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Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit Antriebsmitteln zum Erzeugen einer Traktionskraft und zum Erzeugen einer elektrischen Versorgungsenergie für elektrische Verbraucher des Schienenfahrzeugs.
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Ein solches Schienenfahrzeug ist aus der Praxis bereits bekannt. So weisen Schienenfahrzeuge Antriebsmittel auf, die zum Erzeugen einer Traktionskraft eingerichtet sind. Die Traktionskraft wird in wenigstens einen Radsatz des Schienenfahrzeugs eingeleitet, wodurch die gewünschte Fahrbewegung des Schienenfahrzeugs erzeugt wird. Darüber hinaus stellen die Antriebsmittel die Versorgungsenergie für elektrische Verbraucher, wie beispielsweise Steuerungsgeräte, Klimaanlagen und dergleichen bereit, die in dem Schienenfahrzeug angeordnet sind.
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Aufgrund immer knapper werdender Rohstoffe ist mit einem fortwährenden Anstieg der Kosten für Kraftstoffe oder Strom zu rechnen. Dieser Preisanstieg wirkt sich im Bereich des Schienenverkehrs auf die Betriebskosten oder die so genannten „Life-Cycle-Kosten” nachteilig aus. Insbesondere bei intensiver Nutzung übersteigen die Betriebskosten eines Schienenfahrzeugs dessen Anschaffungskosten beträchtlich, so dass geringe Betriebskosten einen oftmals entscheidenden Wettbewerbsvorteil mit sich bringen. Dies gilt für elektrische Schienenfahrzeuge ebenso wie für dieselelektrische Schienenfahrzeuge.
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Bei einer dieselelektrischen Lokomotive erzeugt ein Dieselmotor zunächst eine Bewegungsenergie, die in einen elektrischen Generator eingeleitet wird, der schließlich die gewünschte elektrische Traktions- und Versorgungsenergie bereitstellt. Insbesondere beim Dieselmotor werden etwa 60% der im Kraftstoff enthaltene Energie ungenutzt über das Abgas und die Kühlmittelkreisläufe in Form von Wärme irreversibel an die Umwelt abgegeben. Aber auch bei einer rein elektrisch angetriebenen Lokomotive mit einer Leistung von 6,4 MW werden über die Stromrichter und Trafokühler etwa 0,75 MW an die Umgebung in Form von Wärme abgegeben.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Schienenfahrzeug der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dessen Nutzung geringe Betriebskosten entstehen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Antriebsmittel wenigstens einen Thermogenerator aufweisen, der zumindest einen Teil der elektrischen Versorgungsenergie bereitstellt.
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Erfindungsgemäß werden Thermogeneratoren eingesetzt, um an jeweils zweckmäßig ausgesuchten Stellen des Schienenfahrzeugs die von den Antriebsmitteln erzeugte Abwärme zur Erzeugung von Elektroenergie einzusetzen. Die von jedem Thermogenerator erzeugte Elektroenergie wird erfindungsgemäß zur elektrischen Versorgung von Verbrauchern des Schienenfahrzeugs eingesetzt. Dazu werden die Thermogeneratoren gezielt an zweckmäßigen Bauteilen der Antriebsmittel angeordnet, die der aktiven Kühlung bedürfen oder aufwendig isoliert werden müssen, um Wärmeabstrahlung (z. B. an Abgasanlagen) zu verringern. Daraus ergeben sich verschiedene technische Vorteile. Zum einen können die Kühleinheiten kleiner dimensioniert werden, da der jeweilige Thermogenerator die zu kühlende Komponente ebenfalls abkühlt. Zum anderen können aufwändige thermische Isolierungen einfacher ausgeführt sein oder überflüssig werden. Werden die Thermogeneratoren z. B. an einem dieselbetriebenen Schienenfahrzeug an dessen Abwärme erzeugenden Komponenten eingesetzt, kann der Dieselmotor mit deutlich geringer Motorleistung ausgelegt werden, um die gleiche Traktionsleistung zu erreichen. So kann beispielsweise ein Dieselmotor mit 2,4 MW Motorleistung ohne Abwärmenutzung durch einen Dieselmotor mit 2,2 MW Motorleistung ersetzt werden und dennoch die gleiche Traktionsleistung des 2,4 MW Motors erreichen. Darüber hinaus wird durch den Einsatz von kleineren Dieselmotoreinheiten mit Abwärmenutzung auch der Kraftstoffverbrauch, bei gleicher Traktionsleistung herabgesetzt.
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Die Thermogeneratoren stehen zweckmäßigerweise in wärmeleitendem Kontakt mit solchen Antriebsmitteln, die bei Normalbetrieb des Schienenfahrzeugs eine große Wärmemenge abgeben. Thermogeneratoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Unter dem Begriff Thermogenerator ist ein Bauteil zu verstehen, dass Wärme direkt in elektrische Energie umwandelt. Voraussetzung für diese Umwandlung ist ein Temperaturunterschied am Thermogenerator. Ein Thermogenerator weist keine beweglichen Teile auf. Die Umwandlung der Wärme in elektrische Energie wird auf den so genannten Seebeck-Effekt zurückgeführt, der auch als thermoelektrischer Prozess bezeichnet wird. Die von einem Thermogenerator erzeugte elektrische Leistung ist umso größer, je größer der Temperaturunterschied am Thermogenerator selbst ist. So können beispielsweise Peltier-Elemente oder Bimetalle als Thermogenerator eingesetzt werden. Andere Thermogeneratoren bilden einen p-n-Übergang in Bismut-Tellurid-Halbleitern aus. Bei 40° Temperaturunterschied am Eingang eines solchen Thermogenerators kann dieser etwa 1% der im Wärmestrom enthaltenen Energie in Elektroenergie umwandeln, wobei eine optimale Abstimmung auf den Widerstand des nachgeschalteten Stromverbrauchers vorausgesetzt wurde.
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Vorteilhafterweise weisen die Antriebsmittel einen Umrichterkühler auf, der wärmeleitend mit einem Umrichter-Thermogenerator verbunden ist. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung ist wenigstens einer der Thermogeneratoren des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs wärmeleitend mit dem Umrichterkühler verbunden. Der Umrichterkühler erzeugt eine Abwärme, die durch die wärmeleitende Verbindung in den Umrichter-Thermogenerator eingeleitet wird. Dieser erzeugt in Abhängigkeit der eingeleiteten Wärme und Temperatur der besagten Wärme die gewünschte elektrische Versorgungsenergie.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verfügen die Antriebsmittel über wenigstens einen Transformatorkühler, der wärmeleitend mit einem Transformator-Thermogenerator verbunden ist. Wie bereits weiter oben angedeutet, wird auf diese Art und Weise die Abwärme eines Transformatorkühlers zur Erzeugung elektrischer Leistung genutzt. Hierbei wird der Transformator-Thermogenerator lediglich wärmeleitend mit einem Kühler des Traktionstransformators des Schienenfahrzeugs verbunden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Antriebsmittel einen Dieselmotor mit wenigstens einer Abgasanlage, wobei die Abgasanlage einen Abgasausleitabschnitt aufweist, der wärmeleitend mit einem Thermogenerator verbunden ist. Wie bereits weiter oben ausgeführt ist, wird bei einem Dieselmotor, der mit einem Generator gekoppelt ist, ein hoher Anteil der erzeugbaren Energie irreversibel in Form von Wärme an die Umwelt abgegeben. Aus diesem Grunde ist der Einsatz eines wärmeleitend mit der Abgasanlage des Dieselmotors verbundene Thermogenerator besonders effektiv bei der Erzeugung von Elektroenergie. Darüber hinaus können Thermospannungen an einem Abgasschalldämpfer oder einem sonstigen Bauteil der Abgasanlage durch die Kühlung mittels des Thermogenerators verringert werden.
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Die Abgasanlage kann auch einen Abgasrückkühler aufweisen. Auch der Abgasrückkühler kann wärmeleitend mit einem Abgasrückkühl-Thermogenerator verbunden sein.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Weiterentwicklung ist der Dieselmotor über einen Kühlkreislauf an einen Motorkühler angeschlossen, wobei der Motorkühler wärmeleitend mit einem Motorkühler-Thermogenerator verbunden ist.
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Zweckmäßigerweise sind der oder werden die Thermogeneratoren zum Erzeugen einer Steuerspannung für Steuer- oder Regelungsmittel des Schienenfahrzeugs eingesetzt. Moderne Schienenfahrzeuge weisen zahlreiche Steuer- und Regeleinheiten auf, mit denen beispielsweise die Traktion oder ein Bremsvorgang des Schienenfahrzeugs geregelt oder aber auch eine Überwachung des Schienenfahrzeugs durch die Zugbeeinflussung ermöglicht wird.
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Darüber hinaus kann der oder die Thermogeneratoren zur Versorgung der Hilfsbetriebe des Schienenfahrzeugs eingesetzt werden. Die vom Thermogenerator bereitgestellte Gleichspannung muss dann zu einer Wechselspannung umgewandelt werden, um einzelne Hilfsbetriebe versorgen zu können. Hilfsbetriebe umfassen beispielsweise Maschinenraumlüfter, Fahrmotorenlüfter, Klimaanlagen, Druckschutzsysteme, Bremswiderstandslüfter, Bremskompressoren, Stirnscheibenheizungen, Fußbodenheizungen und ähnliche elektrische Verbraucher.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
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1 den Kühlkreislauf eines Dieselmotors gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeuges in schematischer Darstellung,
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2 einen von 1 abweichenden Kühlkreislauf eines Dieselmotors,
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3 den Kühlkreislauf eines Stromrichters gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs und
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4 den Kühlkreislauf eines Transformators gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs zeigen.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs 1, das lediglich teilweise an Hand einiger Komponenten seiner Antriebsmittel 2 dargestellt ist. Die Antriebsmittel 2 weisen einen Dieselmotor 3 auf, der über einen Kühlkreislauf 4 gekühlt wird. In dem Kühlkreislauf 4 ist eine Umwälzpumpe 5 vorgesehen, die ein zweckmäßiges Kühlmittel, hier Wasser, in dem Kühlkreislauf 4 fortwährend umwälzt. Der Kühlkreislauf 4 dient nicht nur zur Kühlung des Dieselmotors 3, sondern auch zur Abkühlung eines Abgasrückkühlers 6 sowie eines Ölkühlers 7. Ferner ist ein Bypass 8 vorgesehen, der es ermöglicht, einen Motorkühler 9 des Schienenfahrzeugs zu überbrücken. Der Bypaß 8 dient hier lediglich der schnellen Aufwärmung des Motors im so genannten kleinen Kreislauf, um möglichst schnell Betriebstemperatur und damit optimale Verbrennung des Kraftstoffes zu erreichen. Dies ist beispielsweise beim Starten des Dieselmotors zweckmäßig. Bei dem Motorkühler 9 handelt es sich beispielsweise um einen Luft-/Wasserkühler, bei dem der Fahrtwind oder ein Lüfterrad zur Kühlung der Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufs 4 genutzt wird. Der Dieselmotor 3 erzeugt eine Drehbewegung, die in einen nicht gezeigten Generator eingeleitet wird. Der Generator wandelt die Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Dabei ist dem Generator ein Gleichrichter nachgeschaltet, der die vom Generator erzeugte Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt. Der Gleichrichter ist über eine Gleichspannungsverbindung mit einem Wechselrichter verbunden, der eine Motor-Wechselspannung zum Antrieb der elektrischen Fahrmotoren und der so genannten Hilfsbetriebetrafos erzeugt. Das aus Gleich- und Wechselrichter bestehende System wird auch als Frequenzstromrichter bezeichnet.
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Der Dieselmotor 3 umfasst eine Abgasanlage, die neben dem besagten Abgasrückkühler 6 auch einen Abgasausleitabschnitt 10 umfasst, in beim Betrieb des Dieselmotors 3 entstehenden Abgase zur Abgabe an die Außenatmosphäre eingeleitet werden. Abgasausleitabschnitt 10 und Abgasrückkühler 6 für Schienenfahrzeuge sind dem jedoch Fachmann bekannt, so dass an dieser Stelle auf deren genaue Ausgestaltung nicht genauer eingegangen zu werden braucht. Wesentlich ist, dass die Abgase eine hohe Temperatur aufweisen und eine beträchtliche Wärmeenergie bereitstellen. Die Abgasausleitabschnitt 10 ist daher wärmeleitend mit einem Abgasausleit-Thermogenerator 11 verbunden, welcher die Wärmemenge Qin aufnimmt und dabei die Wärmemenge Qout abgibt, wobei der Abgasausleit-Thermogenerator 11 aufgrund des thermoelektrischen oder Seebeck-Effekts eine elektrische Leistung Pel bereitstellt, die anschließend zur Energieversorgung von Steuerungsgeräten oder Hilfsbetriebeeinrichtungen des Schienenfahrzeugs eingesetzt wird. Darüber hinaus ist auch der Motorkühler 9 mit einem Motorkühler-Thermogenerator 12 verbunden, der die aufgrund der wärmeleitenden Verbindung wieder eine gewisse Wärmemenge Qin vom Motorkühler 9 aufnimmt und dabei die Wärmemenge Qout abgibt, wobei wiederum eine elektrische Leistung Pel bereitgestellt wird. Qin ist größer als Qout. Daher wirken Thermogeneratoren wie eine zusätzliche Kühlung, so dass der Motorkühler 9 entsprechend kleiner dimensioniert werden kann.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das sich von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass der Motorkühler 9 mit keinem Thermogenerator verbunden ist.
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Gemäß einem weiteren figürlich nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Rückführungskühl-Thermogenerator vorgesehen, der in wärmeleitendem Kontakt mit der Abgasrückführer 6 steht. Die gesamte Abgasanlage kann daher auch zwei Thermogeneratoren aufweisen, nämlich einen Rückführungskühl-Thermogenerator und einem Abgasausleit-Thermogenerator. Hinzu kann dann auch noch der Motorkühler-Thermogenerator treten.
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3 zeigt in einen weiteren Kühlkreislauf 13 des Schienenfahrzeugs beispielsweise eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (E-Lok), wobei der gezeigte Kühlkreislauf 13 zur Kühlung eines Stromrichters 14 also Gleich- oder Wechselrichter des Schienenfahrzeugs eingerichtet ist. In dem Kühlkreislauf 13 wird mit Hilfe einer Umwälzpumpe 15 eine Kühlflüssigkeit, hier ein Gemisch aus Wasser, Frost und Korrosionsschutzmittel, umgewälzt. Dabei wird die Kühlflüssigkeit über einen Stromrichterkühler 16 geführt. Der Stromrichterkühler 16 ist wärmeleitend mit einem Umrichter-Thermogenerator 17 verbunden. Der Umrichter-Thermogenerator 17 nimmt daher eine gewisse Wärmemenge Qin vom Umrichterkühler 14 auf und gibt anschließend eine geringere Wärmemenge Qout an die Außenatmosphäre ab, wobei er einen gewissen Anteil der Wärmemengendifferenz (Qin – Qout) in elektrische Energie oder Leistung Pel umwandelt.
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4 zeigt einen Transformatorkühlkreislauf 18 eines elektrisch angetriebenen Schienenfahrzeugs 1. Die Antriebsmittel des rein elektrisch angetriebenen Schienenfahrzeugs umfassen einen Transformator, dessen Primärwicklung über einen Stromabnehmer mit dem Fahrdraht der elektrifizierten Bahnstrecke verbunden ist. Der Transformator weist zwei Traktionswicklungen auf, denen jeweils ein Frequenzumrichter und die elektrischen Fahrmotore nachgeschaltet sind.
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In dem Transformationskühlkreislauf 18 wird mit Hilfe einer Umwälzpumpe 19 eine Kühlflüssigkeit umgewälzt. Der Kühlkreislauf 18 dient zur Kühlung des besagten Transformators, wobei die von der Umwälzpumpe 19 umgewälzte Kühlflüssigkeit ein Transformatoröl ist. Das Transformatoröl wird über zwei Transformatorkühler 20 und 21 geführt, die jeweils wärmeleitend mit Transformator-Thermogeneratoren 22 verbunden sind, die nach dem bereits beschriebenen Prinzip ein elektrische Leistung Pel bereitstellen.
