locomotora diésel

Uno de los primeros vehículos diésel desarrollados en China fue el Dongfeng DMU (东风), producido en 1958 por CSR Sifang . La producción en serie de la primera locomotora diésel de China, la DFH1 , comenzó en 1964 tras la construcción de un prototipo en 1959.

En Japón, a partir de la década de 1920, se produjeron algunos automotores diésel-eléctricos. La primera tracción diésel-eléctrica y los primeros vehículos con flujo de aire en las vías japonesas fueron las dos DMU3 de la clase Kiha 43000 (キハ43000系). ^{[ 18 ]} La primera serie de locomotoras diésel de Japón fue la clase DD50 (国鉄DD50形), locomotoras gemelas, desarrolladas desde 1950 y en servicio desde 1953. ^{[ 19 ]}

En 1914, los primeros automotores diésel-eléctricos funcionales del mundo fueron fabricados para los Ferrocarriles Estatales Reales de Sajonia ( Königlich-Sächsische Staatseisenbahnen ) por Waggonfabrik Rastatt, con equipos eléctricos de Brown, Boveri & Cie y motores diésel de la empresa suiza Sulzer AG . Fueron clasificados como DET 1 y DET 2 ( de.wiki ). Debido a la escasez de productos derivados del petróleo durante la Primera Guerra Mundial, permanecieron sin uso en el servicio regular en Alemania. En 1922, fueron vendidos a la empresa suiza Compagnie du Chemin de fer Régional du Val-de-Travers , donde prestaron servicio regular hasta la electrificación de la línea en 1944. Posteriormente, la compañía los mantuvo en servicio como automotores auxiliares hasta 1965.

Fiat afirma haber construido la primera locomotora diésel-eléctrica italiana en 1922, pero se dispone de poca información al respecto. Varias locomotoras diésel Fiat- TIBB Bo'Bo ' se construyeron para prestar servicio en la vía estrecha de 950  mm ( 3  pies 1 + 3/8 pulgadas )   de Ferrovie Calabro Lucane y la Società per le Strade Ferrate del Mediterrano en el sur de Italia en 1926, tras las pruebas realizadas en 1924-25. ^{[ 20 ]} El motor de seis cilindros y dos tiempos producía 440 caballos de fuerza (330 kW) a 500 rpm, accionando cuatro motores de CC, uno para cada eje. Estas locomotoras de 44 toneladas (43 toneladas largas; 49 toneladas cortas) con una velocidad máxima de 45 km/h (28 mph) resultaron bastante exitosas. ^{[ 21 ]}    

En 1924, dos locomotoras diésel-eléctricas entraron en servicio en los ferrocarriles soviéticos casi al mismo tiempo:

• La locomotora E ^el 2 ( número original E ^el 2 Юэ 001/Yu-e 001) entró en servicio el 22 de octubre. Fue diseñada por un equipo liderado por Yuri Lomonosov y construida entre 1923 y 1924 por Maschinenfabrik Esslingen en Alemania. Tenía cinco ejes motrices (1'E1'). Tras varias pruebas, remolcó trenes durante casi tres décadas, desde 1925 hasta 1954. ^{[ 22 ]} Se convirtió en un modelo para varias clases de locomotoras diésel soviéticas.
• La locomotora Shch -el 1 (número original Yu-e 2) entró en servicio el 9 de noviembre. Fue desarrollada por Yakov Modestovich Gakkel y construida por el astillero Baltic Shipyard en San Petersburgo . Contaba con diez ejes motrices distribuidos en tres bogies (1' Co' Do' Co' 1'). Entre 1925 y 1927, remolcó trenes entre Moscú y Kursk , así como en la región del Cáucaso . Posteriormente, debido a problemas técnicos, quedó fuera de servicio. Desde 1934, se utilizó como generador eléctrico estacionario.

En 1935, Krauss-Maffei , MAN y Voith construyeron en Alemania la primera locomotora diésel-hidráulica, denominada V 140. La tracción diésel-hidráulica se convirtió en la norma en las locomotoras diésel alemanas, ya que los ferrocarriles alemanes (DRG) quedaron satisfechos con el rendimiento de este motor. La producción en serie de locomotoras diésel en Alemania comenzó después de la Segunda Guerra Mundial.

En muchas estaciones de ferrocarril y complejos industriales, las locomotoras de maniobras a vapor debían mantenerse calientes durante las frecuentes pausas entre tareas cortas y dispersas. Por lo tanto, la tracción diésel resultó rentable para las maniobras antes de ser rentable para el transporte de trenes. La construcción de locomotoras de maniobras diésel comenzó en 1920 en Francia, en 1925 en Dinamarca, en 1926 en los Países Bajos y en 1927 en Alemania. Tras unos años de pruebas, se produjeron cientos de unidades en una década.

Los automotores diésel, generalmente diésel-mecánicos, fueron desarrollados por varios fabricantes europeos en la década de 1930, por ejemplo, por William Beardmore and Company para los Ferrocarriles Nacionales Canadienses (el motor Beardmore Tornado se utilizó posteriormente en el dirigible R101 ). Algunas de esas series para el tráfico regional comenzaron con motores de gasolina y luego continuaron con motores diésel, como el BC ^mot húngaro (el código de clase no indica nada más que "automotor con asientos de segunda y tercera clase"), 128 vagones construidos entre 1926 y 1937, o los autobuses ferroviarios alemanes Wismar (57 vagones entre 1932 y 1941). En Francia, el primer automotor diésel fue el Renault VH , 115 unidades producidas entre 1933 y 1934. En Italia, tras fabricar seis coches de gasolina desde 1931, Fiat y Breda construyeron muchos automotores diésel para ferrocarril, más de 110 entre 1933 y 1938 y 390 entre 1940 y 1953, de la Clase 772 conocida como Littorina y de la Clase ALn 900.

En la década de 1930, se desarrollaron en varios países automotores diésel aerodinámicos de alta velocidad:

• En Alemania, el Flying Hamburger se construyó en 1932. Tras una prueba en diciembre de 1932, este automotor diésel de dos vagones (en inglés, DMU2) entró en servicio en la Deutsche Reichsbahn (DRG) en febrero de 1933. Se convirtió en el prototipo de la clase SVT 137 de la DRG , junto con otras 33 unidades diésel múltiples de alta velocidad construidas para la DRG hasta 1938: 13 DMU 2 (serie "Hamburg"), 18 DMU 3 (series "Leipzig" y "Köln") y dos DMU 4 (serie "Berlin").
• Las clases XF 1000 y XF 1100 de la SNCF francesa estaban compuestas por 11 unidades diésel múltiples de alta velocidad, también llamadas TAR, construidas entre 1934 y 1939.
• En Hungría, la fábrica Ganz construyó el automotor ferroviario Arpád , una especie de autobús ferroviario de lujo, en una serie de siete unidades desde 1934, y comenzó a construir el Hargita en 1944.

En 1945, un lote de 30 locomotoras diésel-eléctricas Baldwin, modelo Baldwin 0-6-6-0 1000 , fue entregado desde Estados Unidos a los ferrocarriles de la Unión Soviética.

En 1947, la compañía ferroviaria London, Midland and Scottish Railway (LMS) introdujo la primera de un par de locomotoras diésel-eléctricas Co-Co de 1600 hp (1200 kW) (más tarde British Rail Clase D16/1 ) para uso regular en el Reino Unido, aunque fabricantes británicos como Armstrong Whitworth ya exportaban locomotoras diésel desde 1930. Las entregas de flotas a British Railways, de otros diseños como la Clase 20 y la Clase 31, comenzaron en 1957.  

La producción en serie de locomotoras diésel en Italia comenzó a mediados de la década de 1950. En general, la tracción diésel tenía menos importancia en Italia que en otros países, ya que se encontraba entre los países más avanzados en la electrificación de las líneas principales y la geografía italiana hacía que el transporte de mercancías por mar fuera más barato que el transporte ferroviario, incluso en muchas conexiones nacionales.

Adolphus Busch adquirió los derechos de fabricación en Estados Unidos del motor diésel en 1898, pero nunca aplicó esta nueva forma de energía al transporte. Fundó la empresa Busch-Sulzer en 1911. A principios del siglo XX, los vagones de ferrocarril con motor de combustión interna tuvieron un éxito limitado, debido, en parte, a las dificultades con los sistemas de transmisión mecánica. ^{[ 23 ]}

General Electric (GE) entró en el mercado de los vagones de ferrocarril a principios del siglo XX, ya que Thomas Edison poseía una patente sobre la locomotora eléctrica, cuyo diseño era en realidad un tipo de vagón de ferrocarril de propulsión eléctrica. ^{[ 24 ]} GE construyó su primer prototipo de locomotora eléctrica en 1895. Sin embargo, los altos costos de electrificación hicieron que GE centrara su atención en la energía de combustión interna para proporcionar electricidad a los vagones de ferrocarril eléctricos. Inmediatamente se encontraron problemas relacionados con la coordinación del motor primario y el motor eléctrico , principalmente debido a las limitaciones del sistema de control de corriente Ward Leonard que se había elegido. GE Rail se formó en 1907 y 112 años después, en 2019, fue comprada y se fusionó con Wabtec .

Un avance significativo se produjo en 1914, cuando Hermann Lemp , ingeniero eléctrico de GE, desarrolló y patentó un sistema de control fiable que controlaba el motor y el motor de tracción con una sola palanca; Lemp también patentó mejoras posteriores. ^{[ 25 ]} El diseño de Lemp resolvió el problema de la sobrecarga y el daño de los motores de tracción con un exceso de potencia eléctrica a bajas velocidades, y fue el prototipo de todos los sistemas de control de accionamiento eléctrico-combustión interna.

En 1917-1918, GE produjo tres locomotoras diésel-eléctricas experimentales utilizando el diseño de control de Lemp, las primeras conocidas construidas en Estados Unidos. ^{[ 26 ]} Tras este desarrollo, la Ley Kaufman de 1923 prohibió las locomotoras de vapor en la ciudad de Nueva York debido a los graves problemas de contaminación. La respuesta a esta ley fue electrificar las líneas ferroviarias de mayor tráfico. Sin embargo, la electrificación resultó antieconómica en zonas de menor tráfico.

El primer uso regular de locomotoras diésel-eléctricas fue en maniobras (de clasificación), que eran más tolerantes que las aplicaciones de línea principal a las limitaciones de la tecnología diésel contemporánea y donde la economía de ralentí del diésel en relación con el vapor sería más beneficiosa. GE inició una colaboración con American Locomotive Company (ALCO) e Ingersoll-Rand (el consorcio "AGEIR") en 1924 para producir un prototipo de locomotora "boxcab" de 300 hp (220 kW) entregado en julio de 1925. Esta locomotora demostró que la unidad de potencia diésel-eléctrica podía proporcionar muchos de los beneficios de una locomotora eléctrica sin que el ferrocarril tuviera que asumir el considerable gasto de la electrificación. ^{[ 27 ]} La unidad se demostró con éxito, en maniobras y servicio local de carga y pasajeros, en diez ferrocarriles y tres líneas industriales. ^{[ 28 ]} Westinghouse Electric y Baldwin colaboraron para construir locomotoras de maniobras a partir de 1929. Sin embargo, la Gran Depresión redujo la demanda de equipos eléctricos de Westinghouse, y dejaron de construir locomotoras internamente, optando en cambio por suministrar piezas eléctricas. ^{[ 29 ]}  

En junio de 1925, Baldwin Locomotive Works fabricó un prototipo de locomotora diésel-eléctrica para "usos especiales" (como para recorridos donde el agua para las locomotoras de vapor era escasa) utilizando equipo eléctrico de Westinghouse Electric Company . ^{[ 30 ]} Su diseño de doble motor no tuvo éxito y la unidad fue desguazada después de un breve período de pruebas y demostración. ^{[ 31 ]} Fuentes de la industria comenzaron a sugerir "las extraordinarias ventajas de esta nueva forma de fuerza motriz". ^{[ 32 ]} En 1929, Canadian National Railways se convirtió en el primer ferrocarril norteamericano en utilizar diésel en el servicio de línea principal con dos unidades, 9000 y 9001, de Westinghouse. ^{[ 33 ]} Sin embargo, estos primeros diésel resultaron caros y poco fiables, y su alto costo de adquisición en comparación con el vapor no se tradujo en ahorros en los costos operativos, ya que frecuentemente estaban fuera de servicio. Pasarían otros cinco años antes de que la propulsión diésel-eléctrica se utilizara con éxito en el servicio ferroviario principal, y casi diez años antes de que la sustitución total del vapor se convirtiera en una posibilidad real con la tecnología diésel existente.

Antes de que la energía diésel pudiera abrirse paso en el servicio ferroviario principal, era necesario superar las limitaciones de los motores diésel de alrededor de 1930  : baja relación potencia-peso y rango de potencia limitado . General Motors  emprendió un importante esfuerzo para superar estas limitaciones tras su entrada en el campo de los motores diésel con la adquisición de Winton Engine Company , un importante fabricante de motores diésel para aplicaciones marinas y estacionarias, en 1930. Con el apoyo de la División de Investigación de General Motors, Winton Engine Corporation, perteneciente a GM , buscaba desarrollar motores diésel adecuados para su uso móvil a alta velocidad. El primer hito en este esfuerzo fue la entrega, a principios de 1934, del Winton 201A, un motor diésel de dos tiempos , aspiración mecánica , barrido unidireccional e inyección unitaria , capaz de ofrecer el rendimiento requerido para un tren de pasajeros rápido y ligero. El segundo hito, y el que impulsó a los ferrocarriles estadounidenses a adoptar el diésel, fue la entrega en 1938 del motor Modelo 567 de GM , diseñado específicamente para su uso en locomotoras, que quintuplicó la vida útil de algunas piezas mecánicas y demostró su potencial para soportar las exigencias del servicio de carga. ^{[ 34 ]}

La locomoción ferroviaria diésel-eléctrica entró en servicio en las líneas principales cuando Burlington Route y Union Pacific utilizaron trenes diésel " streamliners " construidos a medida para transportar pasajeros, a partir de finales de 1934. ^{[ 23 ] [ 35 ]} Los trenes Zephyr de Burlington evolucionaron desde conjuntos articulados de tres vagones con  vagones motrices de 600 hp en 1934 y principios de 1935, hasta los trenes semiarticulados Denver Zephyr de diez vagones remolcados por conjuntos motrices con cabina de refuerzo introducidos a finales de 1936. Union Pacific comenzó el servicio de trenes diésel aerodinámicos entre Chicago y Portland, Oregón, en junio de 1935, y al año siguiente agregaría Los Ángeles, CA , Oakland, CA y Denver, CO a los destinos de los trenes diésel aerodinámicos que salían de Chicago. Los trenes aerodinámicos de Burlington y Union Pacific fueron construidos por Budd Company y Pullman-Standard Company , respectivamente, utilizando los nuevos motores Winton y sistemas de tren motriz diseñados por Electro-Motive Corporation de GM . Las locomotoras experimentales BB de 1800 hp de EMC de 1935 demostraron los sistemas de control de unidades múltiples utilizados para los conjuntos de cabina/motor auxiliar y el formato de doble motor empleado en las posteriores unidades de potencia Zephyr . Ambas características se utilizarían en las locomotoras de producción posteriores de EMC. Los trenes diésel ligeros aerodinámicos de mediados de la década de 1930 demostraron las ventajas del diésel para el servicio de pasajeros con tiempos de servicio revolucionarios, pero la potencia de las locomotoras diésel no alcanzaría su plena madurez hasta que comenzara la producción en serie regular de locomotoras diésel para líneas principales y se demostrara su idoneidad para el servicio de pasajeros y mercancías de gran tamaño.

Tras su prototipo de 1925, el consorcio AGEIR produjo 25 unidades más de locomotoras de maniobras AGEIR de cabina cerrada de 300 hp (220 kW) y "60 toneladas" entre 1925 y 1928 para varios ferrocarriles de la ciudad de Nueva York, convirtiéndose así en las primeras locomotoras diésel producidas en serie. ^{[ 36 ]} El consorcio también produjo siete locomotoras de cabina cerrada de dos motores y "100 toneladas" y una unidad híbrida de trolebús/batería con un circuito de carga accionado por diésel. ALCO adquirió la McIntosh & Seymour Engine Company en 1929 y entró en la producción en serie de unidades de maniobras de cabina simple de 300 hp (220 kW) y 600 hp (450 kW) en 1931. ALCO sería el constructor preeminente de locomotoras de maniobras hasta mediados de la década de 1930 y adaptaría el diseño básico de maniobras para producir locomotoras de carretera versátiles y muy exitosas, aunque de potencia relativamente baja.      

General Motors, al ver el éxito de las locomotoras aerodinámicas personalizadas, buscó expandir el mercado de la energía diésel mediante la producción de locomotoras estandarizadas a través de su filial Electro-Motive Corporation (EMC) . En 1936, la nueva fábrica de EMC comenzó la producción de locomotoras de maniobras. En 1937, la fábrica inició la producción de sus nuevas locomotoras de pasajeros aerodinámicas de la serie E , que serían mejoradas con motores más fiables y diseñados específicamente para este fin en 1938. Al observar el rendimiento y la fiabilidad del nuevo motor modelo 567 en las locomotoras de pasajeros, EMC estaba ansiosa por demostrar la viabilidad del diésel en el transporte de mercancías.

Tras la exitosa gira de 1939 del conjunto de locomotoras de carga de demostración FT de EMC , se sentaron las bases para la dieselización de los ferrocarriles estadounidenses. En 1941, ALCO-GE presentó la locomotora de maniobras RS-1 , que ocupó su propio nicho de mercado, mientras que las locomotoras de la serie F de EMD eran muy demandadas para el servicio de carga en las líneas principales. La entrada de Estados Unidos en la Segunda Guerra Mundial ralentizó la conversión a diésel; la Junta de Producción de Guerra detuvo la construcción de nuevos equipos de pasajeros y dio prioridad a la producción de motores diésel para usos navales. Durante la crisis del petróleo de 1942-1943 , las locomotoras de vapor alimentadas con carbón tenían la ventaja de no utilizar combustible que escaseaba gravemente. Posteriormente, se permitió a EMD aumentar la producción de sus locomotoras FT y a ALCO-GE producir un número limitado de locomotoras de línea DL-109 , pero la mayoría de los fabricantes de locomotoras se limitaron a producir locomotoras de maniobras y locomotoras de vapor.

En los primeros años de la posguerra, EMD dominaba el mercado de locomotoras de línea principal con sus series E y F. A finales de la década de 1940, ALCO-GE fabricaba locomotoras de maniobras y de línea que tuvieron éxito en el mercado de corta distancia. Sin embargo, en 1949, EMD lanzó sus locomotoras de maniobras de la serie GP , que desplazaron a todas las demás locomotoras del mercado de mercancías, incluidas sus propias locomotoras de la serie F. Posteriormente, GE disolvió su alianza con ALCO y se convirtió en el principal competidor de EMD a principios de la década de 1960, llegando a arrebatarle finalmente el liderazgo en el mercado de locomotoras.

Las primeras locomotoras diésel-eléctricas en los Estados Unidos utilizaban motores de tracción de corriente continua (CC), pero los motores de corriente alterna (CA) se generalizaron en la década de 1990, comenzando con la Electro-Motive SD70MAC en 1993 y seguida por la AC4400CW de General Electric en 1994 y la AC6000CW en 1995. ^{[ 37 ]}

La potencia de salida de una locomotora diésel-eléctrica es independiente de la velocidad, siempre que no se superen los límites de corriente y voltaje del generador. Por lo tanto, su capacidad para generar fuerza de tracción (también conocida como fuerza de tracción , que es lo que impulsa el tren) tenderá a variar inversamente con la velocidad dentro de estos límites. (Véase la curva de potencia a continuación). Mantener parámetros operativos aceptables fue una de las principales consideraciones de diseño que se tuvieron que resolver en las primeras etapas del desarrollo de las locomotoras diésel-eléctricas y, en última instancia, condujo a los complejos sistemas de control que se utilizan en las unidades modernas.

La potencia de salida del motor primario está determinada principalmente por su velocidad de rotación ( RPM ) y el caudal de combustible, que son regulados por un regulador o mecanismo similar. El regulador está diseñado para reaccionar tanto a la posición del acelerador, determinada por el conductor del motor, como a la velocidad a la que gira el motor primario (véase Teoría de control ).

La potencia de salida de la locomotora, y por lo tanto la velocidad, suele ser controlada por el maquinista mediante un acelerador escalonado o con muescas que produce señales eléctricas binarias correspondientes a la posición del acelerador. Este diseño básico se adapta bien a la operación de unidades múltiples (MU) al generar condiciones discretas que aseguran que todas las unidades de un convoy respondan de la misma manera a la posición del acelerador. La codificación binaria también ayuda a minimizar el número de líneas de tren (conexiones eléctricas) necesarias para transmitir señales entre unidades. Por ejemplo, solo se requieren cuatro líneas de tren para codificar todas las posiciones posibles del acelerador si hay hasta 14 etapas de aceleración.

Las locomotoras norteamericanas, como las fabricadas por EMD o General Electric , cuentan con ocho posiciones de aceleración o "muescas", además de un inversor que les permite operar en ambas direcciones. Muchas locomotoras fabricadas en el Reino Unido tienen un acelerador de diez posiciones. Los maquinistas suelen referirse a las posiciones de potencia según la configuración del acelerador, por ejemplo, "marcha 3" o "muesca 3".

En las locomotoras antiguas, el mecanismo del acelerador era de trinquete , lo que impedía avanzar más de una posición de potencia a la vez. El maquinista no podía, por ejemplo, mover el acelerador de la posición 2 a la 4 sin detenerse en la 3. Esta característica tenía como objetivo evitar maniobras bruscas del tren debido a aumentos repentinos de potencia causados ​​por movimientos rápidos del acelerador (lo que se conoce como "aceleración repentina", una infracción de las normas de operación en muchos ferrocarriles). Las locomotoras modernas ya no tienen esta restricción, ya que sus sistemas de control son capaces de modular la potencia de forma suave y evitar cambios bruscos en la carga del tren , independientemente de cómo el maquinista opere los controles.

Cuando el acelerador está en ralentí, el motor principal recibe una cantidad mínima de combustible, lo que provoca que gire a bajas revoluciones por minuto. Además, los motores de tracción no están conectados al generador principal y los devanados de campo del generador no están energizados; el generador no produce electricidad sin excitación. Por lo tanto, la locomotora estará en punto muerto. Conceptualmente, esto es lo mismo que poner la transmisión de un automóvil en punto muerto con el motor en marcha.

Para poner en marcha la locomotora, se coloca la palanca de inversión en la posición correcta (hacia adelante o hacia atrás), se suelta el freno y se mueve el acelerador a la posición de marcha 1 (la primera muesca de potencia). Un maquinista experimentado puede realizar estos pasos de forma coordinada, logrando un arranque prácticamente imperceptible. La colocación de la palanca de inversión y el movimiento del acelerador simultáneamente son similares a cambiar de marcha en la transmisión automática de un automóvil con el motor al ralentí.

Al colocar el acelerador en la primera posición de potencia, los motores de tracción se conectarán al generador principal y sus bobinas de campo se excitarán. Con la excitación aplicada, el generador principal suministrará electricidad a los motores de tracción, generando movimiento. Si la locomotora circula sin carga (es decir, sin estar acoplada al resto del tren) y no se encuentra en una pendiente ascendente, acelerará fácilmente. Por otro lado, si se está poniendo en marcha un tren largo, la locomotora podría detenerse en cuanto se haya tensado la tracción, ya que la resistencia ejercida por el tren superará la fuerza de tracción generada. Un maquinista experimentado podrá reconocer una posible parada y aumentará gradualmente el acelerador según sea necesario para mantener el ritmo de aceleración.

A medida que se mueve el acelerador a posiciones de mayor potencia, el caudal de combustible hacia el motor principal aumenta, lo que se traduce en un incremento correspondiente de las RPM y la potencia. Al mismo tiempo, la excitación del campo del generador principal aumenta proporcionalmente para absorber la mayor potencia. Esto se traduce en una mayor potencia eléctrica para los motores de tracción, con el consiguiente aumento de la fuerza de tracción. Finalmente, según las necesidades del horario del tren, el maquinista habrá movido el acelerador a la posición de máxima potencia y la mantendrá allí hasta que el tren haya acelerado hasta la velocidad deseada.

El sistema de propulsión está diseñado para generar el máximo par motor de tracción al arrancar, lo que explica por qué las locomotoras modernas son capaces de arrancar trenes que pesan más de 15 000 toneladas, incluso en pendientes ascendentes. La tecnología actual permite que una locomotora desarrolle hasta un 30 % de su peso en carga en fuerza de tracción, lo que equivale a 120 000 libras-fuerza (530 kN) de fuerza de tracción para una gran unidad de carga (mercancías) de seis ejes. De hecho, una composición de dichas unidades puede generar una fuerza de tracción más que suficiente al arrancar como para dañar o descarrilar vagones (si se encuentran en una curva) o romper acoplamientos (esto último se conoce en la jerga ferroviaria norteamericana como "dar un tirón fuerte"). Por lo tanto, es responsabilidad del maquinista controlar cuidadosamente la cantidad de potencia aplicada al arrancar para evitar daños. En particular, una sacudida pulmonar repentina podría ser un asunto catastrófico si ocurriera en una pendiente ascendente, salvo que la seguridad inherente al correcto funcionamiento de los frenos automáticos a prueba de fallos instalados en los vagones hoy en día evita que los trenes se descontrolen al aplicar automáticamente los frenos del vagón cuando disminuye la presión del aire en la línea férrea. 

El sistema de control de una locomotora está diseñado para que la potencia eléctrica del generador principal se ajuste a cualquier velocidad del motor. Dadas las características intrínsecas de los motores de tracción, así como la forma en que están conectados al generador principal, este producirá una corriente alta y un voltaje bajo a bajas velocidades de la locomotora, cambiando gradualmente a una corriente baja y un voltaje alto a medida que la locomotora acelera. Por lo tanto, la potencia neta producida por la locomotora se mantendrá constante para cualquier ajuste del acelerador ( véase el gráfico de la curva de potencia para la muesca 8 ).

En los diseños más antiguos, el regulador del motor y un dispositivo complementario, el regulador de carga, desempeñan un papel fundamental en el sistema de control. El regulador tiene dos entradas externas: la velocidad del motor solicitada, determinada por la posición del acelerador del conductor, y la velocidad real del motor ( retroalimentación ). El regulador tiene dos salidas de control externas: la posición del inyector de combustible , que determina el caudal de combustible del motor, y la posición actual del regulador, que afecta la excitación del generador principal. El regulador también incorpora un mecanismo de protección contra sobrevelocidad independiente que corta inmediatamente el suministro de combustible a los inyectores y activa una alarma en la cabina si el motor supera un régimen de revoluciones por minuto (RPM) definido. No todas estas entradas y salidas son necesariamente eléctricas.

A medida que cambia la carga del motor, también cambia su velocidad de rotación. El regulador detecta este cambio mediante una variación en la señal de retroalimentación de la velocidad del motor. El resultado es un ajuste tanto del caudal de combustible como de la posición del regulador de carga, de modo que las RPM y el par motor (y, por lo tanto, la potencia) se mantengan constantes para cualquier posición del acelerador, independientemente de la velocidad real del vehículo.

En los diseños más recientes controlados por una "computadora de tracción", a cada paso de velocidad del motor se le asigna una potencia de salida apropiada, o "referencia de kW", en el software. La computadora compara este valor con la potencia de salida real del generador principal, o "retroalimentación de kW", calculada a partir de los valores de retroalimentación de la corriente del motor de tracción y la tensión del generador principal. La computadora ajusta el valor de retroalimentación para que coincida con el valor de referencia controlando la excitación del generador principal, como se describió anteriormente. El regulador aún controla la velocidad del motor, pero el regulador de carga ya no desempeña un papel central en este tipo de sistema de control. Sin embargo, el regulador de carga se mantiene como "respaldo" en caso de sobrecarga del motor. Las locomotoras modernas equipadas con inyección electrónica de combustible (EFI) pueden no tener un regulador mecánico; sin embargo, se mantiene un regulador de carga y un regulador "virtuales" mediante módulos informáticos.

El rendimiento del motor de tracción se controla variando la tensión de salida de CC del generador principal, en el caso de los motores de CC, o variando la frecuencia y la tensión de salida del variador de frecuencia y tensión (variador VVVF), en el caso de los motores de CA. En los motores de CC, se utilizan diversas combinaciones de conexión para adaptar el variador a las diferentes condiciones de funcionamiento.

En reposo, la salida del generador principal es inicialmente de bajo voltaje/alta corriente, a menudo superior a 1000 amperios por motor a plena potencia. Cuando la locomotora está parada o casi parada, el flujo de corriente estará limitado únicamente por la resistencia de CC de los devanados del motor y los circuitos de interconexión, así como por la capacidad del propio generador principal. El par en un motor de excitación en serie es aproximadamente proporcional al cuadrado de la corriente. Por lo tanto, los motores de tracción producirán su par máximo, lo que hará que la locomotora desarrolle el máximo esfuerzo de tracción , permitiéndole vencer la inercia del tren. Este efecto es análogo al que ocurre en una transmisión automática de automóvil al arrancar, donde está en primera marcha y, por lo tanto, produce la máxima multiplicación del par.

A medida que la locomotora acelera, las armaduras de los motores, ahora giratorias, comienzan a generar una fuerza contraelectromotriz (FEM inversa, lo que significa que los motores también intentan actuar como generadores), que se opone a la salida del generador principal y provoca una disminución de la corriente del motor de tracción. El voltaje del generador principal aumenta en consecuencia para intentar mantener la potencia del motor, pero finalmente alcanza una meseta. En este punto, la locomotora prácticamente deja de acelerar, salvo en una pendiente descendente. Dado que esta meseta suele alcanzarse a una velocidad considerablemente inferior a la máxima deseada, es necesario modificar las características de la transmisión para permitir una aceleración continua. Este cambio se denomina "transición", un proceso análogo al cambio de marchas en un automóvil.

Los métodos de transición incluyen:

• Serie/Paralelo o "transición de motor".
  • Inicialmente, los motores se conectan en serie en pares al generador principal. A mayor velocidad, los motores se vuelven a conectar en paralelo al generador principal.
• "Desvío de campo", "desvío de campo" o "fildeo débil".
  • La resistencia está conectada en paralelo con el campo del motor. Esto tiene el efecto de aumentar la corriente de la armadura , produciendo un incremento correspondiente en el par y la velocidad del motor.

Ambos métodos también pueden combinarse para aumentar el rango de velocidad de funcionamiento.

• Transición generador/rectificador
  • Reconectar los dos devanados internos separados del estator del generador principal de dos rectificadores, pasando de la conexión en paralelo a la conexión en serie, para aumentar la tensión de salida.

En las locomotoras más antiguas, el maquinista debía realizar la transición manualmente mediante un control independiente. Para facilitar la transición en el momento preciso, el medidor de carga (un indicador que muestra al maquinista la cantidad de corriente que consumen los motores de tracción) estaba calibrado para indicar en qué puntos debía realizarse la transición hacia adelante o hacia atrás. Posteriormente, se desarrolló la transición automática para lograr una mayor eficiencia operativa y proteger el generador principal y los motores de tracción de sobrecargas derivadas de una transición incorrecta.

Las locomotoras modernas incorporan inversores de tracción , de corriente alterna a corriente continua, capaces de suministrar 1200 voltios ( los generadores de tracción anteriores , de corriente continua a corriente continua, solo podían suministrar 600 voltios). Esta mejora se logró en gran medida gracias a los avances en la tecnología de diodos de silicio. Con la capacidad de suministrar 1200 voltios a los motores de tracción, se eliminó la necesidad de un convertidor de transición.

Una opción común en las locomotoras diésel-eléctricas es el frenado dinámico (reostático) .

El frenado dinámico aprovecha el hecho de que las armaduras del motor de tracción siempre están girando cuando la locomotora está en movimiento y que un motor puede funcionar como generador mediante la excitación independiente del devanado de campo. Cuando se utiliza el frenado dinámico, los circuitos de control de tracción se configuran de la siguiente manera:

• El devanado de campo de cada motor de tracción está conectado en paralelo al generador principal.
• El inducido de cada motor de tracción está conectado a través de una rejilla de resistencia refrigerada por aire forzado (la rejilla de frenado dinámico) en el techo del capó de la locomotora.
• Se incrementa la velocidad de rotación del motor primario y se excita el campo del generador principal, lo que provoca una excitación correspondiente de los campos del motor de tracción.

El efecto combinado de lo anterior provoca que cada motor de tracción genere energía eléctrica y la disipe en forma de calor en la red de frenado dinámico. Un ventilador conectado a través de la red proporciona refrigeración por aire forzado. En consecuencia, el ventilador se alimenta de la energía generada por los motores de tracción y tenderá a girar más rápido y producir mayor flujo de aire a medida que se aplique más energía a la red.

En última instancia, la energía disipada en el sistema de frenado dinámico proviene del movimiento de la locomotora, transmitido a las armaduras de los motores de tracción. Por lo tanto, los motores de tracción generan resistencia y la locomotora actúa como freno. A medida que disminuye la velocidad, el efecto de frenado se reduce y suele volverse ineficaz por debajo de aproximadamente 16  km/h (10  mph), dependiendo de la relación de transmisión entre los motores de tracción y los ejes .

El frenado dinámico es especialmente beneficioso al operar en regiones montañosas, donde siempre existe el peligro de un descarrilamiento debido al sobrecalentamiento de los frenos de fricción durante el descenso. En estos casos, los frenos dinámicos se suelen aplicar junto con los frenos de aire , y el efecto combinado se conoce como frenado combinado . El uso del frenado combinado también puede ayudar a mantener la tensión de la cuerda en un tren largo al coronar una pendiente, lo que ayuda a prevenir una acumulación repentina de cuerda que puede provocar un descarrilamiento. El frenado combinado también se usa comúnmente en trenes de cercanías para reducir el desgaste de los frenos mecánicos, que es consecuencia natural de las numerosas paradas que estos trenes suelen realizar durante un trayecto.

Estas locomotoras especiales pueden funcionar como locomotoras eléctricas o diésel. Long Island Rail Road , Metro-North Railroad y New Jersey Transit Rail Operations operan locomotoras diésel-eléctricas/de tercer riel ( catenaria en NJTransit) de modo dual entre territorio no electrificado y la ciudad de Nueva York debido a una ley local que prohíbe las locomotoras diésel en los túneles de Manhattan . Por la misma razón, Amtrak opera una flota de locomotoras de modo dual en el área de Nueva York. British Rail operaba locomotoras diésel-eléctricas/eléctricas duales diseñadas para funcionar principalmente como locomotoras eléctricas con potencia reducida disponible cuando funcionaban con diésel. Esto permitía que las estaciones de clasificación permanecieran sin electrificar, ya que el sistema de alimentación de tercer riel es extremadamente peligroso en una zona de clasificación.

Los sistemas de transmisión hidrostática se han aplicado al uso ferroviario. Ejemplos modernos incluyen locomotoras de maniobras de 350 a 750 hp (260 a 560 kW) de Cockerill (Bélgica), ^{[ 42 ]} locomotoras industriales de vía estrecha de 4 a 12 toneladas y 35 a 58 kW (47 a 78 hp) de GIA, filial de Atlas Copco . ^{[ 43 ]} Las transmisiones hidrostáticas también se utilizan en máquinas de mantenimiento ferroviario (apisonadoras, rectificadoras de raíles). ^{[ 44 ]}    

La aplicación de las transmisiones hidrostáticas generalmente se limita a pequeñas locomotoras de maniobras y equipos de mantenimiento ferroviario, además de utilizarse para aplicaciones no tractidoras en motores diésel, como los accionamientos de los ventiladores de los motores de tracción.

La transmisión hidrocinética (también llamada transmisión hidrodinámica) utiliza un convertidor de par . Un convertidor de par consta de tres partes principales: dos de ellas giran y una (el estator ) cuenta con un bloqueo que impide la rotación inversa y aumenta el par de salida redirigiendo el flujo de aceite a bajas velocidades de rotación. Las tres partes principales están selladas en una carcasa llena de aceite. Para igualar la velocidad del motor con la velocidad de carga en todo el rango de velocidad de una locomotora, se requiere un método adicional que proporcione un rango suficiente. Un método consiste en conectar, después del convertidor de par, una caja de cambios mecánica que cambie las relaciones automáticamente, de forma similar a una transmisión automática en un automóvil. Otro método consiste en proporcionar varios convertidores de par, cada uno con un rango de variabilidad que cubra parte del total requerido; todos los convertidores de par están conectados mecánicamente de forma permanente, y el adecuado para el rango de velocidad requerido se selecciona llenándolo de aceite y vaciando los demás. El llenado y vaciado se realiza con la transmisión bajo carga, lo que da como resultado cambios de rango muy suaves sin interrupción en la potencia transmitida.

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  Motor diésel (izquierda) y transmisión hidráulica (derecha) de la locomotora diésel British Rail Clase 52.
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  Locomotora diésel-hidráulica sudafricana Clase 61-000 en construcción

Si bien en la mayor parte del mundo se optó por las locomotoras diésel-eléctricas (DE), algunos países se decantaron por las locomotoras diésel-hidráulicas (DH), sobre todo Alemania, Finlandia y Japón, así como Gran Bretaña durante un tiempo.

Las razones eran múltiples, siendo dos de las más notables que, si bien la mayoría de las locomotoras DH alcanzaban una eficiencia de transmisión similar a la de las DE, alrededor del 85 % (con la excepción de algunos diseños británicos iniciales), podían construirse considerablemente más ligeras para la misma potencia total. Esto se debía a que las transmisiones hidráulicas no pesaban tanto como la combinación de generadores y múltiples motores de tracción eléctrica necesarios en una DE.

La segunda ventaja notable de las locomotoras diésel-hidráulicas, que se mantuvo hasta la introducción de los modernos sistemas de control de tracción, era el aumento de la adherencia/tracción por unidad de peso. Normalmente, en una locomotora diésel-eléctrica, cada eje motorizado de un bogie cuenta con su propio motor de tracción independiente, sin conexión entre ejes. Por lo tanto, si una rueda pierde agarre y patina, el eje girará más rápido independientemente de los demás, lo que resultará en una pérdida significativa de tracción general. En cambio, en una locomotora diésel-eléctrica, todos los ejes de cada bogie están conectados mediante ejes de transmisión acoplados, por lo que ningún eje puede girar más rápido por sí solo si sus ruedas encuentran una superficie resbaladiza, lo que mejora considerablemente la tracción. Antes de la introducción de sistemas de control de tracción eficaces, esta diferencia técnica por sí sola podía contribuir a un aumento de entre el 15 % y el 33 % en el factor de adherencia de una locomotora diésel-hidráulica frente a una diésel-eléctrica.

Estas dos ventajas fueron algunas de las principales razones por las que, en la década de 1960, tres importantes compañías ferroviarias estadounidenses, incluida Southern Pacific, mostraron inicialmente gran interés en los diseños de locomotoras diésel-hidráulicas, lo que finalmente llevó al pedido y la compra de varias locomotoras ML4000 DH de Alemania Occidental, construidas específicamente para Estados Unidos por la empresa Krauss Maffei. Sin embargo, los problemas de fiabilidad de estas máquinas durante las operaciones a gran altitud con SP en Estados Unidos, así como la aparición de motores diésel nacionales de niveles de potencia similares, junto con una industria más adecuada para el soporte de sistemas de propulsión diésel-eléctricos, hicieron que, con el tiempo, el interés por las locomotoras diésel-hidráulicas se desvaneciera en Estados Unidos.

En Alemania y Finlandia, sin embargo, los sistemas diésel-hidráulicos alcanzaron una fiabilidad operativa muy alta, similar o incluso superior a la de las locomotoras diésel, lo que, sumado a las ventajas técnicas de las diésel-hidráulicas mencionadas anteriormente, contribuyó a que fueran el tipo de locomotora diésel más popular en estos países durante mucho tiempo. Mientras tanto, en el Reino Unido, el principio diésel-hidráulico tuvo una reputación más dispar.

En el siglo XXI, la mayoría de los países del mundo utilizaban diseños diésel-eléctricos para la tracción de locomotoras diésel, mientras que los diseños diésel-hidráulicos no se utilizaban fuera de Alemania, Finlandia y Japón, y algunos estados vecinos, donde se empleaban en diseños para el transporte de mercancías.

Las locomotoras diésel-hidráulicas tienen una cuota de mercado menor que las diésel-eléctricas. El principal usuario mundial de transmisiones hidráulicas de línea principal ha sido la República Federal de Alemania , con diseños que incluyen la DB Clase V 200 de la década de 1950 y la familia DB Clase V 160 de las décadas de 1960 y 1970. British Rail introdujo varios diseños diésel-hidráulicos durante su Plan de Modernización de 1955 , inicialmente versiones fabricadas bajo licencia de diseños alemanes (véase Categoría:Locomotoras diésel-hidráulicas de Gran Bretaña ). En España, Renfe utilizó diseños alemanes de dos motores con una alta relación potencia-peso para remolcar trenes de alta velocidad desde la década de 1960 hasta la de 1990 (véanse las clases 340 , 350 , 352 , 353 y 354 de Renfe ) .

Otras locomotoras de línea principal del período de posguerra incluyeron las locomotoras experimentales GMD GMDH-1 de la década de 1950; la Clase 61-000 sudafricana construida por Henschel & Son ; en la década de 1960, Southern Pacific compró 18 locomotoras diésel-hidráulicas Krauss-Maffei KM ML-4000 . El ferrocarril Denver & Rio Grande Western también compró tres, todas las cuales fueron vendidas posteriormente a SP. ^{[ 46 ]}

En Finlandia, más de 200 locomotoras diésel-hidráulicas VR de las clases Dv12 y Dr14, de fabricación finlandesa y equipadas con transmisiones Voith , se han utilizado de forma continua desde principios de la década de 1960. Todas las unidades de la clase Dr14 y la mayoría de las de la clase Dv12 siguen en servicio. VR ha dado de baja algunas unidades de la serie 2700 de la clase Dv12 que se encontraban en mal estado. ^{[ 47 ]}

En el siglo XXI, los diseños diésel-hidráulicos de ancho de vía estándar producidos en serie incluyen la Voith Gravita , encargada por Deutsche Bahn , y los diseños Vossloh G2000 BB , G1206 y G1700 , todos fabricados en Alemania para uso en el transporte de mercancías.

La transmisión diésel-hidráulica es común en varias unidades, y se utilizan diversos diseños de transmisión, incluidos convertidores de par Voith y acoplamientos hidráulicos en combinación con engranajes mecánicos.

La mayoría de los trenes diésel de pasajeros de segunda generación de British Rail utilizaban transmisión hidráulica. En el siglo XXI, entre los diseños que utilizan transmisión hidráulica se incluyen las familias Turbostar , Talent y RegioSwinger de Bombardier ; las versiones con motor diésel de la plataforma Siemens Desiro y el Stadler Regio-Shuttle .