وقتی صحبت از دنیای حملونقل سنگین به میان میآید، بدون شک پیشرانههای دیزلی حرف اول و آخر را میزنند. از کشندههای بزرگ جادهای گرفته تا قطارهای چند هزار تنی، همگی برای جابهجایی بارهای غولآسا به گشتاور بیپایان سوخت دیزل متکی هستند. در نگاه اول ممکن است تصور شود که موتور یک لوکوموتیو قطار صرفاً نسخه بسیار بزرگتری از همان موتوری است که زیر کاپوت یک کامیون سنگین قرار دارد زیرا هر دو از سوخت گازوئیل استفاده میکنند و هدف اصلیشان تولید حداکثر گشتاور در دورهای پایین است اما این شباهت در همینجا به پایان میرسد زیرا نحوه عملکرد، مهندسی انتقال قدرت، مقیاس و معماری فنی پیشرانه قطار با موتور کامیون زمین تا آسمان تفاوت دارد. درحالیکه موتور کامیون طوری طراحی شده که مستقیم به یک گیربکس مکانیکی متصل شود و پاسخگوی تغییرات لحظهای سرعت در جاده باشد، پیشرانه قطار درواقع نیروگاهی در یک سامانه ژنراتوری پیچیده است.
پیشرانه دیزلی قطار چطور کار میکند؟
برخلاف آنچه بسیاری تصور میکنند، در اکثر لوکوموتیوها، نیروی موتور دیزلی بهطور مستقیم به چرخهای قطار منتقل نمیشود. قوای محرکه لوکوموتیوها دیزل-الکتریک نام دارد که در آن، موتور دیزلی عظیمالجثه نقش ژنراتور تولید برق را بر عهده دارد. در این سیستم، میللنگ موتور دیزلی یک ژنراتور غولپیکر را میچرخاند تا نیروی مکانیکی خروجی از موتور را به جریان الکتریکی با ولتاژ و آمپراژ بسیار بالا تبدیل کند. این جریان برق پس از عبور از سامانههای کنترلی و اینورترها، به سمت موتورهای الکتریکی کششی که مستقیماً روی محور چرخهای قطار نصب شدهاند هدایت میشود و درنهایت این موتورهای برقی هستند که قطار را به حرکت درمیآورند.
تفاوت اصلی این سیستم با موتور کامیون در همین زنجیره انتقال قدرت نهفته است. در کامیونها نیروی تولیدی موتور دیزلی از طریق گیربکس، گاردان و دیفرانسیل به چرخها میرسد اما در قطار هیچ خبری از گیربکس و گاردان نیست و بجای آن از ژنراتور و موتورهای برقی استفاده میشود. موتور دیزلی قطار بهجای اینکه مانند کامیون بهطور مداوم با تغییر دنده و تغییر سرعت خودرو، دور موتور را کموزیاد کند، در چند بازهٔ مشخص کار میکند. درواقع موتور دیزلی در بهینهترین و پربازدهترین دور ممکن کار میکند و تنظیم سرعت قطار تنها با کنترل جریان برق ارسالی به موتورهای کششی صورت میپذیرد.
چرا نیروی موتور قطار مثل کامیون به چرخها منتقل نمیشود؟
دلیل اصلی عدم استفاده از سیستم انتقال قدرت مکانیکی کامیون در قطار، به گشتاور عظیم و استهلاک فوقالعاده بالا مربوط میشود. یک قطار باری ممکن است وزنی بین ۵ تا بیش از ۲۰ هزار تن داشته باشد و برای به حرکت درآوردن چنین وزنی از حالت سکون کامل، به گشتاوری فوقالعاده سنگین نیاز است. اگر بنا بر انتقال نیروی موتور دیزلی قطار به چرخها از طریق گیربکس باشد، برای انتقال گشتاور چند ده هزار نیوتنمتری به کلاچی با ابعاد یک اتاق و دندههایی غولپیکر نیاز است که در اولین لحظه درگیر شدن برای حرکت قطار، اصطکاک و گرمای تولیدشده کلاچ را در چند ثانیه ذوب و خرد میکرد.
از طرفی موتورهای دیزلی غولپیکر محدوده دور موتور بسیار محدودی در حدود ۳۰۰ تا ۱,۰۰۰ rpm دارند و برای پوشش دادن سرعتهای مختلف با چنین محدوده دور محدودی، به یک گیربکس با دهها دنده مکانیکی با ابعاد بسیار بزرگ نیاز است. در مقابل، موتورهای برقی این خاصیت ذاتی را دارند که در حالت سکون کامل، حداکثر گشتاور خود را ارائه میدهند. سیستم دیزل-الکتریک اجازه میدهد موتور دیزل بدون فشار ناگهانی در دور بهینه کار کند، برق تولید کند و موتورهای الکتریکی نرمترین و پرقدرتترین شروع حرکت را فراهم کنند. در کامیونها به دلیل وزن بسیار کمتر و ابعاد محدود شاسی، اضافه کردن ژنراتور و موتور برقی وزن خالص را بهشدت بالا میبرد و ظرفیت بارگیری را کاهش میدهد اما در قطار، وزن سنگین لوکوموتیو برای ایجاد چسبندگی روی ریلهای فلزی کاملاً ضروری است.
تفاوت قدرت و حجم
مقایسه اعداد و ارقام فنی پیشرانه یک کامیون کشنده مدرن جادهای با یک لوکوموتیو باری، بهخوبی مقیاس متفاوت مهندسی این دو ماشین را نشان میدهد. موتور یک کامیون سنگین مدرن معمولاً حجمی بین ۱۲ تا ۱۶ لیتر دارد اما در مقابل، حجم موتور یک لوکوموتیو باری مدرن بین ۱۳۰ تا ۱۸۰ لیتر است. این یعنی حجم یک سیلندر از موتور قطار بهتنهایی میتواند از کل حجم موتور یک کامیون بزرگتر باشد! از نظر معماری، موتور کامیونها بهطورمعمول بهصورت شش سیلندر خطی یا در برخی مدلهای خاص بهصورت هشت سیلندر V شکل ساخته میشوند درحالیکه موتورهای دیزلی قطار به دلیل نیاز به حجم بسیار بالا، بهصورت دوازده، شانزده یا حتی بیست سیلندر V شکل طراحی میشوند.
از نظر خروجی توان نیز تفاوت فاحشی میان این دو موتور دیزلی وجود دارد. موتور یک کامیون سنگین قدرتمند بین ۵۰۰ تا ۷۵۰ اسب بخار قدرت تولید میکند که برای کشیدن ۴۰ تا ۶۰ تن بار در جاده کاملاً کافی است اما پیشرانه دیزلی یک لوکوموتیو بین ۳۰۰۰ تا ۴۵۰۰ اسب بخار قدرت تولید کرده و گشتاور خروجی میللنگ آن به بیش از ۱۵ تا ۲۰ هزار نیوتنمتر میرسد که البته پس از تبدیل به نیروی الکتریکی و انتقال به چرخها، نیروی کششی معادل چند صد هزار نیوتن ایجاد میکند. وزن خالص موتور کامیون حدود ۱۰۰۰ تا ۱۵۰۰ کیلوگرم است، درحالیکه وزن پیشرانه دیزلی قطار به ۱۵ تا ۲۵ تن میرسد. درنهایت میتوان گفت هرچند قلب تپنده هر دو وسیله یک موتور درونسوز دیزلی است اما درحالیکه کامیون متکی بر گیربکس مکانیکی است، لوکوموتیو قطار یک نیروگاه برق متحرک روی ریل محسوب میشود.