La locomotiva diesel ibrida è un'incredibile dimostrazione di potenza e ingegnosità. Combina una grande tecnologia meccanica, compreso un enorme, 12 cilindri, motore diesel a due tempi, con alcuni motori elettrici e generatori per impieghi gravosi, aggiungendo un po' di tecnologia informatica per buona misura.
Questo 270, 000 libbre (122, La locomotiva da 470 kg) è progettata per trainare vagoni di treni passeggeri a velocità fino a 110 miglia all'ora (177 km/h). Il motore diesel fa 3, 200 cavalli, e il generatore può trasformarlo in quasi 4, 700 ampere di corrente elettrica. I quattro motori di azionamento utilizzano questa elettricità per generare oltre 64, 000 libbre di spinta. C'è un motore V-12 completamente separato e un generatore per fornire energia elettrica per il resto del treno. Questo generatore è chiamato unità di alimentazione di testa . Quello su questo treno può produrre oltre 560 kilowatt (kW) di energia elettrica.
Questa combinazione di motore diesel e generatori e motori elettrici rende la locomotiva un veicolo ibrido. In questo articolo, inizieremo imparando perché le locomotive sono costruite in questo modo e perché hanno ruote d'acciaio. Quindi daremo un'occhiata al layout e ai componenti chiave.
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il 3, Motore da 200 cavalli che aziona il generatore principale Il motivo principale per cui le locomotive diesel sono ibride è perché questo elimina la necessità di una trasmissione meccanica, come si trova nelle auto. Cominciamo col capire perché le auto hanno le trasmissioni.
La tua auto ha bisogno di una trasmissione a causa della fisica del motore a benzina. Primo, qualsiasi motore ha una linea rossa:un valore massimo di giri/min (giri al minuto) al di sopra del quale il motore non può andare senza esplodere. Secondo, se hai letto Come funziona la potenza, allora sai che i motori hanno un range di giri ristretto dove potenza e coppia sono al massimo. Per esempio, un motore potrebbe produrre la sua potenza massima tra 5, 200 e 5, 500 giri al minuto. La trasmissione consente di modificare il rapporto di trasmissione tra il motore e le ruote motrici man mano che l'auto accelera e rallenta. Si cambia marcia in modo che il motore possa rimanere al di sotto della linea rossa e vicino alla fascia di giri della sua migliore prestazione (potenza massima).
La trasmissione a cinque o sei velocità sulla maggior parte delle auto consente loro di andare a 110 mph (177 km / h) o più veloci con una gamma di velocità del motore da 500 a 6, 000 giri/min. Il motore della nostra locomotiva diesel ha una gamma di velocità molto più piccola. Il suo regime minimo è di circa 269 giri/min, e la sua velocità massima è di soli 904 giri/min. Con una gamma di velocità come questa, una locomotiva avrebbe bisogno di 20 o 30 marce per arrivare a 110 mph (177 kph).
Un cambio come questo sarebbe enorme (dovrebbe gestire 3, 200 cavalli), complicato e inefficiente. Dovrebbe anche fornire potenza a quattro serie di ruote, che aumenterebbe la complessità.
Andando con a ibrido impostare, il motore diesel principale può funzionare a velocità costante, girare un generatore elettrico. Il generatore invia energia elettrica a un motore di trazione su ciascun asse, che alimenta le ruote. I motori di trazione possono produrre una coppia adeguata a qualsiasi velocità, da un punto fermo a 110 mph (177 km/h), senza bisogno di cambiare marcia.
I motori diesel sono di più efficiente rispetto ai motori a benzina. Una locomotiva enorme come questa utilizza una media di 1,5 galloni di diesel per miglio (352 l per 100 km) quando traina circa cinque autovetture. Le locomotive che trainano centinaia di vagoni merci a pieno carico consumano molte volte più carburante di questo, quindi anche una diminuzione dell'efficienza del 5-10 percento si somma rapidamente a un aumento significativo dei costi del carburante.
Ti sei mai chiesto perché i treni hanno ruote in acciaio , piuttosto che pneumatici come un'auto? è per ridurre attrito volvente . Quando la tua auto sta guidando in autostrada, qualcosa come il 25 percento della potenza del motore viene utilizzato per spingere le gomme lungo la strada. I pneumatici si piegano e si deformano molto mentre rotolano, che consuma molta energia.
La quantità di energia utilizzata dai pneumatici è proporzionale al peso che grava su di essi. Poiché un'auto è relativamente leggera, questa quantità di energia è accettabile (puoi acquistare pneumatici a bassa resistenza al rotolamento per la tua auto se vuoi risparmiare un po' di benzina).
Poiché un treno pesa migliaia di volte di più di un'auto, la resistenza al rotolamento è un fattore enorme nel determinare la forza necessaria per tirare il treno. Le ruote d'acciaio del treno viaggiano su una piccola superficie di contatto:l'area di contatto tra ciascuna ruota e il binario è grande circa una monetina.
Utilizzando ruote in acciaio su un binario in acciaio, la quantità di deformazione è ridotta al minimo, che riduce la resistenza al rotolamento. Infatti, un treno è il modo più efficiente per spostare merci pesanti.
Lo svantaggio di usare le ruote in acciaio è che non hanno molto trazione . Nella sezione successiva, discuteremo l'interessante soluzione a questo problema.
La trazione durante le curve non è un problema perché le ruote del treno hanno flange che le mantengono in pista. Ma la trazione in frenata e in accelerazione è un problema.
Questa locomotiva può generare 64, 000 libbre di spinta . Ma affinché possa usare efficacemente questa spinta, le otto ruote della locomotiva devono poter applicare questa spinta al binario senza slittare. La locomotiva utilizza un trucco accurato per aumentare la trazione.
Davanti a ogni ruota c'è un ugello che utilizza l'aria compressa per spruzzare sabbia , che è immagazzinato in due serbatoi sulla locomotiva. La sabbia aumenta notevolmente la trazione delle ruote motrici. Il treno è dotato di un sistema elettronico di controllo della trazione che avvia automaticamente gli spruzzatori di sabbia quando le ruote slittano o quando il macchinista effettua un arresto di emergenza. Il sistema può anche ridurre la potenza di qualsiasi motore di trazione le cui ruote stanno slittando.
Ora diamo un'occhiata al layout della locomotiva.
Quasi ogni pollice della locomotiva da 54 piedi (16,2 m) è densamente imballato con attrezzature.
Il gigante a due tempi, V-12 turbocompresso e generatore elettrico forniscono l'enorme quantità di potenza necessaria per trainare carichi pesanti ad alte velocità. Il motore da solo pesa oltre 30, 000 sterline (13, 608 chilogrammi), e il generatore pesa 17, 700 libbre (8, 029kg). Parleremo più avanti del motore e del generatore.
La vista dalla cabina della locomotiva
La cabina della locomotiva è dotata di un proprio sistema di sospensione, che aiuta a isolare l'ingegnere dagli urti. Anche i sedili hanno un sistema di sospensione.
All'interno della cabina ci sono due sedili:uno per il macchinista e uno per il pompiere. Il macchinista ha facile accesso a tutti i comandi della locomotiva; il pompiere ha solo una radio e un controllo dei freni. Anche all'interno dell'auto, proprio nel muso della locomotiva, è una toilette.
I camion sono l'insieme completo di due assi con ruote, motori di trazione, ingranaggio, sospensioni e freni. Discuteremo questi componenti in seguito.
Il unità di alimentazione di testa consiste in un altro grande motore diesel, questa volta un quattro tempi, Caterpillar V-12 biturbo. Il motore stesso è più potente del motore in quasi tutti i semirimorchi. Aziona un generatore che fornisce 480 volt, Alimentazione CA trifase per il resto del treno. Questo motore e generatore forniscono oltre 560 kW di energia elettrica al resto del treno, da utilizzare per i condizionatori elettrici, luci e attrezzature da cucina. Utilizzando un motore e un generatore completamente separati per questi sistemi, il treno può mantenere i passeggeri a proprio agio anche in caso di guasto del motore principale. Riduce anche il carico sul motore principale.
Questo enorme serbatoio nel ventre della locomotiva tiene 2, 200 galloni (8, 328 L) di gasolio. Il serbatoio del carburante è compartimentato, quindi se un compartimento è danneggiato o inizia a perdere, le pompe possono rimuovere il carburante da quel compartimento.
La locomotiva funziona con un sistema elettrico a 64 volt nominali. La locomotiva ha otto batterie da 8 volt, ciascuno di peso superiore a 300 libbre (136 kg). Queste batterie forniscono la potenza necessaria per avviare il motore (ha un enorme motorino di avviamento), così come per far funzionare l'elettronica nella locomotiva. Una volta che il motore principale è in funzione, un alternatore alimenta l'elettronica e le batterie.
Diamo uno sguardo più dettagliato ad alcuni dei principali sistemi presenti sulla locomotiva.
Il motore principale di questa locomotiva è un motore della serie General Motors EMD 710. Il "710" significa che ogni cilindro in questo turbocompresso, due tempi, diesel V-12 ha una cilindrata di 710 pollici cubici (11,6 L). È più del doppio delle dimensioni della maggior parte dei più grandi motori V-8 a benzina per auto - e stiamo parlando solo di uno dei 12 cilindri in questo 3, Motore da 200 CV.
Allora perché? due tempi ? Anche se questo motore è enorme, se funzionava con il ciclo diesel a quattro tempi, come fanno la maggior parte dei motori diesel più piccoli, farebbe solo circa la metà della potenza. Questo perché con il ciclo a due tempi, ci sono il doppio degli eventi di combustione (che producono la potenza) per giro. Si scopre che il motore diesel a due tempi è davvero molto più elegante ed efficiente del motore a benzina a due tempi. Vedi Come funzionano i motori diesel a due tempi per maggiori dettagli.
potresti pensare, se questo motore è circa 24 volte più grande di un grande motore per auto V-8, e utilizza un ciclo a due tempi invece di un ciclo a quattro tempi, perché fa solo circa 10 volte la potenza? Il motivo è che questo motore è progettato per produrre 3, 200 CV in continuo, e dura decenni. Se hai fatto funzionare continuamente il motore della tua auto a piena potenza, saresti fortunato se durasse una settimana.
Ecco alcune delle specifiche di questo motore:
Questo gigantesco motore è collegato a un altrettanto impressionante Generatore . Ha un diametro di circa 1,8 m e pesa circa 17, 700 libbre (8, 029kg). Alla massima potenza, questo generatore produce abbastanza elettricità per alimentare un quartiere di circa 1, 000 case!
Allora, dove va tutto questo potere? va in quattro, enormi motori elettrici situati nei camion.
I camion sono le cose più pesanti sul treno:ognuno pesa 37, 000 sterline (16, 783 chilogrammi). I camion fanno diversi lavori. Sostengono il peso della locomotiva. Forniscono la propulsione, le sospensioni e la frenata. Come puoi immaginare, sono strutture straordinarie.
Il motori di trazione fornire potenza di propulsione alle ruote. Ce n'è uno su ogni asse. Ogni motore aziona un piccolo ingranaggio, che ingrana con un ingranaggio più grande sul semiasse. Ciò fornisce la riduzione dell'ingranaggio che consente al motore di guidare il treno a velocità fino a 110 mph.
Due dei motori di trazione rimossi da un camion Ogni motore pesa 6, 000 sterline (2, 722 kg) e può prelevare fino a 1, 170 ampere di corrente elettrica.
I camion forniscono anche la sospensione per la locomotiva. Il peso della locomotiva poggia su un grande, il giro cuscinetto , che consente ai camion di ruotare in modo che il treno possa svoltare. Sotto il perno c'è un'enorme balestra che poggia su una piattaforma. La piattaforma è sospesa per quattro, metallo gigante link , che si collegano al gruppo del carrello. Questi collegamenti consentono alla locomotiva di oscillare da un lato all'altro.
Il peso della locomotiva grava sul balestre , che si comprimono quando passa sopra una protuberanza. Questo isola il corpo della locomotiva dall'urto. I collegamenti consentono ai camion di spostarsi da un lato all'altro con fluttuazioni del binario. La pista non è perfettamente dritta, e ad alta velocità, le piccole variazioni nella pista renderebbero un giro duro se i camion non potessero oscillare lateralmente. Il sistema mantiene anche la quantità di peso su ciascuna rotaia relativamente uguale, riducendo l'usura dei cingoli e delle ruote.
I freni sono simili a freni a tamburo su una macchina. La frenata è fornita da un meccanismo simile a un freno a tamburo per auto. Un pistone pneumatico spinge un cuscinetto contro la superficie esterna della ruota del treno.
In combinazione con i freni meccanici, la locomotiva ha frenata dinamica . In questa modalità, ciascuno dei quattro motori di trazione agisce come un generatore, utilizzando le ruote del treno per applicare coppia ai motori e generare corrente elettrica. La coppia che le ruote applicano per far girare i motori rallenta il treno (invece dei motori che fanno girare le ruote, le ruote fanno girare i motori). La corrente generata (fino a 760 ampere) viene instradata in una gigantesca rete resistiva che trasforma quella corrente in calore. Una ventola di raffreddamento aspira l'aria attraverso la rete e la espelle dalla parte superiore della locomotiva, in effetti l'asciugacapelli più potente del mondo.
Sul camion posteriore c'è anche un freno a mano -- sì, anche i treni hanno bisogno di freni a mano. Poiché i freni sono azionati ad aria, possono funzionare solo quando il compressore è in funzione. Se il treno è fermo da tempo, non ci sarà pressione dell'aria per mantenere i freni inseriti. Senza un freno a mano e la sicurezza di un serbatoio di pressione dell'aria, basterebbe anche una leggera pendenza per far rotolare il treno a causa del suo peso immenso e del bassissimo attrito volvente tra le ruote e il binario.
Il freno a mano è una manovella che tira una catena. Ci vogliono molti giri di manovella per tendere la catena. La catena tira fuori il pistone per applicare i freni.
Non ti limiti a salire in taxi, gira la chiave e parti con una locomotiva diesel. Avviare un treno è un po' più complicato che avviare la macchina.
L'ingegnere sale una scala di 2,4 metri ed entra in un corridoio dietro la cabina. Lui o lei si impegna a interruttore a coltello (come quelli dei vecchi film di Frankenstein) che collega le batterie al circuito di avviamento. Poi l'ingegnere aziona un centinaio di interruttori su un pannello dell'interruttore, fornendo energia a tutto, dalle luci alla pompa del carburante.
Prossimo, l'ingegnere cammina lungo un corridoio nella sala macchine. Si gira e tiene un interruttore lì, che innesca il sistema di alimentazione, assicurandosi che tutta l'aria sia fuori dal sistema. Quindi gira l'interruttore dall'altra parte e il motorino di avviamento si innesta. Il motore si avvia e inizia a girare.
Prossimo, sale in cabina per controllare gli indicatori e azionare i freni una volta che il compressore ha pressurizzato l'impianto frenante. Può quindi dirigersi verso il retro del treno per rilasciare il freno a mano.
Finalmente può tornare al taxi e prendere il controllo da lì. Una volta che ha il permesso dal capotreno del treno di muoversi, si impegna il campana , che suona continuamente, e suona il trombe d'aria due volte (indicando il movimento in avanti).
Il comando dell'acceleratore ha otto posizioni, più una posizione di riposo. Ciascuna delle posizioni dell'acceleratore è chiamata " tacca ." La tacca 1 è la velocità più lenta, e la tacca 8 è la velocità massima. Per far muovere il treno, l'ingegnere rilascia i freni e mette l'acceleratore nella tacca 1.
In questo motore della serie General Motors EMD 710, mettendo l'acceleratore nella tacca 1 si innesta una serie di contattori (relè elettrici giganti). Questi contattori agganciano il generatore principale ai motori di trazione. Ogni tacca impegna una diversa combinazione di contattori, producendo una tensione diversa. Alcune combinazioni di contattori mettono alcune parti dell'avvolgimento del generatore in una configurazione in serie che si traduce in una tensione più elevata. Altri mettono alcune parti in parallelo, con conseguente diminuzione della tensione. I motori di trazione producono più potenza a tensioni più elevate.
Quando i contattori si impegnano, i comandi computerizzati del motore regolano il iniettori di carburante per iniziare a produrre più potenza del motore.
Il controllo del freno varia la pressione dell'aria nei cilindri del freno per applicare pressione alle ganasce del freno. Allo stesso tempo, si fonde con la frenata dinamica, usando i motori anche per rallentare il treno.
I comandi del freno e dell'acceleratore L'ingegnere ha anche una serie di altri controlli e spie luminose.
controlli, indicatori e la radio Una lettura computerizzata mostra i dati dai sensori in tutta la locomotiva. Può fornire all'ingegnere o ai meccanici informazioni che possono aiutare a diagnosticare i problemi. Ad esempio, se la pressione nei tubi del carburante sta diventando troppo alta, questo può significare che un filtro del carburante è intasato.
Questo display computerizzato può mostrare lo stato dei sistemi in tutta la locomotiva. Ora diamo un'occhiata all'interno del treno.
Dentro un'autovettura Le sistemazioni all'interno di un treno passeggeri sono piuttosto lussuose. Questo treno è il Piemonte , che va ogni giorno da Raleigh a Charlotte, Carolina del Nord. I sedili di questo treno sono più reclinabili rispetto ai sedili delle compagnie aeree e hanno più spazio per le gambe. Hanno anche i poggiapiedi.
I sedili di questa vettura possono essere girati uno di fronte all'altro in modo che quattro persone possano sedersi insieme. 
Il treno ha anche una cucina che serve principalmente panini e snack leggeri. 
Per i passeggeri di prima classe su questo treno, c'è un'auto di osservazione che ha una veranda al piano di sopra e un bar. Anche se prendere il treno potrebbe essere più lento che volare, è decisamente molto più comodo. C'è molto spazio per camminare, e puoi mangiare in una carrozza ristorante o guardare il panorama dalla parte superiore della carrozza lounge. Alcuni treni hanno anche stanze private per i passeggeri di prima classe, non un brutto modo per andare da qui a lì.
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