Lokomotywa spalinowa

ČKD ČME3 to jedna z najdłużej jeżdżących i najczęściej produkowanych lokomotyw spalinowo-elektrycznych, jakie kiedykolwiek wyprodukowano.
InterCity 125 , obecnie potwierdzony rekordzista najszybszego pociągu z silnikiem wysokoprężnym z prędkością 148 mil na godzinę (238 km / h); składa się z dwóch wagonów silnikowych , po jednym na każdym końcu stałego składu wagonów; zdolny do 125 mil na godzinę (201 km / h) w regularnej eksploatacji.
Te lokomotywy obsługiwane przez Pacific National mają trzy style nadwozia lokomotywy spalinowej: kabinę skrzyniową (tył), maskę (środek) i kabinę (przód).

Lokomotywa spalinowa to rodzaj lokomotywy kolejowej , w której głównym napędem jest silnik spalinowy . Opracowano kilka typów lokomotyw spalinowych, różniących się głównie sposobem przenoszenia mocy mechanicznej na koła napędowe .

Wczesne lokomotywy i wagony spalinowe wykorzystywały jako paliwo naftę i benzynę . Rudolf Diesel opatentował swój pierwszy silnik o zapłonie samoczynnym w 1898 roku, a ciągłe ulepszenia konstrukcji silników wysokoprężnych zmniejszyły ich rozmiary fizyczne i poprawiły stosunek mocy do masy do punktu, w którym można je było zamontować w lokomotywie. Silniki spalinowe działają wydajnie tylko w ograniczonym zakresie mocy i chociaż silniki benzynowe o małej mocy można było łączyć z przekładniami mechanicznymi , mocniejsze silniki wysokoprężne wymagały opracowania nowych form przekładni. Dzieje się tak, ponieważ sprzęgła musiałyby być bardzo duże przy tych poziomach mocy i nie pasowałyby do standardowej ramy lokomotywy o szerokości 2,5 m (8 stóp 2 cale) lub zużywałyby się zbyt szybko, aby były użyteczne.

Pierwsze udane silniki wysokoprężne wykorzystywały przekładnie spalinowo-elektryczne , a do 1925 r. W Stanach Zjednoczonych służyła niewielka liczba lokomotyw spalinowych o mocy 600 KM (450 kW). W 1930 roku Armstrong Whitworth z Wielkiej Brytanii dostarczył dwie lokomotywy o mocy 1200 KM (890 kW) z Sulzera do Buenos Aires Great Southern Railway w Argentynie. W 1933 r. Technologia dieslowo-elektryczna opracowana przez Maybacha została wykorzystana do napędzania DRG Class SVT 877 , szybkiego międzymiastowego zestawu dwóch samochodów, i weszła do produkcji seryjnej wraz z innymi opływowymi zestawami samochodowymi w Niemczech począwszy od 1935 r. W Stany Zjednoczone , napęd spalinowo-elektryczny został wprowadzony do obsługi pasażerów dużych prędkości na głównych liniach pod koniec 1934 r., głównie dzięki wysiłkom badawczo-rozwojowym General Motors sięgającym późnych lat dwudziestych XX wieku oraz postępowi w projektowaniu lekkich nadwozi samochodów przez firmę Budd .

Ożywienie gospodarcze po II wojnie światowej spowodowało powszechne przyjęcie lokomotyw spalinowych w wielu krajach. Oferowały większą elastyczność i wydajność niż lokomotywy parowe , a także znacznie niższe koszty eksploatacji i konserwacji.

Historia

Przystosowanie do użytku kolejowego

Schemat silnika olejowego Priestmana z silnika parowego oraz silników gazowych i olejowych (1900) autorstwa Johna Perry'ego
Benzyno-elektryczny silnik szynowy Weitzera , pierwszy 1903, seria 1906

Najwcześniejszym zarejestrowanym przykładem zastosowania silnika spalinowego w lokomotywie kolejowej jest prototyp zaprojektowany przez Williama Denta Priestmana , który został zbadany przez Williama Thomsona, pierwszego barona Kelvina w 1888 roku, który opisał go jako „[silnik olejowy Priestmana] zamontowany na ciężarówka, która pracuje na tymczasowej linii szyn, aby pokazać przystosowanie silnika naftowego do celów lokomotywy”. W 1894 roku w dokach Hull użyto dwuosiowej maszyny o mocy 20 KM (15 kW) zbudowanej przez Priestman Brothers . W 1896 roku zbudowano lokomotywę kolejową z silnikiem olejowym dla Królewskiego Arsenału w Woolwich w Anglii, wykorzystując silnik zaprojektowany przez Herberta Akroyda Stuarta . Nie był to diesel, ponieważ wykorzystywał silnik z gorącą żarówką (znany również jako semi-diesel), ale był prekursorem diesla.

Rudolf Diesel rozważał użycie swojego silnika do napędzania lokomotyw w swojej książce Theorie und Konstruktion eines rationellen z 1893 r. Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten Verbrennungsmotoren ( Teoria i konstrukcja racjonalnego silnika cieplnego ). Jednak masywność i słaby stosunek mocy do masy wczesnych silników wysokoprężnych sprawiły, że nie nadawały się one do napędzania pojazdów lądowych. Dlatego potencjał silnika jako podstawowego napędu kolejowego nie został początkowo rozpoznany. Zmieniło się to, gdy rozwój zmniejszył rozmiar i wagę silnika.

W 1906 roku Rudolf Diesel, Adolf Klose oraz producent silników parowych i wysokoprężnych Gebrüder Sulzer założyli firmę Diesel-Sulzer-Klose GmbH, aby produkować lokomotywy spalinowe. Sulzer produkował silniki wysokoprężne od 1898 r. Pruskie Koleje Państwowe zamówiły w firmie lokomotywę spalinową w 1909 r., A po próbnych przejazdach między Winterthur a Romanshorn w Szwajcarii lokomotywa spalinowo-mechaniczna została dostarczona do Berlina we wrześniu 1912 r. Pierwszy na świecie lokomotywa spalinowa była eksploatowana latem 1912 roku na tej samej linii z Winterthur, ale nie odniosła komercyjnego sukcesu. Podczas jazd testowych w 1913 roku znaleziono kilka problemów. Wybuch I wojny światowej w 1914 roku uniemożliwił dalsze procesy. Masa lokomotywy wynosiła 95 ton, a moc 883 kW (1184 KM) przy maksymalnej prędkości 100 km/h (62 mph).

Do połowy lat dwudziestych XX wieku w wielu krajach wyprodukowano niewielką liczbę prototypowych lokomotyw spalinowych.

Wczesne lokomotywy spalinowe i wagony w Stanach Zjednoczonych

Wczesne wydarzenia w Ameryce Północnej

Adolphus Busch nabył amerykańskie prawa do produkcji silnika wysokoprężnego w 1898 roku, ale nigdy nie zastosował tej nowej formy zasilania w transporcie. Założył Busch-Sulzer w 1911 roku. Na początku XX wieku osiągnięto jedynie ograniczony sukces z wagonami z silnikiem spalinowym, częściowo z powodu trudności z mechanicznymi układami napędowymi.

General Electric (GE) wszedł na rynek wagonów kolejowych na początku XX wieku, kiedy Thomas Edison posiadał patent na lokomotywę elektryczną, a jego projekt był w rzeczywistości typem wagonu o napędzie elektrycznym. Firma GE zbudowała swój pierwszy prototyp lokomotywy elektrycznej w 1895 r. Jednak wysokie koszty elektryfikacji spowodowały, że firma GE zwróciła uwagę na energię spalania wewnętrznego w celu zapewnienia energii elektrycznej dla wagonów elektrycznych. Natychmiast napotkano problemy związane z koordynacją głównego napędu i silnika elektrycznego , głównie z powodu ograniczeń wybranego systemu sterowania prądem Ward Leonard . [ potrzebne źródło ] Firma GE Rail powstała w 1907 roku, a 112 lat później, w 2019 roku, została kupiona i połączona z firmą Wabtec .

Znaczący przełom nastąpił w 1914 roku, kiedy Hermann Lemp , inżynier elektryk GE, opracował i opatentował niezawodny system sterowania, który sterował silnikiem i silnikiem napędowym za pomocą jednej dźwigni; kolejne ulepszenia zostały również opatentowane przez Lempa. Konstrukcja Lempa rozwiązała problem przeciążania i uszkadzania silników trakcyjnych nadmierną mocą elektryczną przy niskich prędkościach i była pierwowzorem dla wszystkich układów sterowania napędem spalinowo-elektrycznym.

W latach 1917–1918 firma GE wyprodukowała trzy eksperymentalne lokomotywy spalinowo-elektryczne przy użyciu projektu sterowania Lempa, pierwszej znanej z budowy w Stanach Zjednoczonych. Po tym rozwoju ustawa Kaufmana z 1923 r . Zakazała lokomotyw parowych z Nowego Jorku z powodu poważnych problemów z zanieczyszczeniem. Odpowiedzią na to prawo była elektryfikacja linii kolejowych o dużym natężeniu ruchu. Jednak elektryfikacja była nieekonomiczna w przypadku obszarów o mniejszym natężeniu ruchu.

Pierwsze regularne użycie lokomotyw spalinowo-elektrycznych miało miejsce w zastosowaniach przełączania (manewrowych), które były bardziej wyrozumiałe niż główne zastosowania ograniczeń współczesnej technologii diesla i gdzie najbardziej korzystna byłaby oszczędność oleju napędowego na biegu jałowym w stosunku do pary. Firma GE nawiązała współpracę z American Locomotive Company (ALCO) i Ingersoll-Rand (konsorcjum „AGEIR”) w 1924 r. W celu wyprodukowania prototypu lokomotywy typu „boxcab” o mocy 300 KM (220 kW) dostarczonej w lipcu 1925 r. Lokomotywa ta wykazała, że ​​silnik wysokoprężny –elektryczny zespół napędowy mógłby zapewnić wiele korzyści lokomotywy elektrycznej bez konieczności ponoszenia przez kolej znacznych kosztów elektryfikacji. Jednostka z powodzeniem zademonstrowała w przesiadkach i lokalnych usługach towarowych i pasażerskich na dziesięciu liniach kolejowych i trzech liniach przemysłowych. Westinghouse Electric i Baldwin współpracowali przy budowie lokomotyw przełączalnych począwszy od 1929 r. Jednak Wielki Kryzys ograniczył popyt na sprzęt elektryczny Westinghouse i przestali budować lokomotywy wewnętrznie, decydując się zamiast tego na dostawę części elektrycznych.

W czerwcu 1925 r. Baldwin Locomotive Works przewyższyło zakupy prototypowej lokomotywy spalinowo-elektrycznej do „zastosowań specjalnych” (takich jak przejazdy, na których brakowało wody do lokomotyw parowych) przy użyciu sprzętu elektrycznego firmy Westinghouse Electric Company . Jego dwusilnikowa konstrukcja nie odniosła sukcesu, a jednostka została złomowana po krótkim okresie testów i demonstracji. Źródła branżowe zaczęły sugerować „wyjątkowe zalety tej nowej formy siły napędowej”. W 1929 roku Kanadyjskie Koleje Narodowe stały się pierwszą koleją północnoamerykańską, która używała diesli w obsłudze linii głównych z dwoma jednostkami, 9000 i 9001, z Westinghouse. Jednak te wczesne diesle okazały się drogie i zawodne, a ich wysoki koszt zakupu w porównaniu z parą nie mógł być zrealizowany w postaci oszczędności kosztów operacyjnych, ponieważ często były nieczynne. Minęło kolejne pięć lat, zanim napęd spalinowo-elektryczny zostałby z powodzeniem zastosowany w głównej linii, a prawie dziesięć lat, zanim całkowite zastąpienie pary stało się realną perspektywą przy istniejącej technologii diesla.

Zanim silniki wysokoprężne mogły wejść do głównego nurtu, ograniczenia silników wysokoprężnych około 1930 r. - niski stosunek mocy do masy i wąski zakres mocy - musiały zostać przezwyciężone. Główny wysiłek w celu przezwyciężenia tych ograniczeń został podjęty przez General Motors po tym, jak w 1930 roku wszedł on na rynek silników wysokoprężnych wraz z przejęciem firmy Winton Engine Company , głównego producenta silników wysokoprężnych do zastosowań morskich i stacjonarnych. Wspierany przez Dział Badań General Motors , należąca do GM firma Winton Engine Corporation starała się opracować silniki Diesla nadające się do użytku mobilnego z dużą prędkością. Pierwszym kamieniem milowym w tych wysiłkach była dostawa na początku 1934 roku Wintona 201A, dwusuwowego, mechanicznie wolnossącego, jednokierunkowego silnika wysokoprężnego z wtryskiem , który mógł zapewnić wymagane osiągi dla szybkiego, lekkiego pociągu pasażerskiego. Drugim kamieniem milowym i tym, który skłonił amerykańskie koleje do przestawienia się na olej napędowy, była dostawa w 1938 roku silnika GM Model 567 , który został zaprojektowany specjalnie do użytku w lokomotywach, przynosząc pięciokrotne wydłużenie żywotności niektórych części mechanicznych i pokazując jego potencjał w spełnianiu rygorów obsługi towarowej.

Lokomocja kolejowa spalinowo-elektryczna weszła do eksploatacji na głównych liniach kolejowych, kiedy Burlington Railroad i Union Pacific używały niestandardowych „ usprawniaczy ” z silnikiem wysokoprężnym do ciągnięcia pasażerów, począwszy od końca 1934 r. Składy pociągów Zephyr firmy Burlington wyewoluowały z przegubowych zestawów składających się z trzech wagonów z samochodami o mocy 600 KM w 1934 r. i początek 1935 r., do półprzegubowych składów trakcyjnych Denver Zephyr, ciągniętych przez zestawy zasilające z kabiną, wprowadzone pod koniec 1936 r. Union Pacific rozpoczął obsługę silników wysokoprężnych między Chicago a Portland w stanie Oregon w czerwcu 1935 r., aw następnym roku dodał Los Angeles , CA , Oakland w Kalifornii i Denver w stanie Kolorado do miejsc docelowych streamlinerów z silnikiem Diesla poza Chicago. Streamlinery Burlington i Union Pacific zostały zbudowane odpowiednio przez Budd Company i Pullman-Standard Company przy użyciu nowych silników Winton i układów napędowych zaprojektowanych przez Electro-Motive Corporation GM . Eksperymentalne lokomotywy BB o mocy 1800 KM firmy EMC z 1935 r. Zademonstrowały systemy sterowania wieloma jednostkami używane w zestawach kabina / wzmacniacz oraz format dwusilnikowy używany w późniejszych jednostkach napędowych Zephyr . Obie te cechy byłyby wykorzystywane w późniejszych modelach lokomotyw produkowanych przez EMC. Lekkie opływowe silniki wysokoprężne z połowy lat trzydziestych XX wieku wykazały zalety oleju napędowego w obsłudze pasażerów z przełomowymi rozkładami jazdy, ale moc lokomotyw spalinowych nie osiągnęła pełnego wieku, dopóki nie rozpoczęła się regularna produkcja seryjna głównych lokomotyw spalinowych i wykazano, że nadaje się do pełnowymiarowych obsługa pasażerów i towarów.

Pierwsze lokomotywy produkcji amerykańskiej

Po swoim prototypie z 1925 r. Konsorcjum AGEIR wyprodukowało 25 kolejnych jednostek 300-konnych (220 kW) „60-tonowych” lokomotyw AGEIR z kabiną w latach 1925-1928 dla kilku linii kolejowych w Nowym Jorku, co czyni je pierwszymi produkowanymi seryjnie lokomotywami spalinowymi. Konsorcjum wyprodukowało również siedem dwusilnikowych „100-tonowych” furgonetek i jeden hybrydowy zespół wózka/akumulatora z obwodem ładowania napędzanym olejem napędowym. ALCO przejęło McIntosh & Seymour Engine Company w 1929 r. I w 1931 r. Rozpoczęło produkcję seryjną jednokabinowych jednostek zwrotnicowych o mocy 300 KM (220 kW) i 600 KM (450 kW). ALCO byłoby wybitnym konstruktorem silników zwrotnicowych do połowy -1930 i dostosował podstawowy projekt zwrotnicy do produkcji wszechstronnych i odnoszących sukcesy lokomotyw drogowych, choć o stosunkowo małej mocy.

GM, widząc sukces niestandardowych usprawnień, starał się rozszerzyć rynek silników wysokoprężnych, produkując znormalizowane lokomotywy w ramach swojej Electro-Motive Corporation . W 1936 roku nowa fabryka EMC rozpoczęła produkcję silników zwrotnicowych. W 1937 r. fabryka rozpoczęła produkcję nowych, serii E , które w 1938 r. zostały zmodernizowane za pomocą bardziej niezawodnych silników specjalnie zaprojektowanych. Widząc osiągi i niezawodność nowego silnika modelu 567 w lokomotywach pasażerskich, firma EMC chętnie zademonstrowała rentowność w przewozach towarowych.

Po udanej trasie demonstracyjnej lokomotywy towarowej EMC FT w 1939 r . Przygotowano scenę do dieslowania amerykańskich kolei. W 1941 roku firma ALCO-GE wprowadziła na rynek zwrotnicę RS-1 , która zajęła jej własną niszę rynkową, podczas gdy lokomotywy serii F firmy EMD były poszukiwane do obsługi przewozów towarowych na głównych liniach. Wejście Stanów Zjednoczonych do II wojny światowej spowolniło przejście na olej napędowy; Zarząd ds. Produkcji Wojennej wstrzymał budowę nowego wyposażenia pasażerskiego i nadał priorytetowe zastosowanie marynarce wojennej do produkcji silników wysokoprężnych. Podczas kryzysu naftowego w latach 1942–43 para opalana węglem miała tę zaletę, że nie wykorzystywała paliwa, którego brakowało w krytycznych ilościach. EMD pozwolono później zwiększyć produkcję swoich lokomotyw FT, a ALCO-GE pozwolono produkować ograniczoną liczbę DL-109 , ale większość z branży lokomotyw ograniczała się do produkcji lokomotyw zwrotnicowych i lokomotyw parowych.

We wczesnym okresie powojennym firma EMD zdominowała rynek lokomotyw głównych dzięki lokomotywom serii E i F. ALCO-GE pod koniec lat czterdziestych XX wieku produkowało zwrotnice i zwrotnice drogowe, które odniosły sukces na rynku krótkodystansowych. Jednak firma EMD wypuściła na rynek lokomotywy serii GP w 1949 r., Które wyparły wszystkie inne lokomotywy na rynku towarowym, w tym własne lokomotywy serii F. Następnie GE rozwiązało partnerstwo z ALCO i na początku lat 60. stało się głównym konkurentem EMD, ostatecznie zajmując czołową pozycję na rynku lokomotyw od EMD.

Wczesne lokomotywy spalinowo-elektryczne w Stanach Zjednoczonych wykorzystywały silniki trakcyjne prądu stałego (DC), ale silniki prądu przemiennego (AC) weszły do ​​powszechnego użytku w latach 90. XX wieku, począwszy od Electro-Motive SD70MAC w 1993 r., A następnie AC4400CW firmy General Electric w 1994 r . i AC6000CW w 1995 roku.

Wczesne lokomotywy spalinowe i wagony w Europie

Pierwsze sprawne pojazdy z silnikiem Diesla

Koprodukcja szwajcarsko -niemiecka: pierwszy na świecie funkcjonalny wagon spalinowo-elektryczny 1914

Waggonfabrik Rastatt wyprodukowała pierwsze na świecie funkcjonalne wagony spalinowo-elektryczne dla Königlich-Sächsische Staatseisenbahnen ( Królewskie Saksońskie Koleje Państwowe ) z wyposażeniem elektrycznym firm Brown, Boveri & Cie oraz silnikami wysokoprężnymi szwajcarskiej firmy Sulzer AG . Zostały one sklasyfikowane jako DET 1 i DET 2 ( de.wiki [ de ] ). Z powodu braku produktów na benzynę podczas I wojny światowej pozostały nieużywane do regularnej służby w Niemczech. W 1922 roku zostały sprzedane szwajcarskiej Compagnie du Chemin de fer Régional du Val-de-Travers (fr.wiki [ fr ] ), gdzie służyły w regularnej służbie aż do elektryfikacji linii w 1944 roku. trzymał je w służbie jako dopalacze do 1965 roku.

  Fiat twierdzi, że zbudował pierwszą włoską lokomotywę spalinowo-elektryczną w 1922 roku, ale dostępnych jest niewiele szczegółów. Kilka lokomotyw spalinowych Fiat TIBB Bo'Bo” zostało zbudowanych do obsługi wąskotorowej 950 mm ( 3 ft 1 + 3 / 8 in ) wąskotorowej Ferrovie Calabro Lucane i Società per le Strade Ferrate del Mediterrano w południowych Włoszech w 1926 r., po procesy w latach 1924–25. Sześciocylindrowy silnik dwusuwowy wytwarzał moc 440 koni mechanicznych (330 kW) przy 500 obr./min, napędzając cztery silniki prądu stałego, po jednym na każdą oś. Te 44-tonowe (43 długie tony; 49 amerykańskich ton) lokomotywy o maksymalnej prędkości 45 km / h (28 mil / h) okazały się całkiem udane.

W 1924 roku dwie lokomotywy spalinowo-elektryczne weszły do ​​eksploatacji przez koleje radzieckie , niemal w tym samym czasie:

Pierwsza na świecie użyteczna lokomotywa spalinowa na duże odległości SŽD Eel2
  • Silnik Э эл 2 ( oryginalny numer E el 2 Юэ 001/Yu-e 001) został uruchomiony 22 października. Został zaprojektowany przez zespół kierowany przez Jurija Łomonosowa i zbudowany w latach 1923–1924 przez Maschinenfabrik Esslingen w Niemczech. Miał pięć osi napędowych (1'E1'). Po kilku jazdach próbnych ciągnęła pociągi przez prawie trzy dekady od 1925 do 1954 roku. Chociaż okazała się pierwszą na świecie funkcjonalną lokomotywą spalinową, nie stała się serią, ale stała się wzorem dla kilku klas radzieckich lokomotyw spalinowych.
  • Silnik Щэл1 ( Shch-el 1 , oryginalny numer Юэ2/Yu-e 2) został uruchomiony 9 listopada. Został opracowany przez Yakova Modestovicha Gakkela (ru.wiki [ ru ] ) i zbudowany przez Stocznię Bałtycką w Sankt Petersburgu . Miał dziesięć osi napędowych w trzech wózkach (1' Co' Do' Co' 1'). W latach 1925-1927 przewoził pociągi między Moskwą a Kurskiem oraz na Kaukazie . Później z powodu problemów technicznych został wyłączony z eksploatacji. Od 1934 roku był używany jako stacjonarny generator elektryczny.

W 1935 roku Krauss-Maffei , MAN i Voith zbudowali w Niemczech pierwszą lokomotywę spalinowo-hydrauliczną o nazwie V 140. Hydraulika spalinowa stała się głównym nurtem lokomotyw spalinowych w Niemczech, ponieważ koleje niemieckie (DRG) były zadowolone z osiągów tego silnika. Produkcja seryjna lokomotyw spalinowych w Niemczech rozpoczęła się po II wojnie światowej.

Przełączniki

Shunter firmy Nederlandse Spoorwegen z 1934 roku w nowoczesnych barwach

Na wielu stacjach kolejowych i terenach przemysłowych bocznice parowe musiały być utrzymywane w stanie gorącym podczas wielu przerw między rozproszonymi krótkimi zadaniami. Dlatego trakcja spalinowa stała się ekonomiczna do manewrowania , zanim stała się ekonomiczna do ciągnięcia pociągów. Budowę lokomotyw spalinowych rozpoczęto w 1920 roku we Francji, w 1925 w Danii, w 1926 w Holandii, a w 1927 w Niemczech. Po kilku latach testów w ciągu dekady wyprodukowano setki sztuk.

Wagony spalinowe do ruchu regionalnego

Renault VH, Francja , 1933/34

Wagony napędzane silnikiem wysokoprężnym lub „olejowym”, generalnie mechaniczne na olej napędowy, zostały opracowane przez różnych europejskich producentów w latach trzydziestych XX wieku, np. Przez Williama Beardmore and Company dla Canadian National Railways ( silnik Beardmore Tornado był następnie używany w sterowiec R101 ) . Niektóre z tych serii dla ruchu regionalnego rozpoczęto od silników benzynowych, a następnie kontynuowano z silnikami wysokoprężnymi, na przykład węgierski BC mot (kod klasy nie mówi nic poza „motorem szynowym z siedzeniami 2. i 3. klasy”.), 128 wagonów zbudowanych w 1926 r. –1937, czyli niemieckie szynobusy Wismar (57 wagonów 1932–1941). We Francji pierwszym wagonem z silnikiem Diesla był Renault VH , wyprodukowano 115 sztuk w latach 1933/34. We Włoszech, po sześciu wagonach benzynowych od 1931 roku, Fiat i Breda zbudowali wiele silników wysokoprężnych, ponad 110 w latach 1933-1938 i 390 w latach 1940-1953, klasy 772 znanej jako Littorina i klasy ALn 900.

Wagony dużych prędkości

W latach trzydziestych XX wieku w kilku krajach opracowano opływowe, szybkie wagony z silnikiem wysokoprężnym:

  • W Niemczech Latający Hamburger został zbudowany w 1932 roku. Po jeździe próbnej w grudniu 1932 roku, ten dwuczłonowy wagon z silnikiem Diesla (w angielskiej terminologii DMU2) rozpoczął służbę w Deutsche Reichsbahn (DRG) w lutym 1933 roku. Stał się prototypem DRG Klasa SVT 137 z 33 dodatkowymi szybkimi DMU, ​​zbudowanymi dla DRG do 1938 r., 13 DMU 2 (seria „Hamburg”), 18 DMU 3 (seria „Lipsk” i „Köln”) oraz dwa DMU 4 (seria „Berlin”).
  • Francuskie klasy SNCF XF 1000 i XF 1100 składały się z 11 szybkich DMU, ​​zwanych także TAR, zbudowanych w latach 1934–1939.
  • Na Węgrzech Ganz Works zbudowało silnik szynowy Arpád [ hu ; de ] , rodzaj luksusowego szynobusu w serii siedmiu sztuk od 1934 roku, a Hargita [ hu ] zaczął budować w 1944 roku.

Dalsze wydarzenia

Brytyjska kolej klasy D16/1 , od 1948 r

ze Stanów Zjednoczonych na koleje Związku Radzieckiego dostarczono partię 30 lokomotyw spalinowo-elektrycznych Baldwin, Baldwin 0-6-6-0 1000 .

W 1947 roku London, Midland and Scottish Railway (LMS) wprowadziła pierwszą z pary lokomotyw spalinowo-elektrycznych Co-Co o mocy 1600 KM (1200 kW) (później British Rail Class D16 / 1 ) do regularnego użytku w Wielka Brytania, chociaż brytyjscy producenci, tacy jak Armstrong Whitworth, eksportowali lokomotywy spalinowe od 1930 r. Dostawy floty innych konstrukcji, takich jak klasa 20 i klasa 31, dla kolei brytyjskich, rozpoczęły się w 1957 r.

Produkcja seryjna lokomotyw spalinowych we Włoszech rozpoczęła się w połowie lat pięćdziesiątych. Ogólnie rzecz biorąc, trakcja spalinowa we Włoszech miała mniejsze znaczenie niż w innych krajach, ponieważ należała do krajów najbardziej zaawansowanych w elektryfikacji głównych linii, a geografia Włoch sprawia, że ​​transport towarowy drogą morską jest tańszy niż transport kolejowy nawet na wielu połączeniach krajowych.

Wczesne lokomotywy spalinowe i wagony w Azji

Japonia

W Japonii od lat dwudziestych XX wieku produkowano niektóre wagony benzynowo-elektryczne. Pierwszą trakcją spalinowo-elektryczną i pierwszymi pojazdami napędzanymi strumieniem powietrza na japońskich szynach były dwa DMU3 klasy Kiha 43000 (キ ハ 43000 系). Pierwszą serią lokomotyw spalinowych w Japonii była lokomotywa bliźniacza klasy DD50 (国 鉄DD50 形), rozwijana od 1950 r. I używana od 1953 r.

Chiny

Zobacz też: Lista lokomotyw w Chinach § Lokomotywy spalinowe

Jednym z pierwszych opracowanych w Chinach pojazdów z silnikiem Diesla był DMU Dongfeng (东风), wyprodukowany w 1958 roku przez CSR Sifang . Produkcja seryjna pierwszej chińskiej klasy lokomotyw spalinowych, DFH 1, rozpoczęła się w 1964 roku po zbudowaniu prototypu w 1959 roku.

Indie

Zobacz także: Lista lokomotyw spalinowych Indii

Wczesne lokomotywy spalinowe i wagony w Australii

Wagon Mckeen w Wodonga, Australia, 1911

Kolej transaustralijska zbudowana w latach 1912-1917 przez Commonwealth Railways (CR) przebiega przez 2000 km bezwodnego (lub słonego) pustynnego terenu, nieodpowiedniego dla lokomotyw parowych. Pierwotny inżynier Henry Deane przewidział działanie silnika wysokoprężnego w celu przezwyciężenia takich problemów. Niektórzy sugerowali, że CR współpracował z South Australian Railways w celu wypróbowania trakcji z silnikiem Diesla. Jednak technologia nie została rozwinięta na tyle, aby była niezawodna.

Podobnie jak w Europie, zastosowanie silników spalinowych rozwijało się szybciej w wagonach z własnym napędem niż w lokomotywach.

  • Niektóre australijskie firmy kolejowe kupiły silniki szynowe McKeen .
  • W latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku australijski przemysł budował bardziej niezawodne silniki benzynowe.
  • Pierwszymi australijskimi wagonami z silnikiem Diesla były wagony Silver City Comet klasy NSWGR 100 (PH później DP) w 1937 roku.
  • Pojazdy szybkobieżne na ówczesne możliwości na 3 stopy 6 cali ( 1067 mm ) to dziesięć wagonów Vulcan z 1940 roku dla Nowej Zelandii.

Rodzaje transmisji

W przeciwieństwie do silników parowych, silniki spalinowe wymagają przekładni do napędzania kół. Silnik musi nadal pracować, gdy lokomotywa jest zatrzymana.

Diesel-mechaniczny

Schematyczna ilustracja mechanicznej lokomotywy spalinowej

Lokomotywa spalinowo-mechaniczna wykorzystuje przekładnię mechaniczną w sposób podobny do stosowanego w większości pojazdów drogowych. Ten typ przekładni jest zasadniczo ograniczony do lokomotyw manewrowych o małej mocy i niskiej prędkości (z przełączaniem), lekkich zespołów trakcyjnych i wagonów z własnym napędem .

Diesel-mechaniczny lokomotywa manewrowa British Rail Class 03 z wałem napędowym pod kabiną.

Mechaniczne przekładnie używane do napędu kolei są na ogół bardziej złożone i znacznie bardziej wytrzymałe niż standardowe wersje drogowe. Zwykle między silnikiem a skrzynią biegów znajduje się sprzęgło hydrauliczne , a skrzynia biegów jest często typu epicyklicznego (planetarnego) , aby umożliwić zmianę biegów pod obciążeniem. Aby zminimalizować przerwy w transmisji podczas zmiany biegów, opracowano różne systemy; np. skrzynia biegów SSS (synchro-self-shifting) używana przez firmę Hudswell Clarke .

Napęd spalinowo-mechaniczny jest ograniczony przez trudność w zbudowaniu przekładni o rozsądnej wielkości, zdolnej do radzenia sobie z mocą i momentem obrotowym wymaganymi do poruszania ciężkiego pociągu. Podjęto szereg prób wykorzystania napędu spalinowo-mechanicznego w zastosowaniach o dużej mocy (np. British Rail 10100 o mocy 1500 kW (2000 KM ) ), chociaż żadna z nich nie zakończyła się sukcesem.

Diesel-elektryczny

Zobacz też: Przekładnia spalinowo-elektryczna
Ta sekcja dotyczy lokomotyw spalinowych wykorzystujących przekładnie elektryczne. W przypadku lokomotyw zasilanych zarówno zewnętrzną energią elektryczną, jak i olejem napędowym, patrz § Elektro-diesel . W przypadku lokomotyw napędzanych kombinacją oleju napędowego lub ogniw paliwowych i akumulatorów lub ultrakondensatorów, patrz Pociąg hybrydowy .
Schemat ideowy lokomotywy spalinowo-elektrycznej

  W lokomotywie spalinowo-elektrycznej silnik wysokoprężny napędza albo elektryczny generator prądu stałego (zwykle mniej niż 3000 KM (2200 kW) netto do trakcji), albo elektryczny prostownik alternatora prądu przemiennego (zwykle 3000 KM netto lub więcej do trakcji), którego wyjście zapewnia zasilanie silników trakcyjnych napędzających lokomotywę. Nie ma mechanicznego połączenia między silnikiem wysokoprężnym a kołami.

Ważnymi elementami napędu spalinowo-elektrycznego są silnik wysokoprężny (znany również jako główny napęd ), główny generator / alternator-prostownik, silniki trakcyjne (zwykle z czterema lub sześcioma osiami) oraz system sterowania składający się z regulatora silnika i elementy elektryczne lub elektroniczne, w tym rozdzielnice , prostowniki i inne elementy sterujące lub modyfikujące zasilanie elektryczne silników trakcyjnych. W najbardziej elementarnym przypadku generator może być bezpośrednio podłączony do silników za pomocą bardzo prostej aparatury rozdzielczej.

Lokomotywy EMD F40PH (po lewej) i MPI MPXpress -series MP36PH-3S ( po prawej) połączone razem przez Metra wykorzystują przekładnię spalinowo-elektryczną .
Sowiecka lokomotywa 2TE10M
Czeska lokomotywa klasy 742 i 743

Pierwotnie silniki trakcyjne i generator były maszynami prądu stałego . Po opracowaniu prostowników krzemowych o dużej pojemności w latach sześćdziesiątych XX wieku generator prądu stałego został zastąpiony alternatorem wykorzystującym mostek diodowy do konwersji jego mocy wyjściowej na prąd stały. Ten postęp znacznie poprawił niezawodność lokomotywy i zmniejszył koszty konserwacji generatora poprzez wyeliminowanie komutatora i szczotek w generatorze. Wyeliminowanie szczotek i komutatora z kolei wyeliminowało możliwość szczególnie destrukcyjnego zdarzenia zwanego przeskokiem łuku elektrycznego, które mogłoby skutkować natychmiastową awarią generatora i w niektórych przypadkach uruchomieniem silnika pożar pokoju.

Obecna praktyka w Ameryce Północnej obejmuje cztery osie dla szybkich przewozów pasażerskich lub „czasowych” lub sześć osi dla wolniejszych lub „jawnych” towarów. Najnowocześniejsze jednostki obsługujące przewozy towarowe „na czas” mają zwykle sześć osi pod ramą. W przeciwieństwie do tych w służbie „manifestowej”, jednostki towarowe „czasowe” będą miały tylko cztery osie podłączone do silników trakcyjnych, a pozostałe dwie będą osiami napinającymi do rozkładu masy.

Pod koniec lat 80. rozwój napędów o zmiennym napięciu / częstotliwości (VVVF) dużej mocy lub „falowników trakcyjnych” umożliwił zastosowanie wielofazowych silników trakcyjnych prądu przemiennego, eliminując w ten sposób również komutator silnika i szczotki. Rezultatem jest bardziej wydajny i niezawodny napęd, który wymaga stosunkowo niewielkiej konserwacji i lepiej radzi sobie z warunkami przeciążenia, które często niszczyły starsze typy silników.

Sterowanie inżyniera w kabinie lokomotywy spalinowo-elektrycznej. Dźwignia w pobliżu środka na dole to przepustnica, a dźwignia widoczna w lewym dolnym rogu to automatyczne sterowanie zaworem hamulca.

Sterowanie spalinowo-elektryczne

MLW S-3 wyprodukowany w 1957 roku dla CPR według projektów firmy ALCO .

Moc lokomotywy spalinowo-elektrycznej jest niezależna od prędkości jazdy, o ile nie zostaną przekroczone ograniczenia prądu i napięcia generatora jednostki. W związku z tym zdolność jednostki do rozwijania siły pociągowej (określanej również jako uciąg dyszla lub siła pociągowa , która faktycznie napędza pociąg) będzie odwrotnie proporcjonalna do prędkości w tych granicach. (Patrz krzywa mocy poniżej). Utrzymanie akceptowalnych parametrów eksploatacyjnych było jednym z głównych zagadnień projektowych, które należało rozwiązać na wczesnym etapie rozwoju lokomotyw spalinowo-elektrycznych i ostatecznie doprowadziło do powstania złożonych systemów sterowania stosowanych w nowoczesnych jednostkach.

Działanie przepustnicy

Kabina rosyjskiej lokomotywy 2TE116 U. „11” oznacza przepustnicę.

Moc wyjściowa głównego napędu zależy przede wszystkim od jego prędkości obrotowej ( RPM ) i dawki paliwa, które są regulowane przez regulator lub podobny mechanizm. Regulator jest zaprojektowany tak, aby reagował zarówno na ustawienie przepustnicy, określone przez kierowcę silnika, jak i na prędkość, z jaką pracuje główny napęd (patrz Teoria sterowania ).

Moc wyjściowa lokomotywy, a tym samym prędkość, jest zwykle kontrolowana przez maszynistę za pomocą stopniowanej lub „naciętej” przepustnicy , która wytwarza binarne sygnały elektryczne odpowiadające położeniu przepustnicy. Ta podstawowa konstrukcja dobrze nadaje się do wieloma jednostkami (MU), tworząc dyskretne warunki, które zapewniają, że wszystkie jednostki w zestawie reagują w ten sam sposób na położenie przepustnicy. Kodowanie binarne pomaga również zminimalizować liczbę linii kolejowych (połączeń elektrycznych), które są wymagane do przekazywania sygnałów z jednostki do jednostki. Na przykład do zakodowania wszystkich możliwych pozycji przepustnicy potrzebne są tylko cztery linie kolejowe, jeśli istnieje do 14 stopni dławienia.

Lokomotywy północnoamerykańskie, takie jak te zbudowane przez EMD lub General Electric , mają osiem pozycji przepustnicy lub „nacięć”, a także „rewers”, aby umożliwić im działanie dwukierunkowe. Wiele lokomotyw zbudowanych w Wielkiej Brytanii ma dziesięciopozycyjną przepustnicę. Położenia mocy są często określane przez załogi lokomotyw w zależności od ustawienia przepustnicy, na przykład „bieg 3” lub „wycięcie 3”.

W starszych lokomotywach mechanizm przepustnicy był zapadkowy , tak że nie było możliwe jednoczesne przesunięcie o więcej niż jedną pozycję mocy. Maszynista nie mógł na przykład przesunąć przepustnicy z wycięcia 2 do wycięcia 4 bez zatrzymywania się na wycięciu 3. Ta funkcja miała zapobiegać nierównemu prowadzeniu pociągu z powodu gwałtownego wzrostu mocy spowodowanego szybkim ruchem przepustnicy („usuwanie przepustnicy”, an łamanie przepisów ruchu na wielu liniach kolejowych). Nowoczesne lokomotywy nie mają już tego ograniczenia, ponieważ ich systemy sterowania są w stanie płynnie modulować moc i unikać nagłych zmian obciążenia pociągu , niezależnie od tego, jak maszynista obsługuje elementy sterujące.

Gdy przepustnica znajduje się w położeniu biegu jałowego, główny napęd otrzymuje minimalną ilość paliwa, co powoduje, że pracuje on na biegu jałowym przy niskich obrotach. Ponadto silniki trakcyjne nie są podłączone do prądnicy głównej, a uzwojenia wzbudzenia prądnicy nie są wzbudzone (zasilane) – prądnica nie wytwarza prądu bez wzbudzenia. Dlatego lokomotywa będzie w położeniu „neutralnym”. Koncepcyjnie jest to to samo, co ustawienie skrzyni biegów samochodu w położeniu neutralnym podczas pracy silnika.

W celu wprawienia lokomotywy w ruch należy ustawić manetkę rewersera w prawidłowej pozycji (do przodu lub do tyłu), zwolnić hamulec i przestawić przepustnicę do pozycji „Run 1” (pierwszy stopień mocy). Doświadczony maszynista może wykonać te czynności w skoordynowany sposób, co spowoduje prawie niezauważalny start. Położenie rewersera i ruch przepustnicy razem jest koncepcyjnie podobne do zmiany automatycznej skrzyni biegów samochodu na bieg, gdy silnik pracuje na biegu jałowym.

Ustawienie przepustnicy w pierwszym położeniu mocy spowoduje włączenie silników trakcyjnych do prądnicy głównej i wzbudzenie cewek wzbudzenia tej ostatniej. Przy zastosowanym wzbudzeniu główny generator będzie dostarczał energię elektryczną do silników trakcyjnych, powodując ruch. Jeśli lokomotywa jedzie „lekko” (to znaczy nie jest połączona z resztą pociągu) i nie znajduje się na wzniesieniu, z łatwością przyspieszy. Z drugiej strony, jeśli uruchamiany jest długi pociąg, lokomotywa może utknąć, gdy tylko część luzu zostanie wykorzystana, ponieważ opór wywierany przez pociąg przekroczy rozwijaną siłę pociągową. Doświadczony kierowca silnika będzie w stanie rozpoznać początkowe przeciągnięcie i stopniowo zwiększać przepustnicę, aby utrzymać tempo przyspieszania.

Gdy przepustnica zostanie przesunięta do wyższych zakresów mocy, dawka paliwa do głównego napędu wzrośnie, co spowoduje odpowiedni wzrost obrotów i mocy wyjściowej. W tym samym czasie wzbudzenie pola głównego generatora zostanie proporcjonalnie zwiększone, aby pochłonąć wyższą moc. Przełoży się to na zwiększenie mocy elektrycznej silników trakcyjnych, z odpowiednim wzrostem siły pociągowej. Ostatecznie, w zależności od wymagań rozkładu jazdy pociągu, maszynista ustawi przepustnicę w pozycji maksymalnej mocy i będzie ją tam utrzymywał, aż pociąg rozpędzi się do pożądanej prędkości.

Układ napędowy został zaprojektowany tak, aby podczas rozruchu wytwarzać maksymalny moment obrotowy silnika trakcyjnego, co wyjaśnia, dlaczego nowoczesne lokomotywy są w stanie uruchomić pociągi o masie przekraczającej 15 000 ton, nawet na wzniesieniach. Obecna technologia pozwala lokomotywie rozwinąć nawet 30% ciężaru załadowanego kierowcy w sile pociągowej, co odpowiada sile pociągowej 120 000 funtów (530 kN) dla dużej, sześcioosiowej jednostki towarowej (towarowej). W rzeczywistości zestaw takich jednostek może wytworzyć więcej niż wystarczający uciąg dyszla podczas rozruchu, aby uszkodzić lub wykoleić wagony (jeśli są na zakręcie) lub zerwać sprzęgi (ten ostatni jest określany w północnoamerykańskim slangu kolejowym jako „szarpnięcie płuco” ). Dlatego na kierowcy silnika spoczywa obowiązek uważnego monitorowania ilości mocy stosowanej podczas rozruchu, aby uniknąć uszkodzeń. W szczególności „szarpnięcie płuca” mogłoby być katastrofalne w skutkach, gdyby miało miejsce na wzniesieniu, z wyjątkiem tego, że bezpieczeństwo związane z prawidłowym działaniem niezawodnych automatycznych hamulców pociągów montowanych obecnie w wagonach zapobiega uciekaniu pociągów poprzez automatyczne uruchamianie wagon hamuje, gdy spada ciśnienie powietrza w linii kolejowej.

Działanie układu napędowego

Typowa krzywa stałej mocy generatora głównego przy „wycięciu 8”
Lewy korytarz przedziału mocy rosyjskiej lokomotywy 2TE116 U, 3 – alternator, 4 – prostownik, 6 – spalinowy

Układ sterowania lokomotywy jest zaprojektowany w taki sposób, aby moc wyjściowa generatora głównego była dostosowana do dowolnej prędkości obrotowej silnika. Biorąc pod uwagę wrodzone właściwości silników trakcyjnych, a także sposób, w jaki silniki są podłączone do głównego generatora, generator będzie wytwarzał wysoki prąd i niskie napięcie przy niskich prędkościach lokomotywy, stopniowo zmieniając się na niski prąd i wysokie napięcie w miarę przyspieszania lokomotywy . Dlatego moc netto wytwarzana przez lokomotywę pozostanie stała dla dowolnego ustawienia przepustnicy ( patrz wykres krzywej mocy dla wycięcia 8 ).

W starszych konstrukcjach regulator głównego napędu i urządzenie towarzyszące, regulator obciążenia, odgrywają główną rolę w systemie sterowania. Regulator ma dwa zewnętrzne wejścia: żądaną prędkość obrotową silnika, określoną przez ustawienie przepustnicy przez maszynistę, oraz rzeczywistą prędkość obrotową silnika ( sprzężenie zwrotne ). Regulator posiada dwa zewnętrzne wyjścia sterujące: wtryskiwacza paliwa , która określa dawkę paliwa silnika oraz pozycję regulatora prądu, która ma wpływ na wzbudzenie prądnicy głównej. Regulator zawiera również oddzielny mechanizm zabezpieczający przed nadmierną prędkością, który natychmiast odcina dopływ paliwa do wtryskiwaczy i włącza alarm w kabinie w przypadku przekroczenia określonej prędkości obrotowej silnika. Nie wszystkie z tych wejść i wyjść są koniecznie elektryczne.

Rosyjska lokomotywa spalinowa TEP80
12-cylindrowy 2-suwowy silnik wysokoprężny EMD 12-567B (pierwszy plan; kwadratowe „otwory ręczne”), przechowywany do czasu przebudowy i brak niektórych elementów, z 16-cylindrowym silnikiem 16-567C lub D (tło; okrągłe „ otwory ręczne ").

Wraz ze zmianą obciążenia silnika zmienia się również jego prędkość obrotowa. Jest to wykrywane przez regulator poprzez zmianę sygnału sprzężenia zwrotnego prędkości obrotowej silnika. Efektem netto jest dostosowanie zarówno dawki paliwa, jak i pozycji regulatora obciążenia, tak aby obroty silnika i moment obrotowy ( a tym samym moc wyjściowa) pozostały stałe dla dowolnego ustawienia przepustnicy, niezależnie od rzeczywistej prędkości jazdy.

W nowszych konstrukcjach sterowanych przez „komputer trakcyjny” każdemu stopniowi prędkości obrotowej silnika jest przypisywana w oprogramowaniu odpowiednia moc wyjściowa lub „odniesienie kW”. Komputer porównuje tę wartość z rzeczywistą mocą wyjściową generatora głównego lub „sprzężeniem zwrotnym kW”, obliczonym na podstawie wartości prądu silnika trakcyjnego i napięcia sprzężenia zwrotnego napięcia głównego generatora. Komputer dostosowuje wartość sprzężenia zwrotnego do wartości odniesienia, sterując wzbudzeniem głównego generatora, jak opisano powyżej. Regulator nadal kontroluje prędkość obrotową silnika, ale regulator obciążenia nie odgrywa już głównej roli w tego typu systemie sterowania. Jednak regulator obciążenia jest zachowywany jako „rezerwa” w przypadku przeciążenia silnika. Nowoczesne lokomotywy wyposażone w elektroniczny wtrysk paliwa (EFI) mogą nie mieć mechanicznego regulatora; jednak „wirtualny” regulator obciążenia i regulator są zachowane w modułach komputerowych.

Wydajność silnika trakcyjnego jest kontrolowana albo przez zmianę napięcia wyjściowego prądu stałego głównego generatora w przypadku silników prądu stałego, albo przez zmianę częstotliwości i napięcia wyjściowego VVVF w przypadku silników prądu przemiennego. W przypadku silników prądu stałego stosuje się różne kombinacje połączeń, aby dostosować napęd do różnych warunków pracy.

Podczas postoju główny generator ma początkowo niskie napięcie/wysoki prąd, często przekraczający 1000 amperów na silnik przy pełnej mocy. Kiedy lokomotywa jest w stanie spoczynku lub prawie stoi, przepływ prądu będzie ograniczony jedynie rezystancją DC uzwojeń silnika i obwodów łączących, a także wydajnością samego generatora głównego. Moment obrotowy w silniku szeregowym jest w przybliżeniu proporcjonalny do kwadratu natężenia prądu. Dlatego silniki trakcyjne będą wytwarzać najwyższy moment obrotowy, powodując, że lokomotywa rozwinie maksymalną siłę pociągową , umożliwiając jej pokonanie bezwładności pociągu. Efekt ten jest analogiczny do tego, co dzieje się w samochodowej automatycznej skrzyni biegów podczas rozruchu, kiedy jest na pierwszym biegu, co powoduje maksymalne zwielokrotnienie momentu obrotowego.

Gdy lokomotywa przyspiesza, obracające się teraz tworniki silnika zaczną generować przeciwelektromotoryczną siłę (tylna siła elektromotoryczna, co oznacza, że ​​silniki również próbują działać jako generatory), która będzie przeciwdziałać mocy wyjściowej głównego generatora i powodować prąd silnika trakcyjnego zmniejszyć. Napięcie głównego generatora odpowiednio wzrośnie, próbując utrzymać moc silnika, ale ostatecznie osiągnie plateau. W tym momencie lokomotywa zasadniczo przestanie przyspieszać, chyba że spadnie. Ponieważ to plateau będzie zwykle osiągane przy prędkości znacznie mniejszej niż maksymalna, jaka może być pożądana, należy coś zrobić, aby zmienić charakterystykę napędu, aby umożliwić dalsze przyspieszanie. Ta zmiana jest określana jako „przejście”, proces analogiczny do zmiany biegów w samochodzie.

Metody przejścia obejmują:

  • Szeregowy / Równoległy lub „przejście silnika”.
    • Początkowo pary silników są połączone szeregowo w głównym generatorze. Przy wyższych prędkościach silniki są ponownie podłączane równolegle do głównego generatora.
  • „Przetaczanie w terenie”, „przekierowywanie pola” lub „słabe polowanie”.
    • Rezystancja jest połączona równolegle z polem silnika. Ma to wpływ na zwiększenie twornika , powodując odpowiedni wzrost momentu obrotowego i prędkości silnika.

Obie metody można również łączyć, aby zwiększyć zakres prędkości roboczej.

  • Przejście generator / prostownik

W starszych lokomotywach konieczne było, aby maszynista ręcznie wykonywał przejście za pomocą oddzielnego sterowania. Aby pomóc w przeprowadzeniu przejścia we właściwym czasie, miernik obciążenia (wskaźnik, który pokazuje maszyniście, ile prądu pobiera silnik trakcyjny), aby wskazywał, w których punktach powinno nastąpić przejście do przodu lub do tyłu. Następnie opracowano automatyczne przejście, aby zapewnić lepszą wydajność operacyjną i chronić główny generator i silniki trakcyjne przed przeciążeniem w wyniku niewłaściwego przejścia.

Nowoczesne lokomotywy zawierają falowniki trakcyjne , AC na DC, zdolne do dostarczania 1200 woltów (wcześniejsze generatory trakcyjne , DC na DC, były w stanie dostarczyć tylko 600 woltów). To ulepszenie zostało osiągnięte głównie dzięki ulepszeniom technologii diod krzemowych. Dzięki możliwości dostarczania 1200 woltów do silników trakcyjnych wyeliminowano potrzebę „przejścia”.

Dynamiczne hamowanie

Główny artykuł: hamulec dynamiczny

Powszechną opcją w lokomotywach spalinowo-elektrycznych jest hamowanie dynamiczne (reostatyczne) .

Hamowanie dynamiczne wykorzystuje fakt, że tworniki silnika trakcyjnego zawsze się obracają, gdy lokomotywa jest w ruchu, i że silnik można zmusić do działania jako generator poprzez oddzielne wzbudzenie uzwojenia pola. Gdy stosowane jest hamowanie dynamiczne, obwody kontroli trakcji są skonfigurowane w następujący sposób:

  • Uzwojenie pola każdego silnika trakcyjnego jest połączone przez główny generator.
  • Twornik każdego silnika trakcyjnego jest połączony przez siatkę oporową chłodzoną wymuszonym powietrzem ( siatkę hamowania dynamicznego) w dachu maski lokomotywy.
  • Zwiększa się prędkość obrotowa głównego napędu i wzbudzane jest główne pole generatora, co powoduje odpowiednie wzbudzenie pól silnika trakcyjnego.

Łącznym efektem powyższego jest spowodowanie, że każdy silnik trakcyjny wytwarza energię elektryczną i rozprasza ją w postaci ciepła w siatce hamowania dynamicznego. Wentylator podłączony przez sieć zapewnia wymuszone chłodzenie powietrzem. W związku z tym wentylator jest zasilany mocą wyjściową silników trakcyjnych i będzie miał tendencję do szybszej pracy i wytwarzania większego przepływu powietrza w miarę dostarczania większej ilości energii do sieci.

Ostatecznie źródłem energii rozpraszanej w siatce hamowania dynamicznego jest ruch lokomotywy przekazywany twornikom silników trakcyjnych. Dlatego silniki trakcyjne powodują opór, a lokomotywa działa jak hamulec. Wraz ze spadkiem prędkości efekt hamowania zanika i zwykle staje się nieskuteczny poniżej około 16 km/h (10 mil/h), w zależności od przełożenia między silnikami napędowymi a osiami .

Hamowanie dynamiczne jest szczególnie korzystne podczas pracy w regionach górskich; gdzie zawsze istnieje niebezpieczeństwo ucieczki z powodu przegrzania hamulców ciernych podczas zjazdu. W takich przypadkach hamulce dynamiczne są zwykle stosowane w połączeniu z hamulcami pneumatycznymi , a połączony efekt określa się mianem hamowania mieszanego . Zastosowanie hamowania mieszanego może również pomóc w utrzymaniu luzu w długim pociągu rozciągniętym, gdy pokonuje on wzniesienie, pomagając zapobiegać „docieraniu”, nagłemu zbijaniu się luzu pociągu, które może spowodować wykolejenie. Hamowanie mieszane jest również powszechnie stosowane w pociągach podmiejskich w celu zmniejszenia zużycia hamulców mechanicznych, co jest naturalnym wynikiem licznych przystanków, jakie takie pociągi zwykle robią podczas jazdy.

Elektro-diesel

Lokomotywa elektryczna GE Genesis P32AC-DM firmy Metro-North może również działać poza elektryfikacją trzeciej szyny .
Główny artykuł: lokomotywa spalinowa

Te specjalne lokomotywy mogą działać jako lokomotywy elektryczne lub jako lokomotywy spalinowe. Long Island Rail Road , Metro-North Railroad i New Jersey Transit Rail Operations obsługują lokomotywy spalinowo-elektryczne/trzeciej kolei ( sieci trakcyjnej na NJTransit) pracujące w dwóch trybach między terytorium niezelektryfikowanym a Nowym Jorkiem z powodu lokalnego prawa zakazującego napędzane lokomotywy w tunelach Manhattanu . Z tego samego powodu Amtrak obsługuje flotę lokomotyw dwukierunkowych w rejonie Nowego Jorku. Podwójne lokomotywy spalinowo-elektryczne/elektryczne obsługiwane przez British Rail , zaprojektowane do jazdy głównie jako lokomotywy elektryczne o ograniczonej mocy dostępnej podczas jazdy na oleju napędowym. Dzięki temu stacje kolejowe pozostały niezelektryfikowane, ponieważ system zasilania trzeciej szyny jest niezwykle niebezpieczny na terenie stoczni.

Diesel-hydraulika

JNR DD51 1 diesel-hydraulika

Lokomotywy spalinowo-hydrauliczne wykorzystują jeden lub więcej przemienników momentu obrotowego w połączeniu z przekładniami o stałym przełożeniu. Wały napędowe i koła zębate tworzą przekładnię główną, która przenosi moc z przemienników momentu obrotowego na koła i powoduje bieg wsteczny. Różnica między hydraulicznymi i mechanicznymi polega na regulacji prędkości i momentu obrotowego. W mechanicznym układzie przeniesienia napędu, który ma wiele przełożeń, na przykład w skrzyni biegów, jeśli istnieje sekcja hydrauliczna, służy ona tylko do umożliwienia pracy silnika, gdy pociąg jest zbyt wolny lub zatrzymany. W układzie hydraulicznym hydraulika jest podstawowym układem dostosowującym prędkość obrotową i moment obrotowy silnika do sytuacji w pociągu, przy czym wybór biegów ma ograniczone zastosowanie, takie jak bieg wsteczny.

Przekładnia hydrostatyczna

Hydrauliczne układy napędowe wykorzystujące hydrostatyczny hydrauliczny układ napędowy zostały zastosowane w transporcie kolejowym. Nowoczesne przykłady obejmowały lokomotywy manewrowe o mocy od 350 do 750 KM (260 do 560 kW) firmy Cockerill (Belgia), lokomotywy przemysłowe wąskotorowe o mocy od 4 do 12 ton i mocy od 35 do 58 kW (47 do 78 KM) firmy zależnej Atlas Copco , GIA. Napędy hydrostatyczne stosowane są również w maszynach utrzymania ruchu kolejowego (ubijaki, szlifierki szynowe).

Zastosowanie przekładni hydrostatycznych jest generalnie ograniczone do małych lokomotyw manewrowych i sprzętu do konserwacji szyn, a także do zastosowań nietrakcyjnych w silnikach wysokoprężnych, takich jak napędy wentylatorów silników trakcyjnych. [ potrzebne źródło ]

Transmisja hydrokinetyczna

Zobacz też: Przemiennik momentu obrotowego i Sprzęgło hydrauliczne
Diesel-hydraulika klasy DB V 200
Lokomotywa spalinowo-hydrauliczna Henschel (Niemcy) w Medan na Sumatrze Północnej

Przekładnia hydrokinetyczna (zwana także przekładnią hydrodynamiczną) wykorzystuje przemiennik momentu obrotowego . Przekładnia hydrokinetyczna składa się z trzech głównych części, z których dwie obracają się, a jedna (stojan ) posiada blokadę zapobiegającą obrotom wstecznym i dodającą wyjściowy moment obrotowy poprzez przekierowanie przepływu oleju przy niskich obrotach wyjściowych. Wszystkie trzy główne części są zamknięte w obudowie wypełnionej olejem. Aby dopasować prędkość silnika do prędkości ładunku w całym zakresie prędkości lokomotywy, wymagana jest dodatkowa metoda, aby zapewnić wystarczający zasięg. Jedną z metod jest podążanie za przemiennikiem momentu obrotowego za pomocą mechanicznej skrzyni biegów, która automatycznie przełącza przełożenia, podobnie jak automatyczna skrzynia biegów w samochodzie. Inną metodą jest zapewnienie kilku przemienników momentu obrotowego, z których każdy ma zakres zmienności obejmujący część wymaganej całości; wszystkie przemienniki momentu obrotowego są cały czas połączone mechanicznie, a odpowiedni do wymaganego zakresu prędkości wybiera się poprzez napełnienie olejem i spuszczenie pozostałych. Napełnianie i opróżnianie odbywa się przy obciążonej przekładni i powoduje bardzo płynne zmiany zakresu bez przerw w przenoszonej mocy.

lokomotywy
Lokomotywy spalinowo-hydrauliczne British Rail: klasa 52 „Western” , klasa 42 „Okręt wojenny” i klasa 35 „Hymek”

Lokomotywy spalinowo-hydrauliczne są mniej wydajne niż lokomotywy spalinowo-elektryczne. Hydraulika wysokoprężna BR pierwszej generacji była znacznie mniej wydajna (ok. 65%) niż elektryka diesla (ok. 80%), [potrzebne źródło] Ponadto w wielu krajach stwierdzono, że początkowe wersje były bardziej skomplikowane mechanicznie i bardziej podatne na awarie w dół. [ potrzebne źródło ] Przekładnia hydrauliczna do lokomotyw została opracowana w Niemczech. [ Potrzebne źródło ] Nadal toczy się debata na temat względnych zalet hydraulicznych i elektrycznych systemów transmisyjnych: zalety systemów hydraulicznych obejmują mniejszą wagę, wysoką niezawodność i niższe koszty kapitałowe. [ potrzebne źródło ]

W XXI wieku w przypadku trakcji lokomotyw spalinowych na całym świecie większość krajów stosowała konstrukcje spalinowo-elektryczne, przy czym konstrukcje spalinowo-hydrauliczne nie były używane poza Niemcami i Japonią oraz niektórymi sąsiednimi stanami, gdzie są wykorzystywane w projektach do prac towarowych.

W Niemczech i Finlandii wysokoprężne układy hydrauliczne osiągnęły wysoką niezawodność działania. [ potrzebne źródło ] W Wielkiej Brytanii zasada dieslowo-hydrauliczna zyskała złą reputację ze względu na słabą trwałość i niezawodność przekładni hydraulicznej Maybach Mekydro . [ Potrzebne źródło ] Trwa spór o względną niezawodność systemów hydraulicznych, z pytaniami o to, czy dane zostały zmanipulowane w celu faworyzowania lokalnych dostawców w stosunku do dostawców spoza Niemiec. [ potrzebne źródło ]

Wiele jednostek

Napęd spalinowo-hydrauliczny jest powszechny w wielu jednostkach, z różnymi konstrukcjami przekładni, w tym przemiennikami momentu obrotowego firmy Voith i sprzęgłami hydraulicznymi w połączeniu z przekładniami mechanicznymi.

Większość taboru pasażerskiego DMU drugiej generacji British Rail wykorzystywała przekładnię hydrauliczną. W XXI wieku projekty wykorzystujące przekładnię hydrauliczną obejmują Turbostar , Talent , RegioSwinger firmy Bombardier ; wersje Siemens Desiro z silnikiem wysokoprężnym oraz Stadler Regio-Shuttle .

Przykłady
Lokomotywa spalinowo-hydrauliczna klasy VR Dv12
Lokomotywa spalinowo-hydrauliczna GMD GMDH-1

Lokomotywy spalinowo-hydrauliczne mają mniejszy udział w rynku niż lokomotywy z przekładnią spalinowo-elektryczną - głównym światowym użytkownikiem głównych przekładni hydraulicznych była Republika Federalna Niemiec , której projekty obejmowały DB klasa V 200 z lat 50. oraz DB z lat 60. i 70. Rodzina klasy V 160 . British Rail wprowadziło szereg projektów spalinowo-hydraulicznych podczas swojego planu modernizacji z 1955 r. , Początkowo licencyjne wersje projektów niemieckich (patrz Kategoria: Lokomotywy spalinowo-hydrauliczne Wielkiej Brytanii ). W Hiszpanii firma Renfe wykorzystywała niemieckie konstrukcje dwusilnikowe o wysokim stosunku mocy do masy do ciągnięcia pociągów dużych prędkości od lat 60. do 90. XX wieku. (Patrz Renfe Klasy 340 , 350 , 352 , 353 , 354 )

Inne lokomotywy głównego nurtu okresu powojennego to eksperymentalne lokomotywy GMD GMDH-1 z lat 50. XX wieku; Henschel & Son zbudował południowoafrykańską klasę 61-000 ; w latach 60. Southern Pacific kupił 18 lokomotyw spalinowo-hydraulicznych Krauss-Maffei KM ML-4000 . Denver & Rio Grande Western Railroad kupił również trzy, z których wszystkie zostały później sprzedane SP.

od wczesnych lat 60-tych nieprzerwanie używa się ponad 200 wyprodukowanych w Finlandii VR klasy Dv12 i Dr14 z hydrauliką wysokoprężną z przekładniami Voith . Wszystkie jednostki klasy Dr14 i większość jednostek klasy Dv12 są nadal w służbie. VR zrezygnowało z niektórych słabo kondycjonowanych jednostek Dv12 z serii 2700.

W produkcji seryjnej XXI wieku konstrukcje z silnikiem wysokoprężnym i hydraulicznym o standardowym rozstawie obejmują Voith Gravita , zamówione przez Deutsche Bahn oraz projekty Vossloh G2000 BB , G1206 i G1700 , wszystkie wyprodukowane w Niemczech do użytku towarowego.

Diesel-para

Sowiecka lokomotywa TP1
Główny artykuł: Parowa lokomotywa spalinowa z napędem hybrydowym

Lokomotywy hybrydowe parowo-spalinowe mogą wykorzystywać parę wytwarzaną z kotła lub oleju napędowego do napędzania silnika tłokowego. System sprężonej pary Cristiani wykorzystywał silnik wysokoprężny do napędzania sprężarki do napędzania i recyrkulacji pary wytwarzanej przez kocioł; skutecznie wykorzystując parę jako środek przenoszenia mocy, przy czym silnik wysokoprężny jest głównym napędem

Diesel-pneumatyczne

Lokomotywa spalinowo-pneumatyczna była przedmiotem zainteresowania w latach trzydziestych XX wieku, ponieważ dawała możliwość przerobienia istniejących lokomotyw parowych na eksploatację spalinową. Rama i cylindry lokomotywy parowej zostałyby zachowane, a kocioł zastąpiłby silnik wysokoprężny napędzający sprężarkę powietrza . Problemem była niska sprawność cieplna z powodu dużej ilości energii marnowanej w postaci ciepła w sprężarce powietrza. Próbowano to zrekompensować, wykorzystując spaliny z silnika wysokoprężnego do ponownego podgrzania sprężonego powietrza, ale zakończyły się one ograniczonym sukcesem. Niemiecka propozycja z 1929 roku zaowocowała prototypem, ale podobna brytyjska propozycja z 1932 roku, dotycząca wykorzystania LNER klasy R1 , nigdy nie wyszła poza fazę projektowania.

Obsługa wielu jednostek

Lokomotywa spalinowo-elektryczna zbudowana przez EMD do obsługi w Wielkiej Brytanii i Europie kontynentalnej.

Większość lokomotyw spalinowych może pracować w układzie wieloczłonowym (MU) w celu zwiększenia mocy i siły pociągowej podczas ciągnięcia ciężkich pociągów. Wszystkie lokomotywy północnoamerykańskie, w tym modele eksportowe, wykorzystują znormalizowany AAR połączony 27-pinowym kablem MU między jednostkami. W lokomotywach zbudowanych w Wielkiej Brytanii stosuje się wiele niekompatybilnych systemów sterowania, ale najbardziej powszechnym jest system Blue Star, który jest elektropneumatyczny i montowany w większości wczesnych klas silników wysokoprężnych. Niewielka liczba typów, zwykle lokomotyw o większej mocy, przeznaczonych wyłącznie do pracy z pasażerami, nie ma wielu systemów sterowania. We wszystkich przypadkach elektryczne połączenia sterujące wspólne dla wszystkich jednostek w zestawie nazywane są liniami kolejowymi. W rezultacie wszystkie lokomotywy w składzie zachowują się jak jedna w odpowiedzi na ruchy kontrolne maszynisty.

Możliwość łączenia lokomotyw spalinowo-elektrycznych w sposób MU została po raz pierwszy wprowadzona w EMC EA / EB z 1937 r. Wykonano połączenia elektryczne, aby jeden maszynista mógł obsługiwać cały skład z jednostki czołowej.

W regionach górskich często umieszcza się lokomotywy pomocnicze w środku pociągu, zarówno w celu zapewnienia dodatkowej mocy potrzebnej do wjazdu na wzniesienie, jak i ograniczenia naprężeń wywieranych na przekładnię pociągową wagonu połączonego z czołówką. moc. Jednostki pomocnicze w takich zasilania rozproszonego są sterowane z kabiny jednostki wiodącej za pomocą kodowanych sygnałów radiowych. Chociaż technicznie nie jest to konfiguracja MU, zachowanie jest takie samo, jak w przypadku fizycznie połączonych jednostek.

Układ kabiny

Układy kabin różnią się w zależności od producenta i operatora. Praktyka w Stanach Zjednoczonych polegała tradycyjnie na kabinie na jednym końcu lokomotywy z ograniczoną widocznością, jeśli lokomotywa nie jest obsługiwana kabiną do przodu. Zwykle nie stanowi to problemu, ponieważ lokomotywy amerykańskie są zwykle obsługiwane w parach lub trójkach i rozmieszczone w taki sposób, że kabina znajduje się na każdym końcu każdego zestawu. Europejska praktyka polega zwykle na kabinie na każdym końcu lokomotywy, ponieważ pociągi są zwykle wystarczająco lekkie, aby obsługiwać jedną lokomotywę. Wczesna praktyka w USA polegała na dodawaniu jednostek napędowych bez kabin (jednostki wspomagające lub jednostki B ), a często układ był AB, AA, ABA, ABB lub ABBA, gdzie A było jednostką z kabiną. Kabiny środkowe były czasami używane w lokomotywach zwrotnicowych.

Krowy cielę

Główny artykuł: Krowa-cielę

W kolejnictwie północnoamerykańskim zestaw krowa-cielę to para lokomotyw zwrotnicowych: jedna (krowa) wyposażona w kabinę maszynisty, druga (cielę) bez kabiny i sterowana z krowy za pomocą kabli. Zestawy dla krów i cieląt są używane w ciężkich zmianach i garbów . Niektóre są sterowane radiowo bez obecności inżyniera obsługującego w kabinie. Ten układ jest również znany jako master-slave . Tam, gdzie obecne były dwie połączone jednostki, EMD nazwał te TR-2 (około 2000 KM lub 1500 kW); gdzie trzy jednostki, TR-3 (około 3000 KM lub 2200 kW).

Krowy cielęta w dużej mierze zniknęły, ponieważ te kombinacje silników przekroczyły swój ekonomiczny okres eksploatacji wiele lat temu.

  Obecna praktyka w Ameryce Północnej polega na łączeniu dwóch zwrotnic drogowych GP40-2 lub SD40-2 o mocy 3000 KM , często prawie zużytych i bardzo szybko gotowych do odbudowy lub złomowania, i wykorzystywaniu ich do tak zwanych zastosowań „transferowych”, do których Silniki TR-2, TR-3 i TR-4 były pierwotnie przeznaczone, stąd oznaczenie TR, oznaczające „przeniesienie”.

  Czasami druga jednostka może mieć usunięty główny napęd i alternator trakcyjny i zastąpiony betonowym lub stalowym balastem, a moc trakcji uzyskana z jednostki głównej. Ponieważ 16-cylindrowy silnik główny waży na ogół 36 000 funtów (16 000 kg), a alternator trakcyjny o mocy 3000 KM waży zwykle 18 000 funtów (8200 kg), oznaczałoby to, że 54 000 funtów (24 000 kg) przydałby się balast.

    Para w pełni sprawnych jednostek „Dash 2” miałaby moc znamionową 6000 KM (4500 kW). Para „Dash 2”, w której tylko jeden miał główny napęd / alternator, miałaby moc znamionową 3000 KM, przy całej mocy zapewnianej przez mistrza, ale kombinacja korzysta z siły pociągowej zapewnianej przez niewolnika, ponieważ silniki w usłudze transferu są rzadko wywoływane. dostarczać 3000 KM znacznie mniej 6000 KM w sposób ciągły.

Armatura i urządzenia

Ognioodporność

Standardowa lokomotywa spalinowa stwarza bardzo niskie ryzyko pożaru, ale „ochrona przed ogniem” może jeszcze bardziej zmniejszyć ryzyko. Wiąże się to z zamontowaniem na rurze wydechowej pojemnika wypełnionego wodą w celu stłumienia rozpalonych do czerwoności cząstek węgla, które mogą być emitowane. Inne środki ostrożności mogą obejmować w pełni izolowany układ elektryczny (żadna strona nie jest uziemiona do ramy) oraz całe okablowanie elektryczne umieszczone w kanale kablowym.

Ognioodporna lokomotywa spalinowa zastąpiła bezogniową lokomotywę parową w obszarach o wysokim zagrożeniu pożarowym, takich jak rafinerie ropy naftowej i składowiska amunicji . Zachowane przykłady ognioodpornych lokomotyw spalinowych obejmują:

Najnowsze opracowanie „Ognioodpornego pojazdu z silnikiem Diesla zastosowanego nowego suchego systemu oczyszczania spalin” nie wymaga zaopatrzenia w wodę.

Światła

Pociąg Canadian National Railway pokazujący rozmieszczenie reflektorów i świateł rowów na lokomotywie.

Światła zamontowane w lokomotywach spalinowych różnią się w zależności od kraju. Lokomotywy północnoamerykańskie są wyposażone w dwa reflektory (dla bezpieczeństwa w przypadku awarii jednego) i parę świateł do rowów. Te ostatnie są zamontowane nisko z przodu i mają na celu zapewnienie łatwej widoczności lokomotywy zbliżającej się do przejazdu kolejowego . Starsze lokomotywy mogą być wyposażone w Gyralite lub Mars Light zamiast świateł rowu.

Wpływ środowiska

Zobacz też: Spaliny silników Diesla

Chociaż lokomotywy spalinowe generalnie emitują mniej dwutlenku siarki, głównego zanieczyszczenia środowiska, oraz gazów cieplarnianych niż lokomotywy parowe, nie są pod tym względem całkowicie czyste. Ponadto, podobnie jak inne pojazdy napędzane olejem napędowym, emitują one tlenki azotu i drobne cząsteczki , które stanowią zagrożenie dla zdrowia publicznego. W rzeczywistości pod tym ostatnim względem lokomotywy spalinowe mogą osiągać gorsze wyniki niż lokomotywy parowe.

zanieczyszczenie powietrza , uważali, że silniki lokomotyw spalinowych są stosunkowo czyste i emitują znacznie mniej szkodliwych dla zdrowia emisji niż silniki ciężarówek z silnikiem Diesla lub innych pojazdów; Jednak naukowcy odkryli, że ponieważ wykorzystali błędne szacunki ilości paliwa zużywanego przez lokomotywy spalinowe, rażąco zaniżyli ilość zanieczyszczeń generowanych rocznie. Po zrewidowaniu swoich obliczeń doszli do wniosku, że roczne emisje tlenku azotu, głównego składnika smogu i kwaśnych deszczy oraz sadzy, będą do 2030 r. prawie dwukrotnie większe niż początkowo zakładali. W Europie, gdzie większość głównych linii kolejowych została zelektryfikowana, obawy są mniejsze.

     Oznaczałoby to, że w USA lokomotywy spalinowe będą emitować ponad 800 000 ton tlenku azotu i 25 000 ton sadzy rocznie w ciągu ćwierćwiecza, w przeciwieństwie do wcześniejszych prognoz EPA, które przewidywały 480 000 ton dwutlenku azotu i 12 000 ton sadza. Odkąd to odkryto, aby zmniejszyć wpływ lokomotywy spalinowej na ludzi (wdychających szkodliwe emisje) oraz na rośliny i zwierzęta, za praktyczne uważa się instalowanie pułapek w silnikach wysokoprężnych w celu zmniejszenia poziomu zanieczyszczeń i innych metod kontroli zanieczyszczeń (np. stosowanie biodiesla ).

Zanieczyszczenie powodowane przez lokomotywy spalinowe stanowiło szczególny problem w mieście Chicago . Chicago Tribune poinformowało, że poziom sadzy z silników Diesla wewnątrz lokomotyw wyjeżdżających z Chicago jest setki razy wyższy niż normalnie na ulicach. Mieszkańcy kilku dzielnic są najprawdopodobniej narażeni na emisje z silników Diesla na poziomach kilkakrotnie wyższych niż średnia krajowa dla obszarów miejskich.

Łagodzenie

W 2008 roku Agencja Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych (EPA) wprowadziła przepisy wymagające, aby wszystkie nowe lub odnowione lokomotywy spalinowe spełniały normy zanieczyszczenia Tier II , które zmniejszają dopuszczalną ilość sadzy o 90% i wymagają 80% redukcji emisji tlenków azotu . Zobacz listę lokomotyw niskoemisyjnych .

Inne technologie, które są wdrażane w celu zmniejszenia emisji z lokomotyw i zużycia paliwa, obejmują lokomotywy przełączające „Genset” i hybrydowe projekty Green Goat . Lokomotywy z agregatem prądotwórczym wykorzystują wiele mniejszych, szybkich silników wysokoprężnych i generatorów (zespołów prądotwórczych), zamiast jednego średnioobrotowego silnika wysokoprężnego i jednego generatora. Ze względu na koszt opracowania czystych silników te mniejsze, szybkoobrotowe silniki są oparte na już opracowanych silnikach samochodów ciężarowych. Green Goats to rodzaj hybrydowej lokomotywy przełączającej, wykorzystującej mały silnik wysokoprężny i duży zestaw akumulatorów. Szczególnie niepokojące są lokomotywy przełączające, ponieważ zazwyczaj działają one na ograniczonym obszarze, często w centrach miejskich lub w ich pobliżu, i spędzają większość czasu na biegu jałowym. Obie konstrukcje zmniejszają zanieczyszczenie poniżej norm EPA Tier II i ograniczają lub eliminują emisje na biegu jałowym.

Przewaga nad parą

Wraz z rozwojem lokomotyw spalinowych koszty ich produkcji i eksploatacji spadły, a ich posiadanie i eksploatacja stały się tańsze niż lokomotywy parowe. W Ameryce Północnej lokomotywy parowe były wykonywane na zamówienie dla określonych tras kolejowych, więc ekonomia skali była trudna do osiągnięcia. Części lokomotyw spalinowych, choć bardziej złożone w produkcji z dokładnymi tolerancjami produkcyjnymi ( 1 / 10000 cala lub 0,0025 milimetra dla oleju napędowego, w porównaniu z 1 / 100 cala (0,25 mm) dla pary), były łatwiejsze do masowej produkcji. Baldwin Locomotive Works oferowało prawie 500 modeli parowych w czasach swojej świetności, podczas gdy EMD oferowało mniej niż dziesięć odmian silników wysokoprężnych. W Wielkiej Brytanii British Railways budowało lokomotywy parowe według standardowych projektów od 1951 roku. Obejmowały one standardowe, wymienne części, dzięki czemu były tańsze w produkcji niż dostępne wówczas lokomotywy spalinowe. Koszt kapitału przypadający na moc dyszla wyniósł 13 funtów 6s (parowy), 65 funtów (olej napędowy), 69 funtów 7s (turbina) i 17 funtów 13s (elektryczny).

Lokomotywy spalinowe oferują znaczną przewagę operacyjną nad lokomotywami parowymi. Mogą być bezpiecznie obsługiwane przez jedną osobę, co czyni je idealnymi do zadań zwrotnicowych / manewrowych na placach (chociaż ze względów bezpieczeństwa wiele lokomotyw spalinowych na głównej linii nadal ma dwuosobową załogę: inżyniera i konduktora / zwrotniczego) oraz środowisko operacyjne jest znacznie bardziej atrakcyjny, ponieważ jest cichszy, w pełni odporny na warunki atmosferyczne i pozbawiony brudu i ciepła, które są nieuniknioną częścią eksploatacji lokomotywy parowej. Lokomotywy spalinowe mogą pracować w wielu miejscach , a jedna załoga kontroluje wiele lokomotyw w jednym pociągu - co jest niepraktyczne w przypadku lokomotyw parowych. Przyniosło to operatorowi większą wydajność, ponieważ poszczególne lokomotywy mogły mieć stosunkowo małą moc do użytku jako pojedyncza jednostka do lekkich zadań, ale połączone razem, aby zapewnić moc potrzebną w ciężkim pociągu. W przypadku trakcji parowej do najcięższych pociągów wymagana była jedna bardzo mocna i droga lokomotywa lub operator uciekał się do podwójnego kursu z wieloma lokomotywami i załogami, co również było drogie i wiązało się z własnymi trudnościami operacyjnymi.

Silniki spalinowe można uruchamiać i zatrzymywać niemal natychmiast, co oznacza, że ​​lokomotywa spalinowa nie generuje kosztów paliwa, gdy nie jest używana. Jednak nadal praktyką dużych kolei w Ameryce Północnej jest stosowanie czystej wody jako płynu chłodzącego w silnikach wysokoprężnych zamiast płynów chłodzących, które mają właściwości zapobiegające zamarzaniu; powoduje to pozostawienie lokomotyw spalinowych na biegu jałowym podczas parkowania w zimnym klimacie zamiast całkowitego wyłączenia. Silnik wysokoprężny można pozostawić na biegu jałowym bez nadzoru przez wiele godzin, a nawet dni, zwłaszcza że praktycznie każdy silnik spalinowy stosowany w lokomotywach ma układy, które automatycznie wyłączają silnik w przypadku wystąpienia problemów, takich jak spadek ciśnienia oleju lub utrata płynu chłodzącego. Dostępne są automatyczne systemy start/stop, które monitorują temperaturę płynu chłodzącego i silnika. Gdy jednostka jest bliska zamarznięcia płynu chłodzącego, system ponownie uruchamia silnik Diesla, aby ogrzać płyn chłodzący i inne układy.

Lokomotywy parowe wymagają intensywnej konserwacji, smarowania i czyszczenia przed, w trakcie i po użyciu. Przygotowanie i odpalenie lokomotywy parowej do użytku z zimna może zająć wiele godzin. Można je przechowywać w gotowości między użyciami przy małym ogniu, ale wymaga to regularnego doładowania i częstej dbałości o utrzymanie poziomu wody w kotle. Może to być konieczne, aby zapobiec zamarzaniu wody w bojlerze w zimnym klimacie, o ile dopływ wody nie jest zamarznięty. Po użyciu lokomotywa parowa wymaga długiej operacji utylizacji w celu wykonania czyszczenia, kontroli, konserwacji i ponownego napełnienia wodą i paliwem, zanim będzie gotowa do następnego zadania. Z drugiej strony, już w 1939 roku EMD promowało swoją serii FT jako niewymagającą konserwacji między 30-dniowymi przeglądami poza tankowaniem a podstawowymi kontrolami poziomu płynów i bezpieczeństwa, które można było przeprowadzić przy wciąż pracującym silniku głównym. Koleje przechodzące z eksploatacji parowej na spalinową w latach czterdziestych i pięćdziesiątych XX wieku odkryły, że w danym okresie lokomotywy spalinowe były dostępne średnio przez trzy lub cztery razy więcej godzin przynoszących dochód niż równoważne lokomotywy parowe, co pozwoliło na drastyczne zmniejszenie floty lokomotyw przy zachowaniu zdolności operacyjnej. [ potrzebne źródło ]

Koszty utrzymania i eksploatacji lokomotyw parowych były znacznie wyższe niż diesli. Roczne koszty utrzymania lokomotyw parowych stanowiły 25% początkowej ceny zakupu. Części zamienne były odlewane z drewnianych majsterkowiczów do konkretnych lokomotyw. Sama liczba unikalnych lokomotyw parowych oznaczała, że ​​nie było realnego sposobu na utrzymanie zapasów części zamiennych. W przypadku lokomotyw spalinowych części zamienne mogłyby być produkowane masowo i przechowywane w magazynie w stanie gotowym do użycia, a wiele części i podzespołów można było ustandaryzować we flocie operatora przy użyciu różnych modeli lokomotyw pochodzących od tego samego producenta. Nowoczesne silniki spalinowe lokomotyw są zaprojektowane tak, aby umożliwić wymianę zespołów napędowych (układów części roboczych i ich interfejsów blokowych) przy jednoczesnym zachowaniu bloku głównego w lokomotywie, co znacznie skraca czas postoju lokomotywy z ruchu generującego dochód, gdy wymaga konserwacji.

Silniki parowe wymagały dużych ilości węgla i wody, co wiązało się z kosztownymi zmiennymi kosztami eksploatacji. Ponadto sprawność cieplna pary była znacznie mniejsza niż w przypadku silników wysokoprężnych. Teoretyczne badania Diesla wykazały potencjalną sprawność cieplną silnika o zapłonie samoczynnym wynoszącą 36% (w porównaniu z 6–10% dla pary), a jednocylindrowy prototyp z 1897 r. Działał z niezwykłą wydajnością 26%.

Jednak jedno badanie opublikowane w 1959 roku sugerowało, że wiele porównań między lokomotywami spalinowymi i parowymi zostało dokonanych niesprawiedliwie, głównie dlatego, że diesle były nowszą technologią. Po żmudnej analizie dokumentacji finansowej i postępu technologicznego autor stwierdził, że gdyby kontynuowano badania nad technologią parową zamiast oleju napędowego, przejście na lokomocję spalinową przyniosłoby znikome korzyści finansowe.

W połowie lat sześćdziesiątych lokomotywy spalinowe skutecznie zastąpiły lokomotywy parowe, w których trakcja elektryczna nie była używana. Próby opracowania zaawansowanej technologii parowej są kontynuowane w XXI wieku, ale nie przyniosły znaczącego efektu.

Zobacz też

Źródła

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Diesel_locomotive&oldid=1140530587 ”