DE19617978A1

DE19617978A1 - Erdgaselektrische Fahrzeuge des Schienenpersonennahverkehrs

Info

Publication number: DE19617978A1
Application number: DE1996117978
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Wolf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-05-14
Filing date: 1996-05-14
Publication date: 1997-01-09

Description

Stand der Technik

Es ist bekannt, daß Straßenbahtriebwagen nach dem Stand der Technik ausschließlich elektrisch mit Fahrstrom betrieben werden, ebenso Stadtbahntriebwagen, letztere sind zusätzlich mit für die unterschiedliche Spanung des Fahrstroms der DB AG und der lokalen Straßen- und Stadtbahnen geeigneten Zweisystem- oder Hybridantrieben ausgerüstet. Außerdem werden Duo-S-Bahnfahr zeuge mit sowohl dieselmechanischen als auch fahrstrom elektrischen Antrieb hergestellt.

Ferner sind bei Omnibussen im Wagenboden untergebrachte dieselelektrische Antriebe in Verbindung mit magnetdynamischen Speicher und elektrischen Einzelradantrieben bekannt und bei Straßenbahnen 100% Niederflurfahrzeuge mit wassergekühlten Radnabenmotoren. Ebenso werden Wagenkästen von Straßen- als auch Schienenfahrzeugen mit überwiegenden Anteilen oder ganz aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt oder CNG- (Compressed- Natural-Gas) Tanks bei Linienbusfahrzeugen auf dem Dach mitgeführt. Transversalflußmotoren finden sich bei Kraftfahrzeugen.

a) Broschüren der Hersteller:
ABB Henschel AG, Mannheim/Variobahn DUEWAG, Düsseldorf, Niederflurstadtbahnwagen Typ R Frankfurt NEOPLAN, Stuttgart, Metroliner, Metroshuttle N 4114 DES und Megaliner

MM Magnetmotor GmbH, Starnberg, MM-Radmotor und MDS (magnetdynamischer Speicher)
VSG Verkehrstechnik GmbH, Bochum, Triebräder mit Radnabenmotoren Schindler Waggon AG, cH-Pratteln, WiTEC

b) Literatur:
- Dipl.-Ing. Auerbach, Chemnitz; Dressler, Mannheim und Müller (SH)) Chemnitz "Betriebspraxis der Variobahn", Der Nahverkehr, H 10/95, S. 84
- Dr. Ing. Hans-Peter Cabos, Minden/Westfalen "Werkstoffe für Schienenfahrzeuge/Stand und Entwicklungstendenzen in:
ETR 41, Heft 11, 1992, s. 745 ff
- Dr. Peter Ehrdhart, Starnberg "System und Ausführungs varianten der elektrischen Leistungsübertragung und der elektrischen Leistungsverzweigung für Omnibusse, in:
Verkehr und Technik, Heft 3, 1994, S. 109 ff
- Götz, Heidelberg, Starnberg "Magnetmotorantrieb für Nutzfahrzeuge und verbrauchs- und emissionsoptimierte Nahverkehrsbusse, in: Elektrische Bahnen-eb", Heft 5, 1989, Sonderdruck, S. 135-140
- Hessische Ministerium für Umwelt, Energie und Bundesangelegenheiten, Gesamt-Emissions-Modell Integrierter Systeme (GEMIS), Version 2.1 (Hrsg.), erstellt von Öko- Institut, 1994
- Peter von Korff, München "Komprimiertes Erdgas- (CNG) ein neuer Treibstoff für mobilen und umweltfreundlichen Einsatz in: Verkehr und Technik, Heft 1, 1994, S. 19 ff
- Christian Lambrecht, Hans Joachim Feldt, "Flexibilisierung des Beförderungsangebots", der Nahverkehr, H 12/95, S. 10 ff
- Dieter Ludwig und Peter Forcher, Karlsruhe; Guido Vogel, Erlangen und Hans Amend, Mannheim, "Das neue Fahrzeug- Konzept der Karlsruher Stadtbahn", Der Nahverkehr, H 12/95, S. 30 ff
- Ministerium für Stadtentwicklung und Verkehr des Landes Nordrhein-Westfalen (Hrsg.), NRW-Initiative für Erdgasantrieb
- Dr. Müller-Hellmann, Köln "Kostengünstige Schienenfahrzeuge für den Regionalverkehr", Der Nahverkehr, H 4/95, Sonderdruck
- Magnetmotor GmbH "Innovative elektrische Busantriebs systeme", Starnberg, September 1995;
- Neoplan aktuell, Heft 45, März 94, S. 22 ff;
- Thomas Thiele, Friedrichshafen "Potentiale im Schienen fahrzeugbau durch Faserverbunderdstoffe", in: ETR 42, 1993, Heft 10, S. 641 ff
- E. Veit-Salomon, Nürnberg "Übergänge bei Gelenkfahrzeugen", Der Nahverkehr H 3/95, S. 8 ff
- Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.H. Weh, Direktantriebe für Schienefahrzeuge der Zukunft, Vortragsmanuskript der ETG- Fachtagung, Essen, Oktober 1995

Problem

Alle bisherigen Straßenbahn- und mit Ausnahme eines Fahrzeugs mit Dieseldirektantrieb auch alle Stadtbahnfahrzeuge sind ausschließlich für elektrifizierte Strecken konstruiert. Dies macht zur Einrichtung oder Erweiterung eines Stadtbahnbetriebs eine mit hohen Investitionskosten und empfindlichen Eingriffen in Natur und bauliche Strukturen verbundene Elektrifizierung nicht elektrifizierter vorhandener Bahnstrecken und generell aller Neubaustrecken erforderlich. Elektrifizierte Strecken erfordern gegenüber nicht elektrifizierten eine um 1,0 bis 1,5 größer Ausbaubreite und 1,5 bis 2,0 m größere lichte Höhe. Die auf dem Markt befindlichen Fahrzeuge sind außerdem nach dem Stand der Technik um den Faktor 1,5 bis 2,0 zu schwer, verbrauchen zuviel Energie und belasten die Umwelt vermeidbar um ein Vielfaches (z. B. CO 2 Faktor 4,5 SO 2 Faktor 100). Ein 100% Niederflur-Stadtbahnwagen zur Erleichterung des Ein- und Ausstiegs an bahnsteiglosen Haltestellen (Fußgängerzonen) für Behinderte fehlt. Dieselmechanisch betriebene Straßenbahnen oder Stadtbahnen werden in den Innenstädten aufgrund ihrer Schall- und Abgasemissionen nicht akzeptiert.

Lösung

Diese Probleme werden durch die im Patentanspruch 1 bis 4 aufgeführten Merkmale gelöst.

Durch die Anwendung der Erfindung erreichte Vorteile

Die entwickelten erdgaselektrischen Stadtbahntriebwagen sind mit Vorteil gegenüber dem Stand der Technik vorhandener Schienentriebwagen einzusetzen:

a) wenn in der Region vorhandene nicht elektrifizierte Schienenstrecken ohne Elektrifizierung und ohne Beschaffung von Schienenfahrzeugen mit Hybridantrieb in einen vorhandenen Stadt- oder Straßenbahnbetrieb integriert werden sollen
b) oder wenn umgekehrt vorhandene elektrifizierte Regelspurstraßenbahn- oder Stadtbahnnetze mit engen Radien, niedrigen oder keinen Bahnsteigen (Fußgängerzone) ohne Zusatzinvestitionen im Schienennetz und Anschaffung von Fahrzeugen mit Hybridantrieb in den Regionalbahnbetrieb integriert werden sollen
c) oder wenn Streckenverlängerungen oder generell neue Trassen für Straßenbahn, Stadt- oder Vollbahn geplant sind, die Fahrstrominfrastruktur aber eingespart, Eingriffe in den Naturhaushalt, das Grundeigentum und gewachsene Stadtstrukturen minimiert und die Investitionskosten gering gehalten werden sollen
d) oder wenn Fahrzeuge zum Einsatz kommen sollen, die leichter, schneller, komfortabler und und kostengünstiger sind, weniger Energie verbrauchen, die Umwelt insbesondere auch von Emissionen der vorgeschalteter Erzeugung von Primärenergie entlasten, über eine größere Anzahl von Sitzplätzen/lfdm Triebwagen verfügen sowie mehr soziale Sicherheit und eine verbesserte Fahrgastbetreuung gewähren.

Hierzu leisten die einzelnen Merkmale der Erfindung (Schlüsseltechniken) folgenden Beitrag.

Der erdgaselektrischer Antrieb

- die Trennung der Stromerzeugung und -speicherung vom Antriebsrad und beliebige Unterbringung im Fahrzeug, hier des Erdgasmotors, des Generators, des magnetdynamischen Speichers und der CNG-Tanks im Dachraum der Triebwagen
- auf Grund des elektrischen Radantriebs ein stufenfreies, ruckloses und zügiges Beschleunigungs- bzw Bremsverhalten analog el. Triebwagen (U- und s-Bahn)
- jedoch gegenüber diesen Fahrzeugen ein um den Faktor 0,5 bis 0,7 geringeren Gesamtenergieverbrauch, eine um ein vielfaches reduzierte Umweltbelastung sowie insbesonderes gegenüber dieselbetriebenen Fahrzeugen eingeschränkter Geräuschpegel.

Der magnetdynamischer Speicher

- die Reduzierung der Motorleistung und damit der Motormasse auf ca. 40% der Nennpunktleistung

- einen kontinuierlichen ununterbrochenen Lauf des Motors während der gesamten Betriebs zeit im optimalen Drehzahlbereich und dadurch bedingt eine Reduzierung des Treibmittelverbrauchs und Abgasemissionen sowie deutliche Absenkung des Motorgeräuschpegels auf ein innenstadtverträgliches Niveau
- die Rückgewinnung von Bremsenergie und Speicherung der Motorleistung während des Haltestellenaufenthaltes sowie
- das Befahren von Untergrundstrecken mit elektrischem Antrieb aus eigener Kraft ohne Netzstrom.

Die Transversalfluß-Radnabenmotoren ermöglichen aufgrund ihrer geringen Masse (80-100 kg), geringen Ausmaße und ihrer Federung durch einen umlaufenden Gummiring zwischen Radnabenmotor und Radreifen über

- Allradantrieb und damit ein günstiges Beschleunigungs- und Bremsverhalten
- kleinere Räder und dadurch wiederum eine geringe Einsteigshöhe und ein 100%-Niederflurfahrzeug
- die geringe Einbaubreite und -höhe der Einzelradmotoren wiederum Kompaktfahrwerke mit für kleine Gleisbogenradien ausreichendem Drehwinkel des Drehgestells unter Beibehaltung des 100% Niederflurwagenbodens sowie
- gute Laufeigenschaften insbesondere bezüglich reduzierter vom Rad auf den Wagenkasten übertragener Querschwingungen

Die Herstellung des Wagenkastens aus Faserverbundwerkstoffen

- ermöglicht eine Massereduzierung gegenüber Stahl Aluminiumkonstruktion ca. um den Faktor 0,75
- eine höhere spezifische Festigkeit und Steifigkeit
- Korrosions- und Wetterbeständigkeit, Energieaufnahmevermögen bei Kollisionen, Temperaturunempfindlichkeit und reproduzierbare Qualität
- sowie eine lokale Beschränkung eingetretener Beschädigungen, einfache Reparaturfähigkeit, große Oberflächengüte, einfache Herstellung komplexer runder Formen mit modernem Design
- eine runde fließende moderne Formgebung bei zugleich wesentlich erhöhter Materialfestigkeit für alle Beanspruchungen
- und letztendlich geringe Produktions- und Unterhaltungskosten.

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Die Weiterbildung nach Patentanspruch 2 ermöglicht, das Fahrzeug einem höheren Fahrgastaufkommen anzupassen.

Die Weiterbildung nach Patentanspruch 3 ermöglicht, das Fahrzeug ausschließlich im Vollbahnbetrieb als Regionalbahn mit entsprechend größerer Wagenbreite und Einstiegshöhe sowie größeren Anzahl von Sitzplätzen und Höchstgeschwindigkeit einzusetzen.

Die Weiterbildung nach Patentanspruch 4 als Doppelstockfahrzeug im Vollbahnbetrieb gewährt über den Patentanspruch 4 hinaus den Fahrgästen durch getrennte 1. Klasseabteile, Panoramadach und Bordtoilette mehr Komfort bei zugleich deutlich reduzierten Investitions- und Betriebskosten sowie Umweltbelastung je Sitzplatz. Das Fahrzeug beansprucht bei vergleichbaren Fahrgastaufkommen außerdem geringere Bahnsteiglängen.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Es zeigt:

Fig. 1 das Fahrzeug nach Patentanspruch 1 (Typ ees) mit einer Seitenansicht, Grundriß des Fahrgastraums und des Dachraums mit der Antriebstechnik: Ziffer 1 Motor+Generator, Ziffer 2 CNG- Tanks und Ziffer 3 MDS-Speicher.

Fig. 2 das Fahrzeug nach den Patentansprüchen 2 und 3 (Typen eesl und eer), je mit einer Seitenansicht und dem Grundriß des Fahrgastraums.

Fig. 3 das Doppelstockfahrzeug nach Patentanspruch 4 (Typ eerd) mit einer Seitenansicht und je einem Grundriß des Unter- und des Oberdeckfahrgastraums, wobei letzterer im Mittelteil die Antriebseinrichtungen nach Ziffer 1 bis 3 enthält.

Die kennzeichnenden Fahrzeugteile des Fahrzeugs nach Patentanspruch 1, Fig. 1 im einzelnen:
Antrieb:
Der Antrieb erfolgt durch einen mit Compressd-Natural-Gas (CNG) betriebenen 6-Zylinder Erdgasmotor, MAN E 0826 160 PS/117 kW, Drehzahl n=2.700 min-1, Verbrauch 12.000 kJ/kWh.

Die Abwärme des Motors wird zur Beheizung des Fahrgastraumes genutzt.

Dem Motor ist ein Generator angedockt. Die kinetische Bremsenergie ab Höchstgeschwindigkeit sowie die Motorleistung während der Haltezeiten werden in einen magnet-dynamischem Speicher (MDS), Energiegehalt 7,5 kWh, Maße 780/780/670 mm B- T-H, Masse 60 kg, gespeichert. Diese Konfiguration erlaubt die Auslegung der Motorleistung auf ca. 40% der Nennpunktleistung (117 von ca. 290 kW). Die Nennpunktleistung resultiert aus den Leistungsvorgaben 1,3 m/sec2 Beschleunigung, 100 kmh Höchstgeschwindigkeit und 34 t Besetztgewicht.

Die Speicherung des Import-Erdgases CNG mit einer Treibstoffmasse von ca. 232 kg, erfolgt in sieben MTH 180- Tanks bei einem Druckniveau von 248 bar, einem liter geometrischen erforderlichen Tankvolumen von 1.157 1 und einer Speichergesamtmasse von 346 kg.

Dies ergibt eine Gesamtmasse des Antriebs (Motor, Generator, Speicher, Tanks, Treibstoffe und Linear-Radnabenmotoren) von ca. 3,0 t, die, abgesehen von den Radnabenmotoren, im entsprechend überhöhten Dachraum der beiden Kopfteile des dreiteiligen Fahrzeugs untergebracht sind.

Alle 12 Räder werden durch TFM (Transverse Flux Machines) Linear-Radnabenmotoren als Schwebevariante in Kurzstatorversion (ohne Kupplung) mit einer Nennleistung P von ca. 25 kW/Motor, Masse 100 kg, Durchmesser 460 mm, Breite axial 430 mm angetrieben.

Energieverbrauch:
Der Energieverbrauch beträgt im Stadtbetrieb mit ca. 500 m Haltestellenabstand ca. 3,80 kWh/100-Platz-km.

Emissionen:
Zur Ermittlung der Emissionen sind die einzelnen Emissionswerte der vorgelagerten Prozeßketten für Importerdgas (Tab. 30, ÖKO/GEMIS aaO, S. 53) zu den Emissionswerten eines Erdgasmotors mit 3-Wege-Kat (Tab. 65 ebenda) zu addieren.

Einstieg:
100% Niederflur, Boden- und Einstiegshöhe 350 mm über SO. Um sowohl einen sicheren Ein- und Austritt in Fußgängerzonen als auch einem spaltfreien Übertritt bei Bahnsteigen im Vollbahnbetrieb zu ermöglichen, ist eine elektrisch betriebene ausfahrbare Trittstufe vorgesehen. Die Anordnung jeweils einer Fahrgasttüre beim Fahrer ist erforderlich, um ein rasches Ein- und Aussteigen des Fahrers sowie im Einzelfall das Abkassieren einsteigender Fahrgäste durch den Fahrer zu ermöglichen. Für Strecken mit kurzen Haltestellenabständen und relativ hohem Fahrgastwechsel an der einzelnen Haltestelle ist im Mittelteil rechts oder links neben dem Fahrgestell eine weitere Tür vorgesehen.

Drehgestelle:
Die Stahldrehgestelle sind zur Minimierung der Hüllkurve und des befahrbaren Gleisbogenhalbmessers mittig unter den Wagenkästen der drei Wagenteile angekoppelt. Mit dieser Anordnung wird der freie Durchgang nicht durch Drehausschläge eingeschränkt. Das Kompaktfahrwerk ist mit 1,8 m Radabstand bei vis-a-vis Sitzordnung, ca. 400 mm in vier Radkästen unter den Sitzen eingesenkt. Der Drehgestellwinkel beträgt ca. 7,2 Grad.

Drehgelenke:
Die Wagenteile sind ohne gemeinsame Schnittlinie durch freischwebende Gelenke/ Übergänge verbunden, wobei beide Drehkränze flach und umlaufend gefaßt werden. Um einen freien Blick des Fahrers und der Fahrgäste durch das ganze Fahrzeug zu ermöglichen und außerdem die Wirkung eines ungeteilten lichten Fahrgastgroßraums zu unterstreichen, sind die Gelenkbereiche portalfrei gehalten. Zur Minderung der Fahrgeräusche im Fahrgastraum sollen die Faltenbalken der Drehgelenke doppelwandig ausgebildet werden.

Räder:
Alle Räder sind Triebräder, bestehend aus einem auf einem Gummiring gelagerten 120 mm breiten im Minimum 50 mm (Betriebsgrenzmaß) dimensionierten Radkranz, Durchmesser 740/670 mm, Masse ca. 150 kg/Rad.

Wagenkasten:
Für den Wagenkasten und Wagenkastenausbau kommen Faserverbundwerkstoffe (Sandwichbauweise oder Wickeltechnik) zur Anwendung, wobei die stärker beanspruchten Teile in kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) und die minderbeanspruchten Teile in glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) ausgebildet werden.

Zur Minimierung der Hüllkurvenradien bzw. des kleinsten befahrbaren Gleisbogenhalbmesser sind die Fahrzeugschnauzen horizontal konisch zulaufend konstruiert und außerdem als Knautschzone ausgebildet. Die Dächer der Kopfteile sind vorgefertigte Zentralcontainer zur Unterbringung der Tanks, Motoren, Generatoren und elektrodynamischen Speicher. Bei Einsatz des Fahrzeuges als Regionalexpress (RE) oder als Regionalbahn (RB) können 24 Sitzplätze des Panoramateils des Mittelteils als erste Klasse ausgewiesen werden. Die Höhe des Fahrgastraumes beträgt im Kopfteil des Fahrzeuges 2,1 m und im Mittelteil sowie im Panoramateil des Kopfteils 2,6 m.

Verglasung und Beleuchtung:
Am Kopf der beiden Kopfteile und in der Mitte des Mittelteils ist ein Panoramaglasdach mit selbstschattierenden bzw getöntem Glas vorgesehen.

Der Fahrgast- und Fahrerraum erhält 1 m hohe über die ganze Fahrzeuglänge durchgehende doppelverglaste Fenster mit hohem K-Wert, denen innen jeweils im Bereich der aneinanderstoßenden Rücklehnen der Bestuhlung 300 mm breite Kunststoffblenden hinterlegt sind, die innseitig der Unterbringung von Sonnenschutzvorhängen und im oberen Teil einer 500 mm breiten Gepäckablage dienen. Die Fahrerkabine ist durch eine Glaswand abgetrennt, so daß ein freier Blick durch das ganze Fahrzeug bzw. vom Fahrgastraum durch den Fahrerraum auf die Strecke möglich ist.

Es ist eine über der Gepäckablage integrierte indirekte Beleuchtung, ergänzt durch Halogenscheinwerfer in der Gangdecke vorgesehen.

Fahrzeugführung:
Das Fahrzeug ist mit Einrichtungen der automatischen Fahrzeugführung ausgestattet. Die vollautomatische Fahrzeugführung ist auf Stadt- und Straßenbahnstrecken mit besonderem, integriertem Bahnkörper und niveaugleichen Kreuzungen ausgeschlossen. Im Bereich längere kreuzungsfreier Strecken mit unabhängigem Bahnkörper ist zur Unterstützung des Fahrers eine semiautomatische Fahrzeugführung vorgesehen:
Der Fahrer bleibt bis auf kurze Pausen oder einzelne Fahrgastbetreuungen an seinen Arbeitsplatz im Fahrzeug gebunden. Alle Bedienungen auf dem Fahrzeug incl. Fahr- und Bremssteuerung sowie Überwachung der Türverschlüsse werden elektronisch gesteuert. Die Wechselsprechstelle ist vom Fahrzeug zur Betriebsleitstelle durchgeschaltet. Diese Hilfen erlauben u. a. in den Dienstplänen längere pausenlose Fahrzeiten des Fahrers vorzusehen.

Claims

1. Elektrische Straßenbahntriebwagen, elektrische-Zweisystem oder dieselmechanisch betriebene Stadt- und Regionalbahntriebwagen gekennzeichnet durch, erdgaselektrischen Antrieb (Ergasmotor mit angeflanschtem Generator kompatibel für Fahrstrom- und Brennstoffzellenantrieb,) Zweirichtungstriebwagen, 100%- Niederflur mit ca. 350 mm Bodenhöhe über Schienenoberkante, Leichtbauweise des Wagenkastens mit Faserverbundwerkstoffen, magnetdynamischer Energiespeicher (MDS), Unterbringung von Motor, Generator, MDS und Triebmitteltanks überwiegend im Dachraum, radnabenintegrierte Transversalflußmotoren, Ausbildung der Fahrzeugschnauzen als Knautschzonen, CNG-Erdgas-Tankvolumen ausreichend bis 1000 km Reichweite/Tag sowie die technisch, ökonomisch und ökologisch vorteilhaft aufeinander abgestimmte Zusammenfassung dieser Techniken zu einem neuartigen Schienentriebwagen (Typenbezeichnung ees).

2. Schienentriebwagen nach Patenanspruch 1, gekennzeichnet durch, eine Fahrzeuglänge von ca. 37,0 m infolge eines zusätzlich eingefügten Mittelteils (Typenbezeichnung eesl).

3. Schienentriebwagen nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch Einstiegshöhe ca. 600 mm, Wagenbreite ca. 3000 mm, Fahrzeuglänge ca. 37,9 m und -höhe ca. 3.90 m. Die beiden äußeren Drehgelenke des Typs ees entfallen. Kopf- und Mittelteil sind starr verbunden, Anordnung eines Drehgestells unter das Drehgelenk (Typenbezeichnung eer).

4. Schienenfahrzeug nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch Doppelstockfahrzeug, Fahrzeughöhe über SO 4,8 m, Fahrzeugbreite ca. 3,00, Stehhöhe im Unterdeck ca. 2,1 m, im Oberdeck ca. 1,95 m, Raddurchmesser 740/660 mm. Im S-bahnähnlichen Betrieb ist eine 5. Tür in der Mitte des Mittelteils und in den beiden rückwärtigen Teilen des Oberdecks jeweils ein durch eine Glaswand abgetrennter Erste-Klasse-Teil mit je 20 Sitzen vorgesehen. Der Kopf der beiden Kopfteile erhält ein Panoramaglasdach, das sich über die beiderseitige Dachkantenwölbung bis zum ersten Drehgelenk durchzieht. Unterbringung des Erdgasmotors, des Generators, des magnetdynamischen Energiespeichers und der Treibmitteltanks im Dachraum des mittleren Wagenmoduls (Typenbezeichnung eerd).