Dulin, L.

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Periodica Polytechnica (Budapest University of Technology and Economics)

DIE BESTIMMUNG DES GEMEINSAMEN ZUGFÖRDERUNGS- UND HEIZENERGIEVERSORGUNGS-LEISTUNGSBEDARFES BEI HOHEN FAHRGESCHWINDIGKEITEN Von L. DULIN Lehrstnhl für Schienenfahrzeuge, Technische Universität Budapest (Eingegangen am 16. Oktober 1971) Vorgelegt von Prof. Dr. K. HORV.:iTli 1. Einleitung Der Reisekomfort von Personen- und Schnellzügen erfordert die An-ordnung einer elektrischen Zugheizung und zentrale Energieversorgung. Dieser Umstand sowie die Zugförderung mit hohen Geschwindigkeiten erfor-dern immer vordringlicher die neue Ermittlung der Zugförderungs-, Hilfs-betriebs-, Zugheizungs- und anderer Leistungen, bei denen mit wachsenden Zuggewichten, Beschleunigungen und Endgesch'windigkeiten, d. h. mit zu-nehmenden Leistungen gerechnet und neben der elektrischen Heizung, der zentralen Energieversorgung auch der Betrieb in der warmen Jahreszeit der Klimaanlagen der Reisezugwagen berücksichtigt werden soll. Um die hohen Anforderungen zu befriedigen, werden Dieselmotoren mit immer höheren Leistungen gebaut; es arbeiten bereits 4000-5000 PS Hoch-leistungsdieselmotoren und in der nächsten Zukunft werden auch 6000 PS Einheiten auf den Markt gebracht werden. Der Einsatz von Gasturbinen mit noch höherer Leistung gilt auch nicht als zeitweilige Lösung; für Spezialauf-gaben werden nämlich von einer zunehmenden Zahl der Eisenbahnen Gas-turbinenschienenfahrzeuge eingesetzt. Die Entwicklung von Hochleistungsmotoren und Gasturbinen ermög-lichte, die Frage der Hauptmotorheizung von Eisenbahnzügen aufzu'werfen und eingehend zu erforschen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit 'war, den Leistungs-bedarf für die Zugförderung sowie für Energieversorgung vom Hauptdiesel-motor zu bestimmen und die bei einem vorhandenen Lokomotivbestand gegebenen Möglichkeiten unter Berücksichtigung der Entwicklungstendenzen zu prüfen. Die Wirtschaftlichkeits- und sonstigen Auswirkungen einer Haupt-motorheizung werden jedoch nicht behandelt. 2. Das Prinzip der Berechnung Durch die Umfangszugkraft der Diesellokomotive wird bei der Zug-kraftentfaltung - also bei der Beförderung des Zuges - der Fahrwiderstand 96 L. DULL, am Umfang des getriebenen Rades überwunden und die für die Beschleunigung erforderliche Zugkraft gedeckt. Bei zunehmender Geschwindigkeit und konstanter Motorleistung ver-läuft die Umfangszugkraft gemäß der Funktion Z" = f(lfV), wobei der Fahr-,\iderstand mit der Funktion W = f(a V + b V2) beschrieben ,.,ird. Die für die Beschleunigung verfügbare Beschleunigungskraft (Z" - W) nimmt fort-laufend ab, um schließlich den Wert gleich Null zu erreichen, wo sich der Gleichgewichtszustand einstellt. Unter gegebenen Bedingungen (N eigungsver-hältnisse, Wind usw.) kann sich der Gleichgewichtszustand auch bei der Höchstgeschwindigkeit des Zuges einstellen. Der Gleichgewichtszustand wird durch (Z" = W) gekennzeichnet. Die für die Gleichgewichtsgeschwindigkeit erforderliche Antriebsleistung wird aus der Beziehung W·V e Piz = [LE] 270·'Y)a (1) hestimmt, dabei bedeuten a, b Konstanten Zj; die Zugkraft am Radumfang [kp] W· den zur Gleichgewichtsgeschwindigkeit gehörenden Fahrwiderstand [kp] V eine Fahrzeuggeschwindigkeit [kmjh] Piz die für die Zugbeförderung erforderliche Motorleistung [PS] Ve die Gleichgewichtsgeschwindigkeit [kmjh] ija den Wirkungsgrad der Kraftühertragung [-] Dic zu den Gleichgewichtsgeschwindigkeiten gehörenden Widcrstände können z. B. auch mit folgenden Formeln berechnet werden [1]: yierachsiger Reisezugwagen lt·~ = 2 0,00025 V2 [kp/Mp] B~ - B~ DieseHokomotiyc mit clektrischer Kraftübcrtragung 0,04 V2 [kp] (3) B' B' Diesellokomotiyc mit hydrodynamischer Kraftübertragung w~ = 4·Gm 0,02 V2 + 0,04Z" [kp] (4 ) C' o C' o Diesellokomotiyc mit elektrischer Kraftühertragung w~ = 3,3Gm 0,04 V2 [kp] (5) C' Diesellokomotive mit hydrodynamischer Kraftübertragung W~ = 4Gm + 0,032 V2 0,04Z/: [kp]. (6) ZUGFÖRDERU:VGS- USD HEIZKYERGIEVERSORGU:VGS-LEISTU:VGSBEDARF 97 Hierin bedeuten w~ Widerstand je 1 lVIp des Zuggewichts [kp/Mp] W~ Widerstand der Lokomotiven [kp] V Fahrzeuggeschwindigkeiten [km/h] Gm Lokomotivengewichte [kp] Zk Umfangszugkraft der Lokomotiven [kp]. Die aus der Gleichge"wichtsgeschwindigkeit und dem Fahrwiderstand berechnete Triebleistung während der Beförderung des Zuges unterschreitet - bei einem Dieselmotor entsprechender Leistung - die für Zugförderung und Heizung erforderliche Leistung. Die Differenz läßt sich für die Heizung des beförderten Zuges ven,-enden. Die Änderung des Streckenwiderstands führt zur Änderung der notwendigen Triebleistung, d. h. die für die Heizung zur Verfügung stehende Leistung ist während der Beförderung des Zuges in ständiger Änderung begriffen. Auf einer horizontalen, geraden Strecke erreicht die Heizleistung einen gewissen Höchst'wert, während sie unter gewissen Streckenverhältnissen auch gleich Null sein kann. Die Veränderung der für die Heizung verfügbaren Leistung bedeutet jedoch keinesfalls, daß die Fahrgast-raumtemperatur der Wagen im Zug extremen Schwankungen unterworfen sei. Diese Temperatur ist von einer Anzahl der Faktoren abhängig, die hier nicht erörtert werden sollen. 3. Berechnung Um die erforderliche Heizleistung zu bestimmen, werden der Einfachheit halber maßgebende Wagenzüge aus Fahrzeugen geprüft, die gegenwärtig -z. B. auch in Ungarn - verkehren oder in der nächsten Zukunft verkehren werden. Bei den Untersuchungen verfolgen wir den Weg, zunächst mit graphi-scher Methode [1] die Gleichgewichtsgeschwindigkeiten zu ermittelen, sodann in der bereits beschriebenen Weise [1-6] die für die Beförderung des Zuges ~rforderlichen Leistungen zu errechnen; schließlich wird festgestellt, ob die eingebauten Leistungen der ausgewählten Lokomotiven eine befriedigende Heizung der beförderten Züge ermöglichen; zugleich "wird auch die Grenz-leistung bestimmt, die für eine Hauptmotorheizung die untere Grenze darstellt. Bei den Berechnungen wird aus folgenden Bedingungen ausgegangen [2-8]: auf Nebenbahnen wird der Personenzugbetrieb, auf Hauptbahnen der Schnellzugbetrieb geprüft: die Züge bestehen aus vierachsigen Wagen; für Wagen im Binnenverkehr beträgt der durch den Fortschritt bedingte Heizenergiebedarf pro Stunde 35 k Wh: für ausländische, luftkonditionierte Wagen erreicht der Heizenergiebedarf 50 kWh pro Stunde: 7 Periodka Polytechnic!i T. E. 1/1 98 L. DULIN Tabelle I Bezeichnung Maßeinheit 2 I 4 I _____________ -' ____ -.J ______ Leistung der Diesellokomotive [PS] 760 1200 1200 1800 Hilfsbetriebs-Leistungsbedarf [PS] 90 100 100 130 Dienstgewicht der Lokomotive [l\Ip] 48 72 64 76 Zusammensetzung des Zuges 5 Rzw 8 Rzw 8 Rzw 8 Rzw Zugge'wicht [l\Ip] 245 360 360 360 Leistungsbedarf für Zugheizung [PS] 238 380 380 380 Motorleistungsbedarf für Heizung [PS] 285 457 457 457 Gleichgev.ichtsgeschwindigkeiten ohne Heizung 0%0 70* 95 94,5 113,5 3%0 66 73,5 73 94 5~ [kmjh] 56,5 61 60 81,5 100/00 36 41 36,2 59 mit Heizung 00/ 100 99,5 30.' 100 79 5%0 [km/h] 66,5 101'00 46 Zulässige fahrplänmäßige Grund-geschwindigkeit [kmjh] 64 90 90 100/95 Bemerkung *zugelassene Geschwindig-keit der Loko-motive Rzw = Reisezugwagen der Energiebedarf für Speisewagen im Binnenverkehr ist 70 k Wh pro Stunde; der Energiebedarf pro Stunde ausländischer Speisewagen erreicht 100 kWh; Neigungsverhältnisse: 0; 3; 5 und 10%0; fahrplanmäßige Grundgeschwindigkeiten: auf Nebenbahnen 65 km/h, auf Hauptbahnen 100 km/h, auf Hauptbahnen (internationale Schnellzüge) 120 km/h; Zugbelastungen: Personenzug - fünf Wagen, Schnellzug (inländisch) -acht Wagen, Schnellzug (international und inländisch) - zwölf Wagen, Schnellzug (international) - sechzehn Wagen; untersuchte Lokomotiven: 760 PS Dieselhydraulisch 1800 PS Dieselhydraulisch 1200 PS Dieselelektrisch 2400 PS Dieselelektrisch 1200 PS Dieselhydraulisch 2700 PS Dieselelektrisch 1800 PS Dieselelektrisch 3150 PS Dieselelektrisch ZUGFÖRDERUi .... G5- UND .11EIZENERGIEVERSORGUNGS-LEISTU:VGSBEDARF 99 i .. J ______ ... , 1800 2400 2400 2700 3150 3150 3150 130 210 210 300 300 300 300 76 84 84 120 120 120 120 12 Rzw 8 Rzw 11 Rzw + 11 Rzw + 12 Rzw 11 Rzw + 15 Rzw + 1 Spw 1 Spw lSpw 1 Spw 540 360 540 540 540 540 720 571 380 620 620 620 885 810 686 457 745 755'" 745 1060 970 99,5 129,5 115 121,5 127 127 113 78 109 92 100 103 103 91 65,5 97 79 85,5 91 91 78 ·B 72 55 62,5 66 66 54 80 119 97,5 105,5 113 106 98 57 98 74,5 85 89 81 74 45,5 85 61 72 77 68 61 30,5 61 41 48,5 53 48 41 95/- 120/110 110/95 115/100 120/120 120/105 110/95 -Nennleistung des Heizgene-rators Spw = Speisewagen Wirkungsgrade der Heizenergieerzeugung und -verteilung: 7]oenerator = 0,85; ?10bertragung = 0,98; 7]Verteilung = 0,83; bei der Zugkraftberechnung wurden die Hilfsbetriebsleistungen mit dem Vorbehalt berücksichtigt, daß nicht alle Hilfsmaschinen gleichzeitig mit maximaler Leistung arbeiten; bei vorhandenen Lokomotiven verläuft der Wirkungsgrad der Über-tragung der tatsächlichen Lage gemäß, in anderen Fällen beträgt er im ganzen Geschwindigkeitsbereich 7]a = 0,75; während der Beschleunigung liefert die Lokomotive keine Heizenergie_ Die Ergebnisse der Berechnungen sind in Tabelle I zusammengefaßt. 4. Schlußfolgerungen Aus den Angaben in Tabelle 1 lassen sich folgende Feststellungen machen: Zu 1. Die 760 PS-Diesellokomotive für Nebenbahnen kann im Neben-bahnverkehr ohne Hauptmotorheizung mit dem maßgebenden Personenzug 7* L. DeLIS gerade die zulässige fahrplanmäßige Grundgeschwindigkeit halten. Die einge-baute Motorleistung ist selbst bei etwaiger verminderter Heizleistung für die Einhaltung einer Gesch'windigkeit, die als zeitgemäß gelten dürfte, ungeeignet, Zu 2 und zu 3. Die 1200 PS Hauptbahn-Diesellokomotiven sind im Haupt-bahndienst mit dem maßgebenden Schnellzug selbst ohne Heizung unfähig. eine Geschwindigkeit von 100 kmlh zu erreichen. Diese Lokomotiven sind wegen der unzulänglichen eingebauten Leistung f~r Zugheizung nicht geeignet. Zu 4 und zu 5. 1800 PS-Haupbahn-Diesellokomotiven sind mit dem maß-gebenden Zug aus acht Wagen für das Halten einer fahrplanmäßigen Grund-geschwindigkeit von 100 kmjh ohne Heizung und von 95 kmjh mit Heizung geeignet. Für die Beförderung von maßgebenden Zügen aus zwölf Wagen mit zeitgemäßen Hauptbahngeschwindigkeiten sind sie auch ohne Heizung unge-eignet. Es läßt sich jedoch feststellen, daß die Leistung von 1800 PS für die Beförderung und Heizung von kürzeren Zügen ausreicht, 'wenn keine häufi-gen Anfahrten erforderlich sind und die Züge keinen Speisewagen führen. Der Dieselmotor arbeitet auf dem gesamten Traktionsabschnitt in der Um-gebung der Nennleistung, und die geringste Störung im fahrplanmäßigen Verkehr kann zum Ausgangspunkt wachsender Verspätungen werden. Zu 6. Die 2400-Hauptbahn-Diesellokomotive eignet sich mit einem maß-gebenden Zug aus acht Wagen zum Einhalten einer modernen fahrplan-mäßigen Grundgeschwindigkeit sowohl ohne wie auch mit Heizung. Ist nur eine fahrplanmäßige Grundgeschwindigkeit von 95 kmlh erforderlich, kann diese Lokomotive auch den Heizbedarf eines Zuges mit zwölf Wagen (einem Speisewagen) decken. Zu 7. Die 2700 PS-Hauptbahn-Diesellokomotive ist imstande, mit einem maßgebenden Zug aus elf Wagen die zeitgemäßen, fahrplanmäßigen Grundge-schwindigkeiten einzuhalten, u. U. die Störungen im Fahrplan zu beheben. Dabei sind auch für den Dieselmotor günstige Betriebsbedingungen gewähr-leistet. Es läßt sich also feststellen, daß für die Beförderung von Schnellzügen mit mittleren und großen Zuglasten im Binnenverkehr der Einsatz von mindestens 2700 PS starken Diesellokomotiven erforderlich ist. Zu 8. In der nächsten Zukunft sollen die internationalen Schnellzüge Geschwindigkeiten von 160 kmlh und darüber erreichen; diese Züge müssen mit zunehmenden Beschleunigungen befördert werden und bei den Höchstge-sch1vindigkeiten hinreichende Beschleunigungsreserven haben, um auch in Steigungen die Höchstgeschwindigkeit halten zu können. Diese Forderung läßt sich lediglich durch den Einsatz von Lokomotiven mit Leistungen über 3150 PS erfüllen. Um das Gesagte nachzuweisen, wurden in Abb. 1 auf der Grundlage früherer Berechnungen des Verfassers, mit den technischen Daten eines auf gerader Strecke in der Ebene fahrenden Zuges von 400 Mp Gewicht und einer ZUGFORDERUSGS- USD HEIZESERGIEVERSORGF,"GS-LEISTCSGSBEDAR F 101 C~-C~-dieselelektrischen Lokomotive, die Kurven der spezifischen Zugkraft und des spezifischen Widerstands in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit dargestellt, wobei als Parameter die spezifische Leistung gewählt '\\'lITde. Aus der Abbildung ist zu erkennen, daß bei der Geschwindigkeit von 160 km/h, z. B. auf einer Strecke mit 5%0 Steigung eine zusätzliche spezifische Zug-~ 130 ,-----,----,-t,-.::::: ~ 120 \----+lr--\_--" -'< g> 110 f--t---l+--+\---"---, "I -5 100 ~ 90 f---*---i-t++----; ON '" S} 80 1--,...1H-\i-----"\---i--., -g -,... 70 1_-i--H--+\--'---\rj----1 :::JCl "1:J~ 60 f------\i---'-~--'-'I.:-+--_____, §;:;:. ~ 5 0 I_-;-----+-\--;--+'~j--+''''''~+--r ] ~Ol_~--+~r_-i-_T~r_-i-~~r_-i--,-r-, 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 V Geschwindigkeit [km/hJ Abb.l kraft in der Höhe von 5 kpjlHp erforderlich ist, um den Widerstand von 5 kp/lHp zu überwinden, was eine spezifische Leistung von 12 PSjMp vorstellt. lHit guter Näherung beträgt also der Leistung,bedarf eines internationalen Schnellzugs 6000 PS für Zugförderung und 885 PS für Heizung [8]. In Abb. 2 ist durch das Geschwindigkeit - Weg diagramm die Wichtigkeit eines derartigen Leistungsbedarfs und die Bedeutung der Anpassung an die den ungarischen Verhältnissen entsprechenden Geschwindigkeiten eindeutig gerechtfertigt. Es ist zu erkennen, daß der maßgebende Zug von vorhin bei 5 PS/lHp spezifischer Leistung die Geschwindigkeit von 100 km/h auf einem etwa 4 km langen Weg, 120 kmjh auf einem etwa 11 km langen Weg erreicht. Bei einer spezifischen Leistung von 10 PSjMp beträgt jedoch der für die Beschleunigung erforderliche Weg nur 1,5 bzw. 3,2 km. Der bedeutende Wegunterschied ist selbstverständ-lich mit einem bedeutenden Unterschied in den Fahrzeiten verbunden. Daher lassen sich also die Beförderung mit 120 kmjh von mittler- und hochbelasteten Schnellzügen im inländischen Verkehr, die Beförderung mit 160 km/h der internationalen Schnellzüge und deren Hauptmotorheizung nur 102 L. DULIN durch eine wesentliche Erhöhung der Leistung erzielen. Dieser Umstand er-fordert in der nächsten Zukunft den Einsatz von 4000-5000 PS-Dieselloko-motiven und für Aufgaben mit noch höherem Leistungsbedarf von 7000-8000 PS elektrischen Lokomotiven. v 150 ~ ~ ~ 120 -'- 100 cu .:.:: .~ 80 '" c: '- 50 ~ -l:: '-> 40 '" cu <.!l 20 2 f 6 8 m Q ~ ffl M W ~ ~ U Beschleunigungsweg [km] Abb.2 Zusammenfassung Von einem vorhandenen Diesellokomotivenbestand und den üblichen Zuglasten au;;.-gehend wird die Möglichkeit der Einhaltung einer zeitgemäßen, fahrplanmäßigen Grundge· ~chwindigkeit bei gleichzeitiger Zugheizung durch den Hauptmotor geprüft und es werden die erforderlichen Leistungen bestimmt. Unter Berücksichtigung der europäischen Praxis werden die zweckmäßigen Gesch\\;ndigkeiten, die notwendigen Beschleunigungen sowie die für deren Realisierung erforderlichen Leistungen festgestellt. Literatur 1. P . .l.PAY, 1.: Fahrdyuamik des Schienenverkehrs.* Lehrstoffheft. 2. KNAU, H.: Die zentrale elektrische Euergieversorgung von Reisewagen. Glasers Annalen 1966/10. 3. HACKSTEIN, J.: Die elektrische Heizung bei Dieselzugförderung. Elektrische Bahnen 1967/5. ,~. GAEBLER, A.: Diesellokomotiven der DB mit Stromerzeuger für die elektrische Zugheizung. ETR 1964/11. 5. MARTIN, P.: La Chauffage des Trains et la Traction Diesel. Revue Generale des Chemins de Fer 1963/9. 6. BÖHM, F.: Heizung, Lüftung und Klimatisierung vou Reisezugwagen, Rückblick und Ausblick. Die Bundesbahn 1964/7. . '1. ALTlIIANN, L.: Zur Frage der Zugheizung bei Zugförderung mit Diesellokomotiven. Öster· reichische Ingenieur Zeitschrift 1967/2." 8. MEZEI, 1.: Energieversorguug der elektrischen Zugheizung bei Dieselzugförderung. * Közle-kedestudomanyi Szemle, 2/1967. * In ungarischer Sprache. Läszl6 DULIN, 1502 Budapest, Postfach 91, Ungarn 

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