Proč dieselové elektrické vlaky vyžadují motor i elektromotory? A kam do rovnice zapadají turbodmychadla? Odpovědi mohou být překvapivé.
Publikováno 14. února 2023, za poplatek! redakční tým
V průběhu minulého století a více výrobci vozidel experimentovali a usadili se na široké škále různých pohybů a pohybů zdroje paliva, od síla páry, na spalovací motor, k elektromotorům. Někdy, jako s dieselové elektrické vlaky, vozidla disponují více než jednou technologií pro poskytování nejúčinnějšího hnacího ústrojí.
V případě dieselových elektrických vlaků se dieselový motor používá k výrobě elektřiny, která pohání elektromotory, které zase pohánějí lokomotivu. To vyvolává spoustu otázek: Proč nepohánět vlak jednoduše pomocí motoru? Nebo proč nenapájet motory pomocí baterií nebo externího napájecího vedení? Jaké jsou výhody kombinace více než jedné technologie?
Použití dieselových motorů místo elektrického vedení nebo baterií
Elektromobily jsou stále rozšířenější, ale způsob jejich pohonu se mezi vozidly liší. Zatímco elektromobily nebo autobusy jsou obecně poháněny bateriemi, vlaky – které jezdí na delší vzdálenosti po dlouhou dobu – vyžadují zdroj energie, který lépe vyhovuje jejich specifickým požadavkům.
Mnoho elektrických lokomotiv získává energii potřebnou k napájení svých elektromotorů z elektrického vedení, které vede podél trati – buď přímo na zemi, nebo ve formě nadzemního elektrického vedení. To však není vždy možné nebo ekonomicky životaschopné, a proto existují také dieselové elektrické vlaky.
Tam, kde není možné elektrické vedení, je generování energie pro elektromotory pomocí dieselového motoru obzvláště efektivní a poskytuje řadu výhod, kterým se řešení, jako jsou baterie, nemohou rovnat.
Aby vlaky ujely stovky nebo tisíce mil na jeden průjezd, vyžadovaly by obrovské množství baterií, například by zvýšily hmotnost, snížily rychlost, kapacitu nákladu a zvýšily prostoje s nutností nabíjení mezi cestami nebo během nich.
Vznětový motor je relativně cenově dostupné a flexibilní řešení pro výrobu energie. Vyžaduje malý prostor ve vlaku, lze jej rychle natankovat téměř kdekoli na světě a snadno jej udržují zkušení technici. A na rozdíl od plně elektrických vlaků mohou dieselové elektrické vlaky jezdit tam, kde elektrické vedení není možné.
Proč tedy používat elektromotory?
Je snadné vidět výhody dieselových motorů jako prostředku k výrobě energie, ale proč vůbec představovat cenu a složitost elektromotorů a proč nepoužít k pohonu vlaku pouze dieselový motor? Vše se týká účinnosti; elektromotory jsou mnohem účinnější než spalovací motory, pokud jde o vytváření mechanické energie, a to je zvláště důležité u vlaků.
Povaha železnice stop-start a potřeba přesunout tisíce tun se ideálně hodí pro výkonné elektromotory s vysokým točivým momentem, které nevyžadují mechanickou převodovku, spojky nebo jiné díly, které mohou snadno selhat nebo se předčasně opotřebovat. testovacích podmínkách, zatímco dieselový motor může místo toho běžet při konstantní zátěži, kde je méně ovlivněn náročnějšími provozními podmínkami.
To znamená vyšší účinnost, nižší spotřebu paliva a nižší emise. A protože motor potřebuje pohánět pouze elektromotory, nikoli celý vlak, snižuje se riziko poruch.
Použití turbodmychadel pro ještě vyšší účinnost
Stejně jako u spalovacích motorů, které se používají tradičnějšími způsoby, jsou motory používané jako generátory energie v dieselových elektrických vlacích také výrazně účinnější díky použití turbodmychadel.
Přeplňování turbodmychadlem může poskytnout až o 400 % vyšší výkon než atmosférický motor podobné velikosti, což umožňuje výrobcům používat menší motory bez dopadu na výkon, ale tím výhody nekončí. Použití nucené indukce přináší potenciál ušetřit značné množství paliva a zároveň snížit emise.
Naši zákazníci také viděli výhody používání turbodmychadel v náročnějších podmínkách, jako je jízda na železnici Golmud-Lhasa, v srdci Tibetské náhorní plošiny, kde extrémní teploty a nadmořská výška podrobují stroje nejvyšší zkoušce.
V tomto případě jsme spolupracovali s CRRC Dalian na optimalizaci jeho lokomotiv pomocí turbodmychadla TPR61-F, čímž jsme výrazně zvýšili přívod vzduchu do naftového válce. V důsledku toho vznětový motor těžil ze zlepšené teploty výfukových plynů a spotřeby paliva na plošině, snížení emisí kouře a také zvýšení spolehlivosti a účinnosti motoru.
I když se tedy může zdát, že kombinace technologií, jako jsou elektromotory, spalovací motory a turbodmychadla, je složité řešení, v některých případech je také nejspolehlivější a nejefektivnější.
Účinnost diesel-elektrárny ve srovnání s jinými typy systémů výroby energie se může lišit v závislosti na několika faktorech, včetně velikosti generátoru, podmínek zatížení a konkrétní použité technologie.
Dieselové elektrárny jsou však obecně známé pro své příznivé charakteristiky účinnosti.
Zde je podrobný popis jejich účinnosti a srovnání s jinými typy elektráren:
Tepelná účinnost:
Diesel-elektrické generátory mají obvykle vysokou tepelnou účinnost, která měří, jak efektivně přeměňují energii v palivu na mechanickou a elektrickou energii.
Dieselové motory pracují s vyššími kompresními poměry než benzinové motory, což vede k lepší tepelné účinnosti. To znamená, že značná část energie v motorové naftě se přemění na užitečnou práci.
Přeměna paliva na výkon:
Dieselové motory jsou vhodné pro přeměnu paliva na výkon, protože spoléhají na kompresní zapalování.
Tento způsob spalování umožňuje lepší kontrolu směsi vzduchu a paliva, což vede k účinné přeměně energie.
Variabilita účinnosti:
Účinnost diesel-elektrických generátorů se může lišit v závislosti na podmínkách zatížení. Bývají nejúčinnější, když běží blízko své jmenovité kapacity.
Při nižších zátěžích může účinnost poněkud klesat v důsledku faktorů, jako je nedokonalé spalování a ztráty třením.
Srovnávací účinnost:
Z hlediska účinnosti jsou dieselelektrické elektrárny ve srovnání s jinými typy elektráren příznivější. Často jsou účinnější než starší, méně pokročilé technologie, jako jsou parní elektrárny.
Mohou však mít mírně nižší tepelnou účinnost ve srovnání s moderními elektrárnami na zemní plyn s kombinovaným cyklem, které mohou dosahovat velmi vysoké úrovně účinnosti.
Zásah do životního prostředí:
Zatímco dieselelektrické elektrárny mohou být vysoce účinné z hlediska přeměny energie, je nezbytné vzít v úvahu jejich dopad na životní prostředí.
Dieselové motory mohou vypouštět škodliviny, jako jsou oxidy dusíku (NOx) a pevné částice.
Dosažení vysoké tepelné účinnosti by proto mělo být vyváženo opatřeními k omezení emisí, aby se minimalizovala jejich ekologická stopa.
Zlepšení účinnosti:
Pokroky v technologii motoru, včetně přeplňování turbodmychadlem, vstřikování paliva Common Rail a systémů elektronického řízení motoru, v průběhu let zlepšily účinnost dieselových motorů.
Kromě toho byly vyvinuty systémy následného zpracování výfukových plynů, jako je selektivní katalytická redukce (SCR) a filtry pevných částic (DPF), aby se snížily emise bez výrazného snížení účinnosti.
Schopnost sledovat zatížení:
Diesel-elektrické generátory mohou efektivně sledovat kolísání zátěže, což je důležité pro aplikace s měnícími se požadavky na výkon.
Tato flexibilita jim umožňuje udržovat relativně vysokou účinnost, i když se zátěž během dne mění.
Kombinovaná výroba tepla a elektřiny (CHP):
V některých aplikacích lze dieselelektrické generátory použít pro systémy kombinované výroby tepla a elektřiny (CHP), kde se odpadní teplo z motoru zachycuje a využívá pro účely vytápění nebo chlazení.
Toto využití odpadního tepla může výrazně zlepšit celkovou energetickou účinnost.
Stručně řečeno, dieselelektrické elektrárny obecně nabízejí konkurenceschopnou účinnost ve srovnání s jinými typy systémů výroby energie, zejména pokud vezmeme v úvahu jejich schopnost poskytovat spolehlivou a rychlou záložní energii.
Je však zásadní vyvážit jejich výhody v oblasti účinnosti s opatřeními na kontrolu emisí, aby se minimalizoval jejich dopad na životní prostředí, zejména v aplikacích, kde jsou emise problémem.
Kromě toho se specifická účinnost dieselelektrické elektrárny může lišit v závislosti na faktorech, jako jsou podmínky zatížení a stáří a technologie generátoru.
