La locomotora diésel híbrida es una muestra increíble de potencia e ingenio. Combina una gran tecnología mecánica, incluyendo un enorme, 12 cilindros, motor diesel de dos tiempos, con algunos motores y generadores eléctricos de servicio pesado, agregando un poco de tecnología informática por si acaso.
Este 270, 000 libras (122, 470 kg) está diseñada para remolcar vagones de trenes de pasajeros a velocidades de hasta 110 millas por hora (177 kph). El motor diesel hace 3, 200 caballos de fuerza, y el generador puede convertir esto en casi 4, 700 amperios de corriente eléctrica. Los cuatro motores de accionamiento utilizan esta electricidad para generar más de 64, 000 libras de empuje. Hay un motor V-12 y un generador completamente separados para proporcionar energía eléctrica al resto del tren. Este generador se llama unidad de potencia de cabecera . El de este tren puede generar más de 560 kilovatios (kW) de energía eléctrica.
Esta combinación de motor diesel y generadores y motores eléctricos convierte a la locomotora en un vehículo híbrido. En este articulo, Empezaremos por aprender por qué las locomotoras se construyen de esta manera y por qué tienen ruedas de acero. Luego, veremos el diseño y los componentes clave.
Contenido
Los 3, Motor de 200 caballos de fuerza que impulsa el generador principal La principal razón por la que las locomotoras diesel son híbridas es porque esto elimina la necesidad de una transmisión mecánica, como se encuentra en los coches. Comencemos por comprender por qué los automóviles tienen transmisiones.
Su automóvil necesita una transmisión debido a la física del motor de gasolina. Primero, cualquier motor tiene una línea roja:un valor máximo de rpm (revoluciones por minuto) por encima del cual el motor no puede funcionar sin explotar. Segundo, si ha leído Cómo funcionan los caballos de fuerza, entonces sabrá que los motores tienen un rango de rpm estrecho donde los caballos de fuerza y el torque están al máximo. Por ejemplo, un motor puede producir su potencia máxima entre 5, 200 y 5, 500 rpm. La transmisión permite que la relación de transmisión entre el motor y las ruedas motrices cambie a medida que el automóvil acelera y desacelera. Cambia de marcha para que el motor pueda permanecer por debajo de la línea roja y cerca de la banda de rpm de su mejor rendimiento (potencia máxima).
La transmisión de cinco o seis velocidades en la mayoría de los autos les permite ir a 177 kph (110 mph) o más rápido con un rango de velocidad del motor de 500 a 6, 000 rpm. El motor de nuestra locomotora diésel tiene un rango de velocidad mucho menor. Su velocidad de ralentí es de alrededor de 269 rpm, y su velocidad máxima es de solo 904 rpm. Con un rango de velocidad como este, una locomotora necesitaría 20 o 30 marchas para alcanzar los 177 kph (110 mph).
Una caja de cambios como esta sería enorme (tendría que manejar 3, 200 caballos de fuerza), complicado e ineficiente. También tendría que proporcionar energía a cuatro juegos de ruedas, lo que se sumaría a la complejidad.
Al ir con un híbrido configuración, el motor diesel principal puede funcionar a una velocidad constante, encender un generador eléctrico. El generador envía energía eléctrica a un motor de tracción en cada eje, que acciona las ruedas. Los motores de tracción pueden producir un par adecuado a cualquier velocidad, desde un punto final a 110 mph (177 kph), sin necesidad de cambiar de marcha.
Los motores diésel son más eficiente que los motores de gasolina. Una locomotora enorme como esta usa un promedio de 1.5 galones de diesel por milla (352 L por 100 km) cuando remolca alrededor de cinco autos de pasajeros. Las locomotoras que remolcan cientos de vagones de carga completamente cargados usan muchas veces más combustible que este, por lo que incluso una disminución del cinco o el 10 por ciento en la eficiencia se sumaría rápidamente a un aumento significativo en los costos de combustible.
Alguna vez se preguntó por qué los trenes tienen ruedas de acero , en lugar de neumáticos como un coche? Es para reducir fricción rodante . Cuando su automóvil circula por la autopista, algo así como el 25 por ciento de la potencia del motor se utiliza para empujar los neumáticos por la carretera. Los neumáticos se doblan y deforman mucho a medida que ruedan, que consume mucha energía.
La cantidad de energía utilizada por los neumáticos es proporcional al peso que tienen. Dado que un automóvil es relativamente liviano, esta cantidad de energía es aceptable (puede comprar llantas de baja resistencia a la rodadura para su automóvil si desea ahorrar un poco de gasolina).
Dado que un tren pesa miles de veces más que un automóvil, la resistencia a la rodadura es un factor importante para determinar cuánta fuerza se necesita para tirar del tren. Las ruedas de acero del tren viajan sobre un pequeño parche de contacto:el área de contacto entre cada rueda y la vía es del tamaño de una moneda de diez centavos.
Al usar ruedas de acero en una pista de acero, la cantidad de deformación se minimiza, lo que reduce la resistencia a la rodadura. De hecho, un tren es la forma más eficiente de mover mercancías pesadas.
La desventaja de usar ruedas de acero es que no tienen mucho tracción . En la siguiente sección, discutiremos la interesante solución a este problema.
La tracción al dar la vuelta no es un problema porque las ruedas del tren tienen bridas que las mantienen en la vía. Pero la tracción al frenar y acelerar es un problema.
Esta locomotora puede generar 64, 000 libras de empuje . Pero para que pueda usar este empuje de manera efectiva, las ocho ruedas de la locomotora deben poder aplicar este empuje a la vía sin resbalar. La locomotora utiliza un ingenioso truco para aumentar la tracción.
Delante de cada rueda hay una boquilla que usa aire comprimido para rociar arena , que se almacena en dos tanques en la locomotora. La arena aumenta drásticamente la tracción de las ruedas motrices. El tren tiene un sistema de control de tracción electrónico que enciende automáticamente los pulverizadores de arena cuando las ruedas patinan o cuando el maquinista hace una parada de emergencia. El sistema también puede reducir la potencia de cualquier motor de tracción cuyas ruedas patinen.
Ahora veamos el diseño de la locomotora.
Casi cada pulgada de la locomotora de 54 pies (16,2 m) está repleta de equipos.
El gigante de dos tiempos, El V-12 turboalimentado y el generador eléctrico proporcionan la enorme cantidad de energía necesaria para tirar de cargas pesadas a altas velocidades. El motor solo pesa más de 30, 000 libras (13, 608 kg), y el generador pesa 17, 700 libras (8, 029 kg). Hablaremos más sobre el motor y el generador más adelante.
La vista desde la cabina de la locomotora.
La cabina de la locomotora funciona con su propio sistema de suspensión, lo que ayuda a aislar al ingeniero de los golpes. Los asientos también tienen un sistema de suspensión.
Dentro de la cabina hay dos asientos:uno para el maquinista y otro para el bombero. El maquinista tiene fácil acceso a todos los controles de la locomotora; el bombero solo tiene una radio y un control de freno. También dentro del coche, justo en el morro de la locomotora, es un baño.
Los camiones son el conjunto completo de dos ejes con ruedas, motores de tracción, engranaje suspensión y frenos. Hablaremos de estos componentes más adelante.
los unidad de potencia de cabecera consta de otro gran motor diesel, esta vez un cuatro tiempos, Caterpillar V-12 biturbo. El motor en sí es más potente que el motor de casi cualquier semirremolque. Acciona un generador que proporciona 480 voltios, Corriente alterna trifásica para el resto del tren. Este motor y generador proporcionan más de 560 kW de potencia eléctrica al resto del tren, para ser utilizado por los acondicionadores de aire eléctricos, luces e instalaciones de cocina. Al usar un motor y un generador completamente separados para estos sistemas, el tren puede mantener a los pasajeros cómodos incluso si falla el motor principal. También disminuye la carga en el motor principal.
Este enorme tanque en el vientre de la locomotora contiene 2, 200 galones (8, 328 L) de combustible diesel. El tanque de combustible está compartimentado, de modo que si algún compartimento está dañado o empieza a gotear, Las bombas pueden eliminar el combustible de ese compartimento.
La locomotora funciona con un sistema eléctrico nominal de 64 voltios. La locomotora tiene ocho baterías de 8 voltios, cada uno con un peso de más de 300 libras (136 kg). Estas baterías proporcionan la energía necesaria para arrancar el motor (tiene un motor de arranque enorme), así como para hacer funcionar la electrónica en la locomotora. Una vez que el motor principal esté funcionando, un alternador suministra energía a la electrónica y las baterías.
Echemos un vistazo más detallado a algunos de los principales sistemas de la locomotora.
El motor principal de esta locomotora es un motor de la serie EMD 710 de General Motors. El "710" significa que cada cilindro de este turbocompresor, de dos tiempos, diesel V-12 tiene un desplazamiento de 710 pulgadas cúbicas (11,6 L). Eso es más del doble del tamaño de la mayoría de los motores de automóvil V-8 de gasolina más grandes, y solo estamos hablando de uno de los 12 cilindros en este 3, Motor de 200 hp.
Entonces por qué de dos tiempos ? Aunque este motor es enorme, si operaba en el ciclo diesel de cuatro tiempos, como hacen la mayoría de los motores diésel más pequeños, solo generaría aproximadamente la mitad de la potencia. Esto se debe a que con el ciclo de dos tiempos, hay el doble de eventos de combustión (que producen la potencia) por revolución. Resulta que el motor diésel de dos tiempos es mucho más elegante y eficiente que el motor de gasolina de dos tiempos. Consulte Cómo funcionan los motores diésel de dos tiempos para obtener más detalles.
Podrías estar pensando si este motor es aproximadamente 24 veces el tamaño de un motor de automóvil V-8 grande, y utiliza un ciclo de dos tiempos en lugar de uno de cuatro, ¿Por qué solo genera alrededor de 10 veces la potencia? La razón es que este motor está diseñado para producir 3, 200 CV de forma continua, y dura décadas. Si hace funcionar continuamente el motor de su automóvil a plena potencia, tendrías suerte si durara una semana.
Estas son algunas de las especificaciones de este motor:
Este motor gigante está conectado a un igualmente impresionante generador . Mide alrededor de 6 pies (1,8 m) de diámetro y pesa alrededor de 17, 700 libras (8, 029 kg). En el pico de potencia, este generador produce suficiente electricidad para alimentar un vecindario de aproximadamente 1, 000 casas!
Entonces, ¿a dónde va todo este poder? Entra en cuatro motores eléctricos masivos ubicados en los camiones.
Los camiones son las cosas más pesadas del tren, cada uno pesa 37, 000 libras (dieciséis, 783 kg). Los camiones hacen varios trabajos. Soportan el peso de la locomotora. Proporcionan la propulsión, las suspensiones y el frenado. Como puedes imaginar, son estructuras tremendas.
los motores de tracción proporcionar potencia de propulsión a las ruedas. Hay uno en cada eje. Cada motor impulsa un pequeño engranaje, que engrana con un engranaje más grande en el semieje. Esto proporciona la reducción de engranajes que permite que el motor impulse el tren a velocidades de hasta 110 mph.
Dos de los motores de tracción retirados de un camión. Cada motor pesa 6, 000 libras (2, 722 kg) y puede extraer hasta 1, 170 amperios de corriente eléctrica.
Los camiones también proporcionan la suspensión para la locomotora. El peso de la locomotora descansa sobre un gran ronda soportando , lo que permite que los camiones giren para que el tren pueda girar. Debajo del pivote hay una ballesta enorme que descansa sobre una plataforma. La plataforma está suspendida por cuatro, metal gigante Enlaces , que se conectan al conjunto del camión. Estos enlaces permiten que la locomotora se balancee de un lado a otro.
El peso de la locomotora descansa sobre el hojas primaverales , que se comprimen cuando pasa sobre un bache. Esto aísla el cuerpo de la locomotora del bache. Los enlaces permiten que los camiones se muevan de lado a lado con fluctuaciones en la pista. La pista no es perfectamente recta, y a altas velocidades, las pequeñas variaciones en la pista harían un viaje difícil si los camiones no pudieran girar lateralmente. El sistema también mantiene la cantidad de peso en cada riel relativamente igual, reduciendo el desgaste de las orugas y ruedas.
Los frenos son similares a frenos de tambor en un coche. El frenado lo proporciona un mecanismo similar al freno de tambor de un automóvil. Un pistón neumático empuja una almohadilla contra la superficie exterior de la rueda del tren.
Junto con los frenos mecánicos, la locomotora tiene frenado dinámico . En este modo, cada uno de los cuatro motores de tracción actúa como un generador, usando las ruedas del tren para aplicar torque a los motores y generar corriente eléctrica. El par que las ruedas aplican para hacer girar los motores ralentiza el tren (en lugar de que los motores hagan girar las ruedas, las ruedas hacen girar los motores). La corriente generada (hasta 760 amperios) se dirige a una malla resistiva gigante que convierte esa corriente en calor. Un ventilador de enfriamiento aspira aire a través de la malla y lo expulsa por la parte superior de la locomotora, efectivamente, el secador de pelo más potente del mundo.
En el camión trasero también hay un freno de mano -- sí, incluso los trenes necesitan frenos de mano. Dado que los frenos funcionan con aire, solo pueden funcionar mientras el compresor está funcionando. Si el tren ha estado parado por un tiempo, no habrá presión de aire para mantener los frenos enganchados. Sin freno de mano y a prueba de fallos de un depósito de presión de aire, incluso una ligera pendiente sería suficiente para hacer rodar el tren debido a su inmenso peso y la muy baja fricción de rodadura entre las ruedas y la vía.
El freno de mano es una manivela que tira de una cadena. Se necesitan muchas vueltas de la manivela para tensar la cadena. La cadena tira del pistón para aplicar los frenos.
No solo te subes al taxi Gire la llave y conduzca en una locomotora diésel. Arrancar un tren es un poco más complicado que arrancar su automóvil.
El ingeniero sube por una escalera de 2,4 m (8 pies) y entra en un pasillo detrás de la cabina. Él o ella contrata a cambio de cuchillo (como los de las viejas películas de Frankenstein) que conecta las baterías al circuito de arranque. Luego, el ingeniero acciona alrededor de cien interruptores en un panel de disyuntores, proporcionando energía a todo, desde las luces hasta la bomba de combustible.
Próximo, el ingeniero camina por un pasillo hacia la sala de máquinas. Se gira y sostiene un interruptor allí, que ceba el sistema de combustible, asegurándose de que todo el aire esté fuera del sistema. Luego gira el interruptor hacia el otro lado y el motor de arranque se activa. El motor arranca y comienza a funcionar.
Próximo, sube a la cabina para controlar los indicadores y poner los frenos una vez que el compresor ha presurizado el sistema de frenos. Luego puede dirigirse a la parte trasera del tren para soltar el freno de mano.
Finalmente, puede regresar a la cabina y tomar el control desde allí. Una vez que tenga permiso del conductor del tren para moverse, él compromete el campana , que suena continuamente, y suena el cuernos de aire dos veces (indicando movimiento hacia adelante).
El control del acelerador tiene ocho posiciones, más una posición inactiva. Cada una de las posiciones del acelerador se denomina " muesca . "La muesca 1 es la velocidad más lenta, y la muesca 8 es la velocidad más alta. Para que el tren se mueva el ingeniero suelta los frenos y pone el acelerador en la muesca 1.
En este motor de la serie General Motors EMD 710, poner el acelerador en la muesca 1 activa un conjunto de contactores (relés eléctricos gigantes). Estos contactores enganchan el generador principal a los motores de tracción. Cada muesca activa una combinación diferente de contactores, produciendo un voltaje diferente. Algunas combinaciones de contactores colocan ciertas partes del devanado del generador en una configuración en serie que da como resultado un voltaje más alto. Otros ponen ciertas partes en paralelo, resultando en un voltaje más bajo. Los motores de tracción producen más potencia a voltajes más altos.
A medida que se activan los contactores, los controles computarizados del motor ajustan el inyectores de combustible para empezar a producir más potencia del motor.
los control de freno varía la presión de aire en los cilindros de freno para aplicar presión a las zapatas de freno. Al mismo tiempo, se funde en el frenado dinámico, usando los motores para reducir la velocidad del tren también.
Los controles de freno y acelerador El ingeniero también tiene una serie de otros controles y luces indicadoras.
Control S, indicadores y la radio Una lectura computarizada muestra datos de sensores en toda la locomotora. Puede proporcionar al ingeniero o mecánicos información que puede ayudar a diagnosticar problemas. Por ejemplo, si la presión en las líneas de combustible es demasiado alta, esto puede significar que un filtro de combustible está obstruido.
Esta pantalla computarizada puede mostrar el estado de los sistemas en toda la locomotora. Ahora echemos un vistazo al interior del tren.
Dentro de un automóvil de pasajeros Los alojamientos dentro de un tren de pasajeros son bastante lujosos. Este tren es el Piamonte , que va a diario de Raleigh a Charlotte, Carolina del Norte. Los asientos de este tren se reclinan más que los asientos de avión y tienen más espacio para las piernas. También tienen reposapiés.
Los asientos de este automóvil se pueden girar uno frente al otro para que cuatro personas puedan sentarse juntas. 
El tren también tiene una cocina que sirve principalmente sándwiches y bocadillos ligeros. 
Para pasajeros de primera clase en este tren, Hay un carro de observación que tiene un solárium en el piso de arriba y un bar. Aunque tomar el tren puede ser más lento que volar, definitivamente es mucho más cómodo. Hay mucho espacio para caminar, y puedes comer en un vagón restaurante o contemplar la vista desde la parte superior del vagón lounge. Algunos trenes incluso tienen habitaciones privadas para pasajeros de primera clase, lo que no es una mala manera de ir de aquí para allá.
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