Silniki pociągów towarowych opierają się prawie wyłącznie na silnikach wysokoprężnych. Pierwsze drogowe lokomotywy towarowe z silnikami wysokoprężnymi weszły do użytku w latach 30. XX wieku, a liczba pociągów napędzanych silnikami wysokoprężnymi w USA przekroczyła 1 000 w 1940 roku – większość do obsługi pasażerów.
Według najnowszych dostępnych danych amerykańskiego Biura Statystyk Transportu (BTS), na koniec 2018 roku w Stanach Zjednoczonych działało nieco ponad 26 000 lokomotyw towarowych i 431 lokomotyw kolei pasażerskiej AMTRAK. Inne stanowe agencje tranzytowe obsługiwały regionalne usługi kolejowe napędzane w przeważającej mierze silnikami diesla. Z wyjątkiem kilku pasażerskich linii kolejowych, które są zelektryfikowane (Amtrak’s Northeast corridor i Harrisburg, PA line), pozostała część kolei pasażerskiej i cała kolej towarowa w USA jest napędzana silnikiem diesla zużywającym 65 milionów galonów oleju napędowego w 2018 r.
While przeciętny silnik samochodowy ma dziś około 200 KM, silniki lokomotyw zwykle zaczynają się od dziesięciokrotności tej kwoty. Operatorzy pociągów polegają na mocy diesla w pełnym zakresie zastosowań energii kolejowej:
- Najmniejsze silniki lokomotyw (do 2000 KM) są używane w operacjach zwrotnicowych w stacjach towarowych do montażu i demontażu pociągów lub są używane w krótkich ciągach małych pociągów.
- Najmocniejsze silniki lokomotyw (do 4500 koni mechanicznych) są wykorzystywane przede wszystkim w dalekobieżnych pociągach towarowych przez pięć amerykańskich kolei klasy I, operatorów krótkodystansowych i lokomotywy kolei pasażerskich AMTRAK.
Silniki wysokoprężne mają znaczące zalety ekonomiczne w porównaniu z innymi źródłami zasilania lokomotyw. Ponadto, lokomotywy spalinowe szybko przyspieszają i pracują z dużymi prędkościami przy minimalnym uszkodzeniu torów. Funkcjonują one z podobną wydajnością jak lokomotywy elektryczne, ale nie wymagają inwestycji kapitałowych w podstacje i sieci dystrybucji energii elektrycznej.
Regulacje i normy
Przemysł silników wysokoprężnych i producenci pojazdów szynowych nadal inwestują środki i czynią postępy w kierunku produkcji najczystszej możliwej technologii kolejowej. Technologia silników wysokoprężnych w lokomotywach kolejowych znacznie się rozwinęła w ostatnich latach. Oszczędność paliwa wzrosła o 61 procent od 1980 roku.
W 2004 roku amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA) wydała ostateczne przepisy Nonroad Diesel Rule, które będą wymagać od silników kolejowych spełnienia surowych norm jakości powietrza. Jako część tego standardu, pociągi będą musiały działać przy użyciu oleju napędowego o niskiej zawartości siarki, które zmniejszają emisję siarki o 99 procent. Te ulepszenia w zakresie paliwa przyniosą natychmiastowe i znaczące korzyści dla środowiska i zdrowia publicznego.
W tym samym czasie, czyste normy kolejowe będą również wymagać zastosowania zaawansowanych technologii kontroli emisji, podobnych do tych, które są już stosowane w ciężkich ciężarówkach i autobusach z silnikami wysokoprężnymi. Dostępność czystego nie-drogowego oleju napędowego oznacza, że zaawansowana technologia kontroli emisji czystego oleju napędowego zmniejszy emisje NOx i PM o 90 procent z nowych silników kolejowych.
Dzisiaj transformacja do prawie zerowej emisji w silnikach lokomotyw dla każdego zastosowania jest zakończona, z nowymi silnikami produkowanymi od 2015 roku teraz osiągnąć U.S. EPA Tier 4 przepisów emisji zarówno dla cząstek stałych i tlenków azotu. Wymiana jednej starszej lokomotywy przestawczej na nowy silnik wysokoprężny spełniający normę Tier 4 o niemal zerowej emisji może przynieść takie same korzyści w zakresie redukcji emisji, jak wycofanie z ruchu 8000 samochodów na rok.
Zaawansowana technologia kolejowa zapewnia korzyści w zakresie czystego powietrza i klimatu
Choć nowe rozwiązania wysokoprężne spełniające normę Tier 4 o niemal zerowej emisji dla kolei pasażerskiej i towarowej są już dostępne, wprowadzenie ich do floty lokomotyw może zająć trochę czasu. Badania potwierdzają, że silniki lokomotyw są eksploatowane średnio przez ponad 50 lat. Oznacza to, że istnieje duża populacja znacznie starszych silników zaprojektowanych przed wprowadzeniem norm emisji spalin, które nadal są w użyciu. Wymiana tych znacznie starszych lokomotyw na nowe silniki Diesla o niemal zerowej emisji może zrobić wiele, aby natychmiast zmniejszyć emisje w społecznościach, którym służą.
Globalny producent lokomotyw Siemens współpracował z producentem silników, Cummins, w celu opracowania lokomotywy o niemal zerowej emisji dla starzejącej się floty AMTRAK. Siedemdziesiąt pięć nowych lokomotyw AMTRAK Charger ma wejść do służby w 2021 roku, napędzanych potężnymi silnikami wysokoprężnymi Cummins QSK90 o mocy 4000 KM, aby zmniejszyć emisję zanieczyszczeń o 90 procent i zaoszczędzić paliwo. Oczekuje się, że te nowe, bardziej wydajne silniki wysokoprężne zmniejszą emisję C02 o 10 procent.
Silniki wysokoprężne są zdolne do integracji systemów hybrydowych i nie ma powodu, dla którego lokomotywy nie mogłyby skorzystać z tych postępów. Silniki wysokoprężne o niemal zerowej emisji spalin w połączeniu z technologią oszczędzania i magazynowania energii zapewniają doskonałe wyniki w zakresie ochrony środowiska. Producent silników MTU opracował hybrydowy system PowerPak, który można dostosować do każdego zastosowania kolejowego, aby zapewnić 25-procentową redukcję emisji CO2 wraz z korzyściami środowiskowymi Tier 4.
Uczenie maszynowe może sprawić, że duże maszyny będą bardziej wydajne. ProgressRail, oddział producenta sprzętu Caterpillar, zintegrował zaawansowane elektroniczne układy sterowania w najnowszych projektach lokomotyw, które łączą korzyści związane z redukcją emisji Tier 4 bliskie zeru z wydajnością pozwalającą na oszczędność paliwa. Jeśli kiedykolwiek widziałeś lokomotywę w akcji, być może zauważyłeś kilka lokomotyw pracujących w zespole w celu przemieszczania wagonów pasażerskich lub kolejowych. Najnowsze innowacje elektroniczne pozwalają tym silnikom pracować tak wydajnie, jak to tylko możliwe i eliminują pracę na biegu jałowym, zapewniając doskonałe wyniki w zakresie oszczędności paliwa.
Oryginalny silnik wysokoprężny opatentowany przez Rudolpha Diesla ponad 100 lat temu został zaprojektowany do pracy na biopaliwach. Dziś to samo dotyczy starych i nowych silników wysokoprężnych, które mogą pracować na odnawialnym oleju napędowym i wysokiej jakości mieszankach biodiesla, zapewniając znaczącą redukcję emisji gazów cieplarnianych. VirginAtlantic obsługujący szybką kolej pasażerską Brightline na Florydzie zobowiązał się do stosowania biodiesla w celu zmniejszenia emisji dwutlenku węgla podczas podróży o 20 procent.