дизель-электрические системы также в пять раз эффективнее старых паровозных локомотивов, вот почему дизель полностью заменил пар в начале 20 века.
Дизель также столкнулся с некоторой конкуренцией со стороны полностью электрических поездов, которые питаются непосредственно от электросети во время движения. Этот метод в несколько раз эффективнее, чем сжигание любого вида бортового топлива для производства энергии. Электровозы особенно популярны в Европе и Азии, но переход на них в США происходит медленно. Вероятные причины заключаются в том, что для работы электропоездов требуется собственная специализированная инфраструктура, а старые локомотивы могут эксплуатироваться несколько десятилетий до выхода на пенсию. В настоящее время стандартом остается дизельное топливо. Однако в Штатах было электрифицировано несколько пассажирских железных дорог, включая северо-восточный коридор Amtrak и пригородную железную дорогу Калифорнии.