DD245628A1 - Verfahren zur energieoptimalen steuerung von dieseltriebfahrzeugen - Google Patents

Abstract

Fuer die mit Dieseltriebfahrzeugen bespannten Personenzuege ist unter Beachtung der besonderen Spezifika dieser Traktion eine energieoptimale Zugsteuerung fuer jede Fahrzeitvorgabe zu ermitteln und damit eine maximale Einsparung an Dieselkraftstoff zu erzielen. Durch Vorgabe einer Abschaltgeschwindigkeit und einer fuer die Anfahrt zu verwendenden Fahrstufe, die durch einen Zuordner an Hand von als masse- und streckenunabhaengige Umschaltfaktoren bezeichneten Fahrzeitintervallen ermittelt werden (Figur 2), wird die energieoptimale Zugsteuerung eindeutig beschrieben. Das erfindungsgemaesse Verfahren realisiert eine Dieselkraftstoffeinsparung und ermoeglicht fuer jede Betriebssituation eine energieoptimale Fahrweise ohne zusaetzlichen Bedienaufwand. Fig. 2

Description

Wesen der Erfindung

Die Ursachen für die angegebenen Mängel bei den bekannten technischen Lösungen liegen darin, daß im ersten Fall nur ein teilautomatisiertes Verfahren vorliegt und im letztgenannten Fall die dargestellten Verfahren die spezifischen Eigenschaften des Dieseltriebfahrzeuges (Wirkungsgrad, Dieselkraftstoffverbrauch im Leerlauf) nicht beachten. Diese Verfahrensweise zur Ermittlung der energiesparenden Fahrweisen hat ausgeprägt experimentellen Charakter, so daß algorithmierbare Gesetzmäßigkeiten zur Ermittlung von Fahrstrategien im Echtzeitbetrieb, insbesondere in Form funktionaler Beziehungen zu den zu realisierenden Fahrzeiten gleichfalls nicht ableitbar sind. Das Problem besteht darin, unter Berücksichtigung der spezifischen Eigenschaften der Diesellok, der Fahrstufen und der Wirkungsgradverhältnisse unter der Bedingung, daß auch in den Phasen Auslauf und Bremsen Dieselkraftstoff verbraucht wird und unter Beachtung der zu realisierenden Fahrzeit bzw. der daraus resultierenden Fahrzeitreserve für spezifische Triebfahrzeugtypen eine zielgerichtete, automatisierte Wahl und Vorgabe der Anfahrstufe vorzunehmen, die zwangsläufig zur Einsparung von Dieselkraftstoff führt.

Erfindungsgemäß werden bei einem Fahrregime, bestehend aus den Bewegungsphasen Anfahrt, gegebenenfalls Beharrungsfahrt, Auslauf und Bremsen, dessen Prozeßverlauf durch die technischen Zustandsgrößen Weg, Geschwindigkeit und Zeit charakterisiert wird, für bestimmte Fahrzeitintervalle, jeweils durch kritische Fahrzeiten begrenzt, Fahrstufen für die Anfahrt ermittelt, die Energieoptimalität garantieren. Diese kritischen Fahrzeiten sind Vielfache der durch den betreffenden Streckenabschnitt und die Zugmasse bestimmten technisch minimalen Fahrzeit. Diese Umschaltfaktoren K^ sind mit hinreichender Genauigkeit als masse-und streckenunabhängig anzusehen und sind als Ausgangspunkt für die energieoptimale Zugsteuerung bei der Dieseltraktion zu verwenden. Durch die Darstellung des Zugmodells unter Berücksichtigung fahrdynamischer Gesetzmäßigkeiten wird für jede Zugfahrt zwischen zwei planmäßigen Halten, nachfolgende als Stufe bezeichnet, die technisch minimale Fahrzeit ermittelt sowie der funktionale Zusammenhang zwischen Abschaltgeschwindigkeit und der Fahrzeit unter Berücksichtigung der durch die Faktoren K? bestimmten Fahrzeitintervallen zugeordneten Fahrstufen für die Anfahrt dargestellt. Im Echtzeitbetrieb wird dann für die in der jeweiligen Stufe zu realisierende Fahrzeit neben der Abschaltgeschwindigkeit, auch die für die Anfahrt zu verwendende Fahrstufe in einem oben beschriebenen Fahrzeitintervall ermittelt.

Ausführungsbeispiel

Die Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung

Figur 1: DK-Verbrauch als Funktion für die Fahrstufen 1... η der betrachteten Triebfahrzeugbaureihe für eine Zugfahrt zwischen zwei Halten.

Figur 2: Blockschaltbild des Verfahrens der energieoptimalen Steuerung von Dieseltriebfahrzeugen. Figur 3: Energieoptimale Fahrstufen als Funktion der Fahrzeit bzw. Fahrzeitreserve für eine Zugfahrt zwischen zwei Halten. Figur 4: Geschwindigkeit-Weg-Diagramm der Zugfahrt in Abhängigkeit von der gewählten Fahrstufe. Figur 5: Zugkraft-Geschwindigkeits-Diagramm für die Fahrstufen 1,2, i. ' '

Jede Triebfahrzeugbaureihe weist für jede Fahrstufe bei Zugrundelegung der gleichen zeitlichen Abfolge der Bewegungsphasen

Anfahrt

ggf. Beharrungsfahrt

Auslauf

Bremsen

einen durch fahrdynamische Gesetzmäßigkeiten bestimmten Dieselkraftstoffverbrauch DK auf (siehe Figur 1), wobei ersichtlich wird, daß sich diefahrstufenspezifischen Kurven für den Dieselkraftstoffverbrauch an bestimmten kritischen Fahrzeitenpunkten ίρ_κ. schneiden, und somit verschiedene Fahrzeitintervalle voneinander abgegrenzt werden. In Abhängigkeit von diesen Punkten weist die jeweils zu betrachtende Triebfahrzeugbaureihe mit η + 1 zu betrachtenden Fahrstufen baureihenspezifische Faktoren k7 (i = 1... n) auf, die durch das Verhältnis der jeweiligen kritischen Fahrzeit t_Fl<izurtechnisch minimalen Fahrzeit t_F„_IN beschrieben sind. Die technisch minimale Fahrzeit wird dabei durch eine Fahrt mit der höchsten Fahrstufe, also der mit einer maximalen Zugkraftentwicklung und damit maximaler Anstrengung des Antriebssystems realisiert.

In Figur 2 ist das Verfahren der energieoptimalen Zugsteuerung bei Dieseltraktion als Blockschaltbild dargestellt. Dieses Verfahren ist in jeder Prozeßstufe, d.h. bei jeder Fahrt zwischen zwei planmäßigen Halten als Echtzeitsteuerungsaufgabe abzuarbeiten.

Figur 3 zeigt die dabei in den einzelnen Fahrzeitintervallen zwischen

tF_H,„ und t^tpK, und t_FKi sowie t_F|ti und t_F„„

der jeweiligen aktuellen Fahrzeitvorgabe triebfahrzeugspezifisch zuzuordnende energieoptimale Fahrstufe für die Realisierung einer Zugfahrt.

Figur 4 zeigt die bei der Benutzung der Fahrstufen 1,2 und i für die jeweilige Zugfahrt zu erwartenden Geschwindigkeits-Wegverläufe sowie die in Verbindung mit der ermittelten Abschaltgeschwindigkeit energieoptimalen Anteile der Fahrregimephasen Anfahrt, Auslauf und Bremsen an der Zugfahrt.

Die Figur 5 zeigt den als konstruktive Gegebenheit triebfahrzeugtypspezifischen Zugkraft-Geschwindigkeitsverlauf in den Fahrstufen 1,2 und i.

Ausgangspunkt für das zu realisierende Steuerungsverfahren sind die einmalig für jeden Triebfahrzeugtyp bereitzustellenden strecken- und zugmasseunabhängigen Umschaltfaktoren K*. Mit ihrer Hilfe wird das Spektrum der in jedem Streckenabschnitt möglichen Fahrzeitvorgaben in definierte Fahrzeitintervalle unterteilt, wobei diesen Intervallen jeweils genau eine definierte energieoptimale Fahrstufe für die Realisierung des Anfahrprozesses zugeordnet ist.

Ein weiterer Ausgangspunkt ist der für jeden Streckenabschnitt definierte zugmasse- und fahrstufenabhängige funktionale Zusammenhang Vab = f (t_F).

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Bei Vorliegen von η Umschaltfaktoren zerfällt dieserfürjede Zugmasse in η + 1 fahrstufenbezogeneTeilfunktionen. Gültigkeitsbereiche, die wie folgt festgelegt werden:

= f_n (t_F) für t_F von t_F„,_N bis Ki t_F„_1N ^: "V_AB = f (t_F) = fj (t_F) für t_F von K* _ , t_F„_1N bis K* t_F„,_N = fη +1 (t_F) fü r t_F von K* t_F„,_N bis t_FMAX

Eingangsgrößen sind streckenabschnittsweise weiterhin die tatsächliche Lage des Zuges t_FlST sowie der durch den Fahrplan vorgegebene Sollzustand t_Fs0LL.

Nach bisher bereits bekannten Verfahren wird eine modifizierte Fahrzeit für die folgende Stufe gebildet, die den Zuglauf an die vorgesehene Fahrplanlage heranführt.

Es erfolgt im Weiteren ein Vergleich der modifizierten Fahrzeit t_FM00 mit den in Abhängigkeit des Produktes von baureihenspezifischen Faktor K* und technisch minimaler Fahrzeit t_FMIN, die in direktem Zusammenhang mit der Zugmasse steht, vorliegenden kritischen Fahrzeiten t_Flv Entsprechend der Lage von t_FM0D in einem durch kritische Fahrzeiten eingegrenzten ' Zeitintervall wird die einer energieoptimalen Gesamtfahrt garantierende Fahrstufe durch einen Zuordner festgelegt und die für die Realisierung der vorgegebenen Fahrzeit notwendige Abschaltgeschwindigkeit ermittelt. Beide Steuerbefehle werden entweder für eine automatisierte Zugsteuerung durch nachfolgende Steuerelemente weiterverarbeitet bzw. werden die nötigen Steuerhandlungen vom Triebfahrzeugführer direkt ausgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einer energieoptimalen Zugfahrt und realisiert eine Einsparung an Dieselkraftstoff. Der Vorteil des Verfahrens ist weiterhin, daß auf jede Betriebssituation wiederum mit einer jeweils energieoptimalen Fahrweise reagiert werden kann, wobei hierfür keine zusätzlichen Bedienoperationen oder Eingabehandlungen durch den Triebfahrzeugführer erforderlich sind.

Die zur Realisierung des Verfahrens notwendigen spezifischen Eingabedaten beschränken sich auf Grund der Masseunabhängigkeit des Verfahrens auf nur wenige technische Parameter. Für die Durchführung eines automatisierten Zugbetriebes bei Dieseltraktion sind damit wesentliche Voraussetzungen gegeben.

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur energieoptimalen Steuerung von Dieseltriebfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Fahrregime, bestehend aus den Bewegungsphasen Anfahrt, ggf. Beharrungsfahrt, Auslauf und Bremsen, dessen Prozeßverlauf durch die technischen Zustandsgrößen Weg, Geschwindigkeit und Zeit charakterisiert wird, für bestimmte Fahrzeitintervalle, jeweils durch kritische Fahrzeiten begrenzt, Fahrstufen für die Anfahrt ermittelt werden, die Energieoptimalität garantieren, wobei diese kritischen Fahrzeiten Vielfache der durch den betreffenden Streckenabschnitt und die Zugmasse bestimmten technisch minimalen Fahrzeit (tp_MIN) sind und die Umschaltfaktoren K* mit hinreichender Genauigkeit masse- und streckenunabhängig als Ausgangspunkt für die energieoptimale Zugsteuerung bei der Dieseltraktion unter Beachtung fahrdynamischer Gesetzmäßigkeiten für jede Zugfahrt zwischen zwei planmäßigen Halten, nachfolgend als Stufe bezeichnet, die technisch minimale Fahrzeit (t_FMIN) ermittelt sowie der funktionale Zusammenhang zwischen Abschaltgeschwindigkeit (V_AB) und der Fahrzeit (t_F) unter Berücksichtigung der durch die Faktoren K^ bestimmten Fahrzeitintervallen zugeordneten Fahrstufen (FSTi) für die Anfahrt dargestellt und im Echtzeitbetrieb dann für die in der jeweiligen Stufe zu realisierende Fahrzeit (t_F) neben der Abschaltgeschwindigkeit (V_AB) auch die für die Anfahrt zu verwendende Fahrstufe in einem oben beschriebenen Fahrzeitintervall ermittelt werden.

   Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur energieoptimalen Steuerung von Zugeinheiten mit Diesellokbespannung im Personenzugdienst.

   Charakteristik der bisher bekannten technischen Lösungen

   Bekanntlich (nachE.-J.Preysing: „Ermittlung energiesparender Fahrweisen bei der Dieselzugförderung mittels Zugfahrtsimulation", Schienenfahrzeuge 1982, H. 6, Seite 268-270) ist bei unveränderlichen Streckenbedingungen die Einhaltung betriebstechnologischer Festlegungen durch unterschiedliche Fahrweisen und damit mit verschieden hohen Dieselkraftstoffverbräuchen realisierbar. Der Dieselkraftstoffverbrauch hängt somit von der subjektiven Fahrweise des Triebfahrzeugführers ab. Für eine einzelne Zugfahrt zwischen zwei Planhalten wird für eine energieoptimale Fahrweise wie folgt verfahren. Eine einzelne Zugfahrt wird mittels der sie bestimmenden technischen Parameter, wie Zugkraft, Fahrzeugwiderstandskraft, Streckenwiderstandskraft, Bremsverzögerung, Masse und Massefaktor modelliert. Mittels Hybridrechner wird die Fahrweise durch beliebiges Wählen der Fahrstufen während der Fahrt, analog wie im Triebfahrzeug durch den Triebfahrzeugführer, bestimmt. Durch Variation der Fahrstufenwahl ist einerseits die vorgegebene Fahrzeit einzuhalten, andererseits kann durch Vergleich des Kraftstoffverbrauches am Ende der Zugfahrt bei gleicher Fahrweise eine kraftstoffsparende Fahrweise ermittelt werden. Diese wird dem Triebfahrzeugführer durch den Fahrinformator mitgeteilt. Danach schaltet dieser für eine konkrete Strecke die entsprechenden Fahrstufen ein und aus. Die Ein- und Ausschaltpunkte prägen sich dem Triebfahrzeugführer an Hand von spezifischen Streckenmerkmalen ein. Die dargestellte Vorgehensweise hat den Nachteil, daß einerseits der erforderliche Rechenzeitaufwand noch relativ groß ist und andererseits die festgelegte Fahrweise nicht zwangsläufig optimal bezüglich des Dieselkraftstoffverbrauches ist. Es ist weiterhin festzustellen, daß der Fahrinformator bei betriebs- oder anderweitig bedingten Abweichungen vom Fahrplan keine Anwendung durch den Triebfahrzeugführer finden kann. Bekannt ist (DD B 60 L15/20 WP 129761) ein Verfahren, das auf Grund einer funktionalen Zuordnung die Vorausberechnung geschwindigkeits- und wegabhängiger Umschaltungen zwischen den einzelnen energieoptimalen Fahrregimephasen einer Zugfahrt für die Fahrzeitvorgaben des Regelbetriebes sowie für ausgewählte weitere Fahrzeitvarianten entsprechend zu erwartender diskreter Fahrplanabweichungen beinhaltet und diese in einer auf dem Triebfahrzeug zu installierenden verdrahtungsprogrammierten Speicher- und Steuereinheit vorprogrammiert bereithält. Weiterhin ist (WP 208324 DD B 60L15/20) ein Verfahren bekannt, das die Echtzeitermittlung der optimalen Fahrregimephasen der Zugfahrt für beliebige, betrieblich bedingte Fahrzeitvorgaben des realen Prozeßgeschehens auf der Grundlage von Zuordnungen zwischen den optimalen Umschaltpunkten und der Fahrzeit und unter Nutzung von freiprogrammierbaren Speicher- und Recheneinheiten ermöglicht.

   Diese bekannten Verfahren sind jedoch vornehmlich nur für die Antriebssysteme der elektrischen Zugförderung geeignet, da hier die spezifischen Wirkungsgradverhältnisse sowie ein notwendiger Energieverbrauch auch in den über die Anfahrperiode hinausgehenden Fahrregimephasen Auslauf und Bremsen, im allgemeinen als Leerlaufverbrauch bezeichnet, nicht genügend berücksichtigt werden. Insbesondere fehlen Gesetzmäßigkeiten und Verfahren zur energieoptimalen Benutzung der Fahrstufen bei einer Anfahrt und ein Verfahren zur Optimierung der zeitlichen Anteile der einzelnen Phasen eines Fahrregimes unter Berücksichtigung der spezifischen, jeweils fahrstufenabhängigen Wirkungsgradverhältnisse, der Energieaufwendungen im Leerlauf und der jeweils aktuellen Fahrzeitvorgabe für eine Zugfahrt.

   Ziel der Erfindung

   Ziel der Erfindung ist es, im Echtzeitbetrieb für jede Fahrzeitvorgabe ein energieoptimales Steuerungsverfahren zu ermitteln und damit eine maximale Einsparung an Dieselkraftstoff zu ermöglichen.