Дизель-воздушное судно является одной из самых преобразующих машин в современной промышленной истории. Заменив пар на внутреннее горение, оно изменило фундаментальную экономику грузовых перевозок, обеспечив более длинные перевозки, большие тоннажи и уровень операционной предсказуемости, которого пар никогда не мог достичь. От его первых пробных пробегов в начале двадцатого века до мощных, управляемых компьютером единиц, перевозящих интермодальные поезда через континенты сегодня, дизель-воздушное судно стало бесшумным костяком глобальных цепочек поставок. Его путешествие раскрывает историю настойчивости, инженерной изобретательности и постоянного стремления к эффективности и надежности.

Происхождение дизельных локомотивов

Рождение дизельного локомотива восходит к изобретению Рудольфом Дизель двигателя с воспламенением от сжатия в 1890-х гг. В то время как Дизель предвидел, что его двигатель питает все, от небольших заводов до кораблей, железнодорожные приложения быстро захватили воображение инженеров. Самые ранние попытки установить дизельный двигатель на рельсах были упрямы техническими препятствиями: ранние двигатели были слишком тяжелыми для существующих путевых конструкций и не имели практической системы передачи для доставки плавного крутящего момента на колеса. В 1912 году швейцарская фирма Sulzer построила дизель-механический локомотив, который использовал трение сцепления и коробки передач, сродни дорожному транспортному средству. Хотя это продемонстрировало потенциал, проблемы переключения передач сделали такие конструкции проблематичными для тяжелых поездов.

Гораздо более значительный прорыв произошел в Советской России в 1924 году с Е el-2, 1200-сильным дизель-электрическим локомотивом, разработанным Юрием Ломоносовым. Этот агрегат использовал дизельный двигатель для привода генератора, питающего электротяговые двигатели, ту же фундаментальную архитектуру, которая доминирует сегодня в отрасли. Примерно в то же время General Electric в Соединенных Штатах экспериментировал с дизель-электрическими коммутаторами, а к 1925 году Центральная железная дорога Нью-Джерси использовала первый коммерчески успешный дизель-электрический в стране. Ранние проблемы надежности и укоренившаяся инфраструктура паровой мощности означали, что дизель оставался любопытством в течение многих лет, но была заложена техническая основа. Для отличного обзора этих ранних машин см. история первых дизельных локомотивов , составленная Railway Technology.

Развитие и усыновление

1930-е и 1940-е годы ознаменовали переход дизельного топлива от эксперимента к основному инструменту. Несколько сил выровнялись, чтобы ускорить принятие. Во-первых, Великая депрессия заставила железные дороги искать любые средства для сокращения эксплуатационных расходов, а превосходная тепловая эффективность дизельного топлива - часто выше 30 процентов по сравнению с паром 6 - 8 процентов - означала резко более низкие счета за топливо. Во-вторых, дизель ликвидировал огромную инфраструктуру водонапорных вышек, угольных станций и пепельных ям, освобождая капитал и пространство для трека. В-третьих, введение управления несколькими единицами (MU) позволило одной команде эксплуатировать несколько локомотивов, распределенных по всему поезду, гибкость, невозможная с паром.

В Соединенных Штатах демонстратор FT Electro-Motive Corporation (позже EMD) 1939 года стал дизельным для грузовых перевозок. Он отправился в легендарный 83 000-мильный тур по американским железным дорогам, тянущим поезда при всех условиях и доказывающим, что дизельная энергия может соответствовать и превышать производительность современных паровозов при сокращении технического обслуживания. Начало Второй мировой войны ненадолго замедлило производство, но послевоенные годы увидели всплеск заказов. К 1953 году более половины грузовых локомотивов США уже были дизельными, а последний паровоз на железной дороге класса I был снят с эксплуатации около 1960 года. В других местах британский план модернизации 1955 года и аналогичные инициативы по всей Европе вызвали оптовую замену паровых флотов, хотя электрификация требовала большей доли во многих странах.

Технологические достижения

Дизель-электрическая передача и удержание переменного тока

Дизельно-электрическая конфигурация стала глобальным стандартом, поскольку она элегантно решала проблему передачи. Генератор или генератор, соединенный непосредственно с дизельным двигателем, производит электричество, которое затем переносится кабелями к тяговым двигателям на осях. В течение десятилетий доминировали генераторы постоянного тока и тяговые двигатели постоянного тока. Однако в 1990-х годах произошел сдвиг парадигмы с внедрением систем тяги переменного тока. Используя твердотельные инверторы и микропроцессорное управление, локомотивы теперь могли обеспечить более высокое тяговое усилие, лучшее управление скольжением колес и улучшенное динамическое торможение. AC4400CW General Electric и SD70MAC EMD открыли новую эру, когда один блок мог перевозить более тяжелые поезда, чем несколько старых локомотивов постоянного тока.

Турбонаддув, послеохлаждение и эволюция двигателя

Сама конструкция двигателя развивалась существенно. Ранние дизельные двигатели часто были естественным образом наддувом или использовали скромную суперзарядку. Широкое распространение турбонаддува и послеохлаждения радикально увеличило плотность мощности и эффективность. Двухтактные двигатели EMD доминировали в Северной Америке в течение десятилетий, в то время как четырехтактные конструкции от GE, Caterpillar и MTU нашли благосклонность во всем мире. Каждое поколение вводило лучшую металлургию, электронный впрыск топлива и более высокие коэффициенты сжатия, толкая выход одного первичного двигателя от 1500 лошадиных сил в 1940-х годах до более чем 4500 сегодня. Впрыск Common-rail, теперь прокладывая свой путь в железнодорожные приложения, далее совершенствует сжигание для более низких выбросов и более высокой экономии топлива.

Компьютерное управление и телеметрия

Возможно, самым глубоким достижением стала интеграция систем управления на основе микропроцессоров. Современные локомотивы постоянно контролируют сотни параметров - температуру двигателя, скорость вращения колес, положение дроссельной заслонки, тяговый двигательный ток - для оптимизации подачи топлива, регулировки выходной мощности и предотвращения скольжения колес. Такие системы, как Trip Optimizer от Wabtec, используют GPS и данные профиля трека для вычисления наиболее экономичных настроек дроссельной заслонки, действуя как автопилот для грузовых поездов. Positive Train Control (PTC), уполномоченный на большинстве магистралей США, накладывает защитную сетку, которая автоматически останавливает поезд до того, как он передает сигнал или превышает ограничения скорости. Дистанционный мониторинг через сотовые и спутниковые линии позволяет менеджерам флота диагностировать неисправности двигателя в режиме реального времени, уменьшая незапланированные простои и создавая режим обслуживания на основе данных.

Дизельные локомотивы и трансформация грузовых перевозок

Операционные преимущества, открываемые дизельной энергией, нельзя переоценить. Поскольку дизельные двигатели не требуют частых остановок для воды и могут быть заправлены за считанные минуты, они позволили создать междугородние высокоскоростные графики грузовых перевозок, которые ранее были невозможны. Интермодальные поезда, перевозящие контейнеры с двойным стеком, теперь обычно охватывают трансконтинентальные расстояния более 2000 миль, связывая порты Западного побережья с внутренними распределительными центрами менее чем за три дня. Ассоциация американских железных дорог отмечает, что грузовые железные дороги в США перемещают около 40 процентов тонно-миль на большие расстояния и последовательно в три-четыре раза более экономичны, чем грузовики на основе тонно-миль.

Единичные поезда, предназначенные для перевозки одного товара, стали отличительной чертой эффективности с дизельным двигателем. Уголь, зерно, железная руда, нефть и этанол перемещаются в поездах с более чем 100 вагонами, вытягиваемыми двумя или тремя высокосильными локомотивами. Бассейн реки Поудер в одном только Вайоминге ежедневно видит десятки загруженных угольных поездов, каждый из которых перемещается более чем на 15 000 тонн с одним экипажем. В Австралии BHP и Rio Tinto работают в одних из самых длинных и тяжелых поездов в мире, полагаясь на несколько дизельных единиц, работающих в распределенной конфигурации мощности для управления огромными нагрузками по всей глубине.

Современные модели рабочей лошадки, такие как Wabtec ES44AC и Progress Rail SD70ACe-T4, включают в себя все вышеописанные достижения. Они могут производить более 4400 лошадиных сил при соблюдении строгих ограничений выбросов, и они развернуты на всех континентах, кроме Антарктиды. Независимо от того, перевозят ли автомобили с сборочного завода на Среднем Западе, химикаты с нефтеперерабатывающего завода на побережье Мексиканского залива или потребительские товары в океанском контейнере, дизельный локомотив остается жизненно важным звеном между производителем и потребителем во взаимосвязанном мире.

Сравнение дизельного топлива со Steam и электрическими силовыми агрегатами

Чтобы понять, почему дизель так сильно вытеснил пар, прямое сравнение поучительно. Паровоз требовал пожарного и постоянного внимания к уровню котельной воды, угольному питанию и давлению пара. Он требовал часов подготовки каждое утро, обширной очистки в конце дня и тяжелого периодического обслуживания. Его тепловая эффективность редко превышала 8 процентов. Дизельный, напротив, можно было начать с поворота ключа и оставить на холостом ходу в течение нескольких дней. Он предлагал тепловую эффективность, приближающуюся к 45 процентам в лучших современных примерах, сокращая как расходы на топливо, так и логистическую нагрузку на поставку топлива.

Электрическая тяга, с другой стороны, превосходит дизельное топливо по эффективности, ускорению и способности к рекуперативному торможению, и она производит нулевые выбросы в точке использования. Там, где существует инфраструктура электрификации - в Швейцарии, Японии или частях Китая - грузовые операции естественным образом благоприятствуют электровозам. Однако ошеломляющая капитальная стоимость катанарных систем делает их экономически нежизнеспособными на малонаселенных участках Северной Америки, Австралии или России. Дизель, таким образом, занимает огромную среднюю точку, сочетая самодостаточную выработку энергии с возможностью идти в любом месте. Гибридные концепции, которые соединяют меньший дизельный двигатель с аккумулятором, теперь начинают размывать линию между дизельным и электрическим, предлагая путь для сохранения эксплуатационной гибкости при сокращении сжигания топлива.

Экологические проблемы и нормативное давление

Экологический след дизельного двигателя привлек все большее внимание. Выхлопные газы локомотивов содержат оксиды азота (NOx), твердые частицы (PM) и углекислый газ. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) ответило многоуровневой системой стандартов выбросов. Уровень 0 через уровень 2 применялся к существующим и новым локомотивам на последовательных этапах, но реальное изменение шага произошло с Tier 4, который вступил в силу в 2015 году. Эти правила предписывали 90-процентное сокращение ТЧ и 80-процентное сокращение NOx по сравнению с нерегулируемыми двигателями. Подробности стандартов выбросов локомотивов EPA определяют строгие ограничения, которым производители должны теперь соответствовать.

Соблюдение требований привело к оптовой редизайну архитектуры двигателя. Двигатели серии Evolution Tier 4 компании Wabtec используют рециркуляции выхлопных газов (EGR) для охлаждения сгорания и снижения NOx в сочетании с системой общего железнодорожного топлива высокого давления. Progress Rail выбрала систему селективного каталитического сокращения (SCR), которая впрыскивает дизельную выхлопную жидкость в поток выхлопных газов для преобразования NOx в азот и воду. Обе стратегии работают, но они добавляют стоимость и сложность. Несмотря на эти улучшения, чистый масштаб глобальных операций дизельных железных дорог означает, что внимание смещается к альтернативам с нулевым уровнем выбросов. По данным Международного энергетического агентства, железнодорожный транспорт составляет около 2 процентов глобальных выбросов CO2 на транспорте, но эта доля может возрасти, если другие режимы декарбонизации, в то время как дизельные железные дороги этого не делают.

Будущее грузового локомотивного движения: к более чистым альтернативам

Железнодорожная промышленность активно изучает несколько путей для декарбонизации грузовой тяги, не жертвуя эксплуатационными преимуществами, которые сделал возможным дизель. Электровозы с аккумуляторной батареей уже перешли от концепции к пилотному развертыванию. FLXdrive Wabtec, 100-процентный аккумуляторный блок, испытанный с BNSF и Union Pacific, продемонстрировал экономию топлива более чем на 10 процентов, когда в паре с дизельными локомотивами в гибридном составе. Union Pacific пошел дальше, заказав крупнейший в мире электровоз с аккумуляторной батареей от Wabtec, с прицелом на двор с нулевым уровнем выбросов и региональные операции. Между тем локомотив Joule Progress Rail оценивается в нескольких североамериканских терминалах.

Водородные топливные элементы предлагают еще один привлекательный маршрут. Канадский тихоокеанский Канзас-Сити (CPKC) тестирует водородный линейный локомотив, разработанный его собственной командой, и Alstom поставляет водородные поезда для пассажирского использования в Европе с вариантами грузоперевозок на чертежной доске. Водород упаковывает больше энергии на килограмм, чем батарея, но его низкая объемная плотность требует хранения под высоким давлением и совершенно новой заправочной инфраструктуры. Аналогичным образом, сжиженный природный газ (СПГ) был опробован в качестве тандемного топлива, но застопорился из-за инфраструктурных затрат и падения цен на дизельное топливо.

Автономность и точность запланированных железнодорожных перевозок, хотя и не двигательные технологии, будут определять, как используются локомотивы. Расширенный контроль поездов и автоматизированное управление дроссельной заслонки уже снижают потребление топлива за счет оптимизации профилей скорости. В течение следующего десятилетия дальнейшее совершенствование сенсорной технологии может позволить ограниченному экипажу или даже без водителя работать на отдельных грузовых коридорах, что еще больше повысит безопасность и эффективность. Даже по мере развития этих новых технологий дизельный двигатель, вероятно, останется доминирующим источником питания для дальних перевозок на десятилетия вперед, постепенно дополняясь гибридными и нулевыми выбросами альтернатив, где операционный случай является самым сильным.

Заключение

История тепловоза - это история непрерывной адаптации. Родившись в результате ранних экспериментов Sulzer, Lomonosov и General Electric, он вырос в 1930-х годах в надежную, экономичную замену пару, а затем эволюционировал через турбонаддув, тягу переменного тока и управление микропроцессором в грозные машины, которые ежедневно пересекают пустыни, горы и прерии. В грузовых перевозках это сделало возможным плотные, большие объемные сети, которые лежат в основе современной экономики, перемещая все от зерна до электроники с непревзойденной топливной эффективностью и устойчивостью. Столкнувшись с экологическим контролем, отрасль ответила более чистыми двигателями и теперь активно переосмысляет, что такое грузовой локомотив - батарея, водород, гибрид и за его пределами. ДНК тепловоза, однако, будет видна во всем, что следует: неустанное стремление к эффективности, надежности и способности поддерживать движение грузов в мире.