DE102007049755A1

DE102007049755A1 - Verfahren zur Motorsteuerung eines Schienenfahrzeugs

Info

Publication number: DE102007049755A1
Application number: DE102007049755A
Authority: DE
Inventors: Stefan Haaf; Oliver Reimann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-10-16
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2009-04-23
Also published as: WO2009050018A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Schienenfahrzeugs mit einem Antrieb, der eine Mehrzahl Dieselmotoren umfasst, wobei im Betrieb des Schienenfahrzeugs dessen Leistungsanforderung regelmäßig überwacht wird und abhängig von einem Ergebnis der Überwachung der Leistungsanforderung zum Genügen der Leistungsanforderung nicht benötigte Dieselmotoren automatisch abgeschaltet bzw. energieoptimal ausgenutzt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Schienenfahrzeugs mit einem Antrieb, der eine Mehrzahl Motoren umfasst.
Die Ausnutzung von Primärenergie z. B. von Dieselmotoren bei Triebzügen, erfolgt in der Regel nicht energieoptimal. Dabei kann es insbesondere vorkommen, dass die Dieselmotoren von Triebzügen länger als erforderlich im Leerlauf betrieben werden, bei dem der Wirkungsgrad der Dieselmotoren sehr schlecht ist.
Bei herkömmlichen Verfahren zum Betrieb eines Schienenfahrzeugantriebs werden typischer Weise zu Betriebsbeginn sämtliche Dieselmotoren gestartet und laufen bis zum Betriebsende ohne Unterbrechung weiter. Eine Leistungsanforderung für den Triebzug führt typischer Weise dazu, dass sämtliche Dieselmotoren des Triebzuges gleichartig angesteuert werden. Beispielsweise bewirkt eine Auslenkung des Fahrhebels um 50% eine Drehzahlanforderung für die Dieselmotoren von ebenfalls 50% zwischen zugehöriger Leerlauf- und Maximaldrehzahl der betreffenden Motoren.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Schienenfahrzeugs der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Primärenergie wirtschaftlicher ausgenutzt wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Schienenfahrzeugs mit einem Antrieb, der eine Mehrzahl Motoren umfasst, wobei im Betrieb des Schienenfahrzeugs dessen Leistungsanforderung regelmäßig überwacht wird und, abhängig von einem Ergebnis der Überwachung der Leistungsanforderung, zum Genügen der Leistungsanforderung nicht benötigte Motoren automatisch abgeschaltet werden.
Das angegebene Verfahren kann am besten für dieselelektrische Antriebe eingesetzt werden, mit geringfügigen Modifikationen ist jedoch auch ein Einsatz für dieselmechanische und dieselhydraulische Antriebe möglich. Solche Modifikationen liegen im Wissensbereich des Fachmanns. Auch bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen kann die Erfindung anwendbar sein.
Die Energieersparnis der Verwendung des Verfahrens zur Steuerung des Antriebs eines Diesel-Triebzuges ergibt sich durch die automatische Abschaltung nicht benötigter Dieselmotoren, so dass ein bedarfsoptimierter Betrieb des Antriebs ermöglicht wird.
Bevorzugt werden in dem Fall, wenn die Leistungsanforderung fortlaufend einen Fahrzeugstillstand wiedergibt, nicht benötigte Dieselmotoren nach einer vorbestimmten Zeitdauer automatisch abgeschaltet. Gerade im Fahrzeugstillstand werden nach dem Stand der Technik sämtliche Dieselmotoren mit der ökonomisch nachteiligen Leerlaufdrehzahl betrieben, so dass sie hier erhebliche Energieersparnisse ergeben.
Bevorzugt werden die Anzahl der abzuschaltenden Motoren und die vorbestimmte Zeitdauer nach Kriterien bestimmt, die einen Besetzungsgrad des Schienenfahrzeugs, eine typische Zeitdauer für einen Bahnhofsaufenthalt und einen Energiebedarf des Schienenfahrzeugs umfassen. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass eine genügende Anzahl Dieselmotoren für beispielsweise eine Versorgung der Hilfsbetriebe auch bei Fahrzeugstillstand vorliegt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass im fortlaufenden Betrieb des Schienenfahrzeugs die auszuschaltenden Motoren variiert werden. Ziel dieser Maßnahme ist es, möglichst sämtliche Motoren gleichmäßig zu belasten. Insofern ist es günstig, wenn die Variation der auszuschaltenden Motoren auf einer zyklischen Permutation und/oder eine Anzahl Betriebsstunden und/oder eine Anzahl Betriebsstunden im Leerlauf beruht.
Es kann vorteilhaft sein, dass die automatische Abschaltung nicht benötigter Dieselmotoren manuell zu unterbinden ist. Dies wäre beispielsweise dann der Fall, wenn aufgrund von Beobachtungen eines Fahrers des Schienenfahrzeugs eine automatische Abschaltung nicht benötigter Dieselmotoren nicht als geeignet erscheint.
Bei einem konkreteren Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Verfahrens kann vorgesehen sein, dass bei einem Bahnhofsaufenthalt nur ein Dieselmotor betrieben wird, bei einer Anfahrt von einer Beschleunigung des Schienenfahrzeugs zunächst ein Dieselmotor betrieben wird, anschließend, abhängig von der Leistungsanforderung, zusätzlich erforderliche Dieselmotoren zugeschaltet werden, in einer Rollphase nur ein Dieselmotor betrieben wird und in einer Bremsphase sämtliche Dieselmotoren ausgeschaltet werden.
Es kann außerdem günstig sein, dass eine Aussteuerung der Dieselmotoren, abhängig von dem Ergebnis der Überwachung der Leistungsanforderung und von motorbezogenen Verbrauchskennlinien für Kraftstoff, asymmetrisch erfolgt. Diese Vorgehensweise ist auch bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen vorteilhaft. Dies bedeutet beispielsweise bei einem Antrieb, der über drei Dieselmotoren verfügt und für den eine Leistungsanforderung von 60% vorliegt, das lediglich einer der Dieselmotoren mit der Leistungsanforderung von 60% betrieben wird, während die übrigen zwei Dieselmotoren ausgeschaltet werden. Dies beruht darauf, dass der eine, betriebene Dieselmotor bei 60% Auslastung wirtschaftlicher arbeitet als sämtliche drei Dieselmotoren mit jeweils 20%-Auslastung. Ausschlaggebend für eine etwaige Ausschaltung von Dieselmotoren ist jedoch, wie jeweilige Verbrauchskennlinien der Motoren verlaufen. Dieses Verfahren ist insbesondere auch bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen realisierbar und sinnvoll.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend noch näher beschrieben.
Nachstehend werden im Wesentlichen drei Verfahren zum Betrieb von Dieselmotoren eines Triebzuges beschrieben, denen jedoch die Merkmale gemeinsam sind, dass im Betrieb des Schienenfahrzeugs dessen Leistungsanforderung regelmäßig überwacht wird und abhängig von einem Ergebnis der Überwachung der Leistungsanforderung, zum Genügen der Leistungsanforderung nicht benötigte Dieselmotoren automatisch abgeschaltet werden.
Ein erstes Verfahren zur Motorsteuerung bezieht sich auf den Betriebsfall, bei dem das Schienenfahrzeug beispielsweise in einem Bahnhof stillsteht. Hierbei werden die bei längerem Fahrzeugstillstand nicht benötigten Dieselmotoren nach einer definierten Zeit automatisch ausgeschaltet. Die Anzahl der abzuschaltenden Motoren und die Zeitdauer, nach deren Ablauf abgeschaltet wird, richtet sich dabei nach verschiedenen Kriterien. Diese können sich darauf beziehen, in welchem Besetzungszustand sich das Fahrzeug befindet, was die typische Zeitdauer für einen Bahnhofsaufenthalt ist und welcher Energiebedarf für das Schienenfahrzeug benötigt wird. Außerdem kann eine solche vorbestimmte Zeitdauer mit einem Betreiber des Schienenfahrzeugs abgestimmt werden. Die auszuschaltenden Motoren werden dabei variiert, wobei eine zyklische Permutation, eine jeweilige Motor-Betriebsstundenanzahl und/oder eine jeweilige Motor-Betriebsstundenanzahl im Leerlauf in die Variation eingehen. Diese Maßnahme ist typischer Weise ohne weitere Hardware-Maßnahmen, wie Änderungen am Anlassersystem, möglich. Leerlaufverluste im Fahrzeugstillstand können dadurch erheblich reduziert werden. Dem Fahrer wird dieser Betriebszustand angezeigt, beispielsweise mit Hilfe eines Leuchtmelders oder eines anderen Anzeigegerätes. Es ist für den Fahrer möglich, durch eine einfache Bedienhandlung vor Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer für das Abschalten eines Teils der Dieselmotoren eine Aktivierung des automatischen Abschaltens zu verhindern. Eine Möglichkeit dafür ist beispielsweise eine Anforderung für einen Motorstart, obwohl noch sämtliche Dieselmotoren laufen. Dies hat zur Folge, dass die vordefinierte Zeitdauer erneut von Null startet oder die automatische Ausschaltung verriegelt wird.
Wird der Betriebszustand des Fahrzeugstillstands verlassen, startet der Fahrer vor Weiterfahrt die ausgeschalteten Motoren nach, so dass für die Fahrt die volle, verfügbare Dieselleistung bereit steht. Dieses automatische Einschalten der Dieselmotoren kann auch in der Fahrzeugsteuerung implementiert werden, wenn dies aus Sicherheitsgründen möglich ist. Neben der Kraftstoffeinsparung durch dieses Verfahren wird auch eine Zeitdauer zwischen erforderlichen Wartungsintervallen verlängert.

Bei einem zweiten Verfahren zum Motormanagement eines Triebzuges wird von der Beobachtung Gebrauch gemacht, dass während des Fahrbetriebs typischer Weise nur für ein Drittel der Zeit, nämlich die Beschleunigungsphase, Traktionsleistung und damit eine erhöhte Dieselmotorleistung benötigt wird. Das Motormanagement während der Fahrt sorgt dafür, dass immer nur so viele Dieselmotoren laufen, wie gerade aufgrund der Leistungsanforderung benötigt werden. Wiederum werden ein-/auszuschaltende Motoren dabei variiert, und zwar unter denselben Kriterien, wie bereits oben anhand des ersten Verfahrens erläutert. Für ein typisches Fahrspiel ergeben sich dann folgende Einschaltzustände der Dieselmotoren:

Bahnhofsaufenthalt:	Nur ein Dieselmotor läuft, beispielsweise zur Versorgung der Hilfsbetriebe,
Anfahrt und Beschleunigung:	Mit einem Dieselmotor beginnend, anschließend werdenabhängig von der Leistungsanforderung ggf. alle weiteren Dieselmotoren zugeschaltet,
Rollphase:	Alle Dieselmotoren bis auf einen werden ausgeschaltet,
Bremsphase:	Alle Dieselmotoren bleiben ausgeschaltet und
Bahnhofsaufenthalt:	Nur ein Dieselmotor läuft zur Versorgung der Hilfsbetriebe.

Es ist außerdem möglich, dass in dieses Motormanagement ein Energiespeicher integriert wird. Für diese Art von Motormanagement müssen jedoch eventuell Hardware -Änderungen aufgrund der vielen Motorstarts vorgesehen werden, da aus Verschleißgründen nicht erwartet werden kann, dass ein herkömmliches Startersystem zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist (alternativ kann man den Startermotor auch als Verschleißteil deklarieren). Auch bei diesem Verfahren ergibt sich neben der Kraftstoffeinsparung auch eine Verminderung der Zeitdauer zwischen aufeinanderfolgenden Wartungsintervallen.
Bei einem dritten Verfahren wird das Motormanagement derart vollzogen, dass eine angeforderte Antriebsleistung so auf die zur Verfügung stehenden Dieselmotoren verteilt wird, dass dabei am wenigstens Kraftstoff benötigt wird. Wie viel Kraftstoff bei welcher abgenommenen Leistung benötigt wird, ergibt sich aus verfügbaren Verbrauchskennlinien der Dieselmotoren. Auch die Anwendung bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen ist möglich.
Während im Stand der Technik typischer Weise sämtliche Dieselmotoren mit derselben Leistungsanforderung betrieben werden, z. B. 20%, wird bei dem hier vorgestellten dritten Verfahren derart vorgegangen, dass aufgrund der Auswertung der Motorkennlinien nur ein Dieselmotor mit 60% Leistungsanforderung betrieben wird, nicht aber drei Dieselmotoren mit jeweils 20%. Dabei ist zugrunde gelegt, dass der Triebzug über insgesamt drei Dieselmotoren verfügt und insgesamt eine Leistungsanforderung von 20% besteht.
Zu jedem Betriebspunkt für Leistungsanforderungen an den Antrieb durch die Dieselmotoren wird dabei eine optimale Ansteuerung in der Zugsteuerung hinterlegt. Auch bei diesem Verfahren wird zwischen den jeweils auszuschaltenden Dieselmotoren variiert.
Es wird erwartet, dass die hier vorgestellte asymmetrische Motoransteuerung sich auch außen neutral zur bisherigen Ansteuerung verhält, was beispielsweise die Anzahl der Motorstarts, die Traktionsleistung usw. anbelangt. Lediglich im akustischen Außenverhalten können kleinere Differenzen nicht ausgeschlossen werden.
Zusammenfassend ergeben sich bei den verschiedenen Verfahren folgende Vorteile: Bei dem ersten Verfahren kann die Dauer bis zur Wartung eines Dieselmotors ca. um 10% erhöht werden. Zudem können typischer Weise 2% bis 3% des Kraftstoffverbrauchs eingespart werden.
Bei dem zweiten Verfahren kann im Mittel die Dauer bis zur Wartung eines Dieselmotors um etwa 50% erhöht werden auch können sich Einsparungen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs von bis zu 10% ergeben.
Bei dem dritten Verfahren wird die Dauer bis zur nächsten Wartung nicht verlängert, allerdings wird geschätzt, dass die Kraftstoffeinsparung bei 1% bis 2% des Kraftstoffverbrauchs liegt.
Es wird hervorgehoben, dass die soeben vorgestellten Zahlenwerte allgemein auf Schätzungen beruhen und deren Erreichen für eine Benutzung der Erfindung nicht erforderlich ist.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Schienenfahrzeugs mit einem Antrieb, der eine Mehrzahl Motoren umfasst, wobei im Betrieb des Schienenfahrzeugs dessen Leistungsanforderung regelmäßig überwacht wird und, abhängig von einem Ergebnis der Überwachung der Leistungsanforderung, zum Genügen der Leistungsanforderung nicht benötigte Motoren automatisch abgeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in dem Fall, wenn die Leistungsanforderung fortlaufend einen Fahrzeugstillstand wiedergibt, nicht benötigte Motoren, insbesondere Dieselmotoren, nach einer vorbestimmten Zeitdauer automatisch abgeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Anzahl der abzuschaltenden Motoren und die vorbestimmte Zeitdauer nach Kriterien bestimmt werden, die einen Besetzungsgrad des Schienenfahrzeugs, eine typische Zeitdauer für einen Bahnhofsaufenthalt und einen Energiebedarf des Schienenfahrzeugs umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im fortlaufenden Betrieb des Schienenfahrzeugs die auszuschaltenden Motoren variiert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Variation der auszuschaltenden Motoren auf einer zyklischen Permutation und/oder einer Anzahl Betriebsstunden und/oder einer Anzahl Betriebsstunden im Leerlauf beruht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die automatische Abschaltung nicht benötigter Motoren manuell zu unterbinden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem bei einem Bahnhofsaufenthalt nur ein Motor, insbesondere Dieselmotor, betrieben wird, bei einer Anfahrt und einer Beschleunigung des Schienenfahrzeugs zunächst ein Motor betrieben wird, anschließend, abhängig von der Leistungsanforderung, zusätzlich erforderliche Motoren zugeschaltet werden, in einer Rollphase nur ein Motor betrieben wird und in einer Bremsphase sämtliche Motoren ausgeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Aussteuerung der Motoren, abhängig von dem Ergebnis der Überwachung der Leistungsanforderung, und von motorbezogenen Verbrauchskennlinien für Kraftstoff oder elektrische Energie, asymmetrisch erfolgt.