DE102018124887B4

DE102018124887B4 - Antriebsvorrichtung für ein schaltgetriebeloses Schienenfahrzeug mit Verbrennungskraftmaschine, ein damit versehenes Schienenfahrzeug sowie ein Betriebsverfahren für eine solche Antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE102018124887B4
Application number: DE102018124887.3A
Authority: DE
Inventors: Bernhard W. Kurzeck; Franciscus L. J. van der Linden
Original assignee: Prose Muenchen GmbH
Current assignee: Prose Muenchen GmbH
Priority date: 2018-10-09
Filing date: 2018-10-09
Publication date: 2020-09-10
Anticipated expiration: 2038-10-10
Also published as: DE102018124887A1

Abstract

Antriebsvorrichtung (10) für ein schaltgetriebeloses Schienenfahrzeug (50), umfassend
a. mindestens einen ersten Antriebsstrang (12a) mit einer Verbrennungskraftmaschine (14),
b. mindestens eine damit über eine erste Kupplung (16) verbindbare erste elektrische Maschine (18),
c. eine über eine zweite Kupplung (20) mit der ersten elektrischen Maschine (18) verbindbare Abtriebswelle (22),
d. mindestens einen zweiten Antriebsstrang (12b) mit mindestens einer zweiten elektrischen Maschine (30), die mit mindestens einer Antriebsachse (36) verbunden ist,
e. mindestens eine Energiespeichereinheit (40), die mit den elektrischen Maschinen (18, 30) zur Aufnahme oder Abgabe elektrischer Energie verbindbar ist,
f. eine Kontrolleinheit (42), welche die mindestens eine Verbrennungskraftmaschine (14), die elektrischen Maschinen (18, 30), die Kupplungen (16, 20) sowie die Energiespeichereinheit (40) ansteuert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein schaltgetriebeloses Schienenfahrzeug, ein entsprechendes Schienenfahrzeug sowie ein Betriebsverfahren für ein mit einer solchen Antriebsvorrichtung versehenes Schienenfahrzeug.
Im Eisenbahnwesen weisen dieselmechanische sowie auch dieselelektrische Triebzüge bislang vorwiegend keinen Hybridantrieb auf. Zwar kann die im Kfz-Bereich verbreitete Serienhybrid- sowie Parallelhybrid-Technik auch bei Schienenfahrzeugen umgesetzt werden. Ein wesentlicher Unterschied zwischen Kraftfahrzeugen und Schienenfahrzeugen ist der geringe Reibungskoeffizient zwischen Rad und Schiene. Dieser erfordert, dass beim Anfahren die Traktion auf möglichst viele Achsen verteilt werden muss, um eine gewünschte Beschleunigung zu erreichen. Weiterhin verursacht die wesentlich höhere Fahrzeugmasse beim Anfahren eine hohe Belastung der Kupplungen bei einer parallel-hybriden Konfiguration, was aufwendige Kupplungskonfigurationen wie beispielsweise hydraulische Anfahrtswandler erfordert.
Serienhybridfahrzeuge können zwar durch das direkt verfügbare maximale Motormoment der elektrischen Maschine sehr gut beschleunigen. Diese Konfiguration bringt aber hohe Investitionskosten, Gewicht und Bauraum mit sich, weil einige Bauteile doppelt ausgeführt werden müssen, insbesondere der Generator sowie dessen Umrichter. Weiterhin treten in allen Betriebspunkten Verluste durch die notwendige Energieumwandlung auf.
Aus der DE 10 2014 218 402 A1 , DE 10 2009 042 256 A1 und DE 10 2007 023 924 A1 sind Schienenfahzeuge mit Antriebsvorrichtungen aus einem Verbrennungs- und zwei Elektromotoren sowie einer Energiespeichereinheit bekannt. Ebenso stellt die US 6 569 055 B2 den Stand der Technik dar.
Aus der US 2014/ 0 228 168 A1 , US 2012/ 0 077 632 A1 bzw. US 2016/ 0 347 164 A1 sind Konfigurationen für Kraftfahrzeuge bekannt, die sich durch die einfache Integration im Fahrzeug, sowie die Möglichkeit rein elektrisch anzufahren, auszeichnen. Um bei leerer Batterie zu starten, sind eine Kupplung zum Anfahren sowie ein Schaltgetriebe notwendig.
Gerade im Fall einer Umrüstung vorhandener dieselmechanischer oder dieselelektrischer Triebzüge auf die Hybridtechnik stehen oftmals nur ein sehr beschränkter Bauraum und ein beschränktes Massenbudget zur Verfügung, in denen auf jeden Fall eine Batterie mit nicht unerheblichem Volumen und großer Masse aufgenommen werden muss, so dass der verbleibende Bauraum und die mögliche Massenerhöhung für die verbleibenden Komponenten noch mehr beschränkt ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebsvorrichtung für ein Schienenfahrzeug bereitzustellen, die trotz Weglassung bisher für unverzichtbar erachteter Baugruppen einen umfassenden Hybridantrieb ermöglicht und eine sehr kompakte und leichte Bauausführung aufweist.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie aus den nebengeordneten, aber abhängigen Ansprüchen 9, 10 und 18. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Antriebsvorrichtung für ein schaltgetriebeloses Schienenfahrzeug, umfassend

- mindestens einen ersten Antriebsstrang mit einer Verbrennungskraftmaschine, mindestens einer damit über eine erste Kupplung verbindbare erste elektrische Maschine, sowie einer über eine zweite Kupplung mit der ersten elektrischen Maschine verbindbare Abtriebswelle,
- ferner mindestens einen zweiten Antriebsstrang mit mindestens einer zweiten elektrischen Maschine, die mit mindestens einer Antriebsachse verbunden ist,
- mindestens eine Energiespeichereinheit, die mit den elektrischen Maschinen zur Aufnahme oder Abgabe elektrischer Energie verbindbar ist,
- eine Kontrolleinheit, welche die Verbrennungskraftmaschine, die elektrischen Maschinen, die Kupplungen sowie die Energiespeichereinheit steuert.

Durch die erfindungsgemäße Merkmalskombination wird eine bauliche Vereinfachung erzielt, welche es ermöglicht, ein Schaltgetriebe und eine Anfahrtskupplung durch zwei Kupplungen zu ersetzen, welche nicht zum Anfahren verwendet werden, die damit wesentlich einfacher und kompakter ausgebildet sein können. Damit ist es möglich, auf das bei Verbrennungskraftmaschinen bisher als notwendig erachtete Schaltgetriebe sowie eine Anfahrtskupplung zu verzichten und damit die Antriebsvorrichtung baulich einfacher und platzsparender auszubilden. Damit lässt sich insbesondere bei der Umrüstung herkömmlicher dieselmechanischer oder dieselelektrischer Triebzüge der für die Nachrüstung einer Batterie notwendige Bauraum und Massespielraum bereitstellen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Abtriebswelle mit mindestens einem Radsatz über je ein Kegelradgetriebe verbunden. Damit wird die vom ersten Antriebsstrang erzeugte Energie auf mindestens ein Räderpaar übertragen. Es ist vorteilhafterweise auch möglich, mehrere Räderpaare, insbesondere solche, die in einem Drehgestell zusammengefasst sind, anzutreiben, um das vorhandene Drehmoment auf mehrere Räder zu verteilen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist im ersten Antriebsstrang mindestens ein Getriebe mit fester Übersetzung angeordnet. Ein solches Getriebe erfordert wenig Platz und kann an vielen Stellen im Antriebsstrang montiert werden, beispielsweise direkt an der Verbrennungskraftmaschine oder auch hinter der Abtriebswelle.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der erste Antriebsstrang ein Wendegetriebe, um die Verbrennungskraftmaschine für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt verwenden zu können. Alternativ kann auf das Wendegetriebe verzichtet werden, wenn die Rückwärtsfahrt mittels der elektrischen Maschinen erfolgen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Verbrennungskraftmaschine einen Startermotor. Eine solche Anordnung ist zwar eher trivial, aber alternativ kann auf den Startermotor verzichtet werden und die im ersten Antriebsstrang angeordnete elektrische Maschine zum Starten der Verbrennungskraftmaschine verwendet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Kupplungen als Schaltkupplungen, vorzugsweise als trockene Lamellenkupplungen, ausgebildet, welche eine sehr kompakte und baulich einfache Anordnung ermöglichen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Kontrolleinheit eine Kennfeldspeichereinrichtung, in der mindestens ein Motorkennfeld der Verbrennungskraftmaschine mit Relationen zwischen Drehzahl, Ausgangsmoment und einer weiteren Größe gespeichert ist. Diese Größe ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Schadstoffausstoß oder ein wesentlicher Bestandteil davon wie NO_x. Alternativ ist diese Größe der Treibstoffverbrauch. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann das Kennfeld auch eine weitere Dimension umfassen und insbesondere sowohl den Schadstoffausstoß als auch den Treibstoffverbrauch enthalten, so dass ein Betriebspunkt ermittelbar ist, der einen Kompromiss zwischen beiden Forderungen nach geringen Schadstoffemissionen und Treibstoffverbrauch darstellt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst diese eine Energieeinspeiseeinrichtung zur Zuführung von elektrischer Energie von einer externen Energiequelle. Die Energieeinspeiseeinrichtung kann insbesondere als Stromabnehmer ausgebildet sein, der mit einer Stromschiene oder Oberleitung in elektrische Verbindung gebracht werden kann. Dann kann entweder die Verbrennungskraftmaschine abgeschaltet und mittels der elektrischen Maschinen gefahren werden oder die Energiespeichereinheit kann auf diese Weise geladen werden.
Eine Ausbildung der Erfindung sieht vor, ein Schienenfahrzeug bereitzustellen, das eine Antriebsvorrichtung gemäß einer der o.g. Ausbildungen umfasst. Dabei ist es vorzugsweise möglich, in einer einfachen Ausführungsform einen ersten und einen zweiten Antriebsstrang vorzusehen. Alternativ können zwei erste Antriebsstränge, also mit zwei Verbrennungskraftmaschinen vorgesehen werden, vor allem in einem symmetrischen Triebwagen ganz vorn und hinten. Alternativ oder zusätzlich können mehrere zweite Antriebsstränge vorgesehen werden, insbesondere wenn elektrische Maschinen direkt an den Rädern angebracht sind.
Die Erfindung umfasst ferner ein Betriebsverfahren für eine vorbeschriebene Antriebsvorrichtung zum Anfahren des Schienenfahrzeugs bis zum Erreichen einer Zielgeschwindigkeit, wobei sich die erste Kupplung außer Eingriff befindet und die elektrischen Maschinen von der Kontrolleinheit zur Erzeugung von Drehmomenten zum Zweck der Beschleunigung des Schienenfahrzeugs angesteuert werden.
Bei Erreichen einer Schwellwertdrehzahl mittels des elektrischen Antriebes wird entweder mittels eines Anlassermotors die Verbrennungskraftmaschine gestartet und anschließend, vorzugsweise bei weitgehend gleicher Drehzahl auf beiden Seiten die erste Kupplung in Eingriff gebracht. Alternativ, wenn kein Anlassermotor vorhanden ist, wird bei Erreichen der Schwellwertdrehzahl an der Abtriebswelle die erste Kupplung in Eingriff gebracht und dadurch die Verbrennungskraftmaschine in Bewegung gesetzt und gestartet. Anschließend steuert die Kontrolleinheit die Verbrennungskraftmaschine sowie die elektrischen Maschinen, bis eine Zielgeschwindigkeit erreicht ist.
Auf diese Weise lässt sich ein derartiges Schienenfahrzeug starten, ohne dass ein Schaltgetriebe erforderlich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird von der Kontrolleinheit die mindestens eine Verbrennungskraftmaschine auf der Grundlage eines gespeicherten Kennfeldes derart angesteuert, dass ein Kennfeldminimum für die aktuelle Motordrehzahl vorliegt. Auf diese Weise kann der Beschleunigungsvorgang entweder mit geringst möglicher Schadstoffemission oder geringst möglichem Treibstoffverbrauch ausgeführt werden, was insbesondere bei Schienenfahrzeugen mit häufigen Stopps wie S-Bahnen oder dergleichen von Vorteil ist.
Natürlich ist es im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass bei Bremsvorgängen diese wenn möglich über eine Beschaltung der elektrischen Maschinen als Generatoren erfolgt, um möglichst viel kinetische Energie zurückzugewinnen.
Die Erfindung umfasst ferner ein Betriebsverfahren für eine vorbeschriebene Antriebsvorrichtung zum Bewegen des Schienenfahrzeugs mit einer Zielgeschwindigkeit, wobei sich die erste und zweite Kupplung in Eingriff befinden, von der Kontrolleinheit die mindestens eine Verbrennungskraftmaschine auf der Grundlage eines gespeicherten Kennfeldes in einen Betriebspunkt gesteuert wird, bei dem ein Kennfeldminimum für eine der Zielgeschwindigkeit von dem Antriebsstrang vorgegebenen Motordrehzahl vorliegt.
Von der Kontrolleinheit werden die elektrischen Maschinen als Elektromotoren geschaltet, um ein zusätzliches Drehmoment an Abtriebswellen bereitzustellen, falls das von der mindestens einen Verbrennungskraftmaschine erzeugte Drehmoment nicht zur Erzielung der Zielgeschwindigkeit ausreicht. Alternativ wird von der Kontrolleinheit mindestens eine elektrische Maschine als Generator geschaltet, um Drehmoment abzuzweigen und in der Energiespeichereinheit zu speichern, falls das von der mindestens einen Verbrennungskraftmaschine erzeugte das für die Zielgeschwindigkeit erforderliche Drehmoment überschreitet.
Hierdurch wird eine Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit mit verbrauchs- oder schadstoffoptimiertem Betrieb ermöglicht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird bei Betrieb mindestens einer der elektrischen Maschinen als Generator von der Kontrolleinheit der Ladezustand der Energiespeichereinheit ermittelt und je nach Ladezustand der Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine zur Erzeugung von mehr Drehmoment und damit Ladestrom für die Energiespeichereinheit verstellt.
Hierdurch lässt sich also die Energiespeichereinheit laden, wenn deren Ladezustand zu gering ist indem der Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine entlang des eingestellten Kennfeldminimums verstellt, also Gas gegeben wird und der erzeugte Überschuss an Drehmoment über die als Generator geschaltete direkt verbundene elektrische Maschine in elektrische Energie gewandelt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Verbrennungskraftmaschine vorübergehend in einem zur Regeneration einer vorhandenen Abgasbehandlungseinheit optimalen Betriebspunkt betrieben, wobei die dabei erzeugte Energie abhängig von der Betriebssituation mechanisch an die Abtriebswelle und/oder an die elektrische Maschine bereitgestellt wird. Auf diese Weise lässt sich mit verbrauchs- oder schadstoffoptimiertem Betrieb eine Abgasbehandlungseinheit während des normalen Fahrbetriebes regenerieren.
Die Erfindung umfasst ferner ein Betriebsverfahren für eine vorbeschriebene Antriebsvorrichtung zum Bewegen des Schienenfahrzeugs mit einer Zielgeschwindigkeit, wobei sich die erste Kupplung in Eingriff und die zweite Kupplung außer Eingriff befindet, die mindestens eine Verbrennungskraftmaschine die im Generatorbetrieb gesteuerte erste elektrische Maschine zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt, die mindestens eine zweite elektrische Maschine als Elektromotor geschaltet wird, durch welche das Schienenfahrzeug mit der Zielgeschwindigkeit betrieben wird.
Dabei wird von der Kontrolleinheit je nach Ladezustand der Energiespeichereinheit die mindestens eine Verbrennungskraftmaschine derart angesteuert, dass mehr, gleich viel oder weniger als die zum Antrieb erforderliche elektrische Energie erzeugt und gegebenenfalls in der Energiespeichereinheit gespeichert oder aus dieser entnommen wird, wobei von der Kontrolleinheit die Verbrennungskraftmaschine auf der Grundlage eines gespeicherten Kennfeldes in einen Betriebspunkt gesteuert wird, bei dem ein Kennfeldminimum für die entnommene Energie vorliegt.
Dabei kann der Betrieb mit Erzeugung genau der für den Fahrbetrieb benötigen Energie vor allem in einem Fall zur Anwendung gelangen, wenn die Energiespeichereinheit defekt ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnungen - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführung einer
Antriebsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
2: ein Kennfeld für eine Verbrennungskraftmaschine,
3: eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs,
4: ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Anfahren eines Schienenfahrzeugs,
5: ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Bewegen des Schienenfahrzeugs.

Die Antriebsvorrichtung 10 umfasst gemäß 1 zwei Antriebsstränge 12a, 12b, wobei der erste Antriebstrang 12a eine Verbrennungskraftmaschine 14, eine erste Kupplung 16, eine erste elektrische Maschine 18, eine zweite Kupplung 20 und eine erste Abtriebswelle 22 umfasst. Die Abtriebswelle 22 ist mit einem ersten Kegelradgetriebe 24 verbunden, das über eine Radachse 26 zwei erste Räder 28a, 28b antriebt. Das Räderpaar 28a, 28b steht auf nicht dargestellten Schienen. Alternativ zu der in 1 gezeigten Ausführung kann die erste Abtriebswelle 22 auch mit einem zweiten nicht gezeigten Satz aus Kegelradgetriebe, Radachse und Räderpaar gekoppelt sein, insbesondere wenn die beiden Rädersätze in einem normalen Drehgestell bzw. Jakobsdrehgestell vereinigt sind. Typischerweise weißt die erste elektrische Maschine 18 eine Durchgangswelle zur Verbindung mit den zwei Kupplungen 16, 20 auf. Alternativ ist es auch möglich, die elektrische Maschine 18 über ein Getriebe oder auf andere Weise mit der die zwei Kupplungen 16, 20 verbindenden Welle in Eingriff zu bringen.
Der zweite Antriebsstrang 12b ist rein elektrisch und umfasst eine zweite elektrische Maschine 30, die in einer Ausführung über eine zweite Abtriebswelle 32, ein zweites Kegelradgetriebe 34, eine zweite Radachse 36 mit zweiten Rädern 38a, 38b gekoppelt ist. Alternativ kann die zweite elektrische Maschine 30 auch direkt mit der Radachse 36 verbunden sein. In noch einer alternativen Ausbildung können zwei oder mehr zweite Antriebstränge 12b vorgesehen werden, bei denen je eine zweite elektrische Maschine 30 direkt an einem der zweiten oder weiteren Räder 38a, 38b angebracht ist.
Die beiden elektrischen Maschinen 18, 30 sind mit einer elektrischen Energiespeichereinheit 40, typischerweise einer Hochvoltbatterie verbunden, um entweder aus dieser elektrische Energie zu entnehmen, wenn die jeweilige elektrische Maschine 18, 30 als Elektromotor betrieben wird oder elektrische Energie zuzuführen, wenn die die jeweilige elektrische Maschine 18, 30 als Generator betrieben wird.
Die Regelung aller Komponenten der Antriebsvorrichtung 10 erfolgt über eine Kontrolleinheit 42, die eine Kennfeldspeichereinrichtung 44 umfasst, in der mindestens ein Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine 14 gespeichert ist.
Die Verbrennungskraftmaschine 14 umfasst vorzugsweise einen Startermotor 46. Bei der Verbrennungskraftmaschine 14 handelt es sich vorzugsweise um einen Dieselmotor.
In 2 ist ein in der Kennfeldspeichereinrichtung 44 gespeichertes Kennfeld mit dem spezifischen Schadstoffausstoß als weitere Größe für eine als Dieselmotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine 14 dargestellt, welche als Abszisse die Drehzahl und als Ordinate das Drehmoment enthält. Verschiedene spezifische Schadstoffausstoßwerte (meist in g/kWh) sind mit 47 gekennzeichnet. Der Pfad mit minimalem spezifischem Schadstoffausstoß ist mit 48, der Pfad maximaler Ausgangsleistung mit 49 gekennzeichnet. Damit ist es möglich, den schadstoff- und energieoptimalen Zustand von allen Antriebsmaschinen zu kombinieren, um den besten Betriebspunkt einzustellen. Dabei kann vorzugsweise für jede Antriebseinheit 14, 18, 30 sowie für jeden Energiespeicher 40 ein Kennfeld vorhanden sein. Die Kennfelder werden vorher durch Tests bestimmt. Die Kennfelder betrachten nicht nur den energetischen Zustand der Antriebsmaschinen, sondern auch für Verbrennungskraftmaschine auch den absoluten Schadstoffausstoß (z.B. NOx). Diese Kennfelder können gemäß einer Weiterbildung von dem momentanen Betriebszustand (z.B. Motortemperatur) sowie auch Umgebungsvariablen (z.B. Umgebungstemperatur) abhängig sein.
In 3 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Schienenfahrzeugs 50 dargestellt, das mehrere Achseinheiten 52 umfasst, die als Drehgestelle jeweils zwei Radachsen umfassen. Die darin verbaute Antriebsvorrichtung umfasst einen ersten Antriebsstrang 12a und einen zweiten Antriebsstrang 12b. Ferner ist eine Energiespeichereinheit 40 vorgesehen, die mit beiden Antriebssträngen 12a, 12b über ein Leitungssystem 54 verbunden ist. Eine Energieeinspeiseeinrichtung 56 zur Einspeisung elektrischer Energie von einer nicht gezeigten Oberleitung ist ebenfalls mit dem Leitungssystem 54 verbunden. Ein Kraftstofftank 58 dient zur Energieversorgung der im ersten Antriebsstrang 12a angeordneten Verbrennungskraftmaschine 14.
Neben den elektrischen Maschinen als Bestandteile der Antriebsstränge 12a, 12b umfasst das Schienenfahrzeug 50 weitere Nebenverbraucher 60, insbesondere Beleuchtung, Klimaanlagen und sonstige elektrische Verbraucher. Eine übergeordnete Instanz 62, insbesondere ein Lokführer, gibt Kommandosignal an die Kontrolleinheit 42, welche die Verbrennungskraftmaschine 14 und die elektrischen Maschinen 18, 30 ( 1) so steuern, dass zusammen ein vorgegebenes Kommandosignale erfüllt wird. Vorzugsweise wird dabei zusätzlich die Energiespeichereinheit 40 zwischen zwei Schwellwerten gehalten.
In 4 ist ein Verfahren zum Anfahren eines Schienenfahrzeugs 50 mit der Antriebsvorrichtung 10 dargestellt. Im Ausgangszustand 70 befindet sich das Schienenfahrzeug 50 im Ruhezustand, die erste Kupplung 16 befindet sich außer Eingriff und die Verbrennungskraftmaschine 14 befindet sich im Stillstand.
Im Schritt 72 werden die elektrischen Maschinen 18, 30 von der Kontrolleinheit 42 zur Erzeugung von Drehmomenten zum Zweck der Beschleunigung des Schienenfahrzeugs 50 angesteuert, das Schienenfahrzeug 50 beschleunigt durch das von den als Elektromotoren geschalteten elektrischen Maschinen 18, 30 erzeugte Drehmoment.
Im Schritt 74 wird eine Schwellwertdrehzahl an der Abtriebswelle 22 erreicht, bei der die Verbrennungskraftmaschine 14 im Leerlaufzustand läuft. Diese wird mittels des Startermotors 46 gestartet und anschließend wird im Schritt 76 die erste Kupplung 16 in Eingriff gebracht.
Im Schritt 78 werden von der Kontrolleinheit 42 die Verbrennungskraftmaschine 14 sowie die elektrischen Maschinen 18, 30 weiter angesteuert, bis eine Zielgeschwindigkeit erreicht ist. Die Verbrennungskraftmaschine 14 wird dabei von der Kontrolleinheit 42 so angesteuert, dass aufgrund des in der Kennfeldspeichereinrichtung 44 gespeicherten Kennfeldes die Verbrennungskraftmaschine 14 möglichst entlang eines Kennfeldminimums betrieben wird.
In 5 ist ein Verfahren zum Bewegen des Schienenfahrzeugs 50 mit einer Zielgeschwindigkeit dargestellt, wobei von der Kontrolleinheit 42 in einem Schritt 80 der Ladezustand der Energiespeichereinheit 40 ermittelt wird. Wird in einem Schritt 82 festgestellt, dass ein oberer Grenzladezustand der Energiespeichereinheit 40 überschritten ist, wird in einem Schritt 84 die erste Kupplung 16 außer Eingriff gebracht und die Verbrennungskraftmaschine 14 abgeschaltet. Die Antriebsleistung für das Schienenfahrzeug 50 wird anschließend durch die von der Kontrolleinheit 42 als Elektromotoren geschalteten mindestens zwei elektrischen Maschinen 18, 30 erzeugt. Wird in einem Schritt 86 festgestellt, dass ein unterer Grenzladezustand in der Energiespeichereinheit 40 unterschritten wird, so wird im Schritt 88 die Verbrennungskraftmaschine 14 gestartet und die elektrische Maschine 18 als Generator geschaltet. Die Schritte 80 bis 88 werden beim Erreichen von 88 wiederholt ausgeführt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
Bezugszeichenliste

10: Antriebsvorrichtung
12a, b: Antriebsstränge
14: Verbrennungskraftmaschine
16: erste Kupplung
18: erste elektrische Maschine
20: zweite Kupplung
22: erste Abtriebswelle
24: erstes Kegelradgetriebe
26: erste Radachse
28 a, b: erste Räder
30: zweite elektrische Maschine
32: zweite Abtriebswelle
34: zweites Kegelradgetriebe
36: zweite Radachse
38 a, b: zweite Räder
40: Energiespeichereinheit
42: Kontrolleinheit
44: Kennfeldspeichereinrichtung
46: Startermotor
47: spezifische Schadstoffausstoßwerte
48: Pfad minimalen Schadstoffausstoßes
49: Pfad maximaler Ausgangsleistung
50: Schienenfahrzeug
52: Achseinheiten
54: Leitungssystem
56: Energieeinspeiseeinrichtung
58: Kraftstofftank
60: Nebenverbraucher
62: Instanz
70-88: Schritte

Claims

Antriebsvorrichtung (10) für ein schaltgetriebeloses Schienenfahrzeug (50), umfassend a. mindestens einen ersten Antriebsstrang (12a) mit einer Verbrennungskraftmaschine (14), b. mindestens eine damit über eine erste Kupplung (16) verbindbare erste elektrische Maschine (18), c. eine über eine zweite Kupplung (20) mit der ersten elektrischen Maschine (18) verbindbare Abtriebswelle (22), d. mindestens einen zweiten Antriebsstrang (12b) mit mindestens einer zweiten elektrischen Maschine (30), die mit mindestens einer Antriebsachse (36) verbunden ist, e. mindestens eine Energiespeichereinheit (40), die mit den elektrischen Maschinen (18, 30) zur Aufnahme oder Abgabe elektrischer Energie verbindbar ist, f. eine Kontrolleinheit (42), welche die mindestens eine Verbrennungskraftmaschine (14), die elektrischen Maschinen (18, 30), die Kupplungen (16, 20) sowie die Energiespeichereinheit (40) ansteuert.
Antriebsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (22) mit mindestens einem Radsatz (28a, 28b) über je ein Kegelradgetriebe (24) verbunden ist.
Antriebsvorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Antriebsstrang (12a) mindestens ein Getriebe mit fester Übersetzung angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Antriebsstrang (12a) ein Wendegetriebe umfasst.
Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (14) einen Startermotor (46) umfasst.
Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungen (16, 20) als Schaltkupplungen ausgebildet sind.
Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (42) eine Kennfeldspeichereinrichtung (44) umfasst, in der mindestens ein Motorkennfeld der Verbrennungskraftmaschine (14) mit Relationen mindestens zwischen Drehzahl, Ausgangsmoment und Schadstoffausstoß und/oder Treibstoffverbrauch gespeichert ist.
Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Energieeinspeiseeinrichtung (56) zur Zuführung von elektrischer Energie von einer externen Energiequelle umfasst.
Schienenfahrzeug umfassend eine Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend einen ersten (12a) und einen zweiten (12b) Antriebsstrang, oder umfassend zwei erste (12a) und mindestens einen zweiten (12b) Antriebsstrang oder umfassend einen ersten (12a) und mindestens zwei zweite (12b) Antriebsstränge.
Betriebsverfahren für eine Antriebsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Anfahren des Schienenfahrzeugs (50) bis zum Erreichen einer Zielgeschwindigkeit, wobei a. sich die erste Kupplung (16) außer Eingriff befindet, b. die elektrischen Maschinen (18, 30) von der Kontrolleinheit (42) zur Erzeugung von Drehmomenten zum Zweck der Beschleunigung des Schienenfahrzeugs (50) angesteuert werden, c. bei Erreichen einer Schwellwertdrehzahl an der Abtriebswelle (22) die Verbrennungskraftmaschine (14) gestartet und anschließend die erste Kupplung (16) in Eingriff gebracht wird, oder bei Erreichen der Schwellwertdrehzahl die erste Kupplung (16) in Eingriff gebracht und dadurch die Verbrennungskraftmaschine (14) in Bewegung gesetzt und gestartet wird, d. die Kontrolleinheit (42) die Verbrennungskraftmaschine (14) sowie die elektrischen Maschinen (18, 30) steuert, bis eine Zielgeschwindigkeit erreicht ist.
Betriebsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass von der Kontrolleinheit (42) die mindestens eine Verbrennungskraftmaschine (14) auf der Grundlage eines gespeicherten Kennfeldes derart angesteuert wird, dass ein Kennfeldminimum für die aktuelle Motordrehzahl vorliegt.
Betriebsverfahren für eine Antriebsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Bewegen des Schienenfahrzeugs mit einer Zielgeschwindigkeit, wobei a. sich die erste und zweite Kupplung (16, 20) in Eingriff befinden, b. von der Kontrolleinheit (42) die mindestens eine Verbrennungskraftmaschine (14) auf der Grundlage eines gespeicherten Kennfeldes (44) in einen Betriebspunkt gesteuert wird, bei dem ein Kennfeldminimum für eine der Zielgeschwindigkeit von dem Antriebsstrang vorgegebenen Motordrehzahl vorliegt, c. von der Kontrolleinheit (42) mindestens eine elektrische Maschine (18, 30) als Elektromotor geschaltet wird, um zusätzliches Drehmoment an den Abtriebswellen (22, 32) bereitzustellen, falls das von der mindestens einen Verbrennungskraftmaschine (14) erzeugte Drehmoment nicht zur Erzielung der Zielgeschwindigkeit ausreicht, d. oder von der Kontrolleinheit (42) mindestens eine elektrische Maschine (18, 30) als Generator geschaltet wird, um Drehmoment abzuzweigen und in der Energiespeichereinheit (40) zu speichern, falls das von der mindestens einen Verbrennungskraftmaschine (14) erzeugte das für die Zielgeschwindigkeit erforderliche Drehmoment überschreitet.
Betriebsverfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeldminimum ein Schadstoffausstoßminimum oder ein Verbrauchsminimum ist.
Betriebsverfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb mindestens eine der elektrischen Maschinen (18, 30) als Generator betrieben wird und von der Kontrolleinheit (42) der Ladezustand der Energiespeichereinheit (40) ermittelt wird und je nach Ladezustand der Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine (14) zur Erzeugung von mehr Drehmoment und damit Ladestrom für die Energiespeichereinheit (40) verstellt wird.
Betriebsverfahren für eine Antriebsvorrichtung (10) nach Anspruch 7 zum Bewegen des Schienenfahrzeugs mit einer Zielgeschwindigkeit, wobei von der Kontrolleinheit (42) a. der Ladezustand der Energiespeichereinheit (40) ermittelt wird, b. und bei Überschreiten eines oberen Grenzladezustandes die erste Kupplung (16) außer Eingriff gebracht und die Verbrennungskraftmaschine (14) abgeschaltet wird und die Antriebsleistung durch die mindestens zwei elektrischen Maschinen (18, 30) erzeugt wird, c. und bei Unterschreiten eines unteren Grenzladezustandes die Verbrennungskraftmaschine (14) gestartet und mindestens eine der elektrischen Maschinen (18, 30) als Generator geschaltet wird.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (14) vorübergehend in einem zur Regeneration einer vorhandenen Abgasbehandlungseinheit optimalen Betriebspunkt betrieben wird, wobei die dabei erzeugte Energie abhängig von der Betriebssituation mechanisch an die Abtriebswelle (22) und/oder an die elektrische Maschine (18) bereitgestellt wird.
Betriebsverfahren für eine Antriebsvorrichtung (10) nach einem Ansprüche 1 bis 8 zum Bewegen des Schienenfahrzeugs mit einer Zielgeschwindigkeit, wobei a. sich die erste Kupplung (16) in Eingriff und die zweite Kupplung (20) außer Eingriff befindet, b. die mindestens eine Verbrennungskraftmaschine (14) die im Generatorbetrieb gesteuerte erste elektrische Maschine (18) zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt, c. die mindestens eine zweite elektrische Maschine (30) als Elektromotor geschaltet wird, durch welche das Schienenfahrzeug (50) mit der Zielgeschwindigkeit betrieben wird, d. wobei von der Kontrolleinheit (42) je nach Ladezustand der Energiespeichereinheit (40) die mindestens eine Verbrennungskraftmaschine (14) derart angesteuert wird, dass mehr, gleich viel oder weniger als die zum Antrieb erforderliche elektrische Energie erzeugt und gegebenenfalls in der Energiespeichereinheit (40) gespeichert oder aus dieser entnommen wird, e. von der Kontrolleinheit (42) die Verbrennungskraftmaschine (14) auf der Grundlage eines gespeicherten Kennfeldes in einen Betriebspunkt gesteuert wird, bei dem ein Kennfeldminimum für die entnommene Energie vorliegt.
Steuereinheit zum Ausführen eines Betriebsverfahrens gemäß einem der Ansprüche 10 bis 17.