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Die
Erfindung bezieht sich auf ein brennstoffgetriebenes Schienenfahrzeug
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein solches Schienenfahrzeug
ist z. B. aus der
CH
107 324 A bekannt.
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Bei
dieselgetriebenen Schienenfahrzeugen, wie Lokomotiven oder Triebwagen,
werden die Abgase bzw. die erwärmte
Kühlluft
von dem Motorkühler üblicher
Weise getrennt ausgestoßen.
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Heiße Verbrennungsabgase
des Motors werden mittels eines Schalldämpfers zunächst schallgedämpft und
treten dann über
einen oder mehrere Abgaskrümmer,
die typischer Weise durch das Dach des Schienenfahrzeugs hindurchgeführt werden,
ins Freie.
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Die
Kühlung
des Motors erfolgt regelmäßig über einen
Motorkühler,
welcher das heiße
Kühlwasser über einen
Wärmetauscher
herunterkühlt
und einen mit entzogener Wärmeenergie
beaufschlagten Kühlluftstrom
mit Hilfe eines Ventilators nach oben durch einen Dachauslass hindurch
abtransportiert.
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Hinsichtlich
einer Geräuschentwicklung
ist dabei festzustellen, dass der Verbrennungsabgasstrom eine hohe
Strömungsgeschwindigkeit
besitzt und daher eine erhebliche Geräuschemissionsquelle darstellt.
Demgegenüber
besitzt der Kühlluftstrom eine
geringere Strömungsgeschwindigkeit.
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Bei
Lokomotiven befinden sich der Verbrennungsmotor und der Abgasschalldämpfer aus
Schallschutzgründen
regelmäßig in einem
durch Schottwände
abgetrennten Maschinenraum. Der Dachdurchtritt des Abgaskrümmers der
Abgasanlage befindet sich ebenfalls im Maschinenraum.
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Demgegenüber steht
der Motorkühler
durch die Schottwände
des Maschinenraums räumlich
getrennt an anderer Position und besitzt dort einen gesonderten
Dachauslass für
den Kühlluftstrom.
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Durch
die beiden getrennten Volumenströme,
nämlich
den Verbrennungsabgasstrom und den Kühlluftstrom, entstehen bereits
kurz hinter den Auslässen
turbulente Strömungsbereiche,
welche zudem ein relativ frühes
Anliegen dieser teilweise durchmischten Einzelströme an die
Fahrzeugkontur bewirken. Besonders bei Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen
macht sich dies besonders nachteilig bemerkbar, da die starke Strömungsgeschwindigkeit
des Fahrtwindes solche Effekte noch verstärkt. Es ergibt sich dabei das
Problem, dass in dem Fall, wenn bei den nachfolgenden Mittelwagen
in den Dachbereichen die bereits stark erwärmte Umgebungsluft, welche bereits
teilweise mit Abgasen durchmischt ist, durch die Dacheinlässe der
Klimaanlage bzw. der Fahrmotorkühlung
des Mittelwagens angesaugt wird. Folge kann eine stark erhöhte Antriebsleistung
der Klimaanlage bzw. ein thermischer Kurzschluss sein.
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In
der
US 1,331,649 A wird
eine Verbrennungskraftmaschine beschrieben, bei der in eine Auspuffleitung
ein Schalldämpfer
integriert ist, der von Auspuffgasen umströmt wird. Weitere Dokumente
aus dem Stand der Technik, wie die
JP 2004-285889 AA , die
DE 310287 , die
DE 34 36 982 C2 und die
DE 29 48 065 B1 sind
als technischer Hintergrund der Erfindung anzusehen.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schienenfahrzeug
der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein zentrales
Einleiten des Verbrennungsabgasstroms in den Kühlluftstrom erreicht wird.
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Diese
Aufgabe wird bei dem eingangs genannten brennstoffgetriebenen Schienenfahrzeug durch
die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst.
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Der
Ventilator ist im Bereich des Dachauslasses angeordnet und weist
eine Hohlnabe auf, in die der Auslass der Abgasdurchführung mündet. Auf
diese Weise wird ein zentrales Einleiten des Verbrennungsabgasstroms
in den Kühlluftstrom
in einfacher Weise erreicht.
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Zur
Anpassung des Schienenfahrzeugs an übliche bauliche Randbedingungen
beispielsweise in Lokomotiven oder Triebzügen kann vorgesehen sein, dass
der Verbrennungsmotor und die Abgasanlage innerhalb eines abgetrennten
Maschinenraums angeordnet sind, während der Motorkühler außerhalb des
Maschinenraums angeordnet ist und die Rohrleitung durch eine Wand
der Maschinenraums hindurch verläuft.
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Bevorzugt
ist ein Auslass der Rohrleitung derart angeordnet, dass der Verbrennungsabgasstrom
zentral in den Kühlluftstrom
einleitbar ist. Dies hat zur Folge, dass der heiße Verbrennungsabgasstrom von
dem kalten Kühlluftstrom
umgeben wird, so dass die Außenseite
des sich ergebenden Gesamtstromes auch hinter dem Dachauslass von
Anteilen des Kühlluftstroms
gebildet wird. Dies hat den Vorteil, dass nach einem Anlegen des
kombinierten Stromes an die Dächer
nachfolgender Fahrzeuge eine Wahrscheinlichkeit dafür, dass
Verbrennungsabgase in Frischlufteinlässe gelangen, vermindert wird.
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Eine
Abgasdurchführung
(Krümmer)
als Teil der Rohrleitung kann auf ihrer Innenseite wenigstens einen
spiralförmigen
Kanal zum Aufprägen
einer Drallströmung
für den Verbrennungsabgasstrom
aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass nach einem Durchlaufen der
Rohrleitung der Verbrennungsabgasstrom in gewisser Weise gerichtet
ist. Diese Ausrichtung des Verbrennungsabgasstroms überträgt sich
dann bei einem Durchmischen mit dem Kühlluftstrom auch auf diesen,
so dass der aus dem Dachauslass austretende Gesamtstrom insgesamt
gerichtet ist und dadurch ein Anlegen dieses Gesamtstroms an nachfolgende
Fahrzeuge erst in einem größeren horizontalen
Abstand zu dem Dachauslass erfolgen kann. Durch das Durchmischen
des Verbrennungsabgas- und des Kühlluftstromes
wird der Kühlluftstrom
insgesamt beschleunigt. Die Drallströmung wirkt selbststabilisierend
bzw. selbstbeschleunigend, so dass der gerichtete Gesamtgasstrom
durch den Fahrtwind erst relativ spät in Richtung Fahrzeugkontur
abgelenkt wird. Turbulente Ablöseerscheinungen
des stabilisierten Gesamtgasstromes treten gegenüber einem ungerichtet ausgestoßenen Gasstrom
ebenfalls wesentlich später
auf. Da sich der Gasstrom erst später an die nachfolgenden Fahrzeuge
anlegt, entstehen größere Areale
mit unbeeinflusster Außenluft.
Innerhalb solcher Areale sollten Luftansaugschächte von Klimaanlagen nachfolgender
Fahrzeuge angeordnet werden. Wird dem Folge geleistet, findet in solchen
Bereichen keine Vermischung der Motorabgase mit der Frischluftansaugung
statt.
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Aufgrund
der Durchmischung des Kühlluftstroms
mit dem Verbrennungsabgasstrom wird außerdem dafür gesorgt, dass der Gesamtstrom
eine gegenüber
dem Abgasstrom verminderte Temperatur aufweist, so dass thermische
Kurzschlüsse
im Klimaanlagensystem durch Ansaugen der heißen Abgasströme in nachfolgenden
Frischluftansaugungen vermieden werden.
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Der
Ventilator kann in einem Außenwandungsbereich
der Hohlnabe gelagert sein. Dies kann derart geschehen, dass an
der äußeren und
inneren Umfangsfläche
der Hohlnabe der Kühlluftstrom
passieren kann, während
der Verbrennungsabgasstrom zentral in der Hohlnabe fließt.
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Der
innere Anteil des Kühlluftstroms
durchmischt sich somit bereits in der Hohlnabe mit dem Verbrennungsabgasstrom
und beginnt, dessen Drallströmung
zu folgen. Der äußere Anteil
des Kühlluftstroms
durchmischt sich mit dem Strom auf der Ausgangsseite der Hohlnabe
erst hinter dem Ventilator. Durch den Venturi-Effekt wird ein Teil
des Kühlluftstroms
im Bereich der inneren Umfangsfläche
der Hohlnabe durch den Abgasstrom stark beschleunigt und beginnt
dessen Drallströmung
zu folgen. Die innere Umfangsfläche
der Hohlnabe wird durch den angesaugten Kühlluftstrom vollflächig ummantelt
und bewirkt dadurch eine thermische Isolierung des zentrisch die
Hohlnabe durchlaufenden Abgasstroms.
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Die
Rohrleitung ist im Bereich der Wandung vorzugsweise mit einem Metallkompensator
versehen, sodass eine flexible Verbindung zwischen dem Auslass der
Abgasanlage und dem Bereich stromabwärts des Ventilators geschaffen
wird. Der Metallkompensator und die innenspiralte Abgasdurchführung ist
als funktionelle Einheit in Bezug auf Abdichtung, Isolation, Lagerung
und Schwingungsdämpfung
sowie Drallerzeugung zu sehen.
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Bei
Bedarf kann der Metallkompensator auf seiner Außenseite wärmeisoliert sein, um eine Wärmeabgabe
in eine Umgebung zu vermindern.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Querschnittsansicht eines Triebwagens,
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2 eine
schematische Teil-Querschnittsansicht eines Motorkühlers mit
zugehörigem
Ventilator und einer Abgasdurchführung
und einem Metallkompensator,
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3 eine
Querschnittsansicht eines geraden Abschnitts der Abgasdurchführung mit
spiralförmigen
Kanälen
von 2
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4 eine
Seitenansicht eines Schienenfahrzeugverbundes mit Ausbildung der
Stromlinien von Verbrennungsgasstrom und Kühlluftstrom bei Fahrtgeschwindigkeit
nach dem Stand der Technik, und
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5 eine
Seitenansicht eines Fahrzeugverbundes mit Ausbildung der Stromlinien
von Verbrennungsabgasstrom- und Kühlluftstrom bei Fahrtgeschwindigkeit.
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Wie 1 zu
entnehmen ist, ist innerhalb eines Triebwagens 1 als Beispiel
für ein
dieselgetriebenes Schienenfahrzeug ein Maschinenraum 2 vorgesehen,
der durch Wandungen 3, 4 einen abgetrennten Bereich
innerhalb des Triebwagens 1 bildet.
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Innerhalb
des Maschinenraumes 2 ist ein Dieselmotor 5 angeordnet,
der mit einem elektrischen Generator 6 zur Stromerzeugung
gekoppelt ist.
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Abgase
des Dieselmotors 5 gelangen in eine darüber angeordnete Abgasanlage 7.
Bei Ausbildung des Triebwagens 1 nach dem Stand der Technik
wäre die
Abgasanlage 7 an ihrer Oberseite mit einem Dachauslass
zum Ausstoß der
Verbrennungsabgase verbunden.
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Stattdessen
weist die Abgasanlage 7 einen horizontal angeordneten Auslass 8 für den Verbrennungsabgasstrom
auf, der in einem Abstand zu der Wandung 4 des Maschinenraums 2 in
einem Metallkompensator 26 endet.
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Außerhalb
des Maschinenraums 2, in 1 rechts
dargestellt, befindet sich ein Motorkühler 9 mit einem Wärmetauscher 10,
der von Frischluft umströmt
wird, um aus einem Kühlkreislauf
des Dieselmotors 5 stammendes, aufgeheiztes Kühlwasser
abzukühlen.
Zu diesem Zweck ist der Dieselmotor 5 über zwei Leitungen 11, 12 mit
dem Wärmetauscher 10 strömungstechnisch
verbunden, wobei die eine Leitung 12 ein Einlass- und die
andere Leitung 11 eine Auslassleitung ist.
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Im
Bereich des Wärmetauschers 10 erwärmte Kühlluft wird
mit Hilfe eines Ventilators 13 angesaugt und verlässt den
Innenraum des Triebwagens 1 über einen Dachauslass 14.
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In
dem Bereich des Ventilators 13 wird nun der Verbrennungsabgasstrom
zentral in den Kühlluftstrom
eingeleitet. Dazu ist der Auslass 8 für den Verbrennungsabgasstrom
an den Metallkompensator 26 angeschlossen, der an die Wandung 4 heranreicht und
mit einem angeflanschten Metallkompensator 15 der Abgasdurchführung 18 verschraubt
ist.
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Jenseits
der Wandung 4 ist der Metallkompensator 15, der
zum Ausgleich von Schwingungsbeaufschlagungen und thermischen Einwirkungen dient,
mit einem Einlass 16 verbunden, der von einer rohrförmigen Wandung 17 ausgeht,
welche einen Bereich des Ventilators 13 umgibt und bis
zu dem Dachauslass 14 reicht. Auf der Innenseite der Wandung 17 schließt sich
an den Einlass 16 ein Abgaskrümmer 18 an, der zunächst horizontal
nach Innen des Motorkühlers 9 und
ab erreichen von dessen Mittelachse vertikal nach oben verläuft.
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Wie 2 mehr
im Detail zeigt, mündet
der Abgaskrümmer 18 ins
Innere einer Hohlnabe 19 des Ventilators 13, so
dass der Verbrennungsabgasstrom zentral in den Kühlluftstrom eingeleitet werden
kann. Der Abgaskrümmer 18 kann
bis zu einer Einlassseite der Hohlnabe 19 (2)
oder auch bis jenseits deren Auslassseite reichen. Der Wärmetauscher 10 bildet mit
der Wandung 17 und hier nicht dargestellten weiteren Gehäusewänden eine
abgeschlossene Baueinheit. Wird nun Luft über den Ventilator 13 abgesaugt und
ins Freie befördert,
so muss die Luft durch die (Lamellen)-Wärmetauscher 10 nachströmen. Die Ventilatorhohlnabe 19 ist über in Bezug
auf den Motorkühler 9 radial
verlaufende Halterungen 20 gelagert, und zwar mit Hilfe
eines Kugellagers 21.
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Die
Halterungen 20 sind derart ausgebildet, dass ein erheblicher
Anteil des Kühlluftstroms
auf einer Außenseite
der Hohlnabe 19 vorbeiströmen kann. In einem zentralen
Bereich innerhalb der Hohlnabe 19 befindet sich der Auslass 22 des
Abgaskrümmers 18.
Dabei ist der Querschnitt des Auslasses 22 so bemessen,
dass von dem Querschnitt der Hohlnabe 19 in dessen äußerem Bereich
Raum verbleibt, durch den erwärmte
Kühlluft
ebenfalls durch die Hohlnabe 19 hindurch fließen kann.
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Im
Innenbereich der Hohlnabe 19 ist somit ein zentraler Verbrennungsabgasstrom
von einem äußeren Kühlluftstrom
umgeben.
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Wie
in 2 angedeutet, und in 3 mehr im
Detail gezeigt ist, weist die Innenseite des Abgaskrümmers 18 eine
solche Struktur auf, dass dem Verbrennungsabgasstrom eine Drallströmung aufgeprägt wird.
Dazu ist ein Querschnitt des Abgaskrümmers 18 durchgehend
sechseckig mit abgerundeten Ecken gewählt, wobei die einzelnen Ecken
entlang des Abgaskrümmers 18 spiralförmig verlaufen,
so dass insgesamt sechs spiralförmig
verlaufende Kanäle 23 gebildet
werden. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
ist in 3 nur einer der Kanäle mit einer Bezugsziffer bezeichnet.
Aufgrund der Aufprägung
eines Dralls für
den Verbrennungsabgasstrom findet in dem Abgaskrümmer 18 keine turbulente
Strömung statt.
Vielmehr wird eine gerichtete Strömung herbeigeführt, die
sich auch jenseits des Auslasses 22 des Abgaskrümmers 18 fortsetzt.
Dort ergibt sich ein Kontakt des inneren Verbrennungsabgasstroms
mit dem umgebenden Kühlluftstromanteil,
der innerhalb der Hohlnabe 19 strömt. In dieser Weise wird die
dem Verbrennungsabgasstrom immanente Drallströmung auch dem angrenzenden
Kühlluftstromanteil
aufgeprägt,
so dass mit zunehmendem Abstand nach oben von dem Auslass 22 immer
weiter außen
liegende Strömungsteile
des Kühlluftstromes
ebenfalls dem Drall folgen.
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In
den 4 und 5 sind jeweils Seitenansichten
eines Schienenfahrzeugverbundes gezeigt, wobei die 4 dem
Stand der Technik und die 5 der Erfindung
entspricht. Jeweils auf der rechten Seite der Figuren ist der Triebwagen 1 zu
sehen, der einen Mittelwagen 24 zieht. Die Ausführungsform des
Triebwagens 1 nach dem Stand der Technik von 4 besitzt
zwei Dachauslässe,
nämlich
einen ersten 28 für
den Verbrennungsabgasstrom und einen in Fahrtrichtung dahinter angeordneten 27 für den Kühlluftstrom.
Im vorderen Bereich des Mittelwagens 24 ist jeweils ein
Einlass 25 für
Frisch- und Kühlluft
vorgesehen. Ein Vergleich der beiden Darstellungen zeigt, dass der
kombinierte Verbrennungsabgasstrom/Kühlluftstrom nach 5 aufgrund
des aufgeprägten
Dralls erst in einem vergleichsweise größeren Abstand zum Dach des
Fahrzeugverbundes entgegen der Fahrtrichtung abknickt und sich etwa
im mittleren Bereich des Mittelwagens 24 an diesen anlegt.
Während
nach dem Stand der Technik der Einlass 25 des Mittelwagens 24 im
Einzugsbereich der von dem Triebwagen 1 stammenden Strömungen liegt,
ist das bei der Darstellung nach 5 nicht
der Fall. Dies bedeutet, dass vergleichsweise qualitativ bessere
Frischluft bzw. Kühlluft
durch den Einlass 25 des Mittelwagens 24 zur Verwendung
durch beispielsweise eine nachgeordnete Klimaanlage angesaugt werden
kann.
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Es
ergibt sich außerdem,
dass man hinsichtlich der Anordnung des Einlasses 25 größere Gestaltungsfreiheit
hat, da sich dieser auch weiter nach hinten verlegen ließe um ggf.
einem gewünschten
Innenraum Layout des Mittelwagens 24 Rechnung zu tragen.
Es ergibt sich außerdem,
dass ein thermischer Kurzschluss vermieden wird und auch keine Vermischung
des Verbrennungsabgasstroms mit der Frischluftansaugung über den
Einlass 25 des Mittelwagens 24 stattfinden kann.
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- 1
- Triebwagen
- 2
- Maschinenraum
- 3
- Wandung
- 4
- Wandung
- 5
- Dieselmotor
- 6
- Generator
- 7
- Abgasanlage
- 8
- Auslass
- 9
- Motorkühlung
- 10
- Wärmetauscher
- 11
- Leitung
- 12
- Leitung
- 13
- Ventilator
- 14
- Dachauslass
- 15
- Metallkompensator
- 16
- Einlass
- 17
- Wandung
- 18
- Abgasrohrleitung
- 19
- Hohlnabe
- 20
- Halterung
- 21
- Kugellager
- 22
- Auslass
- 23
- Kanal
- 24
- Mittelwagen
- 25
- Einlass
- 26
- Metallkompensator
- 27
- Dachauslass
(Verbrennungsabgasstrom)
- 28
- Dachauslass
(Kühlluftstrom)