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Una locomotora diésel es un tipo de locomotora ferroviaria en la que la fuente de energía es un motor diésel . Se han desarrollado varios tipos de locomotoras diésel, que se diferencian principalmente en el medio por el cual se transmite la energía mecánica a las ruedas motrices . Las más comunes son las locomotoras diésel-eléctricas y las diésel-hidráulicas.
Las primeras locomotoras y vagones de combustión interna utilizaban queroseno y gasolina como combustible. Rudolf Diesel patentó su primer motor de encendido por compresión [2] en 1898, y las constantes mejoras en el diseño de los motores diésel redujeron su tamaño físico y mejoraron sus relaciones potencia-peso hasta un punto en el que se podía montar uno en una locomotora. Los motores de combustión interna solo funcionan de manera eficiente dentro de una banda de potencia limitada , y mientras que los motores de gasolina de baja potencia podían acoplarse a transmisiones mecánicas , los motores diésel más potentes requerían el desarrollo de nuevas formas de transmisión. [3] [4] [5] [6] [7] Esto se debe a que los embragues tendrían que ser muy grandes en estos niveles de potencia y no encajarían en un bastidor de locomotora estándar de 2,5 m (8 pies 2 pulgadas) de ancho, o se desgastarían demasiado rápido para ser útiles.
Los primeros motores diésel exitosos usaban transmisiones diésel-eléctricas y, en 1925, una pequeña cantidad de locomotoras diésel de 600 hp (450 kW) estaban en servicio en los Estados Unidos. En 1930, Armstrong Whitworth del Reino Unido entregó dos locomotoras de 1200 hp (890 kW) que usaban motores diseñados por Sulzer al Ferrocarril Austral de Buenos Aires de Argentina. En 1933, la tecnología diésel-eléctrica desarrollada por Maybach se utilizó para propulsar el DRG Class SVT 877 , un conjunto de dos vagones interurbanos de alta velocidad, y entró en producción en serie con otros conjuntos de vagones aerodinámicos en Alemania a partir de 1935. En los Estados Unidos, la propulsión diésel-eléctrica se llevó al servicio de pasajeros de línea principal de alta velocidad a fines de 1934, en gran parte a través de los esfuerzos de investigación y desarrollo de General Motors que se remontan a fines de la década de 1920 y los avances en el diseño de carrocerías livianas de Budd Company .
La recuperación económica de la Segunda Guerra Mundial aceleró la adopción generalizada de locomotoras diésel en muchos países. Ofrecían mayor flexibilidad y rendimiento que las locomotoras de vapor , así como costos de operación y mantenimiento sustancialmente más bajos. [8]
El primer ejemplo registrado del uso de un motor de combustión interna en una locomotora de ferrocarril es el prototipo diseñado por William Dent Priestman , que fue examinado por William Thomson, primer barón Kelvin en 1888, quien lo describió como un " motor de aceite Priestman montado sobre un camión que se trabaja en una línea temporal de rieles para mostrar la adaptación de un motor de petróleo para fines locomotores". [9] [10] En 1894, una máquina de dos ejes de 20 hp (15 kW) construida por Priestman Brothers se utilizó en los muelles de Hull . [11] [12] En 1896, se construyó una locomotora de ferrocarril con motor de aceite para el Royal Arsenal en Woolwich , Inglaterra, utilizando un motor diseñado por Herbert Akroyd Stuart . [13] No era un diésel, porque utilizaba un motor de bulbo caliente (también conocido como semidiésel), pero fue el precursor del diésel.
Rudolf Diesel consideró la posibilidad de utilizar su motor para propulsar locomotoras en su libro de 1893 Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten Verbrennungsmotoren ( Teoría y construcción de un motor térmico racional ). [14] Sin embargo, el gran tamaño y la mala relación potencia-peso de los primeros motores diésel los hicieron inadecuados para propulsar vehículos terrestres. Por lo tanto, inicialmente no se reconoció el potencial del motor como motor principal del ferrocarril. [15] Esto cambió a medida que la investigación y el desarrollo redujeron el tamaño y el peso del motor.
En 1906, Rudolf Diesel, Adolf Klose y el fabricante de motores de vapor y diésel Gebrüder Sulzer fundaron Diesel-Sulzer-Klose GmbH para fabricar locomotoras con motor diésel. Sulzer había estado fabricando motores diésel desde 1898. Los Ferrocarriles Estatales Prusianos encargaron una locomotora diésel a la empresa en 1909 y, tras unas pruebas entre Winterthur y Romanshorn (Suiza), la locomotora diésel-mecánica se entregó en Berlín en septiembre de 1912. La primera locomotora con motor diésel del mundo se puso en funcionamiento en el verano de 1912 en la misma línea desde Winterthur, pero no fue un éxito comercial. [16] Durante las pruebas de 1913 se detectaron varios problemas. El estallido de la Primera Guerra Mundial en 1914 impidió que se realizaran más pruebas. El peso de la locomotora era de 95 toneladas y la potencia era de 883 kW (1.184 CV) con una velocidad máxima de 100 km/h (62 mph). [17]
Hasta mediados de la década de 1920 se produjeron pequeñas cantidades de prototipos de locomotoras diésel en varios países.
Uno de los primeros vehículos diésel desarrollados en China fue la Dongfeng DMU (东风), producida en 1958 por CSR Sifang . La producción en serie de la primera clase de locomotora diésel de China, la DFH1 , comenzó en 1964 tras la construcción de un prototipo en 1959.
En Japón, a partir de la década de 1920, se produjeron algunos vagones de tracción eléctrica y de gasolina. La primera tracción diésel-eléctrica y los primeros vehículos propulsados por aire sobre raíles japoneses fueron las dos DMU3 de la clase Kiha 43000 (キハ43000系). [18] La primera serie de locomotoras diésel de Japón fue la clase DD50 (国鉄DD50形), locomotoras gemelas, desarrolladas desde 1950 y en servicio desde 1953. [19]
En 1914, Waggonfabrik Rastatt fabricó los primeros vagones diésel-eléctricos funcionales del mundo para los Ferrocarriles Estatales Reales de Sajonia ( Königlich-Sächsische Staatseisenbahnen ) con equipo eléctrico de Brown, Boveri & Cie y motores diésel de Swiss Sulzer AG . Fueron clasificados como DET 1 y DET 2 ( de.wiki [de] ). Debido a la escasez de productos derivados del petróleo durante la Primera Guerra Mundial, no se utilizaron para el servicio regular en Alemania. En 1922, se vendieron a la Compagnie du Chemin de fer Régional du Val-de-Travers suiza , donde se utilizaron en servicio regular hasta la electrificación de la línea en 1944. Posteriormente, la empresa los mantuvo en servicio como refuerzos hasta 1965.
Fiat afirma haber construido la primera locomotora diésel-eléctrica italiana en 1922, pero hay pocos detalles disponibles. Se construyeron varias locomotoras diésel Fiat- TIBB Bo'Bo' para el servicio en la línea de 950 mm ( 3 pies 1 pulgada)+Ferrovie Calabro Lucane, de vía estrecha de 3 ⁄ 8 pulgadasSocietà per le Strade Ferrate del Mediterranoen el sur de Italia en 1926, después de las pruebas realizadas en 1924-25.[20]El motor de dos tiempos de seis cilindros producía 440 caballos de fuerza (330 kW) a 500 rpm, impulsando cuatro motores de corriente continua, uno para cada eje. Estas locomotoras de 44 toneladas (43 toneladas largas; 49 toneladas cortas) con una velocidad máxima de 45 km/h (28 mph) resultaron bastante exitosas.[21]
En 1924, dos locomotoras diésel-eléctricas entraron en servicio en los ferrocarriles soviéticos , casi al mismo tiempo:
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En 1935, Krauss-Maffei , MAN y Voith construyeron la primera locomotora diésel-hidráulica, llamada V 140, en Alemania. La diésel-hidráulica se convirtió en la corriente principal en las locomotoras diésel en Alemania, ya que los ferrocarriles alemanes (DRG) estaban satisfechos con el rendimiento de ese motor. La producción en serie de locomotoras diésel en Alemania comenzó después de la Segunda Guerra Mundial.
En muchas estaciones de ferrocarril y complejos industriales, los vagones de maniobras a vapor debían mantenerse calientes durante muchos descansos entre tareas breves y dispersas. Por ello, la tracción diésel empezó a ser rentable para las maniobras antes de que lo fuera para el arrastre de trenes. La construcción de vagones de maniobras diésel comenzó en 1920 en Francia, en 1925 en Dinamarca, en 1926 en los Países Bajos y en 1927 en Alemania. Tras unos años de pruebas, se fabricaron cientos de unidades en una década.
Los vagones de ferrocarril propulsados por diésel o "motores de aceite", generalmente diésel-mecánicos, fueron desarrollados por varios fabricantes europeos en la década de 1930, por ejemplo, por William Beardmore and Company para los Ferrocarriles Nacionales Canadienses (el motor Beardmore Tornado se utilizó posteriormente en el dirigible R101 ). Algunas de esas series para el tráfico regional se iniciaron con motores de gasolina y luego continuaron con motores diésel, como el BC mot húngaro (el código de clase no dice nada más que "motor de ferrocarril con asientos de 2.ª y 3.ª clase"), 128 vagones construidos entre 1926 y 1937, o los ferrocarriles alemanes Wismar (57 vagones entre 1932 y 1941). En Francia, el primer vagón de ferrocarril diésel fue el Renault VH , del que se produjeron 115 unidades entre 1933 y 1934. En Italia, después de seis vagones de gasolina desde 1931, Fiat y Breda construyeron numerosos vagones motorizados diésel, más de 110 entre 1933 y 1938 y 390 entre 1940 y 1953, de la clase 772 , conocida como Littorina , y de la clase ALn 900.
En la década de 1930 se desarrollaron vagones diésel aerodinámicos de alta velocidad en varios países:
En 1945, un lote de 30 locomotoras diésel-eléctricas Baldwin, Baldwin 0-6-6-0 1000 , fue entregado desde Estados Unidos a los ferrocarriles de la Unión Soviética.
En 1947, el London, Midland and Scottish Railway (LMS) introdujo la primera de un par de locomotoras diésel-eléctricas Co-Co de 1600 hp (1200 kW) (posteriormente British Rail Class D16/1 ) para uso regular en el Reino Unido, aunque fabricantes británicos como Armstrong Whitworth habían estado exportando locomotoras diésel desde 1930. Las entregas de la flota a British Railways, de otros diseños como la Clase 20 y la Clase 31, comenzaron en 1957.
La producción en serie de locomotoras diésel en Italia comenzó a mediados de la década de 1950. En general, la tracción diésel en Italia tenía una importancia menor que en otros países, ya que se encontraba entre los países más avanzados en la electrificación de las líneas principales y la geografía italiana hacía que el transporte de mercancías por mar fuera más barato que el transporte ferroviario incluso en muchas conexiones nacionales.
Adolphus Busch adquirió los derechos de fabricación estadounidenses del motor diésel en 1898, pero nunca aplicó esta nueva forma de energía al transporte. Fundó la empresa Busch-Sulzer en 1911. A principios del siglo XX, los vagones de ferrocarril con motor de combustión interna tuvieron un éxito limitado, debido, en parte, a las dificultades con los sistemas de transmisión mecánica. [23]
General Electric (GE) entró en el mercado de los vagones de ferrocarril a principios del siglo XX, ya que Thomas Edison poseía una patente sobre la locomotora eléctrica, siendo su diseño en realidad un tipo de vagón de ferrocarril propulsado eléctricamente. [24] GE construyó su primer prototipo de locomotora eléctrica en 1895. Sin embargo, los altos costos de electrificación hicieron que GE centrara su atención en la energía de combustión interna para proporcionar electricidad a los vagones de ferrocarril eléctricos. Inmediatamente se encontraron problemas relacionados con la coordinación del motor principal y el motor eléctrico , principalmente debido a las limitaciones del sistema de control de corriente Ward Leonard que se había elegido. [ cita requerida ] GE Rail se formó en 1907 y 112 años después, en 2019, fue comprada y fusionada con Wabtec .
Un avance significativo ocurrió en 1914, cuando Hermann Lemp , un ingeniero eléctrico de GE, desarrolló y patentó un sistema de control confiable que controlaba el motor y el motor de tracción con una sola palanca; las mejoras posteriores también fueron patentadas por Lemp. [25] El diseño de Lemp resolvió el problema de sobrecargar y dañar los motores de tracción con potencia eléctrica excesiva a bajas velocidades, y fue el prototipo para todos los sistemas de control de propulsión eléctrica de combustión interna.
Entre 1917 y 1918, GE fabricó tres locomotoras diésel-eléctricas experimentales utilizando el diseño de control de Lemp, las primeras que se conocen que se construyeron en los Estados Unidos. [26] Después de este desarrollo, la Ley Kaufman de 1923 prohibió las locomotoras de vapor en la ciudad de Nueva York debido a los graves problemas de contaminación. La respuesta a esta ley fue electrificar las líneas ferroviarias de alto tráfico. Sin embargo, la electrificación no era económica para aplicarla en áreas de menor tráfico.
El primer uso regular de locomotoras diésel-eléctricas fue en aplicaciones de maniobras , que eran más tolerantes que las aplicaciones de línea principal a las limitaciones de la tecnología diésel contemporánea y donde la economía de ralentí del diésel en relación con el vapor sería más beneficiosa. GE inició una colaboración con la American Locomotive Company (ALCO) e Ingersoll-Rand (el consorcio "AGEIR") en 1924 para producir un prototipo de locomotora "boxcab" de 300 hp (220 kW) que se entregó en julio de 1925. Esta locomotora demostró que la unidad de potencia diésel-eléctrica podía proporcionar muchos de los beneficios de una locomotora eléctrica sin que el ferrocarril tuviera que soportar el considerable gasto de la electrificación. [27] La unidad demostró con éxito, en maniobras y servicio local de carga y pasajeros, en diez ferrocarriles y tres líneas industriales. [28] Westinghouse Electric y Baldwin colaboraron para construir locomotoras de conmutación a partir de 1929. Sin embargo, la Gran Depresión redujo la demanda de equipos eléctricos de Westinghouse y dejaron de construir locomotoras internamente, optando en su lugar por suministrar piezas eléctricas. [29]
En junio de 1925, Baldwin Locomotive Works vendió un prototipo de locomotora diésel-eléctrica para "usos especiales" (como para trayectos en los que el agua para las locomotoras de vapor era escasa) utilizando equipos eléctricos de Westinghouse Electric Company . [30] Su diseño de dos motores no tuvo éxito y la unidad fue desechada después de un breve período de prueba y demostración. [31] Fuentes de la industria estaban empezando a sugerir "las ventajas excepcionales de esta nueva forma de fuerza motriz". [32] En 1929, Canadian National Railways se convirtió en el primer ferrocarril norteamericano en utilizar diésel en el servicio principal con dos unidades, 9000 y 9001, de Westinghouse. [33] Sin embargo, estos primeros diésel resultaron caros y poco fiables, y su alto coste de adquisición en relación con el vapor no se pudo materializar en ahorros de costes operativos, ya que estaban frecuentemente fuera de servicio. Pasarían otros cinco años antes de que la propulsión diésel-eléctrica se utilizara con éxito en el servicio principal, y casi diez años antes de que la sustitución total del vapor se convirtiera en una perspectiva real con la tecnología diésel existente.
Antes de que el motor diésel pudiera abrirse paso en el servicio de línea principal, las limitaciones de los motores diésel de alrededor de 1930 (bajas relaciones potencia-peso y estrecho rango de potencia) tuvieron que ser superadas. General Motors lanzó un gran esfuerzo para superar esas limitaciones después de que se adentraran en el campo diésel con su adquisición de Winton Engine Company , un importante fabricante de motores diésel para aplicaciones marinas y estacionarias, en 1930. Con el apoyo de la División de Investigación de General Motors, Winton Engine Corporation de GM buscó desarrollar motores diésel adecuados para uso móvil de alta velocidad. El primer hito en ese esfuerzo fue la entrega a principios de 1934 del Winton 201A, un motor diésel de dos tiempos , aspirado mecánicamente , con barrido de flujo único e inyección unitaria que podía ofrecer el rendimiento requerido para un tren de pasajeros rápido y ligero. El segundo hito, y el que hizo que los ferrocarriles estadounidenses avanzaran hacia el diésel, fue la entrega en 1938 del motor Modelo 567 de GM , que fue diseñado específicamente para uso en locomotoras, aportando un aumento de cinco veces en la vida útil de algunas piezas mecánicas y demostrando su potencial para satisfacer los rigores del servicio de transporte de mercancías. [34]
El ferrocarril diésel-eléctrico entró en servicio en las líneas principales cuando la ruta Burlington y Union Pacific empezaron a utilizar trenes diésel " transitorios " personalizados para transportar pasajeros, a partir de finales de 1934. [23] [35] Los trenes Zephyr de Burlington evolucionaron desde trenes articulados de tres vagones con motores de 600 hp en 1934 y principios de 1935, hasta los trenes semiarticulados Denver Zephyr de diez vagones tirados por motores de cabina, introducidos a finales de 1936. Union Pacific inició el servicio de trenes diésel transitorios entre Chicago y Portland, Oregón, en junio de 1935, y al año siguiente añadiría Los Ángeles, California , Oakland, California y Denver, Colorado a los destinos de los trenes diésel transitorios que salían de Chicago. Los trenes diésel transitorios de Burlington y Union Pacific fueron construidos por Budd Company y Pullman-Standard Company , respectivamente, utilizando los nuevos motores Winton y sistemas de tren de potencia diseñados por Electro-Motive Corporation de GM . Las locomotoras BB experimentales de 1800 hp de EMC de 1935 demostraron los sistemas de control de unidades múltiples utilizados para los conjuntos de cabina/refuerzo y el formato de motor doble utilizado con las unidades de potencia Zephyr posteriores. Ambas características se utilizarían en las locomotoras de modelos de producción posteriores de EMC. Las locomotoras diésel aerodinámicas ligeras de mediados de la década de 1930 demostraron las ventajas del diésel para el servicio de pasajeros con horarios revolucionarios, pero la potencia de las locomotoras diésel no alcanzaría su madurez hasta que comenzara la producción en serie regular de locomotoras diésel de línea principal y se demostrara que era adecuada para el servicio de pasajeros y mercancías de tamaño completo.
Tras su prototipo de 1925, el consorcio AGEIR produjo 25 unidades más de locomotoras de maniobras AGEIR de cabina de caja de 300 hp (220 kW) "60 toneladas" entre 1925 y 1928 para varios ferrocarriles de la ciudad de Nueva York, convirtiéndolas en las primeras locomotoras diésel producidas en serie. [36] El consorcio también produjo siete locomotoras de cabina de caja de "100 toneladas" con dos motores y una unidad híbrida de carro/batería con un circuito de carga impulsado por diésel. ALCO adquirió la McIntosh & Seymour Engine Company en 1929 y entró en producción en serie de unidades de maniobras de cabina simple de 300 hp (220 kW) y 600 hp (450 kW) en 1931. ALCO sería el constructor preeminente de locomotoras de maniobras hasta mediados de la década de 1930 y adaptaría el diseño básico de las locomotoras de maniobras para producir locomotoras de carretera versátiles y de gran éxito, aunque de potencia relativamente baja.
GM, al ver el éxito de las locomotoras aerodinámicas personalizadas, buscó expandir el mercado de la energía diésel mediante la producción de locomotoras estandarizadas bajo su Electro-Motive Corporation . En 1936, la nueva fábrica de EMC comenzó la producción de locomotoras de maniobras. En 1937, la fábrica comenzó a producir sus nuevas locomotoras de pasajeros aerodinámicas de la serie E , que se actualizarían con motores especialmente diseñados más confiables en 1938. Al ver el rendimiento y la confiabilidad del nuevo motor modelo 567 en las locomotoras de pasajeros, EMC estaba ansiosa por demostrar la viabilidad del diésel en el servicio de carga.
Tras la exitosa gira de 1939 del conjunto de locomotoras de carga de demostración FT de EMC , el escenario estaba listo para la dieselización de los ferrocarriles estadounidenses. En 1941, ALCO-GE presentó la locomotora de cambio de vía RS-1 que ocupaba su propio nicho de mercado, mientras que las locomotoras de la serie F de EMD se buscaban para el servicio de carga de línea principal. La entrada de EE. UU. en la Segunda Guerra Mundial ralentizó la conversión al diésel; la Junta de Producción de Guerra detuvo la construcción de nuevos equipos de pasajeros y dio prioridad a los usos navales para la producción de motores diésel. Durante la crisis del petróleo de 1942-43 , el vapor alimentado con carbón tenía la ventaja de no utilizar combustible que escaseaba críticamente. Posteriormente, a EMD se le permitió aumentar la producción de sus locomotoras FT y a ALCO-GE se le permitió producir una cantidad limitada de locomotoras de carretera DL-109 , pero la mayoría de los negocios de locomotoras se limitaron a fabricar locomotoras de cambio de vía y locomotoras de vapor.
En la primera etapa de la posguerra, EMD dominó el mercado de locomotoras de línea principal con sus locomotoras de las series E y F. A finales de la década de 1940, ALCO-GE produjo locomotoras de maniobras y de cambio de vía que tuvieron éxito en el mercado de corta distancia. Sin embargo, EMD lanzó sus locomotoras de cambio de vía de la serie GP en 1949, que desplazaron a todas las demás locomotoras en el mercado de carga, incluidas sus propias locomotoras de la serie F. Posteriormente, GE disolvió su asociación con ALCO y emergió como el principal competidor de EMD a principios de la década de 1960, y finalmente arrebató a EMD la primera posición en el mercado de locomotoras.
Las primeras locomotoras diésel-eléctricas de los Estados Unidos utilizaban motores de tracción de corriente continua (CC), pero los motores de corriente alterna (CA) comenzaron a usarse ampliamente en la década de 1990, comenzando con la Electro-Motive SD70MAC en 1993 y seguida por la AC4400CW de General Electric en 1994 y la AC6000CW en 1995. [37]
El Ferrocarril Transaustraliano, construido entre 1912 y 1917 por Commonwealth Railways (CR), atraviesa 2000 km de terreno desértico sin agua (o con agua salada) que no es apto para locomotoras de vapor. El ingeniero original, Henry Deane, imaginó el funcionamiento con diésel para superar esos problemas. [38] Algunos han sugerido que CR trabajó con los Ferrocarriles de Australia del Sur para probar la tracción diésel. [39] Sin embargo, la tecnología no estaba lo suficientemente desarrollada como para ser confiable.
Al igual que en Europa, el uso de motores de combustión interna avanzó más rápidamente en los vagones autopropulsados que en las locomotoras:
Una locomotora diésel-mecánica utiliza una transmisión mecánica similar a la que se emplea en la mayoría de los vehículos de carretera. Este tipo de transmisión se limita generalmente a locomotoras de maniobras de baja potencia y baja velocidad , unidades múltiples ligeras y vagones autopropulsados .
Las transmisiones mecánicas utilizadas para la propulsión ferroviaria son generalmente más complejas y mucho más robustas que las versiones estándar para carretera. Suele haber un acoplamiento hidráulico interpuesto entre el motor y la caja de cambios, y la caja de cambios suele ser del tipo epicicloidal (planetaria) para permitir el cambio de marchas bajo carga. Se han ideado varios sistemas para minimizar la interrupción de la transmisión durante el cambio de marchas, como la caja de cambios SSS (sincronización automática) utilizada por Hudswell Clarke .
La propulsión diésel-mecánica está limitada por la dificultad de construir una transmisión de tamaño razonable capaz de soportar la potencia y el par necesarios para mover un tren pesado. Se han hecho varios intentos de utilizar la propulsión diésel-mecánica en aplicaciones de alta potencia (por ejemplo, la locomotora British Rail 10100 de 1500 kW (2000 hp) ), aunque solo unos pocos han tenido éxito (como la DSB Class MF de 1342 kW (1800 hp) ).
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En una locomotora diésel-eléctrica , el motor diésel acciona un generador eléctrico de corriente continua (por lo general, de menos de 3000 hp (2200 kW) netos para tracción) o un alternador-rectificador eléctrico de corriente alterna (por lo general, de 3000 hp netos o más para tracción), cuya salida proporciona energía a los motores de tracción que impulsan la locomotora. No hay conexión mecánica entre el motor diésel y las ruedas.
Los componentes importantes de la propulsión diésel-eléctrica son el motor diésel (también conocido como motor primario ), el generador/alternador-rectificador principal, los motores de tracción (normalmente de cuatro o seis ejes) y un sistema de control formado por el regulador del motor y componentes eléctricos o electrónicos, incluidos los cuadros de distribución , rectificadores y otros componentes, que controlan o modifican el suministro eléctrico a los motores de tracción. En el caso más elemental, el generador puede estar conectado directamente a los motores con tan solo unos cuadros de distribución muy sencillos.
Originalmente, los motores de tracción y el generador eran máquinas de corriente continua . Tras el desarrollo de rectificadores de silicio de alta capacidad en la década de 1960, el generador de corriente continua fue reemplazado por un alternador que utilizaba un puente de diodos para convertir su salida en corriente continua. Este avance mejoró enormemente la confiabilidad de las locomotoras y redujo los costos de mantenimiento del generador al eliminar el conmutador y las escobillas en el generador. La eliminación de las escobillas y el conmutador, a su vez, eliminó la posibilidad de un tipo de evento particularmente destructivo conocido como descarga disruptiva (también conocido como falla de arco ), que podría provocar una falla inmediata del generador y, en algunos casos, iniciar un incendio en la sala de máquinas.
La práctica actual en Norteamérica es utilizar cuatro ejes para el transporte de pasajeros a alta velocidad o carga "por tiempo", o seis ejes para el transporte de carga a menor velocidad o "manifiesto". Las unidades más modernas que prestan servicio de carga "por tiempo" suelen tener seis ejes debajo del bastidor. A diferencia de las que prestan servicio "manifiesto", las unidades de carga "por tiempo" tendrán solo cuatro de los ejes conectados a motores de tracción, y los otros dos serán ejes locos para la distribución del peso.
A finales de los años 1980, el desarrollo de variadores de frecuencia y tensión variable (VVVF) de alta potencia , o "inversores de tracción", permitió el uso de motores de tracción de CA polifásicos, eliminando así también el conmutador y las escobillas del motor. El resultado es un variador más eficiente y fiable que requiere relativamente poco mantenimiento y es más capaz de hacer frente a las condiciones de sobrecarga que a menudo destruían los tipos de motores más antiguos.
La potencia de salida de una locomotora diésel-eléctrica es independiente de la velocidad en carretera, siempre que no se excedan los límites de corriente y voltaje del generador de la unidad. Por lo tanto, la capacidad de la unidad para desarrollar un esfuerzo de tracción (también conocido como fuerza de tracción o fuerza de tracción , que es lo que realmente impulsa al tren) tenderá a variar inversamente con la velocidad dentro de estos límites. (Véase la curva de potencia a continuación). Mantener parámetros operativos aceptables fue una de las principales consideraciones de diseño que se tuvieron que resolver en el desarrollo temprano de las locomotoras diésel-eléctricas y, en última instancia, condujo a los complejos sistemas de control que se utilizan en las unidades modernas.
La potencia de salida del motor primario está determinada principalmente por su velocidad de rotación ( RPM ) y el caudal de combustible, que se regulan mediante un regulador o mecanismo similar. El regulador está diseñado para reaccionar tanto a la posición del acelerador, determinada por el controlador del motor, como a la velocidad a la que funciona el motor primario (consulte la teoría de control ).
La potencia de salida de la locomotora, y por lo tanto la velocidad, normalmente la controla el conductor del motor mediante un acelerador escalonado o "con muescas" que produce señales eléctricas de tipo binario que corresponden a la posición del acelerador. Este diseño básico se presta bien al funcionamiento de unidades múltiples (MU) al producir condiciones discretas que garantizan que todas las unidades de una unidad respondan de la misma manera a la posición del acelerador. La codificación binaria también ayuda a minimizar la cantidad de líneas de tren (conexiones eléctricas) que se requieren para pasar señales de una unidad a otra. Por ejemplo, solo se requieren cuatro líneas de tren para codificar todas las posibles posiciones del acelerador si hay hasta 14 etapas de aceleración.
Las locomotoras norteamericanas, como las construidas por EMD o General Electric , tienen ocho posiciones de aceleración o "muescas", así como un "inversor" que les permite funcionar de forma bidireccional. Muchas locomotoras construidas en el Reino Unido tienen un acelerador de diez posiciones. Las tripulaciones de las locomotoras suelen hacer referencia a las posiciones de potencia en función de la configuración del acelerador, como "marcha 3" o "muesca 3".
En las locomotoras más antiguas, el mecanismo del acelerador estaba regulado de forma que no era posible avanzar más de una posición de potencia a la vez. El maquinista no podía, por ejemplo, tirar del acelerador de la muesca 2 a la muesca 4 sin detenerse en la muesca 3. Esta característica tenía por objeto evitar un manejo brusco del tren debido a aumentos bruscos de potencia causados por un movimiento rápido del acelerador ("throttle stripping", una infracción de las normas de funcionamiento en muchos ferrocarriles). Las locomotoras modernas ya no tienen esta restricción, ya que sus sistemas de control pueden modular suavemente la potencia y evitar cambios repentinos en la carga del tren independientemente de cómo opere los controles el maquinista.
Cuando el acelerador está en la posición de ralentí, el motor primario recibe un mínimo de combustible, lo que hace que funcione a bajas revoluciones por minuto. Además, los motores de tracción no están conectados al generador principal y los devanados de campo del generador no están excitados (energizados); el generador no produce electricidad sin excitación. Por lo tanto, la locomotora estará en "punto muerto". Conceptualmente, esto es lo mismo que poner la transmisión de un automóvil en punto muerto mientras el motor está en marcha.
Para poner en marcha la locomotora, se coloca la palanca de control del inversor en la posición correcta (hacia delante o hacia atrás), se suelta el freno y se mueve el acelerador a la posición de marcha 1 (la primera muesca de potencia). Un maquinista experimentado puede realizar estos pasos de manera coordinada, lo que dará como resultado un arranque casi imperceptible. La colocación del inversor y el movimiento del acelerador juntos son conceptualmente como cambiar la transmisión automática de un automóvil a una marcha mientras el motor está en ralentí.
Al colocar el acelerador en la primera posición de potencia, los motores de tracción se conectarán al generador principal y se excitarán las bobinas de campo de este último. Con la excitación aplicada, el generador principal suministrará electricidad a los motores de tracción, lo que dará lugar al movimiento. Si la locomotora circula "liviana" (es decir, no está acoplada al resto del tren) y no está en una pendiente ascendente, acelerará fácilmente. Por otro lado, si se está poniendo en marcha un tren largo, la locomotora puede detenerse tan pronto como se haya recuperado parte de la holgura, ya que la resistencia impuesta por el tren superará la fuerza de tracción que se está desarrollando. Un maquinista experimentado podrá reconocer un bloqueo incipiente y avanzará gradualmente el acelerador según sea necesario para mantener el ritmo de aceleración.
A medida que se mueve el acelerador a niveles de potencia más altos, aumentará el caudal de combustible que llega al motor principal, lo que dará como resultado un aumento correspondiente en las RPM y la potencia de salida. Al mismo tiempo, la excitación del campo del generador principal aumentará proporcionalmente para absorber la mayor potencia. Esto se traducirá en un aumento de la salida eléctrica a los motores de tracción, con un aumento correspondiente en la fuerza de tracción. Finalmente, dependiendo de los requisitos del programa del tren, el maquinista habrá movido el acelerador a la posición de máxima potencia y lo mantendrá allí hasta que el tren haya acelerado a la velocidad deseada.
El sistema de propulsión está diseñado para producir el par motor de tracción máximo en el arranque, lo que explica por qué las locomotoras modernas son capaces de poner en marcha trenes que pesan más de 15.000 toneladas, incluso en pendientes ascendentes. La tecnología actual permite que una locomotora desarrolle hasta un 30% del peso de su conductor cargado en fuerza de tracción, lo que equivale a 120.000 libras-fuerza (530 kN) de fuerza de tracción para una unidad de carga (mercancías) grande de seis ejes. De hecho, un conjunto de tales unidades puede producir más que suficiente fuerza de tracción en la barra de tracción en el arranque para dañar o descarrilar vagones (si están en una curva) o romper enganches (esto último se conoce en la jerga ferroviaria norteamericana como "tiritar un pulmón"). Por lo tanto, es responsabilidad del maquinista controlar cuidadosamente la cantidad de potencia que se aplica en el arranque para evitar daños. En particular, una "sacudida de un pulmón" podría ser un asunto calamitoso si ocurriera en una pendiente ascendente, excepto que la seguridad inherente al funcionamiento correcto de los frenos automáticos a prueba de fallos instalados en los vagones hoy en día, evita que los trenes se descontrolen al aplicar automáticamente los frenos del vagón cuando la presión de aire de la línea del tren cae.
El sistema de control de una locomotora está diseñado de modo que la potencia eléctrica de salida del generador principal se adapte a cualquier velocidad del motor. Dadas las características innatas de los motores de tracción, así como la forma en que los motores están conectados al generador principal, el generador producirá corriente alta y voltaje bajo a bajas velocidades de la locomotora, cambiando gradualmente a corriente baja y voltaje alto a medida que la locomotora acelera. Por lo tanto, la potencia neta producida por la locomotora permanecerá constante para cualquier ajuste del acelerador ( consulte el gráfico de la curva de potencia para la muesca 8 ).
En los diseños más antiguos, el regulador del motor principal y un dispositivo complementario, el regulador de carga, desempeñan un papel central en el sistema de control. El regulador tiene dos entradas externas: la velocidad del motor solicitada, determinada por el ajuste del acelerador del conductor del motor, y la velocidad real del motor ( retroalimentación ). El regulador tiene dos salidas de control externas: el ajuste del inyector de combustible , que determina el caudal de combustible del motor, y la posición actual del regulador, que afecta la excitación del generador principal. El regulador también incorpora un mecanismo de protección contra exceso de velocidad independiente que cortará inmediatamente el suministro de combustible a los inyectores y hará sonar una alarma en la cabina en caso de que el motor principal supere unas RPM definidas. No todas estas entradas y salidas son necesariamente eléctricas.
A medida que cambia la carga del motor, también cambia su velocidad de rotación. El regulador detecta esto a través de un cambio en la señal de retroalimentación de la velocidad del motor. El efecto neto es ajustar tanto el caudal de combustible como la posición del regulador de carga de modo que las RPM y el par motor (y, por lo tanto, la potencia de salida) permanezcan constantes para cualquier ajuste del acelerador, independientemente de la velocidad real en la carretera.
En los diseños más nuevos controlados por una "computadora de tracción", a cada paso de velocidad del motor se le asigna una potencia de salida apropiada, o "referencia de kW", en el software. La computadora compara este valor con la potencia de salida real del generador principal, o "retroalimentación de kW", calculada a partir de los valores de retroalimentación de la corriente del motor de tracción y del voltaje del generador principal. La computadora ajusta el valor de retroalimentación para que coincida con el valor de referencia controlando la excitación del generador principal, como se describió anteriormente. El regulador aún tiene control de la velocidad del motor, pero el regulador de carga ya no juega un papel central en este tipo de sistema de control. Sin embargo, el regulador de carga se mantiene como un "respaldo" en caso de sobrecarga del motor. Las locomotoras modernas equipadas con inyección electrónica de combustible (EFI) pueden no tener un regulador mecánico; sin embargo, se conservan un regulador de carga y un regulador "virtuales" con módulos de computadora.
El rendimiento del motor de tracción se controla variando la salida de voltaje de CC del generador principal, en el caso de los motores de CC, o variando la salida de voltaje y frecuencia del VVVF, en el caso de los motores de CA. En el caso de los motores de CC, se utilizan varias combinaciones de conexión para adaptar el variador a las distintas condiciones de funcionamiento.
En estado de parada, la salida del generador principal es inicialmente de bajo voltaje/alta corriente, a menudo superior a 1000 amperios por motor a plena potencia. Cuando la locomotora está parada o cerca de ella, el flujo de corriente estará limitado únicamente por la resistencia de CC de los devanados del motor y los circuitos de interconexión, así como por la capacidad del propio generador principal. El par en un motor devanado en serie es aproximadamente proporcional al cuadrado de la corriente. Por lo tanto, los motores de tracción producirán su par más alto, lo que hará que la locomotora desarrolle el máximo esfuerzo de tracción , lo que le permitirá superar la inercia del tren. Este efecto es análogo a lo que sucede en la transmisión automática de un automóvil al arrancar, donde está en primera marcha y, por lo tanto, produce una multiplicación máxima del par.
A medida que la locomotora acelera, las armaduras del motor, que ahora están girando, comenzarán a generar una fuerza contraelectromotriz (fuerza contraelectromotriz, lo que significa que los motores también están tratando de actuar como generadores), que se opondrá a la salida del generador principal y hará que la corriente del motor de tracción disminuya. El voltaje del generador principal aumentará correspondientemente en un intento de mantener la potencia del motor, pero finalmente alcanzará una meseta. En este punto, la locomotora esencialmente dejará de acelerar, a menos que esté en una pendiente descendente. Dado que esta meseta generalmente se alcanzará a una velocidad sustancialmente menor que la máxima que se puede desear, se debe hacer algo para cambiar las características de la transmisión para permitir una aceleración continua. Este cambio se conoce como "transición", un proceso que es análogo al cambio de marchas en un automóvil.
Los métodos de transición incluyen:
Ambos métodos también pueden combinarse para aumentar el rango de velocidad de funcionamiento.
En las locomotoras más antiguas, era necesario que el maquinista ejecutara manualmente la transición mediante el uso de un control independiente. Como ayuda para realizar la transición en el momento adecuado, se calibró el medidor de carga (un indicador que muestra al maquinista cuánta corriente consumen los motores de tracción) para indicar en qué puntos debe tener lugar la transición hacia adelante o hacia atrás. Posteriormente se desarrolló la transición automática para producir una mejor eficiencia operativa y proteger el generador principal y los motores de tracción de la sobrecarga debido a una transición incorrecta.
Las locomotoras modernas incorporan inversores de tracción , de CA a CC, capaces de suministrar 1200 voltios ( los generadores de tracción anteriores , de CC a CC, eran capaces de suministrar solo 600 voltios). Esta mejora se logró en gran medida mediante mejoras en la tecnología de diodos de silicio. Con la capacidad de suministrar 1200 voltios a los motores de tracción, se eliminó la necesidad de "transición".
Una opción común en las locomotoras diésel-eléctricas es el frenado dinámico (reostático) .
El frenado dinámico aprovecha el hecho de que las armaduras del motor de tracción siempre están girando cuando la locomotora está en movimiento y que se puede hacer que un motor actúe como generador excitando por separado el devanado de campo. Cuando se utiliza el frenado dinámico, los circuitos de control de tracción se configuran de la siguiente manera:
El efecto agregado de lo anterior es hacer que cada motor de tracción genere energía eléctrica y la disipe en forma de calor en la rejilla de frenado dinámico. Un ventilador conectado a través de la rejilla proporciona refrigeración por aire forzado. En consecuencia, el ventilador se alimenta con la potencia de salida de los motores de tracción y tenderá a funcionar más rápido y a producir más flujo de aire a medida que se aplica más energía a la rejilla.
En última instancia, la fuente de la energía disipada en la red de frenado dinámico es el movimiento de la locomotora que se transmite a las armaduras del motor de tracción. Por lo tanto, los motores de tracción imponen resistencia y la locomotora actúa como freno. A medida que disminuye la velocidad, el efecto de frenado decae y, por lo general, se vuelve ineficaz por debajo de aproximadamente 16 km/h (10 mph), dependiendo de la relación de transmisión entre los motores de tracción y los ejes .
El frenado dinámico es particularmente beneficioso cuando se opera en regiones montañosas, donde siempre existe el peligro de una pérdida de control debido al sobrecalentamiento de los frenos de fricción durante el descenso. En tales casos, los frenos dinámicos se aplican generalmente junto con los frenos de aire , y el efecto combinado se conoce como frenado combinado . El uso del frenado combinado también puede ayudar a mantener la holgura en un tren largo estirada mientras corona una pendiente, lo que ayuda a prevenir un "enganche", una acumulación abrupta de holgura del tren que puede causar un descarrilamiento. El frenado combinado también se usa comúnmente en trenes de cercanías para reducir el desgaste de los frenos mecánicos que es un resultado natural de las numerosas paradas que suelen hacer dichos trenes durante un recorrido.
Estas locomotoras especiales pueden funcionar como locomotoras eléctricas o como locomotoras diésel. Long Island Rail Road , Metro-North Railroad y New Jersey Transit Rail Operations operan locomotoras diésel-eléctricas/tercer carril ( catenaria en NJTransit) de modo dual entre territorio no electrificado y la ciudad de Nueva York debido a una ley local que prohíbe las locomotoras impulsadas por diésel en los túneles de Manhattan . Por la misma razón, Amtrak opera una flota de locomotoras de modo dual en el área de Nueva York. British Rail operaba locomotoras diésel-eléctricas/eléctricas duales diseñadas para funcionar principalmente como locomotoras eléctricas con potencia reducida disponible cuando funcionaban con energía diésel. Esto permitió que los patios ferroviarios permanecieran sin electrificar, ya que el sistema de energía del tercer carril es extremadamente peligroso en un área de patio.
Las locomotoras diésel-hidráulicas utilizan uno o más convertidores de par , en combinación con engranajes de relación fija. Los ejes de transmisión y los engranajes forman la transmisión final para transmitir la potencia de los convertidores de par a las ruedas y para efectuar la marcha atrás. La diferencia entre los sistemas hidráulicos y mecánicos es dónde se ajusta la velocidad y el par. En el sistema de transmisión mecánica que tiene múltiples relaciones, como en una caja de cambios, si hay una sección hidráulica, es solo para permitir que el motor funcione cuando el tren es demasiado lento o está parado. En el sistema hidráulico, la hidráulica es el sistema principal para adaptar la velocidad y el par del motor a la situación del tren, con selección de marchas para un uso limitado, como la marcha atrás.
Los sistemas de accionamiento hidráulico que utilizan un sistema de accionamiento hidrostático se han aplicado al uso ferroviario. Entre los ejemplos modernos se incluyen las locomotoras de maniobras de 350 a 750 hp (260 a 560 kW) de Cockerill (Bélgica), [43] las locomotoras industriales de vía estrecha de 4 a 12 toneladas y 35 a 58 kW (47 a 78 hp) de GIA, filial de Atlas Copco . [44] Los accionamientos hidrostáticos también se utilizan en máquinas de mantenimiento ferroviario (pisonadoras, rectificadoras de rieles). [45]
La aplicación de las transmisiones hidrostáticas se limita generalmente a pequeñas locomotoras de maniobras y equipos de mantenimiento ferroviario, además de utilizarse para aplicaciones no tractoras en motores diésel, como accionamientos para ventiladores de motores de tracción. [ cita requerida ]
La transmisión hidrocinética (también llamada transmisión hidrodinámica) utiliza un convertidor de par . Un convertidor de par consta de tres partes principales, dos de las cuales giran y una (el estator ) que tiene un bloqueo que evita la rotación hacia atrás y agrega par de salida redirigiendo el flujo de aceite a bajas RPM de salida. Las tres partes principales están selladas en una carcasa llena de aceite. Para hacer coincidir la velocidad del motor con la velocidad de carga en todo el rango de velocidad de una locomotora, se requiere algún método adicional para proporcionar un rango suficiente. Un método es seguir el convertidor de par con una caja de cambios mecánica que cambia las relaciones automáticamente, similar a una transmisión automática en un automóvil. Otro método es proporcionar varios convertidores de par, cada uno con un rango de variabilidad que cubra parte del total requerido; todos los convertidores de par están conectados mecánicamente todo el tiempo, y se selecciona el apropiado para el rango de velocidad requerido llenándolo con aceite y drenando los demás. El llenado y el vaciado se llevan a cabo con la transmisión bajo carga y dan como resultado cambios de rango muy suaves sin interrupción en la potencia transmitida.
Si bien las locomotoras diésel eléctricas (DE) fueron elegidas en la mayor parte del mundo, algunos países optaron por las locomotoras diésel hidráulicas (DH), especialmente Alemania, Finlandia y Japón, así como Gran Bretaña durante un tiempo.
Las razones para esto fueron múltiples, dos de las más notables fueron que, si bien la mayoría de las locomotoras DH lograron aproximadamente la misma eficiencia del tren motriz que las DE, de alrededor del 85 % (con algunos diseños británicos tempranos como excepción), al mismo tiempo podían construirse notablemente más livianas para la misma potencia total de salida. Esto fue así porque las transmisiones hidráulicas no pesaban tanto como la combinación de generador(es) y múltiples motores de tracción eléctrica necesarios en una DE.
La segunda ventaja notable de las locomotoras DH, que perduró hasta la introducción de los sistemas de control de tracción modernos, fue una mayor adherencia/tracción por unidad de peso. Normalmente, en una locomotora DE, cada eje motorizado de un bogie tiene su propio motor de tracción independiente sin conexión entre ejes, y como tal, existe la posibilidad de que si una rueda pierde agarre y patina, esto hará que el eje gire más rápido independientemente de las demás, lo que resultará en una pérdida significativa de tracción general. Por el contrario, en una locomotora DH, todos los ejes de cada bogie están conectados entre sí a través de ejes de transmisión acoplados y, como tal, ningún eje puede comenzar a girar más rápido por sí solo si sus ruedas golpean un terreno resbaladizo, lo que ayuda en gran medida a la tracción. Antes de la introducción de sistemas de control de tracción efectivos, esta diferencia técnica por sí sola podía contribuir a un aumento de entre el 15 y el 33 % del factor de adherencia para una locomotora diésel-hidráulica en comparación con una locomotora diésel-eléctrica.
Estas dos ventajas fueron algunas de las principales razones por las que en la década de 1960 tres importantes compañías ferroviarias estadounidenses, incluida Southern Pacific, expresaron inicialmente un gran interés en los diseños de locomotoras diésel-hidráulicas, lo que finalmente llevó al pedido y la compra de varias locomotoras ML4000 DH de Alemania Occidental construidas específicamente para los EE. UU. por la empresa Krauss Maffei. Sin embargo, los problemas de confiabilidad con estas máquinas durante las operaciones a gran altitud con SP en los EE. UU., así como la llegada de motores diésel nacionales de niveles de potencia similares junto con una industria más adecuada para soportar trenes de potencia diésel-eléctricos, hicieron que finalmente el interés en la hidráulica diésel se desvaneciera en los EE. UU.
En Alemania y Finlandia, sin embargo, los sistemas diésel-hidráulicos alcanzaron una fiabilidad de funcionamiento muy alta, similar o incluso mejor que las DE, lo que, combinado con las ventajas técnicas antes mencionadas de las DH, ayudó a convertirlas en el tipo de locomotora diésel más popular en estos países durante mucho tiempo. Mientras tanto, en el Reino Unido, el principio diésel-hidráulico ganó una reputación más variada.
En el siglo XXI, para la tracción de locomotoras diésel en todo el mundo, la mayoría de los países utilizan diseños diésel-eléctricos, y los diseños diésel-hidráulicos no se utilizan fuera de Alemania, Finlandia y Japón, y algunos estados vecinos, donde se utilizan en diseños para transporte de mercancías.
Las locomotoras diésel-hidráulicas tienen una cuota de mercado menor que las diésel-eléctricas: el principal usuario mundial de transmisiones hidráulicas de línea principal ha sido la República Federal de Alemania , con diseños que incluyen la clase DB V 200 de la década de 1950 y la familia DB Clase V 160 de las décadas de 1960 y 1970. British Rail introdujo una serie de diseños diésel-hidráulicos durante su Plan de Modernización de 1955 , inicialmente versiones construidas bajo licencia de diseños alemanes (ver Categoría :Locomotoras diésel-hidráulicas de Gran Bretaña ). En España, Renfe utilizó diseños alemanes bimotores de alta relación potencia-peso para transportar trenes de alta velocidad desde la década de 1960 hasta la de 1990. (Ver Clases de Renfe 340 , 350 , 352 , 353 , 354 )
Otras locomotoras de línea principal del período de posguerra incluyeron las locomotoras experimentales GMD GMDH-1 de la década de 1950 ; la sudafricana Clase 61-000 construida por Henschel & Son ; en la década de 1960, Southern Pacific compró 18 locomotoras diésel-hidráulicas Krauss-Maffei KM ML-4000 . El ferrocarril Denver & Rio Grande Western también compró tres, todas las cuales fueron vendidas más tarde a SP. [47]
En Finlandia, desde principios de los años 60 se han utilizado de forma continua más de 200 locomotoras diésel-hidráulicas de las clases Dv12 y Dr14 de VR, fabricadas en Finlandia, con transmisiones Voith . Todas las unidades de la clase Dr14 y la mayoría de las unidades de la clase Dv12 siguen en servicio. VR ha abandonado algunas unidades de la serie 2700 Dv12 en mal estado. [48]
En la producción en serie del siglo XXI, los diseños diésel-hidráulicos de ancho de vía estándar incluyen el Voith Gravita , encargado por Deutsche Bahn , y los diseños Vossloh G2000 BB , G1206 y G1700 , todos fabricados en Alemania para uso de transporte de mercancías.
El accionamiento diésel-hidráulico es común en varias unidades, y se utilizan diversos diseños de transmisión, incluidos convertidores de par Voith y acoplamientos de fluido en combinación con engranajes mecánicos.
La mayoría de las unidades de transporte de pasajeros de segunda generación de British Rail utilizaban transmisión hidráulica. En el siglo XXI, los diseños que utilizan transmisión hidráulica incluyen las familias Turbostar , Talent y RegioSwinger de Bombardier ; las versiones con motor diésel de la plataforma Siemens Desiro y el Stadler Regio-Shuttle .
Las locomotoras híbridas de vapor y diésel pueden utilizar el vapor generado por una caldera o el diésel para alimentar un motor de pistón. El sistema de vapor comprimido de Cristiani utilizaba un motor diésel para alimentar un compresor que impulsaba y recirculaba el vapor producido por una caldera, utilizando efectivamente el vapor como medio de transmisión de potencia, siendo el motor diésel el motor principal [49]
La locomotora diésel-neumática despertó interés en la década de 1930 porque ofrecía la posibilidad de convertir las locomotoras de vapor existentes en locomotoras diésel. El bastidor y los cilindros de la locomotora de vapor se conservarían y la caldera se reemplazaría por un motor diésel que accionaría un compresor de aire . El problema era la baja eficiencia térmica debido a la gran cantidad de energía desperdiciada en forma de calor en el compresor de aire. Se intentó compensar esto utilizando los gases de escape del diésel para recalentar el aire comprimido, pero tuvieron un éxito limitado. Una propuesta alemana de 1929 dio como resultado un prototipo [50], pero una propuesta británica similar de 1932, para utilizar una locomotora LNER Clase R1 , nunca pasó de la etapa de diseño.
La mayoría de las locomotoras diésel pueden operar con unidades múltiples (MU) como un medio para aumentar la potencia y el esfuerzo de tracción al transportar trenes pesados. Todas las locomotoras de América del Norte, incluidos los modelos de exportación, utilizan un sistema de control eléctrico AAR estandarizado interconectado por un cable MU de 27 pines entre las unidades. Para las locomotoras construidas en el Reino Unido, se utilizan varios sistemas de control incompatibles, pero el más común es el sistema Blue Star, que es electroneumático y se instaló en la mayoría de las primeras clases diésel. Un pequeño número de tipos, generalmente locomotoras de mayor potencia destinadas solo al trabajo de pasajeros, no tienen sistemas de control múltiples. En todos los casos, las conexiones de control eléctrico que se hacen comunes a todas las unidades en un conjunto se denominan líneas de tren. El resultado es que todas las locomotoras en un conjunto se comportan como una sola en respuesta a los movimientos de control del maquinista.
La capacidad de acoplar locomotoras diésel-eléctricas en modo MU se introdujo por primera vez en el EMC EA/EB de 1937. Se realizaron interconexiones eléctricas para que un solo conductor de motor pudiera operar todo el conjunto desde la unidad de cabecera.
En las regiones montañosas, es habitual interponer locomotoras auxiliares en el medio del tren, tanto para proporcionar la potencia adicional necesaria para ascender una pendiente como para limitar la cantidad de tensión aplicada al tren de tiro del vagón acoplado a la potencia de la cabeza. Las unidades auxiliares en estas configuraciones de potencia distribuida se controlan desde la cabina de la unidad líder a través de señales de radio codificadas. Aunque técnicamente no se trata de una configuración MU, el comportamiento es el mismo que con las unidades interconectadas físicamente.
La disposición de las cabinas varía según el constructor y el operador. La práctica en los EE. UU. ha sido tradicionalmente la de tener una cabina en un extremo de la locomotora con visibilidad limitada si la locomotora no se opera con la cabina hacia adelante. Esto no suele ser un problema, ya que las locomotoras estadounidenses suelen operar en pares o tríos y se organizan de modo que haya una cabina en cada extremo de cada conjunto. La práctica europea suele ser la de tener una cabina en cada extremo de la locomotora, ya que los trenes suelen ser lo suficientemente livianos como para operar con una locomotora. La práctica temprana en los EE. UU. era agregar unidades de potencia sin cabinas ( unidades de refuerzo o B ) y la disposición a menudo era AB, AA, ABA, ABB o ABBA, donde A era una unidad con cabina. Las cabinas centrales a veces se usaban para locomotoras de cambio.
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En los ferrocarriles norteamericanos, un conjunto vaca-becerro es un par de locomotoras de maniobras: una (la vaca) equipada con una cabina de conducción, la otra (el becerro) sin cabina y controlada desde la vaca a través de cables. Los conjuntos vaca-becerro se utilizan en maniobras pesadas y en el servicio de patio de joroba . Algunos se controlan por radio sin un ingeniero de operaciones presente en la cabina. Esta disposición también se conoce como maestro-esclavo . Cuando había dos unidades conectadas, EMD las denominó TR-2 (aproximadamente 2000 hp o 1500 kW); cuando había tres unidades, TR-3 (aproximadamente 3000 hp o 2200 kW).
Las vacas y los terneros han desaparecido en gran medida porque estas combinaciones de motores superaron su vida útil económica hace muchos años.
La práctica actual en Norteamérica es emparejar dos cambiadores de ruta GP40-2 o SD40-2 de 3.000 hp , a menudo casi desgastados y muy pronto listos para reconstruirse o desguazar, y utilizarlos para los llamados usos de "transferencia", para los cuales los motores TR-2, TR-3 y TR-4 fueron originalmente pensados, de ahí la designación TR, por "transferencia".
Ocasionalmente, se puede quitar el motor principal y el alternador de tracción de la segunda unidad y reemplazarlos por lastre de hormigón o acero, y la energía para la tracción se obtiene de la unidad principal. Como un motor principal de 16 cilindros generalmente pesa alrededor de 36.000 libras (16.000 kg) y un alternador de tracción de 3.000 hp generalmente pesa alrededor de 18.000 libras (8.200 kg), esto significaría que se necesitarían 54.000 libras (24.000 kg) para el lastre.
Un par de unidades "Dash 2" completamente capaces tendría una potencia nominal de 6.000 hp (4.500 kW). Un par "Dash 2" en el que solo una tuviera un motor principal/alternador tendría una potencia nominal de 3.000 hp, con toda la potencia proporcionada por el motor principal, pero la combinación se beneficia del esfuerzo de tracción proporcionado por el motor esclavo, ya que los motores en servicio de transferencia rara vez se utilizan para proporcionar 3.000 hp, mucho menos 6.000 hp de forma continua.
Una locomotora diésel estándar presenta un riesgo de incendio muy bajo, pero la "protección contra llamas" puede reducir el riesgo aún más. Esto implica colocar una caja llena de agua en el tubo de escape para apagar las partículas de carbono al rojo vivo que puedan emitirse. Otras precauciones pueden incluir un sistema eléctrico completamente aislado (ninguno de los lados conectado a tierra al bastidor) y todo el cableado eléctrico encerrado en un conducto.
La locomotora diésel ignífuga ha sustituido a la locomotora de vapor sin llama en zonas de alto riesgo de incendio, como refinerías de petróleo y depósitos de municiones . Entre los ejemplos conservados de locomotoras diésel ignífugas se incluyen:
El último desarrollo del "Nuevo sistema de tratamiento de gases de escape en seco aplicado a vehículos diésel a prueba de fuego" no necesita suministro de agua. [52]
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Las luces que se instalan en las locomotoras diésel varían de un país a otro. Las locomotoras norteamericanas están equipadas con dos faros delanteros (por seguridad en caso de que uno de ellos falle) y un par de luces de zanja. Estas últimas están instaladas en la parte baja de la parte delantera y están diseñadas para que la locomotora sea fácilmente visible cuando se acerca a un paso a nivel . Las locomotoras más antiguas pueden estar equipadas con una luz Gyralite o Mars en lugar de las luces de zanja.
Aunque las locomotoras diésel generalmente emiten menos dióxido de azufre, un importante contaminante para el medio ambiente, y gases de efecto invernadero que las locomotoras de vapor, aún emiten grandes cantidades. [53] Además, al igual que otros vehículos propulsados por diésel, emiten óxidos de nitrógeno y partículas finas , que son un riesgo para la salud pública. De hecho, en este último aspecto las locomotoras diésel pueden tener un peor rendimiento que las locomotoras de vapor.
Durante años, los científicos del gobierno estadounidense que miden la contaminación del aire creyeron que los motores de las locomotoras diésel eran relativamente limpios y emitían emisiones mucho menos peligrosas para la salud que los de los camiones diésel u otros vehículos; sin embargo, los científicos descubrieron que, debido a que utilizaron estimaciones erróneas de la cantidad de combustible consumido por las locomotoras diésel, subestimaron enormemente la cantidad de contaminación generada anualmente. Después de revisar sus cálculos, concluyeron que las emisiones anuales de óxido de nitrógeno, un ingrediente principal del smog y la lluvia ácida , y de hollín serían para 2030 casi el doble de lo que supusieron originalmente. [54] [55] En Europa, donde la mayoría de los ferrocarriles principales han sido electrificados, hay menos preocupación.
Esto significaría que en los EE.UU. las locomotoras diésel estarían liberando más de 800.000 toneladas de óxido de nitrógeno y 25.000 toneladas de hollín cada año dentro de un cuarto de siglo, en contraste con las proyecciones anteriores de la EPA de 480.000 toneladas de dióxido de nitrógeno y 12.000 toneladas de hollín. Desde que se descubrió esto, para reducir los efectos de la locomotora diésel en los seres humanos (que respiran las emisiones nocivas) y en las plantas y los animales, se considera práctico instalar trampas en los motores diésel para reducir los niveles de contaminación [56] y otros métodos de control de la contaminación (por ejemplo, el uso de biodiésel ).
La contaminación producida por locomotoras diésel ha sido motivo de especial preocupación en la ciudad de Chicago . El Chicago Tribune informó de que los niveles de hollín diésel en el interior de las locomotoras que salen de Chicago son cientos de veces superiores a los que se encuentran normalmente en las calles. [57] Es muy probable que los residentes de varios barrios estén expuestos a niveles de emisiones diésel varias veces superiores a la media nacional para las zonas urbanas. [58]
En 2008, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) dictó normas que exigen que todas las locomotoras diésel nuevas o reacondicionadas cumplan con los estándares de contaminación de Nivel II , que reducen la cantidad de hollín permitido en un 90 % y exigen una reducción del 80 % en las emisiones de óxido de nitrógeno . Consulte la Lista de locomotoras de bajas emisiones .
Otras tecnologías que se están implementando para reducir las emisiones de las locomotoras diésel y el consumo de combustible incluyen las locomotoras de conmutación "Genset" y los diseños híbridos Green Goat . Las locomotoras Genset utilizan múltiples motores diésel y generadores de alta velocidad más pequeños (grupos electrógenos), en lugar de un solo motor diésel de velocidad media y un solo generador. [59] Debido al costo de desarrollar motores limpios, estos motores de alta velocidad más pequeños se basan en motores de camión ya desarrollados. Green Goats son un tipo de locomotora de conmutación híbrida que utiliza un motor diésel pequeño y un gran banco de baterías recargables. [60] [61] Las locomotoras de conmutación son de particular preocupación ya que generalmente operan en un área limitada, a menudo en o cerca de centros urbanos, y pasan gran parte de su tiempo en ralentí. Ambos diseños reducen la contaminación por debajo de los estándares Tier II de la EPA y reducen o eliminan las emisiones durante el ralentí.
A medida que las locomotoras diésel avanzaron, el costo de fabricación y operación disminuyó, y se volvieron más baratas de poseer y operar que las locomotoras de vapor. En América del Norte, las locomotoras de vapor se fabricaban a medida para rutas ferroviarias específicas, por lo que era difícil lograr economías de escala. [62] Aunque eran más complejas de producir con tolerancias de fabricación exactas ( 1 ⁄ 10000 pulgadas o 0,0025 milímetros para diésel, en comparación con 1 ⁄ 100 pulgadas (0,25 mm) para vapor), las piezas de las locomotoras diésel eran más fáciles de producir en masa. Baldwin Locomotive Works ofrecía casi 500 modelos de vapor en su apogeo, mientras que EMD ofrecía menos de diez variedades diésel. [63] En el Reino Unido, British Railways construyó locomotoras de vapor con diseños estándar a partir de 1951. Estos incluían piezas estándar intercambiables, lo que las hacía más baratas de producir que las locomotoras diésel disponibles en ese momento. El coste de capital por caballo de fuerza en la barra de tiro era de £13 6s (vapor), £65 (diésel), £69 7s (turbina) y £17 13s (eléctrico). [64]
Las locomotoras diésel ofrecen importantes ventajas operativas sobre las locomotoras de vapor. [65] Pueden ser operadas de forma segura por una sola persona, lo que las hace ideales para tareas de maniobras en patios (aunque por razones de seguridad muchas locomotoras diésel de línea principal siguen teniendo tripulaciones de dos personas: un ingeniero y un conductor/guardaagujas) y el entorno operativo es mucho más atractivo, al ser más silencioso, completamente resistente a la intemperie y sin la suciedad y el calor que son una parte inevitable de la operación de una locomotora de vapor. Las locomotoras diésel pueden trabajar en múltiples con una sola tripulación controlando varias locomotoras en un solo tren, algo que no es práctico con las locomotoras de vapor. Esto trajo una mayor eficiencia al operador, ya que las locomotoras individuales podían tener una potencia relativamente baja para su uso como una sola unidad en tareas livianas, pero se agrupaban para proporcionar la potencia necesaria en un tren pesado. Con tracción a vapor, se requería una única locomotora muy potente y costosa para los trenes más pesados, o bien el operador recurría a la doble dirección con múltiples locomotoras y tripulaciones, un método que también era costoso y traía consigo sus propias dificultades operativas.
Los motores diésel pueden arrancarse y pararse casi instantáneamente, lo que significa que una locomotora diésel tiene el potencial de no incurrir en costos de combustible cuando no se utiliza. Sin embargo, todavía es práctica de los grandes ferrocarriles norteamericanos utilizar agua pura como refrigerante en los motores diésel en lugar de refrigerantes que incorporan propiedades anticongelantes; esto da como resultado que las locomotoras diésel se dejen en ralentí cuando se estacionan en climas fríos en lugar de apagarlas por completo. Un motor diésel puede dejarse en ralentí sin supervisión durante horas o incluso días, especialmente porque prácticamente todos los motores diésel utilizados en locomotoras tienen sistemas que apagan automáticamente el motor si ocurren problemas como una pérdida de presión de aceite o pérdida de refrigerante. Hay sistemas automáticos de arranque/parada que monitorean las temperaturas del refrigerante y del motor. Cuando la unidad está cerca de tener su refrigerante congelado, el sistema reinicia el motor diésel para calentar el refrigerante y otros sistemas. [66]
Las locomotoras de vapor requieren un mantenimiento, lubricación y limpieza intensivos antes, durante y después de su uso. Preparar y poner en marcha una locomotora de vapor para su uso en frío puede llevar muchas horas. Se pueden mantener listas entre usos con un fuego bajo, pero esto requiere un avivamiento regular y una atención frecuente para mantener el nivel de agua en la caldera. Esto puede ser necesario para evitar que el agua de la caldera se congele en climas fríos, siempre que el suministro de agua no esté congelado. Después de su uso, una locomotora de vapor requiere una larga operación de eliminación para realizar la limpieza, inspección, mantenimiento y recarga de agua y combustible antes de que esté lista para su siguiente uso. En cambio, ya en 1939 EMD promocionaba su locomotora de la serie FT como una locomotora que no necesitaba mantenimiento entre las inspecciones de 30 días más allá del reabastecimiento de combustible y los controles básicos de nivel de fluido y seguridad que se podían realizar con el motor principal todavía en funcionamiento. Los ferrocarriles que pasaron de operar con vapor a operar con diésel en las décadas de 1940 y 1950 descubrieron que, durante un período determinado, las locomotoras diésel estaban disponibles, en promedio, tres o cuatro veces más horas generadoras de ingresos que las locomotoras de vapor equivalentes, lo que permitió reducir drásticamente el tamaño de las flotas de locomotoras, manteniendo al mismo tiempo la capacidad operativa. [ cita requerida ]
Los costes de mantenimiento y operación de las locomotoras de vapor eran mucho más altos que los de las locomotoras diésel. Los costes anuales de mantenimiento de las locomotoras de vapor representaban el 25% del precio de compra inicial. Las piezas de repuesto se fundían a partir de piezas maestras de madera para locomotoras específicas. La gran cantidad de locomotoras de vapor únicas significaba que no había una forma viable de mantener inventarios de piezas de repuesto. [67] Con las locomotoras diésel, las piezas de repuesto se podían producir en masa y mantener en stock listas para su uso, y muchas piezas y subconjuntos se podían estandarizar en toda la flota de un operador utilizando diferentes modelos de locomotora del mismo fabricante. Los motores de locomotoras diésel modernas están diseñados para permitir que los conjuntos de potencia (sistemas de piezas de trabajo y sus interfaces de bloque) se reemplacen mientras se mantiene el bloque principal en la locomotora, lo que reduce en gran medida el tiempo que una locomotora está fuera de servicio generador de ingresos cuando requiere mantenimiento. [34]
Los motores de vapor requerían grandes cantidades de carbón y agua, que eran costos operativos variables y costosos. [68] Además, la eficiencia térmica del vapor era considerablemente menor que la de los motores diésel. Los estudios teóricos de Diesel demostraron eficiencias térmicas potenciales para un motor de encendido por compresión del 36% (en comparación con el 6-10% para el vapor), y un prototipo monocilíndrico de 1897 funcionó con una notable eficiencia del 26%. [69]
Sin embargo, un estudio publicado en 1959 sugirió que muchas de las comparaciones entre locomotoras diésel y de vapor se hacían de manera injusta, principalmente porque las diésel eran una tecnología más nueva. Después de un análisis minucioso de los registros financieros y el progreso tecnológico, el autor concluyó que si se hubiera continuado la investigación sobre la tecnología de vapor en lugar de la diésel, el beneficio financiero de la conversión a la locomoción diésel habría sido insignificante. [70]
A mediados de la década de 1960, las locomotoras diésel habían reemplazado efectivamente a las locomotoras de vapor donde no se utilizaba tracción eléctrica. [68] Los intentos de desarrollar tecnología de vapor avanzada continúan en el siglo XXI, pero no han tenido un efecto significativo.
Se ha montado un pequeño motor de doble cilindro sobre un camión, que funciona en una línea temporal de rieles, para mostrar la adaptación de un motor de petróleo para fines locomotores en tranvías.
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{{citation}}: Falta o está vacío |title=( ayuda )En cierto sentido, una autoridad portuaria fue el primer usuario de una locomotora con motor de petróleo, ya que fue en los muelles de Hull del Ferrocarril del Noreste donde la locomotora Priestman entró en servicio durante su breve período en 1894.
{{citation}}: Falta o está vacío |title=( ayuda )El diésel tiene una historia bastante larga, y la primera funcionó en 1894. Se trataba de una pequeña locomotora de ancho estándar de dos ejes y 30 hp con un motor de dos cilindros diseñado por William Dent Priestman.
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