Polska koncepcja lokomotywy spalinowej z hybrydowym układem napędowym

P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I W A R S Z A W S K I E J

z. 98 Transport 2013

Zygmunt Marciniak, Janusz Mielniczuk

POLSKA KONCEPCJA LOKOMOTYWY

SPALINOWEJ Z HYBRYDOWYM UKADEM

NAPDOWYM

Rkopis dostarczono, marzec 2013

Streszczenie: Referat jest powicony zagadnieniom zwizanym z dalszym rozwojem hybrydowych

ukadów napdowych w odniesieniu do pojazdów trakcji elektrycznej i spalinowej. Przedstawiono w nim szczegóowe wytyczne i wymagania dla gównych zespoów i urzdze wchodzcych w skad ukadu napdu hybrydowego. Dokonano wyboru lokomotyw spalinowych przeznaczonych do tzw. „hybrydyzacji” oraz przedstawiono modele ukadów napdowych i sterowania mo liwych do zastosowania w wybranych lokomotywach. W zakoczeniu przedstawiono krajowe koncepcje mo liwe do zastosowania w wybranych lokomotywach.

Sowa kluczowe: lokomotywa spalinowa, zespó prdotwórczy, ukad napdu hybrydowego

1. WPROWADZENIE

Poprawa stanu technicznego lokomotyw spalinowych ukierunkowana jest na wprowadzeniu nie tylko jednostek napdowych o minimalnym zu yciu jednostkowym oleju napdowego i rodków smarnych, ale równie na zminimalizowaniu ich szkodliwego oddziaywania na rodowisko naturalne.

Z danych uzyskanych z analizy zebranej literatury jedynym ze sposobów byo wprowadzenie do eksploatacji lokomotyw spalinowych wyposa onych w ukad napdu hybrydowego i to zarówno w systemie szeregowym jak i równolegym.

Wprowadzajc ukady napdu hybrydowego uzyskiwano znaczne zmniejszenie zu ycia oleju napdowego (nawet do 60 %), odzysk energii wykorzystywanej w procesie hamowania (do 40 %), ograniczenie emisji gazów cieplarnianych (CO2 i HC) do atmosfery (o 40 %), zmniejszenie emisji CO i NOx oraz czstek staych do atmosfery (o 10 %), zdecydowane obni enie haasu zewntrznego i wewntrznego oraz drga w kabinach sterowniczych, obni enie kosztów eksploatacji i utrzymania jak równie pene wykorzystanie mocy silników trakcyjnych, optymaln prac silników spalinowego oraz popraw komfortu i bezpieczestwa jazdy [2, 3].

W Polsce pierwsze dowiadczenia zdobywano wprowadzajc napdy hybrydowe w pojazdach drogowych (autobusy i trolejbusy) oraz w szynowej komunikacji miejskiej (tramwaje) [1, 3]. Przykadem s tutaj autobus miejskie Solaris Urbino 18 Hybrid II, trolejbusy eksploatowane w Lublinie i Kownie (Litwa) oraz tramwaj wyposa ony w zasobnik akumulatorowy, którego energia zgromadzona podczas hamowania jest wykorzystywana w procesie rozruchu oraz do przejazdu zao onego odcinka [2].

Jeli chodzi o lokomotywy spalinowe wykorzystywane w ruchu manewrowym i przetokowym to wstpne prace majce na celu przygotowania koncepcji i zao e oraz opracowanie wytycznych dla opracowania dokumentacji konstrukcyjnej jednej (lub kilku) lokomotyw s realizowane od 2011 r. przez Instytut Pojazdów Szynowych „Tabor” w Poznaniu we wspópracy z Instytutem Silników Spalinowych i Transportu Politechniki Poznaskiej.

Praca jest realizowana w ramach projektu rozwojowego NR 10/0062-10/2011 pt.: „Lokomotywa manewrowa z hybrydowym ukadem napdowym z wykorzystaniem wysokowydajnych zasobników energii”.

W pracy zostan wykorzystane dowiadczenia zdobyte przez przodujce firmy zagraniczne takie jak Railpower Technologies Corp, Alstom, Hitachi Toshiba, General Electronic, Bombardier [3]. Dalsza cz opracowania bdzie powicona prezentacji kilku koncepcji (wraz z wytycznymi) polskich lokomotyw z ukadami napdu hybrydowego.

2. WYBÓR LOKOMOTYW SPALINOWYCH

PRZEWIDZIANYCH DO WPROWADZENIA

HYBRYDOWEGO UKADU NAPDOWEGO

W wikszoci krajów europejskich, w tym równie w Polsce, zaprzestano produkcji i wprowadzenia do eksploatacji nowych lokomotyw manewrowych i przetokowych skupiajc si na modernizacji lokomotyw bdcych w eksploatacji.

Wród wielu typów i serii lokomotyw przewidzianych do wprowadzenia ukadu napdu hybrydowego wyodrbniono 6, a ich gówne parametry zaprezentowano w tablicy 1. Znajduj si tutaj lokomotywy w stanie pierwotnym jak i lokomotywy zmodernizowane.

Po szczegóowej analizie, biorc równie pod uwag przewidywane koszty realizacji prac projektowych i wykonania oraz ilo lokomotyw bdcych w eksploatacji do dalszych prac majcych na celu opracowanie koncepcji i zao e zakwalifikowano nastpujce lokomotywy [4, 5]:

x typu 401Da (niemodernizowana) o ukadzie osi C, mocy 257 kW i prdkoci 60 km/h

x typu 6D (zmodernizowane typu 6Dg, 6Di, 6Dk) o ukadzie osi Bo-Bo, mocy okoo 660 kW i prdkoci okoo 90 kmn/h

x typu TEM2 (zmodernizowane SM48M, TEM2/15M, 15D/16D, nowo projektowana wspólnie przez IPS i PESA) o ukadzie osi Co-Co, mocy okoo 1500 ÷ 1800 kW i prdkoci 100 km/h.

Tablica 1 Parametry l o komotyw spalinowych prz e wid

zianych do wprowadzenia ukadu napdu

hybrydowego L.p. W iel ko lub param etr Jedno -stka Typ lub se ria l o kom o tywy 4 01D a 1D (SM 3 0 ) SM42 SP32 SM31 TEM2 (SM 48) 6D 6D k 6D g 6Di Po m oderni- zacji 4 11D Prze d m oderni _-zacj SM48M TEM2/ 15M 15 D/ 16 D 1 Ukad osi - C Bo-B o Bo-B o Bo-B o Bo-B o Bo -B o Bo-B o Co-C o Co-C o Co-C o Co-C o Co-C o 2 M asa lok o m o ty w M g 40 ,5 36 74 72 70 74 74 ,5 11 1, 5 11 6 11 5, 8 11 8 11 6 3 Mo c kW 2 57 22 0 (257 ) 5 88 2 x40 3 6 52 6 62 1 015 8 85 8 83 1 015 1 500 1 480 4 Pr d k o  m ax. km /h 60 60 90 90 85 90 10 0 80 10 0 10 0 10 0 10 0 5 Typ siln ik a trakcyjne go - LSa430 LKa 31 0 LSa43 0

LSa430 LSa430 LSa430

- LSm 430 ED118 ED118 AY 2 ED118 AY 2 ED118 A 6 Mo c siln ik a trakcyjne go kW 1 73 6 0 1 73 1 73 1 73 1 73 - 1 73 1 10 2 30 2 39 3 05 7 Rodza j prze ka dni - DC/DC DC/DC DC/D C AC/DC AC/DC AC/DC AC/DC DC/DC DC/DC AC/DC AC/DC AC/D C 8 Przeo enie prze kadni osiowej - 4, 41 5, 54 4, 41 4, 41 4, 41 4, 41 - 3, 41 4, 41 4, 41 4, 41 4, 41 9 Produ cen t - Fablok Ch rza-nó w Fablok Ch rza-nó w Fablok Ch rza-nó w PESA Byd -gos zcz Newa g No wy Scz Fablok Ch rza-nó w

Producent: 23 August Bukareszt Wy

konaw-ca m oder. ZNLS Pia Fablok Ch rza-nó w ZBM _Briask ZBM _Briask

Modern. Konsor- cju

m

Loks- mod. ZBM _Briask

Modern. Konsor- cju

m

Loks- mod. ZBM _Briask

Pierwszy typ lokomotywy wymaga bdzie penej modernizacji, natomiast typ drugi i trzeci wyboru jednego ze zrealizowanych ju projektów modernizacyjnych. O wyborze lokomotywy bazowej do dalszych prac projektowych i wykonania prototypu (lub prototypów) zdecyduje przede wszystkim zainteresowanie potencjalnych U ytkowników i przewidywane wymierne korzyci eksploatacyjne.

3. WYTYCZNE DLA GÓWNYCH UKADÓW

I ZESPOÓW LOKOMOTYW Z NAPDEM

HYBRYDOWYM

Gównymi ukadami i zespoami oraz urzdzeniami dla lokomotyw, w których przewi-dziano zastosowanie napdu hybrydowego nale  midzy innymi:

 ukad napdowy w tym zespó prdotwórczy (silniki spalinowe i zespoy prdnic)

 ukad biegowy w tym jego waciwoci dynamiczne i jego oddziaywanie na tor  konstrukcje ostoi, nadwozia i ram wózków

 ukady sterowania i diagnostyki, w tym sterowanie napdem (zespoem prdo-twórczym i zasobnikami energii) oraz ca lokomotyw

 zasobniki energii (wysokowydajne akumulatory lub kondensatory)  ukady kontroli adowania i rozadowania zasobników

 przeksztatniki, przetwornica, regulatory.

Wszystkie wymienione powy ej ukady i zespoy powinny cechowa si nastpujcymi zaletami [6]:

 konstrukcja ostoi, nadwozia, ram wózków i kabin o wytrzymaoci zgodnie z norm PN-EN 12663-1:2010 i TSI „Lokomotywy i wagony pasa erskie”  ukad biegowy – z niewielkimi korektami i modyfikacjami w prowadzeniu

zestawów koowych z ograniczonym oddziaywaniem na tor

 silniki trakcyjne i przekadnie osiowe – zasadniczo bez zmian z popraw szczelnoci, zmian klasy izolacji i smarowania w oparciu na zestawach koowych i ramie wózka lub ostoi

 silnik spalinowy – o maym jednostkowym zu yciu oleju napdowego i rodków smarnych, o du ej trwaoci i wydu onym cyklu przegldowo-naprawczym, minimalnym oddziaywaniu na rodowisko naturalne (poziom IIIb emisji substancji szkodliwych do atmosfery)

 zespó prdnic – prdu zmiennego (synchroniczne) z prostownikami, zabudowa-ne na jednym wale

 zasobniki energii – baterie o du ej trwaoci, maej masie i gabarytach oraz napiciu zbli onym do napicia znamionowego silników trakcyjnych

 ukad sterowania napdem i lokomotywa – mikroprocesorowy z pen diagnostyk i mo liwoci rejestracji wszystkich parametrów pracy

Polska koncepcja lokomotywy spalinowej z hybrydowym ukadem napdowym 405

 ukad przeksztatników i prostowników – uniwersalny dla zasilania z prdnicy, zasobników oraz obu róde równoczenie

 ukad adowania i rozadowania zasobników – mo liwo adowania z prdnicy i zewntrznego róda, o minimalnym czasie adowania z pen kontrol parametrów takich jak prd, napicie, temperatura, dysponowana energia oraz o maej masie i gabarytach.

Szczegóowe parametry wszystkich ukadów, zespoów i urzdze wchodzcych w skad zmodernizowanych lokomotyw spalinowych zale e bd przede wszystkim od wyboru typu lokomotywy oraz iloci zabudowanych w nich zespoów prdotwórczych (jeden, dwa, max. trzy) i iloci zasobników.

4. KONCEPCJE LOKOMOTYW Z UKADAMI

HYBRYDOWYMI Z WYKORZYSTANIEM

ZMODERNIZOWANYCH SPALINOWYCH LOKOMOTYW

MANEWROWYCH EKSPLOATOWANYCH

W POLSCE

Przygotowujc koncepcje wybranych lokomotyw z ukadami napdów hybrydowych :  opracowano modele ukadów napdowych i ukadów sterowania

 przeprowadzono analizy symulacyjne i obliczenia dla okrelenia charakterystyk zespoów prdotwórczych oraz moduów wysokowydajnych zasobników energii. Prace te pozwol na przygotowanie koncepcji rozmieszczenia gównych zespoów i maszyn we wntrzu przedziaów maszynowych wszystkich analizowanych spalinowych lokomotyw manewrowych.

4.1. MODELE UKADÓW NAPDOWYCH I UKADÓW

STEROWANIA

Opracowujc modele przyjte zostay nastpujce gówne zao enia [7]:

 zasobnik powinien zapewni moc niezbdn do wykonania przewidzianych zada trakcyjnych

 optymalne wykorzystanie mocy na cele trakcyjne odnosi nale y do realnej iloci godzin pracy - dla lokomotyw manewrowych to okoo kilka godzin pracy na dob z przerwami na planowe adowanie

 dla wikszych mocowo lokomotywach nale y przewidzie dwa lub trzy zasobniki energii wykorzystywane wybiórczo z mo liwoci adowania zasobników rozadowanych

 moc zespou prdotwórczego (o 70 ÷ 80) ni sza od mocy lokomotyw bazowych) winna zapewni naadowanie zasobników w minimalnym czasie przy maksymalnym prdzie adowania

 lokomotywa powinna zapewni adowanie zasobników z obcego róda, a moc agregatu prdotwórczego winien umo liwia awaryjne zjechanie lokomotywy do warsztatu naprawczego

 przyjcie wspólnego napicia dla prdnicy gównej silnika trakcyjnego i zasobników

 poczenie silników trakcyjnych szeregowo nale y zastosowa do poziomu napicia znamionowego, a w miar wzrostu prdkoci obrotowej przej na poczenia równolege (pynny rozruch umo liwi chopper dobrany na obci enie dwoma silnikami w poczeniu równolegym)

 regulacja prdkoci obrotowej silnika z u yciem choppera rozadowuje bateri impulsowo i równomiernie co pozwala na automatyczn regulacj parametrów ukadu napdowego ze sprz eniem zwrotnym

 zasobniki nale y konfigurowa z ogniw o znacznej pojemnoci rzdu 500÷2000 Ah poczonych szeregowo, do uzyskania wymaganego napicia

 dla pocze równolegych ogniw nale y zastosowa zabezpieczenie diodami o du ej obci alnoci.

Model napdu gównego i sterowania lokomotyw z dwoma elektrycznymi silnikami trakcyjnymi (do wykorzystania w bazowej lokomotywie typu 401Da) przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Model ukadu napdu gównego i sterowania dla lokomotywy z dwoma silnikami trakcyjnymi, gdzie: G – prdnica gówna, CH12 – chopper, M1, M2 – silniki trakcyjne, UZ -

Polska koncepcja lokomotywy spalinowej z hybrydowym ukadem napdowym 407

Przedstawiona na rysunku 1 struktura uwzgldnia poczenie równolege silników trakcyjnych, ukad adowania zasobnika energii, zasilenie z zasobnika silników trakcyjnych poczonych szeregowo lub równolegle z penym lub osabionym wzbudzeniem oraz szeregowe poczenie silników trakcyjnych przy zasilaniu z agregatu prdotwórczego (jako opcja awaryjna w przypadku cakowitego rozadowania zasobnika).

Na rys. 2 zaprezentowano model napdu gównego i sterowania lokomotyw z czterema elektrycznymi silnikami trakcyjnymi (do wykorzystania w bazowej lokomotywie typu 6D lub jej wersjach zmodernizowanych 6Dg, 6Di i 6Dk).

Rys. 2. Model ukadu napdu gównego i sterowania dla lokomotywy z czterema silnikami trakcyjnymi gdzie: G – prdnica gówna, GH12, CH34 – chopper , M1, M2, M3 i M4 – silniki trakcyjne, UZ – ukad zarzdzania adowaniem zasobników, K, KC, K, KG, KU, KS, KZA,

KZB – czniki manewrowe

W strukturze tej, ze wzgldu na wiksz ilo silników trakcyjnych oraz konstrukcj wózkow lokomotywy istnieje mo liwo zastosowania dwóch zasobników i dwóch chopperów.

Struktura tego modelu obejmuje poczenie szeregowe wszystkich czterech silników trakcyjnych, poczenie szeregowo-równolege silników trakcyjnych, poczenie równolege silników trakcyjnych, ukad adowania zasobników energii zarówno z agregatu prdotwórczego jak i ze róda zewntrznego, zasilanie z zasobnika A dla silników poczonych szeregowo z penym i osabionym wzbudzeniem, zasilanie z zasobnika A dla szeregowo-równolegego poczenia silników trakcyjnych, zasilanie z dwóch zasobników dla równolegego poczenia silników trakcyjnych, zasilanie z zasobnika B silników trakcyjnych poczonych szeregowo z penym i osabionym wzbudzeniem, zasilanie z zasobnika B silników trakcyjnych poczonych

szeregowo-równolegle, zasilanie z dwóch zasobników silników trakcyjnych poczonych równolegle z penym i osabionym wzbudzeniem, zasilanie z zasobnika A silników trakcyjnych wózka A poczonych szeregowo lub z zasobnika B silników trakcyjnych wózka B poczonych szeregowo z penym lub osabionym wzbudzeniem, zasilanie z zasobnika B silników trakcyjnych wózka B poczonych równolegle z penym lub osabionym wzbudzenie, zasilane z zasobnika A poprzez chopper silników trakcyjnych poczonych szeregowo przy jednoczesnym zasilaniu z zasobnika B poprzez chopper silników trakcyjnych wózka B poczonych szeregowo z penym lub osabionym wzbudzeniem oraz zasilanie z zasobnika A poprzez chopper silników trakcyjnych wózka A poczonych równolegle przy jednoczesnym zasilaniu z zasobnika B poprzez chopper silników trakcyjnych B poczonych równolegle z penym lub osabionym wzbudzeniu.

Natomiast rysunek 3 prezentuje model napdu gównego i sterowania lokomotywy spalinowej z szecioma elektrycznymi silnikami trakcyjnymi (do wykorzystania w bazowej lokomotywie typu TEM2 lub jej wersjach zmodernizowanych).

Rys. 3. Model ukadu napdu gównego i sterowania dla lokomotywy z szecioma silnikami trakcyjnymi gdzie: G - prdnica gówna, CH12, CH34, CH56 – chopper, M1, M2, M3, M4, M5, M6 – silniki trakcyjne, UZ – ukad zarzdzania adowania zasobników, KB, KC, K, KG, KU,

KR, KS, KZA, KZB, KZC – czniki manewrowe

Przedstawiona na rys. 3 struktura uwzgldnia zasilanie z agregatu prdotwórczego szeciu silników trakcyjnych poczonych szeregowo, poczonych w konwencji 1-2-3 i 4-5-6 oraz 1-2, 3-4 i 4-5-6, zasilanie z agregatu prdotwórczego szeciu silników trakcyjnych poczonych równolegle, ukad adowania zasobników energii, zasilanie z zasobnika A poprzez chopper silników trakcyjnych poczonych szeregowo przy penym i osabionym wzbudzeniu, zasilanie z zasobnika A poprzez chopper trzech silników trakcyjnych (1-2-3) poczonych szeregowo, zasilanie z zasobnika A poprzez chopper dwóch silników trakcyjnych (1-2) poczonych szeregowo, zasilane z zasobnika A poprzez chopper dwóch silników trakcyjnych poczonych równolegle, zasilanie z zasobnika A poprzez chopper

Polska koncepcja lokomotywy spalinowej z hybrydowym ukadem napdowym 409

jednego silnika trakcyjnego dla jazdy awaryjnej, zasilanie z zasobnika B poprzez chopper wszystkich silników trakcyjnych poczonych szeregowo z penym i osabionym wzbudzeniem, zasilane z zasobnika B poprzez chopper trzech silników (1-2-3) poczonych szeregowo, zasilanie z zasobnika B poprzez chopper dwóch silników trakcyjnych (1-2) poczonych szeregowo, zasilane z zasobnika B poprzez chopper dwóch silników trakcyjnych poczonych równolegle, zasilanie z zasobnika B poprzez chopper jednego silnika trakcyjnego dla jazdy awaryjnej, zasilanie z zasobnika C poprzez chopper wszystkich silników poczonych szeregowo przy penym oraz osabionym wzbudzeniu, zasilanie z zasobnika C poprzez chopper trzech silników trakcyjnych (1-2-3) poczonych szeregowo, zasilanie z zasobnika C poprzez chopper dwóch silników trakcyjnych (1-2) poczonych szeregowo, zasilane z zasobnika C poprzez chopper dwóch silników trakcyjnych poczonych równolegle, zasilanie z zasobnika C poprzez chopper jednego silnika trakcyjnego, zasilanie z zasobnika A poprzez chopper trzech silników trakcyjnych (1-2-3) poczonych szeregowo przy jednoczesnym zasilaniu z zasobnika B poprzez chopper trzech silników trakcyjnych (4-5-6) poczonych szeregowo, zasilanie z zasobnika A poprzez chopper dwóch silników (1-2) trakcyjnych poczonych szeregowo z jednoczesnym zasilaniem z zasobnika B poprzez chopper dwóch silników trakcyjnych (3-4) poczonych szeregowo, a z zasobnika C poprzez chopper dwóch silników trakcyjnych (5-6) poczonych szeregowo, zasilane z zasobnika A poprzez chopper dwóch silników trakcyjnych (1 i 2) poczonych równolegle przy jednoczesnym zasilaniu z zasobnika B poprzez chopper dwóch silników trakcyjnych (3 i 4) poczonych równolegle, a z zasobnika C poprzez chopper dwóch silników trakcyjnych (5 i 6) poczonych równolegle.

Zaprezentowano warianty pracy przyjtych modeli mog by wykorzystane do zbadania realnego ukadu zarzdzania moc w docelowej strukturze lokomotywy hybrydowej zarówno w pracy trakcyjnej jak i w eksploatacji zasobników energii elektrycznej.

W dalszych etapach nale aoby dokona weryfikacji napicia znamionowego zasobnika, doboru pojemnoci nominalnej zasobnika, doboru mocy agregatu prdotwór-czego, wyboru sposobu regulacji napicia, mo liwoci hamowania elektrycznego i wykorzystania energii odzysku do adowania zasobników oraz przyjcia alternatywnej wersji napdu lokomotywy silnikami asynchronicznymi w aspekcie kosztów, wykorzystania istniejcych zasobów lokomotyw do modernizacji oraz generalnego podejcia do systemu zasilania w napdach kolejowych.

4.2. ANALIZY I OBLICZENIA SYMULACYJNE DLA DOBORU

WYSOKOWYDAJNYCH ZASOBNIKÓW ENERGII

Przeprowadzone analizy symulacyjne dla przyjtych ró nych typów ogniw oraz poziomów napi wykaza, e mo na skonfigurowa zasobniki z ogniw firm Saft, Hoppecke, Ferak i Winston przy zao eniu mocy zespou prdotwórczego na poziomie 25-35 % mocy mo liwych do przyjcia przez silniki trakcyjne oraz penego zabezpieczenia parametrów prdowych i napiciowych przez zasobniki.

Przykadowo dla czterech silników trakcyjnych (model II – lokomotywa bazowa typu 6D) uzyskano nastpujce rezultaty:

 zasobniki zbudowane ze 175 ogniw LFP400AHA firmy Winston bd miay mas okoo 10 000 kg dla mocy okoo 171 kW jednego silnika trakcyjnego i prdzie nie przekraczajcym 350 A. Na cele trakcyjne do dyspozycji bdzie okoo 680 kW

 zasobniki zbudowane ze 175 ogniw LFP1000AHA firmy Winston bd miay mas okoo 12 400 kg, a przy maksymalnym prdzie silników trakcyjnych okoo 450 A mo na bdzie uzyska na cele trakcyjne okoo 880 kW

 zasobniki Ni Cd zbudowane z 450 ogniw Saft SRX1700 bd miay mas okoo 20 000 kg, przy czym dla minimalnego prdu silników trakcyjnych wynoszcym 115 A mo na uzyska na cele trakcyjne nie wicej ni 210 kW, co wyklucza ten typ zasobników do zabudowy w lokomotywach wyposa onych w cztery silniki trakcyjne  zasobniki Ni Cd zbudowane z 450 ogniw typu Saft SRX3500 przy czym masa ich

wyniesie 38 000 kg, a dostpna moc na cele trakcyjne wyniesie 575 kW przy maksymalnym prdzie 319 A

 zasobniki Ni Cd zbudowane z 450 ogniw Hoppecke FNC360MR4 osign mas 24 000 kg, z dysponowan moc na cele trakcyjne okoo 550 kW przy maksymalnym prdzie silników trakcyjnych nie przekraczajcych 305 A.

Szczegóowe analizy i obliczenia symulacyjne dla wszystkich wariantów wybranych lokomotyw oraz warunków ich pracy zostay przedstawione w opracowaniu [8].

Nie wykluczamy dalszych analiz majcych z jednej strony obni enie masy i gabarytów zasobników mo liwych do zabudowy w ograniczonej przestrzeni, podwy szenie maksymalnego prdu silników trakcyjnych oraz czasu wykorzystania lokomotyw w pracy manewrowej przy cakowitym zasilaniu silników trakcyjnych tylko z wysokowydajnych zasobników energii.

4.3. WSTPNA KONCEPCJA SPALINOWYCH LOKOMOTYW

MANEWROWYCH Z UKADAMI NAPDÓW HYBRYDOWYCH

Wprowadzajc ukady napdu hybrydowego do lokomotyw modernizowanych, w których w miejsce silnika spalinowego du ej mocy zostanie zabudowany nowoczesny silnik o mocy o okoo 70÷80 % ni szej speniajcy najnowsze wymagania w zakresie emisji skadników toksycznych (w tym równie czstek staych) do atmosfery o niskim zu yciu oleju napdowego i rodków smarnych powinno przynie najbardziej racjonalny i najwikszy efekt.

Dla proponowanych lokomotyw (401Da, 6D, TEM2) nale y zao y szeregowy ukad napdu hybrydowego, w którym nowoczesny silnik spalinowy poprzez prdnic synchroniczn i ukad prostownikowy aduje wysokowydajne zasobniki energii, z których zasilane s dotychczasowe silniki trakcyjne. Zakada si pene wykorzystanie mocy silników trakcyjnych jak równie mo liwo doadowania zasobników ze róda zewntrznego (nie wykluczajc równie dodatkowego odbieraka prdu).

W caym ukadzie dla zasilania odbiorników i maszyn zostanie zastosowany oddzielny przeksztatnik (falownik), a rozruch silnika spalinowego zapewni alternator zasilany z niezale nej baterii akumulatorów.

Polska koncepcja lokomotywy spalinowej z hybrydowym ukadem napdowym 411

W przygotowanej koncepcji nie wyklucza si zastosowania równolegego lub mieszanego ukadu napdu hybrydowego a dla zapewnienia równomiernego rozo enia mas, zakada nale y zabudow dwóch lub trzech zespoów prdotwórczych (pracujcych cyklicznie) oraz kilku moduów wysokowydajnych zasobników energii.

W zwizku z tym, e analizy symulacyjne s prowadzone wielokierunkowo ostateczny ksztat spalinowych lokomotyw manewrowych z ukadami napdów hybrydowych wraz z wybranymi gównymi zespoami i ukadami bdzie przygotowany najwczeniej w pierwszej poowie przyszego roku. Nie mniej jednak mo emy dzisiaj (bazujc na dowiadczeniach producentów zagranicznych) zao y, e nie bdzie adnych trudnoci w doborze zespoów prdotwórczych i ukadów sterujco-diagnostycznych, a w zasobnikach bdzie mo na wykorzysta ogniwa oowiowo-kwasowe, niklowo-kadmowe i niklowo-metalowo-wodorkowe firm Hoppecke, Hawker, Ferak i Winston.

Nale y nie zapomnie równie o potrzebie modernizacji nadwozia z kabin sterownicz (najlepiej zastosowa konstrukcj moduow) oraz ukadów biegowych i napdu osiowego (silniki trakcyjne, przekadnie osiowe).

Zakadajc równie zabudow ukadów napdu hybrydowego w kilku typach lokomotyw nale y d y do wyboru jednego typu ogniw co zdecydowanie obni y koszty lokomotyw, a tym samym uatwi ich wdro enie do eksploatacji.

Widoki ogólne spalinowych lokomotyw manewrowych, w których zastosowano ukady napdów hybrydowych wraz z rozmieszczeniem gównych zespoów i maszyn przedstawiono na rys. 4 ÷ 8.

Rys. 4. Ogólny widok wraz z rozmieszczeniem urzdze i zespoów w „hybrydzie” zbudowanej na bazie lokomotywy typu 401Da:

1 – ostoja, 2 – kabina sterownicza, 3 – wentylator silników trakcyjnych, 4 – tablica pneumatyczna, 5 – ukady elektryczne, 6 – pulpit sterujcy,

7 – wysokowydajne zasobniki energii, 8 – zespó prdotwórczy, 9 – przedzia spr arkowy

Polska koncepcja lokomotywy spalinowej z hybrydowym ukadem napdowym 413

Rys. 5. Ogólny widok wraz z rozmieszczeniem zespoów i urzdze w lokomotywie typu 6D z hybrydowym ukadem napdowym (z jednym zespoem prdotwórczym)

1 - silnik spalinowy, 2 - zespó prdnic synchronicznych, 3 - chodnica/wentylator, 4 - filtr powietrza, 5 - rury wydechowe, 6 - tumik wydechu, 7 - rury powietrza doadowania,

8 - sprzgo gówne, 9 - rama podsilnikowa/amortyzator, 10 - belka podsilnikowa, 11 - kabina maszynisty, 12 - pulpity sterownicze, 13 - szafy WN, NN, 14 - tablica NN, 15 - skrzynia prostowników/falowników, 16 - skrzynia akumulatorów, 17 - tablica pneumatyczna,

18 - wentylatory silników trakcyjnych, 19 - podgrzewacz Webasto, 20 - agregat spr arkowy, 21 - wylot powietrza z chodnicy

Rys. 6. Ogólny widok wraz z rozmieszczeniem zespoów i urzdze w lokomotywie typu 6D z hybrydowym ukadem napdowym (z dwoma zespoami prdotwórczymi) 1 – podwozie, 2 – kabina, 3 – urzdzenia elektryczne, 4 – modu zasobników, 5 – modu silnika

Rys. 7. Ogólny widok wraz z rozmieszczeniem zespoów i urzdze w lokomotywie typu TEM2 z hybrydowym ukadem napdowym (z dwoma zespoami prdotwórczymi): 1 – ostoja, 2 – wózek,

3 – zbiornik paliwa, 4, 5 – wentylatory silników trakcyjnych, 6 – kabina maszynisty, 7 – modu spr arki, 8 – modu silnikowy, 9 – bateria akumulatorów, 10 – modu sterowania elektr.,

11 – modu pneumatyki

Rys. 8. Ogólny widok wraz z rozmieszczeniem zespoów i urzdze w lokomotywie TEM2 z hybrydowym ukadem napdowym (z trzema zespoami prdotwórczymi): 1 – ostoja, 2 – wózek, 3 – zbiornik paliwa, 4, 5 – wentylatory silników trakcyjnych, 6 – kabina maszynisty, 7, 8 – moduy silnikowe, 9 – bateria akumulatorów, 10, 13 – moduy sterowania elektr., 11 – modu pneumatyki,

Polska koncepcja lokomotywy spalinowej z hybrydowym ukadem napdowym 415

5. PODSUMOWANIE

Wprowadzenie ukadów napdu hybrydowego w lokomotywach typu 401Da, 6D i TEM2 powinno przede wszystkim zmniejszy szkodliwe ich oddziaywanie na rodowisko naturalne (w wyniku ograniczenia emisji CO, CO2, HC, NOx i czstki stae) oraz obni y koszty eksploatacji (w wyniku zastosowania silników spalinowych o mniejszej mocy i ni szym zu yciu oleju napdowego).

Realizowana praca jest wyprzedzajca dla dalszych prac tj. opracowania projektu (lub projektów) konstrukcyjnego, wykonania lokomotywy (lub lokomotyw) oraz przeprowadzenia stosownych prób i bada dajcych podstaw do uruchomienia produkcji seryjnej.

Oczywistym jest, e efekty kocowe bd wiksze im wicej lokomotyw bdzie wykonanych i wdro onych do eksploatacji. O tym decydowa bdzie z jednej strony zainteresowanie u ytkowników z drugiej natomiast udokumentowane wyniki uzyskanych oszczdnoci. Wa nym bdzie równie prowadzenie polityki proekologicznej decydentów wdra ajcych stosowne przepisy i ustawy (w tym dyrektywy unijne).

Bibliografia

1. Marciniak Z.: Hybrydowe ukady napdowe lokomotyw spalinowych. Logistyka, 2010, nr 4.

2. Marciniak Z.: Napdy hybrydowe pojazdów trakcji elektrycznej i spalinowej. Pojazdy Szynowe, 2011, nr 4.

3. Marciniak Z., Jakuszko W.: Koncepcja polskiej lokomotywy spalinowej z hybrydowym ukadem napdowym. Pojazdy Szynowe, 2012, nr 4.

4. Kokot G., Krawczyk J., Marciniak Z.: Modele lokomotyw spalinowych typu 6D i 401Da do wykorzystania w projektach zabudowy hybrydowych ukadów napdowych. Opracowanie niepublikowane OR-10161, IPS „Tabor” – Pozna, 03.2012.

5. Marciniak Z., Podolaczuk B.: Podstawowe parametry i charakterystyki trakcyjne lokomotyw spalinowych przewidzianych do wprowadzenia hybrydowego ukadu napdowego. Opracowanie niepublikowane OR-10283, IPS „Tabor” – Pozna, 12.2012.

6. Praca zbiorowa. Wytyczne i wymagania dla gównych zespoów i urzdze napdów hybrydowych. Opracowanie niepublikowane OR-10127, IPS „Tabor” – Pozna, 02.2012.

7. Praca zbiorowa. Modele ukadów napdowych i ukadów sterowania lokomotyw spalinowych z napdami hybrydowymi. Opracowanie niepublikowane OR-10183, IPS „Tabor” – Pozna, 12.2012.

8. Praca zbiorowa. Analizy symulacyjne i obliczenia dla okrelenia charakterystyk zespoów prdotwórczych oraz moduów wysokowydajnych zasobników energii. Opracowanie niepublikowane OR-10307, IPS „Tabor” – Pozna, 02.2013.

POLISH CONCEPTION OF THE DIESEL LOCOMOTIVE WITH THE HYBRID DRIVE SYSTEM

Summary: The paper is devoted to the issues related to the development of hybrid drive systems with

reference to the electric and diesel traction vehicles. The detailed guidelines and requirements for the major sets and equipment included in the hybrid drive system are presented in it. The selection of diesel locomotives intended for so-called “hybridization” is made and models of the drive and control systems that can be used in the selected locomotives are also presented. The national concepts that can be applied in the selected locomotives are also given in the end.