Locomotora diésel

Locomotoras Diésel

Locomotora diésel-eléctrica

La locomotora diésel moderna es una versión autónoma de la locomotora eléctrica. Al igual que la locomotora eléctrica, está controlada eléctricamente, en forma de motores de tracción que accionan los ejes y son controlados por controles electrónicos. También tiene muchos sistemas auxiliares idénticos para enfriar, iluminar, calentar, frenar y alimentar el hotel (si es necesario) para el tren. Puede operar en las mismas rutas (generalmente) y puede ser operado por los mismos conductores. Se distingue principalmente por el hecho de que transporta su propia central eléctrica en lugar de estar conectada a una central eléctrica remota mediante cables aéreos o un tercer carril. La planta de energía consiste en un gran motor diésel acoplado a un alternador que produce la electricidad necesaria. Un tanque de combustible también es esencial. Es interesante notar que la locomotora diésel moderna produce cerca del 35% de la potencia de una locomotora eléctrica de peso similar.

Tipos diésel-eléctricos

Al igual que un coche, una locomotora diésel no puede arrancar directamente desde un soporte. No desarrollará toda su potencia al ralentí, por lo que necesita algún tipo de sistema de accionamiento para multiplicar el par al arrancar. También será necesario variar la potencia aplicada en función del peso del tren o de la pendiente de la línea. Existen tres métodos para ello: mecánico, hidráulico o eléctrico. La mayoría de las locomotoras diésel utilizan una transmisión eléctrica y son llamadas locomotoras «diésel-eléctricas». Las transmisiones mecánicas e hidráulicas todavía se utilizan, pero son más comunes en trenes de unidades múltiples o locomotoras más ligeras.

Existen tres tipos de locomotoras diésel-eléctricas, dependiendo del período durante el cual fueron diseñadas. Estos tres lo son:

  • DC – DC (grupo electrógeno de corriente continua);
  • AC – DC (salida de alternador rectificado para motores DC) y
  • AC – DC – AC (salida del alternador de CA rectificada a CC y luego invertida a CA trifásica para los motores de tracción).

El tipo DC-DC tiene un generador que alimenta los motores de accionamiento DC con un sistema de control de resistencia, el tipo AC-DC tiene un alternador que produce corriente alterna que es rectificada a DC y luego alimentada a los motores de accionamiento DC. Finalmente, la solución más moderna consiste en rectificar la salida del alternador en corriente continua, convirtiéndola en corriente alterna (trifásica), de forma que los motores de tracción trifásicos puedan ser alimentados con corriente alterna. Aunque este último sistema puede parecer el más complejo, las ventajas de utilizar motores de CA superan con creces la aparente complejidad del sistema. De hecho, la mayoría de los dispositivos utilizan electrónica de potencia de estado sólido con controles de microprocesador. Para más detalles sobre la tracción de CA y CC, vea Tracción Eléctrica y Locomotoras Eléctricas en este sitio.

En los Estados Unidos, los alternadores de tracción (CA) se introdujeron con locomotoras de vía única de 3000 CV, siendo la primera la Alco C630, mientras que la SD40, SD45 y GP40 también tenían sólo alternadores de tracción. En GP38, SD38, GP39 y SD39, los generadores de tracción (CC) eran estándar y los alternadores de tracción eran opcionales hasta la era dash-2, cuando se convirtieron en estándar. Fue una historia similar a la de General Electric.

Hay un alternador (o generador) de tracción con motor diésel en una locomotora (práctica norteamericana). La Alco C628 fue la última locomotora en liderar la carrera de potencia con un alternador de tracción de CC.

El diagrama ilustra las partes principales de una locomotora diésel-eléctrica construida en los Estados Unidos. Estos se describen en los siguientes párrafos. Utilicé el ejemplo de los Estados Unidos debido al gran número de países que los utilizan. Obviamente, hay muchas variaciones en el diseño y las prácticas europeas difieren en muchos aspectos, y algunas de ellas las analizaremos de pasada.

Motor diésel

Es la principal fuente de energía de la locomotora. Consiste en un gran bloque de cilindros, con cilindros dispuestos en línea recta o en V. El motor hace girar el eje de accionamiento hasta 1.000 rpm, accionando los distintos componentes necesarios para propulsar la locomotora. Dado que la transmisión es normalmente eléctrica, el motor se utiliza como fuente de energía para el alternador que produce la energía eléctrica necesaria para el funcionamiento de la locomotora.

Alternador principal

El motor diésel acciona el alternador principal, que proporciona la potencia necesaria para mover el tren. El alternador genera electricidad de corriente alterna que alimenta los motores de tracción montados en los camiones (bogies). En las locomotoras más antiguas, el alternador era una máquina de corriente continua llamada generador. Produjo la corriente continua utilizada para alimentar los motores de corriente continua. Muchas de estas máquinas todavía se utilizan regularmente. El siguiente paso fue la sustitución del generador por el alternador, pero siempre con motores de corriente continua. La salida de CA se rectifica para proporcionar la corriente necesaria a los motores. Para más detalles sobre la tracción de CA y CC, consulte la página de la fuente de alimentación electrónica en este sitio.

Alternador auxiliar

Las locomotoras utilizadas para la circulación de trenes de pasajeros están equipadas con un alternador auxiliar. Proporciona alimentación de CA para la iluminación, calefacción, aire acondicionado, comedores, etc. La salida se transmite a lo largo del tren a través de una línea de alimentación auxiliar. En Estados Unidos, se le llama «head-end» o «poder hotelero». En el Reino Unido, los autobuses de pasajeros con aire acondicionado reciben lo que se denomina el suministro de energía para el tren del alternador eléctrico auxiliar (ETS).

Soplador de motor

El motor diésel también acciona un ventilador del motor. Como su nombre lo indica, el ventilador del motor proporciona aire que se sopla sobre los motores de tracción para mantenerlos frescos durante los períodos de trabajo pesado. El ventilador está montado dentro del cuerpo de la locomotora, pero con los motores en los camiones, la salida del ventilador está conectada a cada motor a través de conductos flexibles. La salida del ventilador también enfría los alternadores. Algunos modelos tienen ventiladores separados para el grupo de motores de cada camión y otros para los alternadores. Independientemente de la configuración elegida, una locomotora moderna tiene un complejo sistema de gestión del aire que controla la temperatura de las diversas máquinas rotativas de la locomotora y ajusta el caudal de aire en consecuencia.

Entradas de aire

El aire de refrigeración de los motores de las locomotoras proviene del exterior de la locomotora. Debe ser filtrado para eliminar el polvo y otras impurezas y su caudal está regulado por la temperatura dentro y fuera de la locomotora. El sistema de gestión del aire debe tener en cuenta el amplio rango de temperaturas, desde +40°C en verano hasta -40°C en invierno.

Rectificadores / Inversores

La salida principal del alternador es la CA, pero se puede utilizar en una locomotora equipada con motores de tracción de CC o CA. Los motores de corriente continua han sido el tipo tradicional utilizado durante muchos años, pero en los últimos 10 años, los motores de corriente alterna se han convertido en el estándar para las nuevas locomotoras. Son más baratos de construir y menos costosos de mantener, y su gestión electrónica puede ser controlada con gran precisión. Para obtener más información sobre la diferencia entre las tecnologías de tracción de CC y CA, visite el sitio web de Energía en este sitio.

Los rectificadores son necesarios para convertir la salida de CA del interruptor principal a CC. Si los motores son de corriente continua, la salida del rectificador se utiliza directamente. Si los motores son CA, la salida CC de los rectificadores se convierte en CA trifásica para los motores de tracción.

Hay algunas variaciones en la configuración del reproductor. GM EMD depende de un convertidor, mientras que GE utiliza un convertidor – ambos sistemas tienen sus ventajas. El sistema EMD conecta los ejes de cada camión en paralelo, asegurando así un control óptimo del deslizamiento de las ruedas entre los ejes. La inspección paralela también significa un desgaste uniforme de las ruedas, incluso entre ejes. Sin embargo, si un inversor (es decir, un camión) falla, la unidad sólo puede producir el 50% de su esfuerzo de tracción. Un accionamiento de eje es más complicado, pero según GE, el control individual de eje puede proporcionar la mejor fuerza de tracción. Si un accionamiento falla, la fuerza de tracción de ese eje se pierde, pero la fuerza de tracción completa sigue estando disponible a través de los otros cinco accionamientos. Al comprobar cada eje individualmente, ya no es necesario mantener los diámetros de las ruedas en línea para obtener un rendimiento óptimo. Este párrafo fue enviado por correo electrónico a un corresponsal desconocido el 3 de noviembre de 1997.

Controles electrónicos

Casi todos los equipos modernos de locomotoras tienen algún tipo de control electrónico. Éstos se recogen generalmente en una cabina de control cerca de la cabina para facilitar el acceso. Los controles suelen incluir un sistema de gestión de mantenimiento que se puede utilizar para transferir datos a un portátil o a un ordenador portátil.

Carro de control

Esta es la principal interfaz hombre-máquina, llamada punto de control británico o punto de control americano. En los Estados Unidos, el tipo de soporte común se coloca en ángulo en el lado izquierdo de la cabina del conductor. Los conductores lo preferirían mucho más que el tipo moderno de mesa de control estándar en Europa.

Cabaña

La configuración por defecto para las locomotoras diseñadas en los Estados Unidos es tener una cabina en un extremo de la locomotora. Puede que en España sea distinta. Dado que la mayoría de los medidores de obstáculos americanos son lo suficientemente grandes como para permitir que la locomotora tenga un puente a ambos lados, hay suficiente visibilidad para que la locomotora retroceda. Sin embargo, es normal que la locomotora funcione con la cabina en la parte delantera. En el Reino Unido y en muchos países europeos, las locomotoras tienen un ancho total para el ancho de vía de los obstáculos, por lo que se proporcionan cabinas en ambos extremos.

Baterías

Al igual que un coche, un motor diésel necesita una batería para arrancar y proporcionar electricidad a las luces y controles cuando el motor está parado y el alternador no está funcionando.

Motor de tracción

Como la locomotora diésel-eléctrica utiliza una transmisión eléctrica, los motores de tracción se suministran en los ejes para asegurar la transmisión final. Estos motores eran tradicionalmente motores de corriente continua, pero el desarrollo de la electrónica de potencia moderna y el control ha llevado a la introducción de motores trifásicos. Para una descripción de cómo funciona esta tecnología, consulte la página Electronic Power en este sitio. Hay entre cuatro y seis motores en la mayoría de las locomotoras diésel-eléctricas. Un moderno motor de corriente alterna soplado por aire puede proporcionar hasta 1.000 HP.

Marcha / velocidad

El motor de tracción acciona el eje a través de una caja de cambios con un rango de 3 a 1 (carga) y 4 a 1 (pasajeros).

Depósito de combustible

Una locomotora diésel debe llevar su propio combustible y debe tener suficiente para una duración razonable del viaje. El tanque de combustible se encuentra normalmente en una situación delirante y tendrá una capacidad de, digamos, 1.000 galones Imperiales (Clase Británica 59, 3.000 hp) o 5.000 galones Americanos en una locomotora General Electric AC4400CW de 4.400 hp. El nuevo AC6000 tiene tanques de 5.500 galones. Además del combustible, la locomotora transportará aproximadamente 300 galones de agua de refrigeración y 250 galones de aceite lubricante para el motor diésel.

Tanques de aire

Se necesitan depósitos de aire comprimido de alta presión para frenar el tren y otros sistemas de locomotoras. Éstos se montan a menudo al lado del depósito de combustible debajo del suelo de la locomotora.

Compresor de aire

El compresor de aire es necesario para proporcionar un suministro constante de aire comprimido a los frenos de la locomotora y del tren. En los Estados Unidos, el compresor se retira del eje de transmisión del motor diésel. En el Reino Unido, el compresor es generalmente eléctrico y, por lo tanto, puede montarse en cualquier lugar. El compresor Clase 60 se encuentra bajo el chasis, mientras que el compresor Clase 37 tiene los compresores en la nariz.

Eje de accionamiento

La potencia principal del motor diésel se transmite a través del eje de transmisión a los alternadores en un extremo, a los ventiladores del radiador y al compresor en el otro extremo.

Caja de cambios

El radiador y su ventilador se encuentran a menudo en el techo de la locomotora. El ventilador se acciona a través de una caja de cambios para cambiar la dirección del accionamiento.

Radiador y ventilador del radiador

El radiador funciona de la misma manera que en un coche. El agua se distribuye alrededor del bloque del motor para mantener la temperatura en el rango más eficiente para el motor. El agua es enfriada por un radiador soplado por un ventilador accionado por el motor diésel.

Turbo carga

La cantidad de potencia obtenida de un cilindro en un motor diésel depende de la cantidad de combustible que se puede quemar en él. La cantidad de combustible que se puede quemar depende de la cantidad de aire disponible en el cilindro. Por lo tanto, si puede introducir más aire en el cilindro, quemará más combustible y obtendrá más energía de su ignición. La carga sobrealimentada se utiliza para aumentar la cantidad de aire introducida en cada cilindro. El turbocompresor es accionado por el escape del motor. Este gas impulsa un ventilador, que a su vez impulsa un pequeño compresor que empuja aire adicional dentro del cilindro. La turboalimentación aumenta la potencia del motor en un 50%.

La principal ventaja del turbocompresor es que proporciona más potencia sin aumentar los costes de combustible, ya que utiliza los gases de escape como fuerza motriz. Sin embargo, requiere mantenimiento adicional, por lo que algunos tipos de locomotoras más pequeñas se construyen sin esta locomotora.

Arenero

Las locomotoras siempre llevan arena para facilitar la adherencia en condiciones de rieles deficientes. A menudo no se suministra arena en los trenes de unidades múltiples porque los requisitos de agarre son más bajos y normalmente hay más ejes de transmisión.

Acoplamiento de fluido

En una transmisión diésel-mecánica, el eje de transmisión principal se acopla al motor por medio de un acoplamiento hidráulico. Es un embrague hidráulico compuesto por un cárter lleno de aceite, un disco giratorio con cuchillas curvadas accionadas por el motor y otro conectado a las ruedas. Cuando el motor hace funcionar el ventilador, el aceite es impulsado por un disco hacia el otro. Esto gira bajo la fuerza del aceite y, por lo tanto, hace que el eje de accionamiento gire. Por supuesto, el arranque es progresivo hasta que la velocidad del ventilador casi corresponde a la de las palas. Todo el sistema funciona como un embrague automático que permite que la locomotora arranque gradualmente.

Caja de cambios

Hace el mismo trabajo que en un coche. Varía la relación de transmisión entre el motor y las ruedas para que se pueda aplicar el nivel de potencia adecuado a las ruedas. El cambio de marcha es manual. No hay necesidad de un embrague separado porque las funciones de un embrague ya están previstas en el acoplamiento hidráulico.

Transmisión final

La locomotora diésel-mecánica utiliza una transmisión final similar a la de una máquina de vapor. Las ruedas están acopladas para un mejor agarre. La potencia de la caja de cambios de 4 velocidades está acoplada a una transmisión final y a una caja de cambios trasera con eje de transmisión transversal y contrapesos de equilibrado. Se conecta a las ruedas motrices por medio de bielas.

Transmisión hidráulica

La transmisión hidráulica funciona según el mismo principio que el acoplamiento hidráulico, pero permite una mayor amplitud de «deslizamiento» entre el motor y las ruedas. Esto se denomina «convertidor de par». Cuando la velocidad del tren aumenta lo suficiente para que coincida con la velocidad del motor, el fluido es evacuado del convertidor de par de modo que el motor se acopla casi directamente a las ruedas de la locomotora. Es casi sencillo porque el acoplamiento es normalmente un acoplamiento de fluidos, para dar un «deslizamiento». Las locomotoras de alta velocidad utilizan dos o tres convertidores de par en una secuencia similar a la de cambiar la velocidad de una transmisión mecánica, y algunas han utilizado una combinación de convertidores de par y velocidad.

Algunas locomotoras diésel-hidráulicas tenían dos motores diésel y dos sistemas de transmisión, uno para cada bogie. El diseño fue hecho de álamo en Alemania (la serie V200 de locomotoras, por ejemplo) en la década de 1950 y fue importado a partes del Reino Unido en la década de 1960. Sin embargo, no funcionó bien en diseños de locomotoras pesadas o expresas y fue reemplazada en gran medida por una transmisión diésel-eléctrica.

Deslizamiento de las ruedas

El derrape de las ruedas es la ruina del conductor que intenta dar marcha atrás sin problemas. El bajo contacto entre la rueda de acero y el carril de acero es una de las partes más débiles del sistema de carriles. Tradicionalmente, el único remedio ha sido una combinación de habilidad del conductor y el uso selectivo de arena para mejorar el agarre. Hoy en día, el control electrónico moderno ha proporcionado una respuesta muy eficaz a este antiguo problema. El sistema se llama control de fluencia.

Una amplia investigación sobre el patinaje de las ruedas ha demostrado que incluso después de que un conjunto de ruedas comienza a patinar, todavía hay una cantidad considerable de agarre disponible para la tracción. El agarre es máximo cuando cae rápidamente en una rotación incontrolada. El control de patinaje de fase inicial puede utilizarse para ajustar la potencia aplicada a las ruedas de modo que la adherencia se mantenga dentro de los límites de «fluencia» del nivel máximo antes de que comience la rotación incontrolada.

El deslizamiento se mide localizando la velocidad de la locomotora con el radar Doppler (en lugar del método habitual con ruedas giratorias) y comparándola con la corriente del motor para ver si la rotación de la rueda corresponde a la velocidad de avance. Si existe una disparidad entre ambos, la corriente del motor se ajusta para mantener el deslizamiento en el rango de «fluencia» y para mantener el esfuerzo de tracción lo más alto posible en condiciones de fluencia.

Múltiples unidades diésel (DMU)

Los motores diésel utilizados en las PSIM funcionan exactamente según los mismos principios que los utilizados en las locomotoras, salvo que la transmisión es generalmente mecánica con algún tipo de sistema de cambio de marchas. Las DMU son más pequeñas y varias se utilizan en un tren, dependiendo de la configuración. El motor diésel se monta a menudo bajo el suelo del coche y lateralmente debido al espacio limitado disponible. La vibración transmitida en el salón de pasajeros siempre ha sido un problema, pero algunos de los últimos diseños son muy buenos en este sentido.

Hay unas cuantas DMUs diésel-eléctricas en las cercanías y normalmente tienen un compartimiento de motor separado que contiene el motor y el generador o alternador.

Parte inferior del motor diésel

El motor diésel fue patentado por primera vez en Alemania en 1892 por el Dr. Rudolf Diesel (1858-1913). Tenía un motor potente en 1897. En 1913, cuando murió, su motor se usaba en locomotoras y había establecido una fábrica con Sulzer en Suiza para fabricarlas. Su muerte fue misteriosa, ya que simplemente desapareció de un barco que lo llevó a Londres.

El motor diésel es un motor de encendido por compresión, a diferencia del motor de gasolina, que es un motor de encendido por chispa. El motor de encendido por chispa utiliza una bujía eléctrica para encender el combustible en los cilindros del motor, mientras que el combustible en los cilindros del motor diésel se enciende por el calor producido por el aire comprimido repentinamente en el cilindro. En esta etapa, el aire se comprime a 1/25 de su volumen inicial. Esto se expresaría como una relación de compresión de 25:1. 16:1 dará una presión atmosférica de 35,5 bar (500 psi) y aumentará la temperatura del aire a más de 427°C (800°F).

La ventaja del motor diésel sobre el de gasolina es que tiene una mayor capacidad térmica (requiere más trabajo en el combustible), que el combustible es más barato porque es menos refinado que la gasolina y puede realizar trabajos pesados en caso de sobrecargas prolongadas…. Sin embargo, a altas velocidades, puede ser sensible al mantenimiento y al ruido, por lo que todavía no se utiliza mucho en los turismos.

Tipos de motores diésel

Hay dos tipos de motores diésel, de dos tiempos y de cuatro tiempos. Como su nombre indica, difieren en el número de movimientos del pistón necesarios para realizar cada ciclo de funcionamiento. El más sencillo es el motor de dos tiempos. No tiene válvulas. Los gases de escape y el aire que entra en la nueva carrera se aspiran a través de las aberturas de la pared del cilindro cuando el pistón alcanza la parte inferior de la carrera descendente. La compresión y la combustión se producen en el movimiento ascendente. Como puede suponer, el motor de dos tiempos tiene el doble de revoluciones que la potencia equivalente de un motor de cuatro tiempos.

El motor de cuatro tiempos funciona de la siguiente manera: Golpe bajo 1 – entrada de aire, golpe ascendente 1 – compresión, golpe descendente 2 – potencia, golpe ascendente 2 – escape. Las válvulas son necesarias para la entrada y salida de aire, normalmente dos para cada una. En este sentido, se parece más a un moderno motor de gasolina que a un diseño de dos tiempos.

En el Reino Unido, se han utilizado ambos tipos de motores diésel, pero el motor de 4 tiempos se ha convertido en la norma. La clase británica «Deltic» 55 (que actualmente no está en la línea principal) tenía un motor de dos tiempos inusualmente bueno. En Estados Unidos, las locomotoras construidas por General Electric (GE) están equipadas con motores de 4 tiempos, mientras que General Motors (GM) siempre ha utilizado motores de 2 tiempos hasta la introducción de su motor de 4 tiempos «serie H» SD90MAC de 6000 CV.

La razón para usar un tipo u otro es realmente una cuestión de preferencia. Sin embargo, se puede decir que el diseño de 2 tiempos es más simple que el diseño de 4 tiempos, pero que el motor de 4 tiempos es más eficiente en cuanto al consumo de combustible.

El tamaño no importa

Básicamente, cuanta más potencia necesite, mayor será el tamaño del motor. Los primeros motores diésel tenían menos de 100 caballos de fuerza (hp), pero hoy en día Estados Unidos construye locomotoras de 6.000 hp. Para una locomotora inglesa de 3.300 hp (clase 58), cada cilindro producirá unos 200 hp, y un motor moderno puede duplicar este número si el motor está sobrealimentado.

El régimen máximo del motor a plena potencia será de aproximadamente 1000 rpm y el motor estará al ralentí a aproximadamente 400 rpm. Estas velocidades relativamente bajas significan que el diseño del motor es pesado, a diferencia de un motor ligero y de alta velocidad. Sin embargo, el motor británico HST (tren de alta velocidad, desarrollado en los años 70) tiene una velocidad de rotación de 1.500 rpm y se considera de alta velocidad en la categoría de motores diésel ferroviarios. El motor lento y pesado que se utiliza en las locomotoras ferroviarias reducirá los requisitos de mantenimiento y tendrá una larga vida útil.

El tamaño del motor que puede alojarse en el ancho de vía es limitado, por lo que la potencia de una sola locomotora es limitada. Cuando se necesita más potencia, se ha convertido en una práctica común añadir locomotoras. En los Estados Unidos, donde los trenes de carga pesan decenas de miles de toneladas, cuatro locomotoras son comunes en la cabecera del tren y varias locomotoras adicionales situadas en el centro o en la parte trasera no son inusuales.

V o no V

Los motores diésel pueden ser diseñados con cilindros «en línea», «de doble inclinación» o «en V». El motor de doble inclinación tiene dos filas de cilindros en línea. La mayoría de las locomotoras diésel están equipadas con motores en forma de V. Esto significa que los cilindros están divididos en dos unidades, la mitad de las cuales forman un lado de la V. Un motor V8 tiene 4 cilindros formando un ángulo que forma un lado de la V con el otro ensamblaje. 4 cilindros formando el otro lado. El cigüeñal, que proporciona el entrenamiento, es la base de la V. El V12 era un modelo muy utilizado en el Reino Unido. En los Estados Unidos, el V16 es común para las locomotoras de carga y algunos modelos están equipados con motores V20.

Los motores utilizados para las DMU (unidades diésel múltiples) en el Reino Unido se montan a menudo bajo el suelo de los turismos. Esto limita el diseño a los motores en línea, que deben ser montados en el lado para encajar en el espacio confinado.

La locomotora británica de la clase 55 del Reino Unido, con sus cilindros dispuestos en tres grupos triangulares en V opuestos, en forma de triángulo invertido, era un diseño de motor inusual, de ahí el nombre «Deltic».

Tracción, tracción y potencia

Antes de ir demasiado lejos, es necesario comprender los ajustes de tracción, tracción y potencia. La definición de fuerza de tracción (TE) es simplemente la fuerza ejercida en el borde de la locomotora y se expresa generalmente en libras (lb) o kilo Newtons (kN). Cuando la fuerza de tracción se transmite al acoplamiento entre la locomotora y el tren, la tracción de la barra de tracción, como se le llama, habrá disminuido debido a la fricción de las partes mecánicas del accionamiento y a la resistencia al viento de la tracción.

La potencia se expresa en potencia (hp) o kilovatios (kW) y es en realidad una velocidad de trabajo. Una unidad de energía se define como el trabajo de un caballo que genera 33,000 pies-libras en un minuto. En el sistema métrico, se calcula como la potencia (vatios) requerida cuando una fuerza de Newton se mueve un metro en un segundo. La fórmula es P = (F * d) / t donde P es potencia, F es fuerza, d es distancia y t es tiempo.

Un caballo de fuerza es igual a 746 vatios.

La relación entre potencia y fuerza de tracción es que la baja velocidad y la alta fuerza de tracción pueden producir la misma potencia que la alta velocidad y la baja fuerza de tracción. Si tienes que aumentar la tracción y la velocidad, necesitas aumentar la potencia. Para obtener las variaciones necesarias para que una locomotora opere en el ferrocarril, es necesario contar con un medio adecuado de transmisión entre el motor diésel y las ruedas.

Una cosa a tener en cuenta es que la energía producida por el motor diésel no siempre está disponible para la tracción. En una locomotora diésel-eléctrica de 2.580 CV, se pierden alrededor de 450 CV en equipos de a bordo como ventiladores, ventiladores de radiador, compresores de aire y «potencia hotelera» para el tren.

Iniciarse

Un motor diésel se pone en marcha (como un coche) girando el cigüeñal hasta que los cilindros «se encienden» o empiezan a arder. El arranque puede ser eléctrico o neumático. En algunos motores se ha utilizado el arrancador neumático. El aire comprimido se bombeaba a los cilindros del motor hasta que alcanzaba una velocidad suficiente para permitir la ignición, y luego se utilizaba el combustible para arrancar el motor. El aire comprimido era suministrado por un pequeño motor auxiliar o por cilindros de aire de alta presión transportados por la locomotora.

El arranque eléctrico es ahora estándar. Funciona de la misma manera que para un coche, con baterías que proporcionan energía para accionar un motor de arranque que hace girar el motor principal. En las locomotoras más antiguas equipadas con generadores de corriente continua, en lugar de alternadores de corriente alterna, el generador funcionaba como un motor de arranque, aplicando energía de batería.

Regulador

Una vez que el motor diésel está en marcha, la velocidad del motor es monitoreada y controlada por un regulador. El regulador se asegura de que el régimen del motor se mantenga lo suficientemente alto para que funcione al régimen correcto y de que el régimen del motor no se eleve demasiado rápido cuando se requiera toda la potencia. El regulador es un simple dispositivo mecánico que apareció por primera vez en las máquinas de vapor. Funciona con un motor diésel como se muestra en la Figura 4. Los motores diésel modernos utilizan un sistema de control electrónico que reproduce los requisitos del sistema mecánico.

Inyección de combustible

El encendido es un motor diésel capaz de comprimir el aire en un cilindro hasta que se calienta mucho (por ejemplo, 400°C), y luego inyectar un fino chorro de fuel-oil para provocar una explosión en miniatura. La explosión fuerza al pistón a entrar en el cilindro y hace girar el cigüeñal. Para obtener el rocío fino requerido para una ignición exitosa, el combustible debe ser bombeado al cilindro a alta presión. La bomba de combustible es accionada por una leva que sale del motor. El combustible se bombea a un inyector, que proporciona el rocío fino de combustible necesario en el cilindro para la combustión.

Locomotora diésel-eléctrica

Control de combustible

En un motor de gasolina, la potencia es controlada por la cantidad de mezcla de combustible/aire aplicada al cilindro. La mezcla se mezcla fuera del cilindro y luego se aplica con una válvula de mariposa. En un motor diésel, la cantidad de aire aplicada al cilindro es constante. Por lo tanto, la potencia se regula variando el consumo de combustible. La atomización fina del combustible inyectado en cada cilindro debe ser ajustada para obtener la potencia requerida. El ajuste se obtiene variando el combustible suministrado por las bombas de combustible a los inyectores.

La cantidad de combustible aplicada a los cilindros varía en función de la velocidad real de suministro del pistón en las bombas inyectoras. Cada inyector tiene su propia bomba, accionada por una leva accionada por motor, y las bombas están alineadas para que todas puedan ajustarse juntas. El ajuste se realiza mediante una cremallera (denominada «cremallera de combustible») que actúa sobre una parte dentada del mecanismo de la bomba. Cuando la cremallera se mueve, la sección de engranajes de la bomba gira y permite que el pistón de la bomba se mueva dentro de la bomba. El desplazamiento del pistón cambia el tamaño del canal disponible dentro de la bomba para que el combustible pase a través del tubo de alimentación del inyector.

El soporte de combustible puede ser movido por el conductor usando el controlador de potencia en la cabina o por el regulador. Si el conductor necesita más potencia, la barra de control mueve el soporte de combustible para ajustar los pistones de la bomba y dejar más combustible para los inyectores. El motor aumentará su potencia y el gobernador controlará la velocidad del motor para asegurarse de que no exceda el límite predeterminado. Los límites son fijados por resortes (no mostrados) que limitan el movimiento del peso.

Desarrollo del control del motor

Hasta ahora, hemos visto un ejemplo simple de control de motores diésel, pero los sistemas utilizados por la mayoría de las locomotoras en servicio hoy en día son más sofisticados. En primer lugar, se combinó el control del conductor con el controlador y se introdujo el control hidráulico. Un tipo de regulador utiliza aceite para controlar hidráulicamente los soportes de combustible y otro utiliza aceite combustible bombeado por una bomba de engranajes accionada por motor. Algunos reguladores también están conectados al sistema de turbocompresor para asegurar que el combustible no aumente hasta que haya suficiente aire turboalimentado disponible. En los sistemas modernos, el controlador es electrónico y forma parte de un sistema completo de gestión del motor.

Control de potencia

El motor diésel de una locomotora diésel-eléctrica transmite el alternador principal, que a su vez proporciona la potencia necesaria para los motores de tracción. Por lo tanto, podemos ver que la potencia requerida del motor diésel está relacionada con la potencia requerida por los motores. Por lo tanto, si queremos más potencia del motor, necesitamos más corriente del alternador para que el motor funcione más rápido. Por lo tanto, para obtener el mejor rendimiento de la locomotora, debemos combinar el control del motor diésel con los requisitos de potencia del alternador.

En la época de los generadores, se desarrolló un complejo sistema electromecánico para obtener la retroalimentación necesaria para regular la velocidad del motor de acuerdo a la demanda de los generadores. El núcleo del sistema era un regulador de carga, esencialmente una resistencia variable utilizada para mejorar la excitación del generador de manera que su salida correspondiera a la velocidad del motor. La secuencia de control (simplificada) fue la siguiente:

  1. El conductor mueve el controlador de potencia a la posición de potencia total
  2. Un árbol de levas neumático accionado por el controlador mueve una palanca que cierra un interruptor para proporcionar bajo voltaje al motor del acelerador.
  3. El motor del regulador de carga mueve la resistencia variable para aumentar la intensidad de campo del generador principal y, por lo tanto, su salida.
  4. La carga del motor aumenta de modo que su velocidad disminuye y el controlador detecta la velocidad reducida.
  5. El peso del regulador disminuye y garantiza el funcionamiento del sistema de control del bastidor de combustible.
  6. El depósito de combustible se mueve para aumentar el combustible suministrado a los inyectores y, por lo tanto, la potencia del motor.
  7. La palanca (mencionada en el punto 2 anterior) se utiliza para reducir la presión del muelle del regulador.
  8. Una vez que el motor ha respondido a los nuevos parámetros del controlador y del control, el generador y el generador producen más potencia.

En las locomotoras de alternador, la regulación de la carga se realiza electrónicamente. El régimen del motor se mide como modernos contadores de revoluciones, contando la frecuencia de los dientes del engranaje accionados por el motor, en este caso el piñón de arranque. El control de inyección de combustible eléctrico es otra mejora que ahora adoptan los motores modernos. El sobrecalentamiento puede controlarse controlando electrónicamente la temperatura del refrigerante y regulando la potencia del motor en consecuencia. La presión de aceite puede controlarse y utilizarse para regular la potencia del motor de la misma manera.

Sistema de refrigeración

Al igual que un motor de coche, el motor diésel debe funcionar a la temperatura óptima para obtener el mejor rendimiento. Cuando arranca, hace demasiado frío y cuando funciona, no debe hacer demasiado calor. Para mantener la temperatura estable, se proporciona un sistema de enfriamiento. Es un refrigerante a base de agua que circula alrededor del bloque del motor, el cual se mantiene frío al pasar a través de un radiador.

El refrigerante es bombeado alrededor del bloque de cilindros y del radiador por una bomba eléctrica o de cinta. La temperatura es controlada por un termostato que regula la velocidad del motor del ventilador del radiador (eléctrico o hidráulico) para ajustar la velocidad de enfriamiento. Al arrancar, el refrigerante no circula en absoluto. Después de todo, usted quiere que la temperatura aumente lo más pronto posible cuando comienza en una mañana fría y eso no sucederá si sopla aire frío en su radiador. Algunos radiadores están equipados con persianas para ayudar a regular la temperatura en climas fríos.

Si el ventilador es accionado por una correa o conexión mecánica, es accionado por un acoplamiento hidráulico para evitar dañar los cambios repentinos en la velocidad del motor. El ventilador funciona de la misma manera que en un coche, el aire soplado por el ventilador se utiliza para enfriar el agua del radiador. Algunos motores tienen ventiladores con motor eléctrico o hidrostático. Un motor hidráulico utiliza aceite presurizado que debe ser contenido en un tanque especial y bombeado al motor. Tiene la ventaja de proporcionar un acoplamiento de fluido integrado.

Un problema con el enfriamiento del motor es el clima frío. El agua se congela a 0°C o 32°F y el agua de refrigeración congelada divide rápidamente un tubo o bloque de motor debido a la expansión del agua de congelación. Algunos sistemas son «autodrenantes» cuando el motor está parado y la mayoría de los países europeos están diseñados para utilizar una mezcla de anticongelante, Gycol y un inhibidor de corrosión. En Estados Unidos, los motores normalmente no contienen anticongelante, aunque los nuevos motores GM EMD «H» están diseñados para utilizarlo. Problemas de fugas y juntas y costos de instalación de 100 galones.

Lubricante

Al igual que un motor de coche, un motor diésel necesita ser lubricado. En una disposición similar al sistema de refrigeración del motor, el aceite lubricante se distribuye alrededor del motor a los cilindros, cigüeñales y otras piezas móviles. Hay un depósito de aceite, normalmente cargado en el cárter, que debe llenarse, y una bomba para que el aceite circule uniformemente en el motor. El aceite se calienta por su paso alrededor del motor y debe mantenerse fresco, de modo que pase a través de un radiador durante su viaje. El radiador a veces se diseña como un intercambiador de calor, donde el aceite pasa a través de tuberías cerradas en un tanque de agua que está conectado al sistema de enfriamiento del motor.

El aceite debe ser filtrado para eliminar las impurezas y debe ser monitoreado a baja presión. Si la presión de aceite cae a un nivel tal que el motor puede detenerse, un «presostato de baja presión» apagará el motor. También hay una válvula de alivio de alta presión para evacuar el exceso de aceite al depósito.

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