موتور دیزل چگونه به عنوان ژنراتور برای تامین نیروی موتورهای کششی لوکوموتیو عمل می‌کند

در یک صبح یخبندان ماه ژانویه در محوطه ریلی در نبراسکا، یک قطار باری ۱۵ هزار تنی شروع به حرکت می‌کند. صدای غرش موتور دیزلی ۴۰۰۰ اسب بخاری کرکننده است، اما چرخ‌های فولادی عظیم هیچ تکان ناگهانی یا صدای ساییدگی ندارند. در عوض، آن‌ها با یک زمزمه نرم و پیوسته می‌چرخند. اگر کسی کنار ریل ایستاده باشد، متوجه عدم وجود تعویض دنده یا تق‌تق مکانیکی می‌شود. این شروع حرکت بی‌نقص، نتیجه یک انتخاب مهندسی بنیادین در دهه ۱۹۳۰ است: موتور دیزل داخل لوکوموتیو اصلاً به چرخ‌ها متصل نیست.

برای اپراتورهای حمل بار و آژانس‌های ترانزیت، گیربکس مکانیکی که بتواند یک موتور دیزلی ۴۰۰۰ اسب بخاری را با بارهای گشتاور مورد نیاز برای حرکت دادن یک قطار ۱۵ هزار تنی از حالت سکون مدیریت کند، به سادگی وجود خارجی ندارد. یک گیربکس سنتی زیر این فشار فیزیکی عظیم خرد می‌شود. برای حل این مشکل، مهندسان لوکوموتیو را به یک نیروگاه متحرک تبدیل کردند. موتور دیزل به عنوان یک محرک اولیه عمل می‌کند و یک ژنراتور یا دینام عظیم را برای تولید برق می‌چرخاند.

این انرژی الکتریکی سپس به سمت محورها هدایت می‌شود، جایی که موتورهای کششی مجزا جریان را دوباره به نیروی چرخشی تبدیل می‌کنند. با حذف ارتباط مکانیکی بین موتور و چرخ‌ها، معماری دیزل-الکتریک به عنوان یک سیستم انتقال قدرت الکترونیکی با قابلیت تغییر بی‌نهایت عمل می‌کند. برای شرکت‌های لجستیکی که کالاها را در سراسر قاره جابجا می‌کنند، این بدان معناست که یک لوکوموتیو واحد می‌تواند حداکثر گشتاور اولیه را در سرعت صفر بدون خاموش شدن موتور یا نابود کردن کلاچ اعمال کند.

فرآیند تبدیل دو مرحله‌ای - انرژی شیمیایی به مکانیکی، مکانیکی به الکتریکی و الکتریکی دوباره به مکانیکی - ممکن است روی کاغذ ناکارآمد به نظر برسد. با این حال، واقعیت عملیاتی چیز دیگری می‌گوید. همان‌طور که شرکت مشاوره ریلی پی‌آرسی (PRC Rail Consulting) اشاره می‌کند: «لوکوموتیو دیزلی مدرن، نسخه خودکفای لوکوموتیو الکتریکی است.» این دستگاه حدود ۳۵ درصد از قدرت یک واحد تمام الکتریکی با وزن مشابه را تولید می‌کند، اما از آنجا که ایستگاه تولید برق خود را به همراه دارد، می‌تواند در هر مسیری بدون نیاز به میلیاردها دلار هزینه برای سیم‌های بالاسری (کاتناری) کار کند.[1]

در قلب این سیستم، محرک اولیه قرار دارد که معمولاً یک موتور احتراق داخلی عظیم ۱۶ سیلندر است. همان‌طور که شرکت لوکوموتیوسازی کلیتون (Clayton Locomotives) در مستندات فنی خود توضیح می‌دهد، تنها وظیفه این موتور تبدیل انرژی شیمیایی ذخیره شده در سوخت دیزل به چرخش مکانیکی است. این موتور در یک دور در دقیقه (RPM) نسبتاً ثابت و بهینه کار می‌کند و به جای پاسخگویی مستقیم به ورودی‌های دریچه گاز مهندس برای سرعت چرخ، ژنراتور اصلی یا دینام را به حرکت درمی‌آورد.

در طراحی‌های قدیمی‌تر، محرک اولیه یک ژنراتور جریان مستقیم (DC) را می‌چرخاند. امروزه، صنعت تغییر کرده است. همان‌طور که تحلیل مهندسی استارت پک (Start Pac) توضیح می‌دهد: «موتور دیزل به یک ژنراتور الکتریکی یا دینام متصل است که انرژی مکانیکی موتور را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.» لوکوموتیوهای سنگین مدرن عمدتاً از دینام‌هایی استفاده می‌کنند که جریان متناوب (AC) تولید می‌کنند. خروجی AC کارآمدتر و قابل‌اعتمادتر است و ولتاژهای استانداردی تولید می‌کند که اغلب بین ۶۰۰ تا ۱۵۰۰ ولت متغیر است. این برق ولتاژ بالا سپس قبل از رسیدن به چرخ‌ها، از طریق مجموعه‌ای از یکسوکننده‌ها و اینورترها پردازش می‌شود.

خود موتورهای کششی، محور اصلی کل این عملیات هستند. این موتورها که مستقیماً روی محورها نصب شده‌اند، برق پردازش شده را دریافت کرده و نیروی محرکه واقعی را تامین می‌کنند. اکثر لوکوموتیوهای دیزل-الکتریک معاصر از موتورهای کششی AC استفاده می‌کنند که در مقایسه با پیشینیان DC خود، چسبندگی و عملکرد برتری ارائه می‌دهند. برای یک اپراتور حمل بار، این به معنای لغزش کمتر چرخ‌ها در شیب‌های تند و مرطوب و هزینه‌های نگهداری پایین‌تر در طول عمر ۳۰ ساله لوکوموتیو است.[1]

این معماری الکتریکی همچنین امکان ترمز دینامیک را فراهم می‌کند؛ یک ویژگی ایمنی و کارایی حیاتی برای قطارهای سنگینی که از گردنه‌های کوهستانی پایین می‌آیند. هنگامی که مهندس ترمزهای دینامیک را اعمال می‌کند، موتورهای کششی تغییر پیکربندی داده و به عنوان ژنراتور عمل می‌کنند. تکانه قطار موتورها را به حرکت درمی‌آورد و برقی تولید می‌کند که به صورت گرما از طریق شبکه‌های مقاومت عظیم روی سقف لوکوموتیو دفع می‌شود. این امر از گرم شدن بیش از حد و از کار افتادن ترمزهای بادی فیزیکی در طول فرودهای طولانی جلوگیری می‌کند.

انعطاف‌پذیری پلتفرم دیزل-الکتریک اکنون راه را برای سیستم‌های ذخیره انرژی هیبریدی هموار می‌کند. تحقیقات منتشر شده در مجله کاربردهای صنعتی IEEE نشان می‌دهد که چگونه سیستم‌های پیشرانه مدرن، بانک‌های باتری را برای جذب و ذخیره انرژی تولید شده در طول ترمز دینامیک ادغام می‌کنند. به جای هدر دادن این انرژی به شکل گرما، باتری‌ها می‌توانند آن را در طول شتاب‌گیری دوباره به موتورهای کششی بازگردانند.[2][3]

برای آژانس‌های ترانزیت و اپراتورهای صنعتی، این رویکرد هیبریدی مزایای مالی فوری به همراه دارد. با استفاده از نیروی باتری ذخیره شده در طول عملیات محوطه با سرعت پایین یا درجا کار کردن، موتور دیزل می‌تواند به طور کامل خاموش شود. این امر مصرف سوخت را کاهش می‌دهد، انتشار گازهای گلخانه‌ای در مناطق شهری را به حداقل می‌رساند و فواصل نگهداری محرک اولیه را طولانی‌تر می‌کند. معماری بنیادین لوکوموتیو دیزل-الکتریک - یعنی جداسازی منبع تغذیه از چرخ‌ها - این ادغام باتری را بدون نیاز به طراحی مجدد کل سیستم انتقال قدرت امکان‌پذیر می‌سازد.

مرحله بعدی برای اپراتورهای ناوگان شامل مقیاس‌پذیری این سیستم‌های هیبریدی برای قطارهای باری خطوط اصلی است. در حالی که لوکوموتیوهای مانور محوطه در حال حاضر با معماری‌های باتری-دیزل کار می‌کنند، تامین نیازهای انرژی مگاوات-ساعتی یک مسیر بین‌شهری همچنان توسط چگالی باتری محدود می‌شود. تا زمانی که سلول‌های حالت جامد نتوانند با چگالی انرژی یک مخزن دیزل ۵۰۰۰ گالنی برابری کنند، موتور احتراق داخلی همچنان به عنوان بادوام‌ترین ژنراتور داخلی برای شبکه‌های ریلی سنگین جهان خدمت خواهد کرد.