La locomotive diesel hybride est une incroyable démonstration de puissance et d'ingéniosité. Il combine une grande technologie mécanique, dont un énorme, 12 cylindres, moteur diesel à deux temps, avec certains moteurs électriques et générateurs robustes, jeter un peu de technologie informatique pour faire bonne mesure.
Ce 270, 000 livres (122, La locomotive de 470 kg est conçue pour remorquer des voitures de trains de voyageurs à des vitesses allant jusqu'à 110 milles à l'heure (177 km/h). Le moteur diesel fait 3, 200 chevaux, et le générateur peut transformer cela en presque 4, 700 ampères de courant électrique. Les quatre moteurs d'entraînement utilisent cette électricité pour générer plus de 64, 000 livres de poussée. Il y a un moteur V-12 et un générateur complètement séparés pour fournir de l'énergie électrique au reste du train. Ce générateur est appelé le bloc d'alimentation de tête de ligne . Celui de ce train peut produire plus de 560 kilowatts (kW) d'énergie électrique.
Cette combinaison de moteur diesel et de générateurs et moteurs électriques fait de la locomotive un véhicule hybride. Dans cet article, nous commencerons par apprendre pourquoi les locomotives sont construites de cette façon et pourquoi elles ont des roues en acier. Ensuite, nous examinerons la mise en page et les composants clés.
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Le 3, Moteur de 200 chevaux qui entraîne le générateur principal La principale raison pour laquelle les locomotives diesel sont hybrides est que cela élimine le besoin d'une transmission mécanique, comme on en trouve dans les voitures. Commençons par comprendre pourquoi les voitures ont des transmissions.
Votre voiture a besoin d'une transmission en raison de la physique du moteur à essence. D'abord, tout moteur a une ligne rouge - une valeur de régime maximum (tours par minute) au-dessus de laquelle le moteur ne peut pas aller sans exploser. Seconde, si vous avez lu Comment fonctionne la puissance, alors vous savez que les moteurs ont une plage de régime étroite où la puissance et le couple sont à leur maximum. Par exemple, un moteur peut produire sa puissance maximale entre 5, 200 et 5, 500 tr/min. La transmission permet au rapport de démultiplication entre le moteur et les roues motrices de changer à mesure que la voiture accélère et ralentit. Vous changez de vitesse pour que le moteur puisse rester en dessous de la ligne rouge et près de la plage de régime de ses meilleures performances (puissance maximale).
La transmission à cinq ou six vitesses de la plupart des voitures leur permet d'aller à 110 mph (177 km/h) ou plus avec une plage de régimes moteur de 500 à 6, 000 tr/min. Le moteur de notre locomotive diesel a une plage de vitesse beaucoup plus petite. Son régime de ralenti est d'environ 269 tr/min, et sa vitesse maximale n'est que de 904 tr/min. Avec une plage de vitesse comme celle-ci, une locomotive aurait besoin de 20 ou 30 vitesses pour atteindre 110 mph (177 km/h).
Une boîte de vitesses comme celle-ci serait énorme (il faudrait en gérer 3, 200 chevaux), compliqué et inefficace. Il devrait également alimenter quatre trains de roues, ce qui ajouterait à la complexité.
En allant avec un hybride mettre en place, le moteur diesel principal peut tourner à vitesse constante, faire tourner un générateur électrique. Le générateur envoie de l'énergie électrique à un moteur de traction à chaque essieu, qui alimente les roues. Les moteurs de traction peuvent produire un couple adéquat à n'importe quelle vitesse, d'un arrêt complet à 110 mph (177 km/h), sans avoir besoin de changer de vitesse.
Les moteurs diesel sont plus efficace que les moteurs à essence. Une énorme locomotive comme celle-ci utilise en moyenne 1,5 gallon de diesel par mile (352 L aux 100 km) pour remorquer environ cinq voitures particulières. Les locomotives remorquant des centaines de wagons de marchandises entièrement chargés consomment beaucoup plus de carburant que cela, Ainsi, même une diminution de cinq ou 10 pour cent de l'efficacité s'ajouterait rapidement à une augmentation significative des coûts de carburant.
Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi les trains ont roues en acier , plutôt que des pneus comme une voiture ? c'est pour réduire frottement de roulement . Lorsque votre voiture roule sur l'autoroute, quelque chose comme 25 pour cent de la puissance du moteur est utilisé pour pousser les pneus sur la route. Les pneus se plient et se déforment beaucoup en roulant, qui consomme beaucoup d'énergie.
La quantité d'énergie utilisée par les pneus est proportionnelle au poids qu'ils portent. Comme une voiture est relativement légère, cette quantité d'énergie est acceptable (vous pouvez acheter des pneus à faible résistance au roulement pour votre voiture si vous voulez économiser un peu d'essence).
Comme un train pèse des milliers de fois plus qu'une voiture, la résistance au roulement est un facteur énorme pour déterminer la force nécessaire pour tirer le train. Les roues en acier du train roulent sur une minuscule zone de contact - la zone de contact entre chaque roue et la voie est de la taille d'un centime.
En utilisant des roues en acier sur une piste en acier, la quantité de déformation est minimisée, ce qui réduit la résistance au roulement. En réalité, un train est le moyen le plus efficace de déplacer des marchandises lourdes.
L'inconvénient de l'utilisation de roues en acier est qu'elles n'ont pas beaucoup traction . Dans la section suivante, nous discuterons de la solution intéressante à ce problème.
La traction lors des virages n'est pas un problème car les roues du train ont des flasques qui les maintiennent sur la voie. Mais la traction lors du freinage et de l'accélération est un problème.
Cette locomotive peut générer 64, 000 livres de poussée . Mais pour qu'il utilise efficacement cette poussée, les huit roues de la locomotive doivent pouvoir appliquer cette poussée à la voie sans patiner. La locomotive utilise une astuce pour augmenter la traction.
Devant chaque roue se trouve une buse qui utilise de l'air comprimé pour pulvériser sable , qui est stocké dans deux réservoirs sur la locomotive. Le sable augmente considérablement la traction des roues motrices. Le train est équipé d'un système de contrôle de traction électronique qui démarre automatiquement les pulvérisateurs de sable lorsque les roues patinent ou lorsque le mécanicien effectue un arrêt d'urgence. Le système peut également réduire la puissance de tout moteur de traction dont les roues patinent.
Voyons maintenant l'agencement de la locomotive.
Presque chaque centimètre de la locomotive de 54 pi (16,2 m) est bien rempli d'équipement.
Le géant à deux temps, Le V-12 turbocompressé et le générateur électrique fournissent l'énorme quantité de puissance nécessaire pour tirer de lourdes charges à grande vitesse. Le moteur seul pèse plus de 30, 000 livres (13, 608 kilogrammes), et le générateur pèse 17, 700 livres (8, 029kg). Nous parlerons plus en détail du moteur et du générateur plus tard.
La vue depuis la cabine de la locomotive
La cabine de la locomotive roule sur son propre système de suspension, ce qui aide à isoler l'ingénieur des chocs. Les sièges ont également un système de suspension.
A l'intérieur de la cabine, il y a deux sièges :un pour le mécanicien et un pour le pompier. Le mécanicien a un accès facile à toutes les commandes de la locomotive; le pompier a juste une radio et une commande de frein. Aussi à l'intérieur de la voiture, juste dans le nez de la locomotive, est une toilette.
Les camions sont l'assemblage complet de deux essieux avec roues, moteurs de traction, engrenage, suspensions et freins. Nous discuterons de ces composants plus tard.
Les bloc d'alimentation de tête de ligne se compose d'un autre gros moteur diesel, cette fois un quatre temps, Caterpillar V-12 à double turbocompresseur. Le moteur lui-même est plus puissant que le moteur de presque tous les semi-remorques. Il entraîne un générateur qui fournit 480 volts, Alimentation CA triphasée pour le reste du train. Ce moteur et ce générateur fournissent plus de 560 kW d'énergie électrique au reste du train, être utilisé par les climatiseurs électriques, lumières et équipements de cuisine. En utilisant un moteur et un générateur complètement séparés pour ces systèmes, le train peut garder les passagers à l'aise même si le moteur principal tombe en panne. Il diminue également la charge sur le moteur principal.
Cet énorme réservoir dans le ventre de la locomotive contient 2, 200 gallons (8, 328 L) de carburant diesel. Le réservoir de carburant est compartimenté, donc si un compartiment est endommagé ou commence à fuir, les pompes peuvent retirer le carburant de ce compartiment.
La locomotive fonctionne sur un système électrique nominal de 64 volts. La locomotive a huit batteries de 8 volts, chacun pesant plus de 300 livres (136 kg). Ces batteries fournissent la puissance nécessaire pour démarrer le moteur (il a un énorme démarreur), ainsi que pour faire fonctionner l'électronique dans la locomotive. Une fois le moteur principal en marche, un alternateur alimente l'électronique et les batteries.
Examinons plus en détail certains des principaux systèmes de la locomotive.
Le moteur principal de cette locomotive est un moteur de la série General Motors EMD 710. Le "710" signifie que chaque cylindre de ce turbocompressé, deux temps, diesel V-12 a une cylindrée de 710 pouces cubes (11,6 L). C'est plus du double de la taille de la plupart des plus gros moteurs de voitures à essence V-8 - et nous ne parlons que d'un des 12 cylindres de ce 3, Moteur de 200 chevaux.
Alors pourquoi deux temps ? Même si ce moteur est énorme, s'il fonctionnait sur le cycle diesel à quatre temps, comme le font la plupart des petits moteurs diesel, cela ne ferait qu'environ la moitié de la puissance. C'est parce qu'avec le cycle à deux temps, il y a deux fois plus d'événements de combustion (qui produisent la puissance) par tour. Il s'avère que le moteur diesel à deux temps est vraiment beaucoup plus élégant et efficace que le moteur à essence à deux temps. Voir Comment fonctionnent les moteurs diesel à deux temps pour plus de détails.
Vous pensez peut-être, si ce moteur est environ 24 fois la taille d'un gros moteur de voiture V-8, et utilise un cycle à deux temps au lieu d'un cycle à quatre temps, pourquoi ne fait-il qu'environ 10 fois la puissance? La raison en est que ce moteur est conçu pour produire 3, 200 ch en continu, et cela dure des décennies. Si vous avez continuellement fait tourner le moteur de votre voiture à pleine puissance, vous auriez de la chance si cela durait une semaine.
Voici quelques caractéristiques de ce moteur :
Ce moteur géant est relié à un tout aussi impressionnant Générateur . Il mesure environ 6 pieds (1,8 m) de diamètre et pèse environ 17, 700 livres (8, 029kg). A la puissance de pointe, ce générateur produit assez d'électricité pour alimenter un quartier d'environ 1, 000 maisons !
Alors, où va tout ce pouvoir ? Il entre en quatre, moteurs électriques massifs situés dans les camions.
Les camions sont les choses les plus lourdes du train - chacun pèse 37, 000 livres (16, 783 kilogrammes). Les camions effectuent plusieurs tâches. Ils supportent le poids de la locomotive. Ils assurent la propulsion, les suspensions et le freinage. Comme vous pouvez l'imaginer, ce sont des structures formidables.
Les moteurs de traction fournir la puissance de propulsion aux roues. Il y en a un sur chaque essieu. Chaque moteur entraîne un petit engrenage, qui engrène avec un engrenage plus grand sur l'arbre d'essieu. Cela fournit la réduction de vitesse qui permet au moteur de conduire le train à des vitesses allant jusqu'à 110 mph.
Deux des moteurs de traction retirés d'un camion Chaque moteur pèse 6, 000 livres (2, 722 kg) et peut en tirer jusqu'à 1, 170 ampères de courant électrique.
Les camions assurent également la suspension de la locomotive. Le poids de la locomotive repose sur un gros tour palier , qui permet aux camions de pivoter pour que le train puisse faire un virage. Sous le pivot se trouve un énorme ressort à lames qui repose sur une plate-forme. La plate-forme est suspendue par quatre, métal géant liens , qui se connectent à l'assemblage du camion. Ces liens permettent à la locomotive de se balancer d'un côté à l'autre.
Le poids de la locomotive repose sur le ressorts à lames , qui se comprime lorsqu'il passe sur une bosse. Cela isole le corps de la locomotive de la bosse. Les liens permettent aux camions de se déplacer d'un côté à l'autre avec les fluctuations de la voie. La piste n'est pas parfaitement droite, et à grande vitesse, les petites variations de la piste rendraient la conduite difficile si les camions ne pouvaient pas se balancer latéralement. Le système maintient également la quantité de poids sur chaque rail relativement égale, réduire l'usure des chenilles et des roues.
Les freins sont similaires à Freins à tambour sur une voiture. Le freinage est assuré par un mécanisme similaire à un frein à tambour de voiture. Un piston pneumatique pousse un coussin contre la surface extérieure de la roue de train.
En conjonction avec les freins mécaniques, la locomotive a freinage dynamique . Dans ce mode, chacun des quatre moteurs de traction agit comme un générateur, utiliser les roues du train pour appliquer un couple aux moteurs et générer du courant électrique. Le couple que les roues appliquent pour faire tourner les moteurs ralentit le train (au lieu que les moteurs fassent tourner les roues, les roues font tourner les moteurs). Le courant généré (jusqu'à 760 ampères) est acheminé dans un maillage résistif géant qui transforme ce courant en chaleur. Un ventilateur de refroidissement aspire l'air à travers le maillage et le souffle par le haut de la locomotive, le sèche-cheveux le plus puissant au monde.
Sur le camion arrière, il y a aussi un frein à main -- Oui, même les trains ont besoin de freins à main. Étant donné que les freins sont pneumatiques, ils ne peuvent fonctionner que lorsque le compresseur est en marche. Si le train a été arrêté pendant un certain temps, il n'y aura pas de pression d'air pour maintenir les freins engagés. Sans frein à main et la sécurité intégrée d'un réservoir d'air comprimé, même une légère pente suffirait à faire rouler le train en raison de son poids immense et du très faible frottement de roulement entre les roues et la voie.
Le frein à main est une manivelle qui tire une chaîne. Il faut plusieurs tours de manivelle pour tendre la chaîne. La chaîne tire le piston pour appliquer les freins.
Vous ne faites pas que monter dans le taxi, Tournez la clé et partez en locomotive diesel. Démarrer un train est un peu plus compliqué que démarrer votre voiture.
Le mécanicien monte une échelle de 8 pieds (2,4 m) et pénètre dans un couloir derrière la cabine. Il ou elle engage un interrupteur à couteau (comme ceux des vieux films de Frankenstein) qui connecte les batteries au circuit de démarrage. Puis l'ingénieur bascule une centaine d'interrupteurs sur un panneau disjoncteur, fournissant de l'énergie à tout, des lumières à la pompe à carburant.
Prochain, l'ingénieur marche dans un couloir dans la salle des machines. Il tourne et tient un interrupteur là-bas, qui amorce le système de carburant, s'assurer que tout l'air est hors du système. Il tourne ensuite l'interrupteur dans l'autre sens et le démarreur s'enclenche. Le moteur démarre et se met à tourner.
Prochain, il monte en cabine pour surveiller les jauges et enclencher les freins une fois que le compresseur a mis le système de freinage sous pression. Il peut alors se diriger vers l'arrière du train pour desserrer le frein à main.
Enfin, il peut remonter dans la cabine et prendre le contrôle à partir de là. Une fois qu'il a l'autorisation du conducteur du train de se déplacer, il engage le cloche , qui sonne en continu, et sonne le cornes à air deux fois (indiquant un mouvement vers l'avant).
La commande des gaz a huit positions, plus une position de repos. Chacune des positions des gaz est appelée " entailler ." L'encoche 1 est la vitesse la plus lente, et l'encoche 8 est la vitesse la plus élevée. Pour faire avancer le train, le mécanicien relâche les freins et met la manette des gaz au cran 1.
Dans ce moteur de la série General Motors EMD 710, mettre la manette des gaz dans l'encoche 1 engage un jeu de contacteurs (relais électriques géants). Ces contacteurs raccordent la génératrice principale aux moteurs de traction. Chaque encoche engage une combinaison différente de contacteurs, produisant une tension différente. Certaines combinaisons de contacteurs placent certaines parties de l'enroulement du générateur dans une configuration en série qui entraîne une tension plus élevée. D'autres mettent certaines parties en parallèle, résultant en une tension plus faible. Les moteurs de traction produisent plus de puissance à des tensions plus élevées.
Lorsque les contacteurs s'enclenchent, les commandes informatisées du moteur règlent la Injecteurs de carburant pour commencer à produire plus de puissance moteur.
Les commande de frein fait varier la pression d'air dans les cylindres de frein pour appliquer une pression sur les mâchoires de frein. À la fois, il se fond dans le freinage dynamique, en utilisant les moteurs pour ralentir le train aussi.
Les commandes de frein et d'accélérateur L'ingénieur dispose également d'une foule d'autres commandes et voyants lumineux.
Les contrôles, indicateurs et la radio Un affichage informatisé affiche les données des capteurs partout dans la locomotive. Il peut fournir à l'ingénieur ou au mécanicien des informations qui peuvent aider à diagnostiquer les problèmes. Par exemple, si la pression dans les conduites de carburant devient trop élevée, cela peut signifier qu'un filtre à carburant est bouché.
Cet affichage informatisé peut montrer l'état des systèmes dans toute la locomotive. Jetons maintenant un coup d'œil à l'intérieur du train.
À l'intérieur d'une voiture de tourisme Les chambres à l'intérieur d'un train de voyageurs sont assez cossues. Ce train est le Piémont , qui circule quotidiennement de Raleigh à Charlotte, Caroline du Nord. Les sièges de ce train s'inclinent plus que les sièges d'avion et ont plus d'espace pour les jambes. Ils ont aussi des repose-pieds.
Les sièges de cette voiture peuvent être retournés pour se faire face afin que quatre personnes puissent s'asseoir ensemble. 
Le train dispose également d'une cuisine qui sert principalement des sandwichs et des collations légères. 
Pour les passagers de première classe de ce train, il y a une voiture d'observation qui a une véranda à l'étage et un bar. Même si prendre le train peut être plus lent que voler, c'est certainement beaucoup plus confortable. Il y a beaucoup de place pour se promener, et vous pouvez manger dans une voiture-restaurant ou admirer la vue depuis le sommet de la voiture-salon. Certains trains ont même des chambres privées pour les passagers de première classe - ce n'est pas un mauvais moyen de se rendre d'ici à là-bas.
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