A fékezési energiát hasznosító hibrid hajtás dízelmotoros vasúti kocsikban

Átírás

1 RACIONÁLIS ENERGIAFELHASZNÁLÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG A fékezési energiát hasznosító hibrid hajtás dízelmotoros vasúti kocsikban Tárgyszavak: hibrid hajtás; üzemanyag-megtakarítás; dízelmotor; fékezési energia. Újabban, a környezetvédelmi szempontok miatt, sok esetben megpróbálják a közúti közlekedést vasútival kiváltani, nemcsak távolsági, hanem regionális és elővárosi viszonylatban is. Az utóbbiakban alkalmazott dízel szerelvények versenyképessége a kibocsátások csökkentésétől és hajtórendszerük gazdaságosságának javításától függ. Erre, de energia- és költségmegtakarításra is módot ad a fékezési energia hasznosítása. A fékezési energia elemzése A fékezési energiát régebben a hajtómű átadta a járműnek. A hasznosítására vonatkozó fontolgatások előtt meg kell állapítani az összes hajtóenergiához viszonyított nagyságát. A fékezési energia az útvonaltól és a menetprofiltól függ, jelentősége a sokmegállós helyi, ill. kis távolságú közlekedésben kiemelkedő (1. ábra). A két állomás közötti idő átlagosan 52% gyorsulásból, 17% gördülő haladásból és 31% fékezésből áll. A fékezési igény sokkal nagyobb, mint a közúti közlekedésé, viszont tervezhető. Gyorsításkor a motorteljesítmény a többfokozatú hajtóműnek megfelelően ingadozik. A fékezés feladatát nagyrészt a késleltető (retarder) látja el, közvetlenül megállás előtt pedig a mechanikus fék. A késleltetőteljesítményt hő formájában a motor hűtővize veszi fel, majd a hűtőventillátoron át a szabadba kerül. A dízelmotorok által a két állomás közötti vontatáshoz termelt energia a 0 és 120 km/h közötti sebességnövekedéshez szükséges (2. ábra). Az ezt követő, hajtás nélküli egyenletes mozgás közben a haladási akadályok késleltető hatása csekély. A fékezés kezdetekor a jármű a bevitt energiának még kb. 54%-át tárolja mint kinetikus energiát, ebből 12%-ot fogyasztanak el a haladási ellenállások és a fékezéskor nem működő motorok ellenállása. A fennmaradó 42%-ot a jármű megállásáig elnyeli a fékezőrendszer.

2 1. ábra Dízelhajtású vasúti kocsik jellemző menetciklusai a közeli és elővárosi közlekedésben

3 a járművet hajtó két dízelmotor energiája = 21,9 kwh 100 energia, % 50 haladási ellenállás hajtóműveszteség kinetikus energia 66,7% 14,6 kwh haladási ellenállás kinetikus energia 54% 11,8 kwh haladás és vontatási ellenállás = 1 kwh segédszerelvények 42% 9,2 kwh késleltető 0 gyorsulás 0-ról 120 km/h-ra gördülés hajtás nélkül 120-ról 108 km/h-ra fékezés 108-ról 0 km/h-ra 2. ábra Energiaátalakulás a járműben két megálló között A fékezési energia hasznosítása a segédszerelvények hajtására A közúti forgalom számára, annak kevésbé tervezhető gyorsítási és fékezési viszonyai ellenére már kidolgozás, sőt kipróbálás alatt állnak a fékezési energiát hasznosító megoldások, valószínűleg azért, mert a nagy jármű szériák kifizetődőbbé teszik az újításokat. Érdemes tehát először ezeket kipróbálni, legalább a segédaggregátumok dízelhajtására, a következő lépésben pedig új konstrukciókat kidolgozni, a gépjárművekkel szerzett tapasztalatok alapján. Az 1990-es évek közepétől a dízelhajtású kocsik padlózata alatt, minden részét közös hordozókeretre szerelve, helyezik el a hajtórendszert, amelynek motorja a segédszerelvényeket a forgattyús tengelyhez csatlakozó ékszíjak közvetítésével hajtja (3. ábra). Az itt alkalmazott, ún. powerpack hajtóművekben de csak hidromechanikai teljesítmény átvitel esetén fékezés közben nem folyik a motorba az üzemanyag, ilyenkor a segédberendezéseket a jármű kinetikus energiája látja el. Az újrahasznosított fékezési energiának ez az aránya még növelhető, ha sikerül nemcsak fékezés közben hasznosítani, hanem tárolni, majd később felhasználni a jármű üzemeltetéséhez.

4 1 2 3 powerpack a VT 643 motoros kocsihoz 1. hajtómű 2. dízelmotor 3. segédszerelvények klímakompresszor /min 5 kw-os fékkompresszor max. 82 kw 24 kw ZF 5HP 600 hajtómű MTU 6R 183 TD13H dízelmotor 315 kw / 1900/min ventilátorhajtó hidrosztatikus szivattyú kardántengely, /min 38 kw generátor 28 V 550 A 20 kw /min hidrosztatikus motor hidrosztatikus motor levegő/ levegőhűtő hűtővízradiátor 3. ábra A húzásra és a segédszerelvények működtetésére felhasználható teljesítmény

5 Fékezés közben hűtőtartalék képzése céljából a hűtővizet erősebben lehűtik, amihez a ventilátorok kb. 0,53 kwh-t használnak el a lefékezendő kinetikus energiából. A hűtőnek eközben hőt kell elvonnia a késleltetőből, amire módot ad a legnagyobb nyári hőségre méretezett teljesítményből származó tartaléka. Amikor a dízelmotornak az indításhoz ismét teljes hűtőteljesítményre van szüksége, ezt az alacsony hőmérsékletű víz fedezi, amíg vissza nem melegedett a szokásos hőfokra. Ez alatt nem kell a szellőzőket járatni, s ezzel 2,2%-nyi üzemanyagot lehet megtakarítani. Akkumulátortöltés A dízelmotorral közvetlenül hajtott generátor váltakozó áramot termel, amely egyenirányítva 28 V-os 550 A-es hálózatot táplál és feltölti az akkumulátort. Fékezés közben a generátor a fogyasztók szükségletét kielégítő (nem több) teljesítményt ad le. A fékezési energiát áramtartalék-képzésre csak az akkumulátor segítségével lehet felhasználni, mégpedig olyan szabályozással, hogy főként a fékezési üzemmódban szolgáltasson áramot. Ez azt jelenti, hogy egy meghatározott értéknél nagyobb töltés esetén csak fékezéskor képződik áram, ha a töltés ennél alacsonyabb szintre esik, akkor a generátor a fékezéses üzemen kívül is fejleszt áramot. Ezáltal a feltöltés és a kisülés szélsőértékei szűkebb korlátok közé szoríthatók. Fékezéskor az akkumulátor 8 kw-ttal töltődik, s ez elegendő a további haladás közben a fogyasztók átlagos, 5 kw-os szükségletének kielégítéséhez. Az így hasznosított fékezési energiával 1,6% üzemanyag takarítható meg. A motorhűtéshez hasonlóan a fékezés alatt az utastér tartalékhűtése is elképzelhető, de az utaskomfort érdekében csak kisebb hőmérséklet-ingadozásokkal és nem is egész évben. Így abból kiindulva, hogy a klímaberendezés hajtóenergiájának 25%-a fedezhető fékezési energiával, az elérhető üzemanyag-megtakarítás 1,3%. A segédrendszerek ellátása fékezési energiával a fékezésen kívüli üzem alatt is 5% üzemanyagot takarít meg, ami óránként 3,4 literrel, járművenként és évenként 5000 üzemórát számítva literrel kevesebb fogyasztást jelent. A járműhajtás irányításának fejlesztési költségét rá lehetne terhelni mind új, mind meglevő motoros kocsikra. Az utóbbiakból Németországban jelenleg 500-at lehetne az energiatakarékos rendszer szerint átalakítani. A fékezési energiát felhasználó hibrid hajtások Segédhajtásoknál a fenti módon a fékezési energiának csupán egy kis része hasznosítható, mivel ezek nem tudnak többet felvenni. Erre viszont alkalmasak a dízel- és villanymotort kombináló hibrid rendszerek, amelyekre jellemzők az alábbiak:

6 villamos energia termelése kinetikus energiából, váltakozóáram egyenirányítása és tárolása akkumulátorban, egyenáram felhasználása a jármű villamos hálózata számára, egyenáram átalakítása és felhasználása villamos járműhajtáshoz, a rendszerfolyamatok koordinálása és felügyelete, beépítve a teljes hajtásirányításba. A hibrid hajtással kiegészített powerpack-egységben a dízelmotor fékezés közben lekapcsolódik a hajtásról, így motorellenállása nem járul hozzá a fékezéshez. Ez és az ugyancsak fölöslegessé vált késleltetőre eső rész két megálló közti menetciklusonként 10,2 kwh megtakarítást jelent (2. ábra). A fékezést ekkor a generátor-üzemmódú kiegészítő villamos hajtás veszi át, és a fékezés kezdetén generátoronként maximálisan 220 kw-ot termel. Ezt részben közvetlenül a jármű villamos hálózata veszi fel, részben az akkumulátor töltésére használják. A felgyorsulás elfogyasztja a tárolt energiát, tehát a következő fékezés energiája ismét felvehető. Az akkumulátorral működő villamos hajtás elég erős ahhoz, hogy kis teljesítményigénynél önmagában hajthassa a járművet. A dízelmotornak így nem kell kedvezőtlen üzemmódban gyenge hatásfokkal működnie, és a menetidőnek, a megállásokat beleértve, csak 50%-ában van üzemben. Ugyan a segédszerelvényeket is elektromosan kell hajtani, de ez nem hátrány, ugyanis a villamos hajtások jobban szabályozhatók, mint azok, amelyek mereven, pl. ékszíjjal kapcsolódnak a motorhoz és annak fordulatszámához. Mivel villamos indításkor a dízelmotort csak km/h sebességnél kell bekapcsolni, a pályaudvaron és annak környezetében nincs levegőszennyezés. A végsebesség elérése után a hajtásirányítás feladata a két húzókomponens összehangolása és az akkumulátor töltési szintjének felügyelete. A hibrid hajtórendszer fő komponensei A generátor/motor egység termeli az áramot a fékezési energiából és a következő indításkor meghajtja a járművet. Mivel nem a dízelmotor indít, nincs szükség egyenáramú indítóra, sérülékeny kollektoraival és szénkeféivel, valamint az erős kopásnak kitett fogaskerekes erőátvitelre. A dízelmotor és a generátor/motor között lévő tengelykapcsoló lehetővé teszi, hogy a kettő együtt dolgozzon, vagy szükség szerint külön-külön. A szükséges nagy villamosenergia-mennyiség köztes tárolására ólomakkumulátor nem használható, csak nikkel-kadmium vagy nikkel-fémhidrid akkumulátorok felelnek meg. Ezeknek csekély ugyan az energiasűrűségük, előnyük viszont az energia gyors tárolása és leadása. A hajtóművet össze kell hangolni a kombinált villany- és dízelmotoros hajtással. Feleslegessé válik a korábbi hajtómű késleltetője és átalakítója, ami részben kompenzálja a hibrid rendszer többletköltségét.

7 A villamos hajtás mellett alkalmazható kisebb dízelmotorhoz a hűtőméretet is lehet csökkenteni. A hűtőszellőzők hajtása is elektromos a hidrosztatikus helyett, így a hibrid hajtómű hűtése független attól, hogy jár-e a dízelmotor. Emellett lehetséges az előrehűtés is fékezés közben, amivel villamos tárolókapacitást, s ezáltal átalakítási veszteséget, súlyt, költséget lehet megtakarítani. Teljesítménytöbblet és üzemanyag-megtakarítás fékezési energiából A hibrid hajtás a fékezési energia hasznosításával hozzájárul a hajtáshoz, a jármű villamos hálózatát pedig teljesen ellátja, átlagosan 25 kw-tal. A vontatóteljesítmény a gyorsulás végén 25 kw, összesen a dízelmotor névleges teljesítményének kb. 15%-a. Új jármű tervezésekor tehát ennyivel kisebb dízelmotor-teljesítménnyel lehet számolni. A hibrid hajtással megtakarítható üzemanyag meghatározásához két energiamennyiséget kell összehasonlítani: a hagyományos dízelhajtás által egy menetciklus alatt leadott mennyiséget és a lefékezendő jármű kinetikus energiájából nyert részt, amennyivel a dízelmotornak kevesebbet kell leadnia. A kinetikus energia visszanyerése azonban átalakítási veszteséggel jár, mégpedig akkumulátoros ellátás mellett 52%-kal, anélkül 33%-kal. Hibrid hajtás egyszerűbb kivitelben Az ismertetett, igényes fejlesztőmunkával megvalósítható hibrid hajtásnak van egyszerűbb, könnyebben elérhető, bár kevesebb megtakarítással járó változata, amelyből hiányzik a tengelykapcsoló, vagyis a generátor/motoregység csak a dízelmotorral együtt működhet. Ezáltal elmarad a segédszerelvények átállítása villamos hajtásra. A megtakarítás így is 21%-os lehet. A dízelteljesítmény átvitelét túlnyomórészt hajtóművek végzik, de bevált a villamos teljesítményátvitel is vontatógenerátorral, váltakozó/egyenirányítóval és vontató motorral. A hagyományos dízelelektromos hajtást kiegészítő, fékezési energiát hasznosító hibrid rendszerben (4. ábra) a dízelmotor nem áll le fékezés közben, de nem is vesz fel vontató ellenállás által fékezési energiát. A villamos vontató motor a fékezendő vonat kinetikus energiáját árammá alakítja, ez ellátja mind a jármű hálózatot, mind az akkumulátort. (Amennyiben ezek átmenetileg nem tudnak elég fékezőteljesítményt felvenni, rendelkezésre áll egy villamos fékezőellenállás is.) Újabb induláskor a vontató motorokat először az

8 akkumulátorból nyert energia hajtja, 20 km/h-t meghaladó sebességnél be kell kapcsolni a vontatógenerátort. fékellenállás féktányérral féklevegősűrítő 3 = klímasűrítő G 3 = 660 V köztes egyenáramkör 3 M 3 dízelmotor egyenirányító szinkrongenerátor pulzusváltóirányító húzómotor hidraulikus ventilátorhajtás járműhálózatátváltó = = járműhálózat akkumulátor húzáshoz indítóakkumulátor 24 V 4. ábra Dízelmotor/generátor-hibridhajtás, fékezőenergiával feltöltött akkumulátorral működő kiegészítő elektromos hajtással A vontatóteljesítményt tekintve itt ugyanannyi a nyereség, mint az előbb ismertetett dízelhajtóműs hibrid esetében, de a berendezés lényegesen olcsóbb. Az üzemanyag-fogyasztás szempontjából kedvezőtlen, hogy a motort a gyenge terhelés szakaszában nem lehet kikapcsolni, kedvező viszont a segédszerelvények közvetlen hajtása. Végeredményben 27%-nyi üzemanyagmegtakarításra lehet számítani. Költségek összehasonlítása Az üzemanyag-fogyasztást és az emissziós helyzetet tekintve a hibrid hajtásra való áttérés a költségvonzatok nélkül valószínűleg csak idő kérdése volna. A káros kibocsátások csökkentését azonban törvényes határértékek ismeretében sem lehet pontosan értékelni. Ugyanis a határértékek csak a motorra, nem az egész hajtórendszerre vonatkoznak. Pusztán a motoron pedig semmilyen átalakítással, beavatkozással nem lehet 29%-os emissziócsökkenést elérni.

9 Ami a gazdasági oldalt illeti, még ha a hibrid rendszer bizonyos fokig támaszkodhat is az ezirányú közúti gépjárműfejlesztésekre, a vasúti üzemre való alkalmazás és szerkezeti átépítés költségigényes. Érdemes viszont a költséget szembeállítani az üzemanyag-megtakarítással. Egy hagyományos, 315 kw-os dízelmotor-hajtású jármű (3. ábra) üzemanyag-fogyasztása 43%-os kihasználást és évi 5000 üzemórát számítva l, hibrid hajtással literrel kevesebb. A hagyományos jármű dízelmotorral és hajtóművel euróba, ugyanez hibrid rendszerben kb. kétszer ennyibe kerül, de a különbség a kisebb fogyasztás révén kb. 2 3 év alatt megtérül. Még kedvezőbb a helyzet dízelmotorral és generátorral kombinált hibrid hajtás esetén, és az évek alatt elérhető megtakarítást korszerűen egészíti ki a környezet kímélése. Távolabbi fejlesztési lehetőségekre gondolva érdemes megemlíteni, hogy a hibrid rendszerek nagyobb átállítás nélkül működhetnek alternatív üzemanyagokkal, pl. beépíthetők a következő években várhatóan piacra kerülő üzemanyagelemek. (Dr. Boros Tiborné) Nick, M.: Hybridantrieb mit Nutzung der Bremsenergie bei Dieseltriebwagen. = Der Eisenbahn Ingenieur, 53. k. 9. sz p Regeneration of power in hybrid vehicles Apter, R. Prathaler, M.; IEEE Vehicular Technology Conference, v 4, 2002, 55 th Vehicular Technology Conference, May , Birmingham, AL, p Sponsored by: IEEE Publisher: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc. ISSN: CODEN: IVTCDZ In English. Nick, M.: Powerpacks für Dieseltriebwagen: Ein neues Antriebssystem, fertig zum Einbau. = Der Eisenbahn Ingenieur, 51. k. 7. sz p