디젤 기관차가 작동하는 방식

하이브리드 디젤 기관차는 놀라운 힘과 독창성을 보여줍니다. 그것은 거대한 12기통 2행정 디젤 엔진을 비롯한 몇몇 훌륭한 기계 기술 을 일부 중부하 전기 모터 및 발전기와 결합하여 약간의 컴퓨터 기술을 적절히 사용합니다.

이 270,000파운드(122,470kg) 기관차는 최대 시속 110마일(177kph)의 속도로 승용차를 견인하도록 설계되었습니다. 디젤 엔진은 3,200 마력 을 내고 발전기는 이를 거의 4,700암페어의 전류로 바꿀 수 있습니다. 4개의 구동 모터는 이 전기를 사용하여 64,000파운드 이상의 추력을 생성합니다. 열차의 나머지 부분에 전력을 공급하기 위해 완전히 분리된 V-12 엔진과 발전기가 있습니다. 이 발전기를 헤드 엔드 전원 장치 라고 합니다 . 이 열차에 있는 것은 560kW 이상의 전력을 생산할 수 있습니다.

디젤 엔진과 발전기 및 모터의 조합은 기관차를 하이브리드 차량으로 만듭니다. 이 기사에서 우리는 기관차가 왜 이런 식으로 제작되고 왜 강철 바퀴가 있는지 배우는 것으로 시작할 것입니다. 그런 다음 레이아웃과 주요 구성 요소를 살펴보겠습니다.

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내용물

1. 왜 하이브리드인가? 왜 디젤인가?
2. 스틸 휠
3. 견인
4. 레이아웃: 주 엔진 및 발전기
5. 레이아웃: 택시 및 트럭
6. 레이아웃: 전원, 연료 및 배터리
7. 엔진과 발전기
8. 트럭: 추진 및 서스펜션
9. 트럭: 제동
10. 기관차 운전
11. 기차 타기

디젤 기관차가 하이브리드인 주된 이유 는 자동차에서 볼 수 있는 기계식 변속기 가 필요 없기 때문 입니다. 자동차에 변속기가 있는 이유를 이해하는 것부터 시작하겠습니다.

가솔린 엔진 의 물리적 특성 때문에 자동차에는 변속기가 필요합니다 . 첫째, 모든 엔진에는 엔진이 폭발하지 않고는 갈 수 없는 최대 rpm(분당 회전수) 값인 레드라인이 있습니다. 둘째, How Horsepower Works 를 읽었다면 엔진은 마력과 토크 가 최대인 좁은 rpm 범위를 가지고 있다는 것을 알고 있습니다. 예를 들어, 엔진은 5,200~5,500rpm 사이에서 최대 마력을 생산할 수 있습니다. 트랜스미션은 자동차의 속도를 높이거나 낮추면 엔진과 구동 바퀴 사이 의 기어비 를 변경할 수 있습니다. 엔진이 최고 성능(최대 출력)의 rpm 대역과 레드라인 아래에 머물 수 있도록 기어를 변속합니다.

대부분의 자동차에서 5단 또는 6단 변속기를 사용하면 500~6,000rpm의 엔진 속도 범위에서 110mph(177kph) 이상으로 이동할 수 있습니다. 디젤 기관차의 엔진은 속도 범위가 훨씬 작습니다. 공회전 속도는 약 269rpm이고 최대 속도는 904rpm에 불과합니다. 이와 같은 속도 범위에서 기관차는 110mph(177kph)까지 속도를 올리기 위해 20개 또는 30개의 기어 가 필요합니다 .

이와 같은 기어박스는 거대하고(3,200마력을 처리해야 함) 복잡하고 비효율적입니다. 또한 4세트의 바퀴에 동력을 공급해야 하므로 복잡성이 가중됩니다.

로 이동하여 하이브리드 설정, 주요 디젤 엔진이 발전기를 돌려, 일정한 속도로 실행할 수 있습니다. 발전기는 바퀴에 동력을 공급하는 각 차축의 견인 모터에 전력을 보냅니다. 트랙션 모터는 기어를 변경할 필요 없이 완전 정지에서 110mph(177kph)까지 모든 속도에서 적절한 토크를 생성할 수 있습니다.

왜 디젤인가?

디젤 엔진 은 가솔린 엔진보다 더 효율적 입니다. 이와 같은 거대한 기관차는 승용차 5대를 견인할 때 마일당 평균 1.5갤런(100km당 352L)의 디젤을 사용합니다. 수백 대의 만재 화물차를 견인하는 기관차는 이것보다 몇 배나 많은 연료를 사용하므로 효율성이 5~10% 감소하더라도 곧 연료 비용이 크게 증가합니다.

기차 에 자동차와 같은 타이어가 아닌 강철 바퀴 가 있는 이유가 궁금 하신가요? 회전마찰 을 줄이기 위함 입니다. 자동차가 고속도로를 주행할 때 엔진 출력의 약 25%가 타이어를 도로 아래로 밀어내는 데 사용됩니다. 타이어는 구르면서 많이 구부러지고 변형되기 때문에 많은 에너지를 사용합니다.

타이어가 사용하는 에너지의 양은 타이어에 가해지는 무게에 비례합니다. 자동차는 상대적으로 가볍기 때문에 이 정도의 에너지는 수용할 수 있습니다(연료를 조금 절약하려면 자동차에 사용할 낮은 구름 저항 타이어를 구입할 수 있습니다).

기차는 자동차보다 무게가 수천 배 더 나가기 때문에 회전 저항은 기차를 당기는 데 필요한 힘을 결정하는 중요한 요소입니다. 기차의 강철 바퀴는 작은 접촉 부분에 달려 있습니다. 각 바퀴와 선로 사이의 접촉 면적은 동전 크기입니다.

강철 궤도에 강철 바퀴를 사용하여 변형량을 최소화하여 구름 저항을 줄입니다. 사실 기차는 무거운 물건을 옮기는 가장 효율적인 방법입니다.

스틸 휠을 사용하는 단점은 견인력 이 별로 없다는 것 입니다. 다음 섹션에서 우리는 이 문제에 대한 흥미로운 해결책을 논의할 것입니다.

기차 바퀴에는 트랙을 고정하는 플랜지가 있기 때문에 회전을 돌 때 견인력은 문제가 되지 않습니다. 그러나 제동 및 가속 시 접지력이 문제입니다.

이 기관차는 64,000파운드의 추력을 생성할 수 있습니다 . 그러나 이 추력을 효과적으로 사용하려면 기관차의 8개 바퀴가 이 추력을 트랙에 미끄러지지 않고 적용할 수 있어야 합니다. 기관차는 견인력을 높이기 위해 깔끔한 트릭을 사용합니다.

각 바퀴 앞에는 압축 공기를 사용하여 모래 를 분사하는 노즐이 있으며 , 이는 기관차의 두 탱크에 저장됩니다. 모래는 구동 휠의 견인력을 극적으로 증가시킵니다. 열차에는 바퀴가 미끄러지거나 엔지니어가 비상 정지를 할 때 자동으로 모래 분무기를 시작하는 전자 트랙션 제어 시스템이 있습니다. 이 시스템은 바퀴가 미끄러지는 트랙션 모터의 출력도 줄일 수 있습니다.

이제 기관차의 레이아웃을 확인합시다.

54피트(16.2m) 기관차의 거의 모든 인치가 장비로 꽉 차 있습니다.

 

부품 레이블 위로 마우스를 이동하여 디젤 엔진의 각 위치를 확인하십시오.

 

주 엔진 및 발전기

거대한 2행정, 터보차저 V-12 및 발전기는 무거운 하중을 고속으로 당기는 데 필요한 엄청난 양의 동력을 제공합니다. 엔진의 무게만 30,000파운드(13,608kg)가 넘고 발전기의 무게는 17,700파운드(8,029kg)입니다. 엔진과 발전기에 대해서는 나중에 더 이야기하겠습니다.

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택시

기관차의 운전실은 자체 서스펜션 시스템을 사용하므로 엔지니어를 충돌로부터 격리하는 데 도움이 됩니다. 좌석에도 서스펜션 시스템이 있습니다.

운전실 내부에는 두 개의 좌석이 있습니다. 하나는 엔지니어용이고 다른 하나는 소방관용입니다. 엔지니어는 기관차의 모든 제어 장치에 쉽게 접근할 수 있습니다. 소방관은 라디오와 브레이크 컨트롤만 가지고 있습니다. 또한 차 내부, 기관차 코 바로 옆에는 화장실이 있습니다.

트럭

트럭은 바퀴, 트랙션 모터, 기어링, 서스펜션 및 브레이크가 있는 2개의 차축의 완전한 조립품입니다. 이러한 구성 요소에 대해서는 나중에 설명합니다.

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헤드 엔드 전원 장치

헤드 엔드 전원 장치는 , 또 다른 큰 디젤 엔진의 이번에 4 행정, 트윈 터보 차저 애벌레 V-12으로 구성되어 있습니다. 엔진 자체는 거의 모든 세미 트럭의 엔진보다 강력합니다. 나머지 열차에 480볼트, 3상 AC 전원을 공급하는 발전기를 구동합니다. 이 엔진과 발전기는 나머지 열차에 560kW 이상의 전력을 공급하여 전기 에어컨, 조명 및 주방 시설에서 사용할 수 있습니다. 이러한 시스템에 완전히 별도의 엔진과 발전기를 사용함으로써 열차는 주 엔진이 고장나더라도 승객을 편안하게 유지할 수 있습니다. 또한 주 엔진의 부하를 줄입니다.

연료 탱크

기관차 하부에 있는 이 거대한 탱크에는 2,200갤런 (8,328L)의 디젤 연료가 들어 있습니다. 연료 탱크는 구획화되어 있으므로 구획이 손상되거나 누출되기 시작하면 펌프가 해당 구획에서 연료를 제거할 수 있습니다.

배터리

기관차는 공칭 64볼트 전기 시스템에서 작동합니다. 기관차에는 8개의 8볼트 배터리가 있으며 각 배터리의 무게는 136kg입니다. 이 배터리는 엔진을 시동하고(거대한 시동 모터가 있음) 기관차의 전자 장치를 작동하는 데 필요한 전력을 제공합니다. 주 엔진이 작동하면 교류 발전기가 전자 장치와 배터리에 전원을 공급합니다.

기관차의 주요 시스템 중 일부를 더 자세히 살펴보겠습니다.

이 기관차의 주 엔진은 General Motors EMD 710 시리즈 엔진입니다. "710"은 이 터보차지 2행정 디젤 V-12의 각 실린더가 710입방인치(11.6L)의 배기량을 가지고 있음을 의미합니다. 이는 대부분의 가장 큰 가솔린 V-8 자동차 엔진 크기의 두 배 이상이며 우리는 이 3,200hp 엔진에 있는 12개의 실린더 중 하나에 대해서만 이야기하고 있습니다.

그렇다면 왜 2행정 인가? 이 엔진은 거대하지만 대부분의 소형 디젤 엔진 과 마찬가지로 4행정 디젤 사이클로 작동 하면 출력의 절반 정도밖에 되지 않습니다. 이는 2행정 사이클의 경우 회전당 연소 이벤트(출력 생성)가 2배 더 많기 때문입니다. 디젤 2행정 엔진이 2행정 가솔린 엔진보다 훨씬 더 우아하고 효율적이라는 것이 밝혀졌습니다. 자세한 내용은 디젤 2행정 엔진 작동 방식 을 참조하십시오.

이 엔진이 대형 V-8 자동차 엔진의 약 24배 크기이고 4행정 사이클 대신 2행정을 사용한다면 왜 출력은 약 10배에 불과할까요? 그 이유는 이 엔진이 3,200마력을 지속적으로 생산하도록 설계되어 수십 년 동안 지속되기 때문입니다. 자동차의 엔진을 최대 출력으로 계속 작동했다면 일주일만 지속된다면 운이 좋을 것입니다.

다음은 이 엔진의 일부 사양입니다.

이 거대한 엔진은 똑같이 인상적인 발전기에 연결되어 있습니다. 지름은 약 6피트(1.8m)이고 무게는 약 17,700파운드(8,029kg)입니다. 최대 전력에서 이 발전기는 약 1,000가구에 전력을 공급할 수 있는 충분한 전기를 생산합니다!

그렇다면 이 모든 힘은 어디로 가는 것일까? 그것은 트럭에 있는 4개의 거대한 전기 모터에 들어갑니다.

트럭은 기차에서 가장 무거운 물건입니다. 각 트럭의 무게는 37,000파운드 (16,783kg)입니다. 트럭은 여러 가지 일을 합니다. 그들은 기관차의 무게를 지지합니다. 그들은 추진력, 서스펜션 및 제동을 제공합니다. 당신이 상상할 수 있듯이, 그들은 엄청난 구조입니다.

추진

견인 모터는 바퀴에 추진력을 제공한다. 각 축에 하나씩 있습니다. 각 모터는 액슬 샤프트의 더 큰 기어와 맞물리는 작은 기어를 구동합니다. 이것은 모터가 최대 110mph의 속도로 열차를 운전할 수 있도록 하는 기어 감소를 제공합니다.

각 모터의 무게는 6,000파운드(2,722kg)이며 최대 1,170암페어의 전류를 소비할 수 있습니다.

보류

트럭은 또한 기관차에 서스펜션을 제공합니다. 기관차의 무게는 크고 둥근 베어링 에 달려 있어 트럭이 회전할 수 있도록 하여 기차가 회전할 수 있습니다. 피벗 아래에는 플랫폼 위에 놓인 거대한 판 스프링 이 있습니다. 플랫폼은 트럭 어셈블리에 연결 되는 4개의 거대한 금속 링크 로 매달려 있습니다. 이 링크를 통해 기관차가 좌우로 흔들릴 수 있습니다.

기관차의 무게는 판 스프링 에 달려 있는데 , 판 스프링 은 범프를 지날 때 압축됩니다. 이것은 기관차의 몸체를 범프에서 분리합니다. 링크를 통해 트랙의 변동에 따라 트럭이 좌우로 이동할 수 있습니다. 트랙은 완벽하게 직선이 아니며 고속에서 트럭이 측면으로 스윙할 수 없다면 트랙의 작은 변화로 인해 거친 승차감을 만들 수 있습니다. 또한 이 시스템은 각 레일의 무게를 상대적으로 동일하게 유지하여 트랙과 바퀴의 마모를 줄입니다.

제동은 자동차 드럼 브레이크 와 유사한 메커니즘에 의해 제공됩니다 . 공기 구동 피스톤 기차 바퀴의 외 표면에 대해 패드를 민다.

기계식 브레이크와 함께 기관차에는 동적 제동 기능이 있습니다. 이 모드에서 4개의 트랙션 모터 각각은 발전기처럼 작동하며 기차의 바퀴를 사용하여 모터에 토크를 적용하고 전류를 생성합니다. 바퀴가 모터를 돌리기 위해 적용하는 토크는 기차를 느리게 합니다(모터가 바퀴를 돌리는 대신 바퀴가 모터를 돌립니다). 생성된 전류(최대 760A)는 전류를 열로 바꾸는 거대한 저항 메쉬로 라우팅됩니다. 냉각 팬은 메쉬를 통해 공기를 빨아들여 기관차 상단으로 불어냅니다. 이는 사실상 세계에서 가장 강력한 헤어드라이어입니다.

후위 트럭에 또한이 핸드 브레이크 - 예, 심지어 기차가 손 브레이크가 필요합니다. 브레이크는 공기로 구동되기 때문에 압축기가 작동하는 동안에만 작동할 수 있습니다. 열차가 잠시 정지된 경우 브레이크를 계속 걸기 위한 공기 압력이 없습니다. 핸드 브레이크와 공기 압력 저장소의 안전 장치가 없으면 엄청난 무게와 바퀴와 트랙 사이의 매우 낮은 구름 마찰로 인해 약간의 경사로도 기차가 움직이기에 충분합니다.

핸드 브레이크는 체인을 당기는 크랭크입니다. 체인을 조이려면 크랭크를 여러 번 돌려야 합니다. 체인은 피스톤을 당겨 브레이크를 작동시킵니다.

그냥 운전실에 올라타는 것이 아니라 키를 돌리고 디젤 기관차를 타고 가십시오. 기차에 시동을 거는 것은 차에 시동을 거는 것보다 조금 더 복잡합니다.

엔지니어는 8피트(2.4m) 사다리를 타고 운전실 뒤의 복도로 들어갑니다. 그 또는 그녀는 배터리를 시동 회로에 연결 하는 칼 스위치 (오래된 프랑켄슈타인 영화에 나오는 것과 같은)를 작동시킵니다. 그런 다음 엔지니어는 회로 차단기 패널에서 약 100개의 스위치를 켜서 조명에서 연료 펌프에 이르기까지 모든 것에 전력을 공급합니다.

다음으로, 엔지니어는 복도를 따라 기관실로 걸어갑니다. 그는 연료 시스템을 프라이밍하는 스위치를 돌려서 시스템에서 모든 공기를 빼냅니다. 그런 다음 스위치를 다른 방향으로 돌리면 스타터 모터가 작동합니다. 엔진이 회전하고 작동하기 시작합니다.

다음으로 그는 운전실로 가서 게이지를 모니터링하고 압축기가 브레이크 시스템에 압력을 가하면 브레이크를 설정합니다. 그런 다음 그는 핸드 브레이크를 풀기 위해 기차 뒤쪽으로 향할 수 있습니다.

마침내 그는 택시로 돌아가 그곳에서 통제권을 넘겨받을 수 있습니다. 기차의 차장에게 이동 허가를 받으면 계속 울리는 벨을 누르고 공기 경적을 두 번 울립니다 (앞으로 이동함을 나타냄).

스로틀 컨트롤에는 8개의 위치와 유휴 위치가 있습니다. 각 스로틀 위치를 " 노치 "라고 합니다 . 노치 1이 가장 느린 속도이고 노치 8이 최고 속도입니다. 기차를 움직이기 위해 엔지니어는 브레이크를 풀고 스로틀을 노치 1에 놓습니다.

이 General Motors EMD 710 시리즈 엔진에서 스로틀을 노치 1에 놓으면 접촉기 세트 (거대 전기 계전기 )가 작동합니다. 이 접촉기는 주 발전기를 견인 모터에 연결합니다. 각 노치는 서로 다른 접촉기 조합을 사용하여 서로 다른 전압을 생성합니다. 접촉기의 일부 조합은 발전기 권선의 특정 부분을 직렬 구성으로 만들어 더 높은 전압을 발생시킵니다. 다른 사람들은 특정 부품을 병렬로 배치하여 전압을 낮춥니다. 견인 모터는 더 높은 전압에서 더 많은 전력을 생산합니다.

접촉기가 맞물리면 컴퓨터화된 엔진 제어 장치 가 연료 분사 장치 를 조정하여 더 많은 엔진 출력을 생성하기 시작합니다.

브레이크 제어는 브레이크 슈에 압력을 적용하기 위해 브레이크 실린더 내의 공기 압력을 변화한다. 동시에 모터를 사용하여 열차 속도를 늦추는 동적 제동과 혼합됩니다.

엔지니어는 또한 많은 다른 제어 장치와 표시등을 가지고 있습니다.

전산화된 판독값은 기관차 전체에 있는 센서의 데이터를 표시합니다. 엔지니어나 정비사에게 문제 진단에 도움이 되는 정보를 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 연료 라인의 압력이 너무 높아지면 연료 필터가 막혔을 수 있습니다.

이제 열차 내부를 살펴보겠습니다.

여객 열차 내부의 숙박 시설은 상당히 호화롭습니다. 이 기차는 Piedmont 이며 Raleigh에서 North Carolina의 Charlotte까지 매일 운행됩니다. 이 열차의 좌석은 항공사 좌석보다 뒤로 젖혀지고 다리 공간이 더 넓습니다. 발판도 있습니다.

기차를 타는 것이 비행기보다 느릴 수 있지만 확실히 훨씬 더 편안합니다. 걸을 수 있는 공간이 넉넉하고, 다이닝카에서 식사를 하거나 라운지 카의 꼭대기에서 전망을 바라볼 수 있다. 일부 열차에는 일등석 승객을 위한 개인실도 있습니다.

디젤 기관차 및 관련 주제에 대한 자세한 내용은 다음 페이지의 링크를 확인하십시오.

디젤 기관차는 어떻게 작동합니까?

디젤 기관차는 몇 마력입니까?

하이브리드 디젤 기관차와 기존 기관차의 차이점은 무엇입니까?

기관차에 디젤 동력을 공급하는 이유는 무엇입니까?

기차에는 왜 강철 바퀴가 있습니까?

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