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

Instytut Pojazdów Szynowych „Tabor” Pozna�

POLSKA KONCEPCJA LOKOMOTYWY SPALINOWEJ Z HYBRYDOWYM UK�ADEM

NAP�DOWYM

R�kopis dostarczono, marzec 2013 Streszczenie: Referat jest po�wi�cony zagadnieniom zwi�zanym z dalszym rozwojem hybrydowych uk�adów nap�dowych w odniesieniu do pojazdów trakcji elektrycznej i spalinowej. Przedstawiono w nim szczegó�owe wytyczne i wymagania dla g�ównych zespo�ów i urz�dze� wchodz�cych w sk�ad uk�adu nap�du hybrydowego. Dokonano wyboru lokomotyw spalinowych przeznaczonych do tzw. „hybrydyzacji” oraz przedstawiono modele uk�adów nap�dowych i sterowania moliwych do zastosowania w wybranych lokomotywach. W zako�czeniu przedstawiono krajowe koncepcje moliwe do zastosowania w wybranych lokomotywach. S�owa kluczowe: lokomotywa spalinowa, zespó� pr�dotwórczy, uk�ad nap�du hybrydowego

1. WPROWADZENIE Poprawa stanu technicznego lokomotyw spalinowych ukierunkowana jest na

wprowadzeniu nie tylko jednostek nap�dowych o minimalnym zuyciu jednostkowym oleju nap�dowego i �rodków smarnych, ale równie na zminimalizowaniu ich szkodliwego oddzia�ywania na �rodowisko naturalne.

Z danych uzyskanych z analizy zebranej literatury jedynym ze sposobów by�o wprowadzenie do eksploatacji lokomotyw spalinowych wyposaonych w uk�ad nap�du hybrydowego i to zarówno w systemie szeregowym jak i równoleg�ym.

Wprowadzaj�c uk�ady nap�du hybrydowego uzyskiwano znaczne zmniejszenie zuycia oleju nap�dowego (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 cz�stek sta�ych do atmosfery (o 10 %), zdecydowane obnienie ha�asu zewn�trznego i wewn�trznego oraz drga� w kabinach sterowniczych, obnienie kosztów eksploatacji i utrzymania jak równie pe�ne wykorzystanie mocy silników trakcyjnych, optymaln� prac� silników spalinowego oraz popraw� komfortu i bezpiecze�stwa jazdy [2, 3].

402 Zygmunt Marciniak, Janusz Mielniczuk

W Polsce pierwsze do�wiadczenia zdobywano wprowadzaj�c nap�dy hybrydowe w pojazdach drogowych (autobusy i trolejbusy) oraz w szynowej komunikacji miejskiej (tramwaje) [1, 3]. Przyk�adem s� tutaj autobus miejskie Solaris Urbino 18 Hybrid II, trolejbusy eksploatowane w Lublinie i Kownie (Litwa) oraz tramwaj wyposaony w zasobnik akumulatorowy, którego energia zgromadzona podczas hamowania jest wykorzystywana w procesie rozruchu oraz do przejazdu za�oonego odcinka [2].

Je�li chodzi o lokomotywy spalinowe wykorzystywane w ruchu manewrowym i przetokowym to wst�pne prace maj�ce na celu przygotowania koncepcji i za�oe� oraz opracowanie wytycznych dla opracowania dokumentacji konstrukcyjnej jednej (lub kilku) lokomotyw s� realizowane od 2011 r. przez Instytut Pojazdów Szynowych „Tabor” w Poznaniu we wspó�pracy z Instytutem Silników Spalinowych i Transportu Politechniki Pozna�skiej.

Praca jest realizowana w ramach projektu rozwojowego NR 10/0062-10/2011 pt.: „Lokomotywa manewrowa z hybrydowym uk�adem nap�dowym z wykorzystaniem wysokowydajnych zasobników energii”.

W pracy zostan� wykorzystane do�wiadczenia zdobyte przez przoduj�ce firmy zagraniczne takie jak Railpower Technologies Corp, Alstom, Hitachi Toshiba, General Electronic, Bombardier [3]. Dalsza cz��� opracowania b�dzie po�wi�cona prezentacji kilku koncepcji (wraz z wytycznymi) polskich lokomotyw z uk�adami nap�du hybrydowego.

2. WYBÓR LOKOMOTYW SPALINOWYCH PRZEWIDZIANYCH DO WPROWADZENIA

HYBRYDOWEGO UK�ADU NAP�DOWEGO W wi�kszo�ci krajów europejskich, w tym równie w Polsce, zaprzestano produkcji

i wprowadzenia do eksploatacji nowych lokomotyw manewrowych i przetokowych skupiaj�c si� na modernizacji lokomotyw b�d�cych w eksploatacji.

W�ród wielu typów i serii lokomotyw przewidzianych do wprowadzenia uk�adu nap�du hybrydowego wyodr�bniono 6, a ich g�ówne parametry zaprezentowano w tablicy 1. Znajduj� si� tutaj lokomotywy w stanie pierwotnym jak i lokomotywy zmodernizowane.

Po szczegó�owej analizie, bior�c równie pod uwag� przewidywane koszty realizacji prac projektowych i wykonania oraz ilo�� lokomotyw b�d�cych w eksploatacji do dalszych prac maj�cych na celu opracowanie koncepcji i za�oe� zakwalifikowano nast�puj�ce lokomotywy [4, 5]:

� typu 401Da (niemodernizowana) o uk�adzie osi C, mocy 257 kW i pr�dko�ci 60 km/h

� typu 6D (zmodernizowane typu 6Dg, 6Di, 6Dk) o uk�adzie osi Bo-Bo, mocy oko�o 660 kW i pr�dko�ci oko�o 90 kmn/h

� typu TEM2 (zmodernizowane SM48M, TEM2/15M, 15D/16D, nowo projektowana wspólnie przez IPS i PESA) o uk�adzie osi Co-Co, mocy oko�o 1500 ÷ 1800 kW i pr�dko�ci 100 km/h.

Ta

blic

a 1

Para

met

ry lo

kom

otyw

spal

inow

ych

prze

wid

zian

ych

do w

prow

adze

nia

uk�a

du n

ap�d

u hy

bryd

oweg

o L.

p.

Wie

lko�

� lu

b pa

ram

etr

Jedn

o-s

tka

Typ

lub

seria

loko

mot

ywy

401D

a 1D

(S

M30

)

SM42

SP

32

SM31

TE

M2

(SM

48)

6D

6D

k 6D

g 6D

i Po

m

oder

ni-

zacj

i 41

1D

Prze

d m

oder

ni-z

acj�

SM

48M

TE

M2/

15

M

15D

/ 16

D

1 U

k�ad

osi

-

C

Bo-

Bo

Bo-

Bo

Bo-

Bo

Bo-

Bo

Bo-

Bo

Bo-

Bo

Co-

Co

Co-

Co

Co-

Co

Co-

Co

Co-

Co

2 M

asa

loko

mot

yw

Mg

40,5

36

74

72

70

74

74

,5

111,

5 11

6 11

5,8

118

116

3 M

oc

kW

257

220

(257

) 58

8 2x

403

652

662

1015

88

5 88

3 10

15

1500

14

80

4 Pr

�dko

�� m

ax.

km/h

60

60

90

90

85

90

10

0 80

10

0 10

0 10

0 10

0

5 Ty

p si

lnik

a tra

kcyj

nego

-

LSa4

30

LKa3

10

LSa4

30

LSa4

30

LSa4

30

LSa4

30

- LS

m43

0 ED

118

ED11

8A

Y2

ED11

8A

Y2

ED11

8A

6 M

oc si

lnik

a tra

kcyj

nego

kW

17

3 60

17

3 17

3 17

3 17

3 -

173

110

230

239

305

7 R

odza

j prz

ek�a

dni

- D

C/D

C

DC

/DC

D

C/D C

AC

/DC

A

C/D

C

AC

/DC

A

C/D

C

DC

/DC

D

C/D

C

AC

/DC

A

C/D

C

AC

/D C

8 Pr

ze�o

eni

e pr

zek�

adni

osi

owej

-

4,41

5,

54

4,41

4,

41

4,41

4,

41

- 3,

41

4,41

4,

41

4,41

4,

41

9 Pr

oduc

ent

- Fa

blok

C

hrza

-nó

w

Fabl

ok

Chr

za-

nów

Fabl

ok

Chr

za-

nów

PESA

B

yd-

gosz

cz

New

ag

Now

y S�

cz

Fabl

ok

Chr

za-

nów

Prod

ucen

t: 23

Aug

ust

Buk

ares

zt

Wyk

onaw

-ca

mod

er.

ZNLS

Pi�a

Fabl

ok

Chr

za-

nów

ZBM

B

ria�s

k

ZBM

B

ria�s

k M

oder

n.

Kon

sor-

cjum

Lo

ks-

mod

.

ZBM

B

ria�s

k M

oder

n.

Kon

sor-

cjum

Lo

ks-

mod

.

ZBM

B

ria�s

k M

oder

n.

New

ag

Now

y S�

cz

404 Zygmunt Marciniak, Janusz Mielniczuk

Pierwszy typ lokomotywy wymaga� b�dzie pe�nej 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 Uytkowników i przewidywane wymierne korzy�ci eksploatacyjne.

3. WYTYCZNE DLA G�ÓWNYCH UK�ADÓW I ZESPO�ÓW LOKOMOTYW Z NAP�DEM

HYBRYDOWYM G�ównymi uk�adami i zespo�ami oraz urz�dzeniami dla lokomotyw, w których przewi-

dziano zastosowanie nap�du hybrydowego nale� mi�dzy innymi: � uk�ad nap�dowy w tym zespó� pr�dotwórczy (silniki spalinowe i zespo�y

pr�dnic) � uk�ad biegowy w tym jego w�a�ciwo�ci dynamiczne i jego oddzia�ywanie na tor � konstrukcje ostoi, nadwozia i ram wózków � uk�ady sterowania i diagnostyki, w tym sterowanie nap�dem (zespo�em pr�do-

twórczym i zasobnikami energii) oraz ca�� lokomotyw� � zasobniki energii (wysokowydajne akumulatory lub kondensatory) � uk�ady kontroli �adowania i roz�adowania zasobników � przekszta�tniki, przetwornica, regulatory.

Wszystkie wymienione powyej uk�ady i zespo�y powinny cechowa� si� nast�puj�cymi zaletami [6]:

� konstrukcja ostoi, nadwozia, ram wózków i kabin o wytrzyma�o�ci zgodnie z norm� PN-EN 12663-1:2010 i TSI „Lokomotywy i wagony pasaerskie”

� uk�ad biegowy – z niewielkimi korektami i modyfikacjami w prowadzeniu zestawów ko�owych z ograniczonym oddzia�ywaniem na tor

� silniki trakcyjne i przek�adnie osiowe – zasadniczo bez zmian z popraw� szczelno�ci, zmian� klasy izolacji i smarowania w oparciu na zestawach ko�owych i ramie wózka lub ostoi

� silnik spalinowy – o ma�ym jednostkowym zuyciu oleju nap�dowego i �rodków smarnych, o duej trwa�o�ci i wyd�uonym cyklu przegl�dowo-naprawczym, minimalnym oddzia�ywaniu na �rodowisko naturalne (poziom IIIb emisji substancji szkodliwych do atmosfery)

� zespó� pr�dnic – pr�du zmiennego (synchroniczne) z prostownikami, zabudowa-ne na jednym wale

� zasobniki energii – baterie o duej trwa�o�ci, ma�ej masie i gabarytach oraz napi�ciu zblionym do napi�cia znamionowego silników trakcyjnych

� uk�ad sterowania nap�dem i lokomotywa – mikroprocesorowy z pe�n� diagnostyk� i moliwo�ci� rejestracji wszystkich parametrów pracy

Polska koncepcja lokomotywy spalinowej z hybrydowym uk�adem nap�dowym 405

� uk�ad przekszta�tników i prostowników – uniwersalny dla zasilania z pr�dnicy, zasobników oraz obu róde� równocze�nie

� uk�ad �adowania i roz�adowania zasobników – moliwo�� �adowania z pr�dnicy i zewn�trznego ród�a, o minimalnym czasie �adowania z pe�n� kontrol� parametrów takich jak pr�d, napi�cie, temperatura, dysponowana energia oraz o ma�ej masie i gabarytach.

Szczegó�owe parametry wszystkich uk�adów, zespo�ów i urz�dze� wchodz�cych w sk�ad zmodernizowanych lokomotyw spalinowych zalee� b�d� przede wszystkim od wyboru typu lokomotywy oraz ilo�ci zabudowanych w nich zespo�ów pr�dotwórczych (jeden, dwa, max. trzy) i ilo�ci zasobników.

4. KONCEPCJE LOKOMOTYW Z UK�ADAMI HYBRYDOWYMI Z WYKORZYSTANIEM

ZMODERNIZOWANYCH SPALINOWYCH LOKOMOTYW MANEWROWYCH EKSPLOATOWANYCH

W POLSCE Przygotowuj�c koncepcje wybranych lokomotyw z uk�adami nap�dów hybrydowych : � opracowano modele uk�adów nap�dowych i uk�adów sterowania � przeprowadzono analizy symulacyjne i obliczenia dla okre�lenia charakterystyk

zespo�ów pr�dotwórczych oraz modu�ów wysokowydajnych zasobników energii. Prace te pozwol� na przygotowanie koncepcji rozmieszczenia g�ównych zespo�ów

i maszyn we wn�trzu przedzia�ów maszynowych wszystkich analizowanych spalinowych lokomotyw manewrowych.

4.1. MODELE UK�ADÓW NAP�DOWYCH I UK�ADÓW STEROWANIA

Opracowuj�c modele przyj�te zosta�y nast�puj�ce g�ówne za�oenia [7]: � zasobnik powinien zapewni� moc niezb�dn� do wykonania przewidzianych zada�

trakcyjnych � optymalne wykorzystanie mocy na cele trakcyjne odnosi� naley do realnej ilo�ci

godzin pracy - dla lokomotyw manewrowych to oko�o kilka godzin pracy na dob� z przerwami na planowe �adowanie

� dla wi�kszych mocowo lokomotywach naley przewidzie� dwa lub trzy zasobniki energii wykorzystywane wybiórczo z moliwo�ci� �adowania zasobników roz�adowanych

406 Zygmunt Marciniak, Janusz Mielniczuk

� moc zespo�u pr�dotwórczego (o 70 ÷ 80) nisza od mocy lokomotyw bazowych) winna zapewni� na�adowanie zasobników w minimalnym czasie przy maksymalnym pr�dzie �adowania

� lokomotywa powinna zapewni� �adowanie zasobników z obcego ród�a, a moc agregatu pr�dotwórczego winien umoliwia� awaryjne zjechanie lokomotywy do warsztatu naprawczego

� przyj�cie wspólnego napi�cia dla pr�dnicy g�ównej silnika trakcyjnego i zasobników

� po��czenie silników trakcyjnych szeregowo naley zastosowa� do poziomu napi�cia znamionowego, a w miar� wzrostu pr�dko�ci obrotowej przej�� na po��czenia równoleg�e (p�ynny rozruch umoliwi chopper dobrany na obci�enie dwoma silnikami w po��czeniu równoleg�ym)

� regulacja pr�dko�ci obrotowej silnika z uyciem choppera roz�adowuje bateri� impulsowo i równomiernie co pozwala na automatyczn� regulacj� parametrów uk�adu nap�dowego ze sprz�eniem zwrotnym

� zasobniki naley konfigurowa� z ogniw o znacznej pojemno�ci rz�du 500÷2000 Ah po��czonych szeregowo, do uzyskania wymaganego napi�cia

� dla po��cze� równoleg�ych ogniw naley zastosowa� zabezpieczenie diodami o duej obci�alno�ci.

Model nap�du g�ównego i sterowania lokomotyw z dwoma elektrycznymi silnikami trakcyjnymi (do wykorzystania w bazowej lokomotywie typu 401Da) przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Model uk�adu nap�du g�ównego i sterowania dla lokomotywy z dwoma silnikami trakcyjnymi, gdzie: G – pr�dnica g�ówna, CH12 – chopper, M1, M2 – silniki trakcyjne, UZ� - uk�ad zarz�dzania �adowaniem zasobników, K, KC, KG, KU, KS, K� – ��czniki manewrowe

Polska koncepcja lokomotywy spalinowej z hybrydowym uk�adem nap�dowym 407

Przedstawiona na rysunku 1 struktura uwzgl�dnia po��czenie równoleg�e silników trakcyjnych, uk�ad �adowania zasobnika energii, zasilenie z zasobnika silników trakcyjnych po��czonych szeregowo lub równolegle z pe�nym lub os�abionym wzbudzeniem oraz szeregowe po��czenie silników trakcyjnych przy zasilaniu z agregatu pr�dotwórczego (jako opcja awaryjna w przypadku ca�kowitego roz�adowania zasobnika).

Na rys. 2 zaprezentowano model nap�du g�ównego 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 uk�adu nap�du g�ównego i sterowania dla lokomotywy z czterema silnikami

trakcyjnymi gdzie: G – pr�dnica g�ówna, GH12, CH34 – chopper , M1, M2, M3 i M4 – silniki trakcyjne, UZ� – uk�ad zarz�dzania �adowaniem zasobników, K, KC, K�, KG, KU, KS, KZA,

KZB – ��czniki manewrowe

W strukturze tej, ze wzgl�du na wi�ksz� ilo�� silników trakcyjnych oraz konstrukcj� wózkow� lokomotywy istnieje moliwo�� zastosowania dwóch zasobników i dwóch chopperów.

Struktura tego modelu obejmuje po��czenie szeregowe wszystkich czterech silników trakcyjnych, po��czenie szeregowo-równoleg�e silników trakcyjnych, po��czenie równoleg�e silników trakcyjnych, uk�ad �adowania zasobników energii zarówno z agregatu pr�dotwórczego jak i ze ród�a zewn�trznego, zasilanie z zasobnika A dla silników po��czonych szeregowo z pe�nym i os�abionym wzbudzeniem, zasilanie z zasobnika A dla szeregowo-równoleg�ego po��czenia silników trakcyjnych, zasilanie z dwóch zasobników dla równoleg�ego po��czenia silników trakcyjnych, zasilanie z zasobnika B silników trakcyjnych po��czonych szeregowo z pe�nym i os�abionym wzbudzeniem, zasilanie z zasobnika B silników trakcyjnych po��czonych szeregowo-

408 Zygmunt Marciniak, Janusz Mielniczuk

równolegle, zasilanie z dwóch zasobników silników trakcyjnych po��czonych równolegle z pe�nym i os�abionym wzbudzeniem, zasilanie z zasobnika A silników trakcyjnych wózka A po��czonych szeregowo lub z zasobnika B silników trakcyjnych wózka B po��czonych szeregowo z pe�nym lub os�abionym wzbudzeniem, zasilanie z zasobnika B silników trakcyjnych wózka B po��czonych równolegle z pe�nym lub os�abionym wzbudzenie, zasilane z zasobnika A poprzez chopper silników trakcyjnych po��czonych szeregowo przy jednoczesnym zasilaniu z zasobnika B poprzez chopper silników trakcyjnych wózka B po��czonych szeregowo z pe�nym lub os�abionym wzbudzeniem oraz zasilanie z zasobnika A poprzez chopper silników trakcyjnych wózka A po��czonych równolegle przy jednoczesnym zasilaniu z zasobnika B poprzez chopper silników trakcyjnych B po��czonych równolegle z pe�nym lub os�abionym wzbudzeniu.

Natomiast rysunek 3 prezentuje model nap�du g�ównego i sterowania lokomotywy spalinowej z sze�cioma elektrycznymi silnikami trakcyjnymi (do wykorzystania w bazowej lokomotywie typu TEM2 lub jej wersjach zmodernizowanych).

Rys. 3. Model uk�adu nap�du g�ównego i sterowania dla lokomotywy z sze�cioma silnikami

trakcyjnymi gdzie: G - pr�dnica g�ówna, CH12, CH34, CH56 – chopper, M1, M2, M3, M4, M5, M6 – silniki trakcyjne, UZ� – uk�ad zarz�dzania �adowania zasobników, KB, KC, K�, KG, KU,

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

Przedstawiona na rys. 3 struktura uwzgl�dnia zasilanie z agregatu pr�dotwórczego sze�ciu silników trakcyjnych po��czonych szeregowo, po��czonych w konwencji 1-2-3 i 4-5-6 oraz 1-2, 3-4 i 5-6, zasilanie z agregatu pr�dotwórczego sze�ciu silników trakcyjnych po��czonych równolegle, uk�ad �adowania zasobników energii, zasilanie z zasobnika A poprzez chopper silników trakcyjnych po��czonych szeregowo przy pe�nym i os�abionym wzbudzeniu, zasilanie z zasobnika A poprzez chopper trzech silników trakcyjnych (1-2-3) po��czonych szeregowo, zasilanie z zasobnika A poprzez chopper dwóch silników trakcyjnych (1-2) po��czonych szeregowo, zasilane z zasobnika A poprzez chopper dwóch silników trakcyjnych po��czonych równolegle, zasilanie z zasobnika A poprzez chopper

Polska koncepcja lokomotywy spalinowej z hybrydowym uk�adem nap�dowym 409

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

Zaprezentowano warianty pracy przyj�tych modeli mog� by� wykorzystane do zbadania realnego uk�adu zarz�dzania moc� w docelowej strukturze lokomotywy hybrydowej zarówno w pracy trakcyjnej jak i w eksploatacji zasobników energii elektrycznej.

W dalszych etapach nalea�oby dokona� weryfikacji napi�cia znamionowego zasobnika, doboru pojemno�ci nominalnej zasobnika, doboru mocy agregatu pr�dotwór-czego, wyboru sposobu regulacji napi�cia, moliwo�ci hamowania elektrycznego i wykorzystania energii odzysku do �adowania zasobników oraz przyj�cia alternatywnej wersji nap�du lokomotywy silnikami asynchronicznymi w aspekcie kosztów, wykorzystania istniej�cych zasobów lokomotyw do modernizacji oraz generalnego podej�cia do systemu zasilania w nap�dach kolejowych.

4.2. ANALIZY I OBLICZENIA SYMULACYJNE DLA DOBORU

WYSOKOWYDAJNYCH ZASOBNIKÓW ENERGII Przeprowadzone analizy symulacyjne dla przyj�tych rónych typów ogniw oraz

poziomów napi�� wykaza�, e mona skonfigurowa� zasobniki z ogniw firm Saft, Hoppecke, Ferak i Winston przy za�oeniu mocy zespo�u pr�dotwórczego na poziomie 25-35 % mocy moliwych do przyj�cia przez silniki trakcyjne oraz pe�nego zabezpieczenia parametrów pr�dowych i napi�ciowych przez zasobniki.

Przyk�adowo dla czterech silników trakcyjnych (model II – lokomotywa bazowa typu 6D) uzyskano nast�puj�ce rezultaty:

410 Zygmunt Marciniak, Janusz Mielniczuk

� zasobniki zbudowane ze 175 ogniw LFP400AHA firmy Winston b�d� mia�y mas� oko�o 10 000 kg dla mocy oko�o 171 kW jednego silnika trakcyjnego i pr�dzie nie przekraczaj�cym 350 A. Na cele trakcyjne do dyspozycji b�dzie oko�o 680 kW

� zasobniki zbudowane ze 175 ogniw LFP1000AHA firmy Winston b�d� mia�y mas� oko�o 12 400 kg, a przy maksymalnym pr�dzie silników trakcyjnych oko�o 450 A mona b�dzie uzyska� na cele trakcyjne oko�o 880 kW

� zasobniki Ni Cd zbudowane z 450 ogniw Saft SRX1700 b�d� mia�y mas� oko�o 20 000 kg, przy czym dla minimalnego pr�du silników trakcyjnych wynosz�cym 115 A mona uzyska� na cele trakcyjne nie wi�cej ni 210 kW, co wyklucza ten typ zasobników do zabudowy w lokomotywach wyposaonych w cztery silniki trakcyjne

� zasobniki Ni Cd zbudowane z 450 ogniw typu Saft SRX3500 przy czym masa ich wyniesie 38 000 kg, a dost�pna moc na cele trakcyjne wyniesie 575 kW przy maksymalnym pr�dzie 319 A

� zasobniki Ni Cd zbudowane z 450 ogniw Hoppecke FNC360MR4 osi�gn� mas� 24 000 kg, z dysponowan� moc� na cele trakcyjne oko�o 550 kW przy maksymalnym pr�dzie silników trakcyjnych nie przekraczaj�cych 305 A.

Szczegó�owe analizy i obliczenia symulacyjne dla wszystkich wariantów wybranych lokomotyw oraz warunków ich pracy zosta�y przedstawione w opracowaniu [8].

Nie wykluczamy dalszych analiz maj�cych z jednej strony obnienie masy i gabarytów zasobników moliwych do zabudowy w ograniczonej przestrzeni, podwyszenie maksymalnego pr�du silników trakcyjnych oraz czasu wykorzystania lokomotyw w pracy manewrowej przy ca�kowitym zasilaniu silników trakcyjnych tylko z wysokowydajnych zasobników energii.

4.3. WST�PNA KONCEPCJA SPALINOWYCH LOKOMOTYW

MANEWROWYCH Z UK�ADAMI NAP�DÓW HYBRYDOWYCH Wprowadzaj�c uk�ady nap�du hybrydowego do lokomotyw modernizowanych,

w których w miejsce silnika spalinowego duej mocy zostanie zabudowany nowoczesny silnik o mocy o oko�o 70÷80 % niszej spe�niaj�cy najnowsze wymagania w zakresie emisji sk�adników toksycznych (w tym równie cz�stek sta�ych) do atmosfery o niskim zuyciu oleju nap�dowego i �rodków smarnych powinno przynie�� najbardziej racjonalny i najwi�kszy efekt.

Dla proponowanych lokomotyw (401Da, 6D, TEM2) naley za�oy� szeregowy uk�ad nap�du hybrydowego, w którym nowoczesny silnik spalinowy poprzez pr�dnic� synchroniczn� i uk�ad prostownikowy �aduje wysokowydajne zasobniki energii, z których zasilane s� dotychczasowe silniki trakcyjne. Zak�ada si� pe�ne wykorzystanie mocy silników trakcyjnych jak równie moliwo�� do�adowania zasobników ze ród�a zewn�trznego (nie wykluczaj�c równie dodatkowego odbieraka pr�du).

W ca�ym uk�adzie dla zasilania odbiorników i maszyn zostanie zastosowany oddzielny przekszta�tnik (falownik), a rozruch silnika spalinowego zapewni alternator zasilany z niezalenej baterii akumulatorów.

Polska koncepcja lokomotywy spalinowej z hybrydowym uk�adem nap�dowym 411

W przygotowanej koncepcji nie wyklucza si� zastosowania równoleg�ego lub mieszanego uk�adu nap�du hybrydowego a dla zapewnienia równomiernego roz�oenia mas, zak�ada� naley zabudow� dwóch lub trzech zespo�ów pr�dotwórczych (pracuj�cych cyklicznie) oraz kilku modu�ów wysokowydajnych zasobników energii.

W zwi�zku z tym, e analizy symulacyjne s� prowadzone wielokierunkowo ostateczny kszta�t spalinowych lokomotyw manewrowych z uk�adami nap�dów hybrydowych wraz z wybranymi g�ównymi zespo�ami i uk�adami b�dzie przygotowany najwcze�niej w pierwszej po�owie przysz�ego roku. Nie mniej jednak moemy dzisiaj (bazuj�c na do�wiadczeniach producentów zagranicznych) za�oy�, e nie b�dzie adnych trudno�ci w doborze zespo�ów pr�dotwórczych i uk�adów steruj�co-diagnostycznych, a w zasobnikach b�dzie mona wykorzysta� ogniwa o�owiowo-kwasowe, niklowo-kadmowe i niklowo-metalowo-wodorkowe firm Hoppecke, Hawker, Ferak i Winston.

Naley nie zapomnie� równie o potrzebie modernizacji nadwozia z kabin� sterownicz� (najlepiej zastosowa� konstrukcj� modu�ow�) oraz uk�adów biegowych i nap�du osiowego (silniki trakcyjne, przek�adnie osiowe).

Zak�adaj�c równie zabudow� uk�adów nap�du hybrydowego w kilku typach lokomotyw naley d�y� do wyboru jednego typu ogniw co zdecydowanie obniy koszty lokomotyw, a tym samym u�atwi ich wdroenie do eksploatacji.

Widoki ogólne spalinowych lokomotyw manewrowych, w których zastosowano uk�ady nap�dów hybrydowych wraz z rozmieszczeniem g�ównych zespo�ów i maszyn przedstawiono na rys. 4 ÷ 8.

412 Zygmunt Marciniak, Janusz Mielniczuk

Rys. 4. Ogólny widok wraz z rozmieszczeniem urz�dze� i zespo�ów w „hybrydzie” zbudowanej na bazie lokomotywy typu 401Da:

1 – ostoja, 2 – kabina sterownicza, 3 – wentylator silników trakcyjnych, 4 – tablica pneumatyczna, 5 – uk�ady elektryczne, 6 – pulpit steruj�cy,

7 – wysokowydajne zasobniki energii, 8 – zespó� pr�dotwórczy, 9 – przedzia� spr�arkowy

Polska koncepcja lokomotywy spalinowej z hybrydowym uk�adem nap�dowym 413

Rys. 5. Ogólny widok wraz z rozmieszczeniem zespo�ów i urz�dze� w lokomotywie typu 6D

z hybrydowym uk�adem nap�dowym (z jednym zespo�em pr�dotwórczym) 1 - silnik spalinowy, 2 - zespó� pr�dnic synchronicznych, 3 - ch�odnica/wentylator,

4 - filtr powietrza, 5 - rury wydechowe, 6 - t�umik wydechu, 7 - rury powietrza do�adowania, 8 - sprz�g�o g�ówne, 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 ch�odnicy

Rys. 6. Ogólny widok wraz z rozmieszczeniem zespo�ów i urz�dze� w lokomotywie typu 6D

z hybrydowym uk�adem nap�dowym (z dwoma zespo�ami pr�dotwórczymi) 1 – podwozie, 2 – kabina, 3 – urz�dzenia elektryczne, 4 – modu� zasobników, 5 – modu� silnika

spalinowego, 6 – modu� spr�arki, 7 – modu� pneumatyczny

414 Zygmunt Marciniak, Janusz Mielniczuk

Rys. 7. Ogólny widok wraz z rozmieszczeniem zespo�ów i urz�dze� w lokomotywie typu TEM2 z hybrydowym uk�adem nap�dowym (z dwoma zespo�ami pr�dotwórczymi): 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 zespo�ów i urz�dze� w lokomotywie TEM2

z hybrydowym uk�adem nap�dowym (z trzema zespo�ami pr�dotwórczymi): 1 – ostoja, 2 – wózek, 3 – zbiornik paliwa, 4, 5 – wentylatory silników trakcyjnych, 6 – kabina maszynisty, 7, 8 – modu�y silnikowe, 9 – bateria akumulatorów, 10, 13 – modu�y sterowania elektr., 11 – modu� pneumatyki,

12 – modu� silnikowy, 13 – bateria akumulatora

Polska koncepcja lokomotywy spalinowej z hybrydowym uk�adem nap�dowym 415

5. PODSUMOWANIE Wprowadzenie uk�adów nap�du hybrydowego w lokomotywach typu 401Da, 6D

i TEM2 powinno przede wszystkim zmniejszy� szkodliwe ich oddzia�ywanie na �rodowisko naturalne (w wyniku ograniczenia emisji CO, CO2, HC, NOx i cz�stki sta�e) oraz obniy� koszty eksploatacji (w wyniku zastosowania silników spalinowych o mniejszej mocy i niszym zuyciu oleju nap�dowego).

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

Oczywistym jest, e efekty ko�cowe b�d� wi�ksze im wi�cej lokomotyw b�dzie wykonanych i wdroonych do eksploatacji. O tym decydowa� b�dzie z jednej strony zainteresowanie uytkowników z drugiej natomiast udokumentowane wyniki uzyskanych oszcz�dno�ci. Wanym b�dzie równie prowadzenie polityki proekologicznej decydentów wdraaj�cych stosowne przepisy i ustawy (w tym dyrektywy unijne).

Bibliografia

1. Marciniak Z.: Hybrydowe uk�ady nap�dowe lokomotyw spalinowych. Logistyka, 2010, nr 4. 2. Marciniak Z.: Nap�dy hybrydowe pojazdów trakcji elektrycznej i spalinowej. Pojazdy Szynowe, 2011,

nr 4. 3. Marciniak Z., Jakuszko W.: Koncepcja polskiej lokomotywy spalinowej z hybrydowym uk�adem

nap�dowym. 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 uk�adów nap�dowych. Opracowanie niepublikowane OR-10161, IPS „Tabor” – Pozna�, 03.2012.

5. Marciniak Z., Podola�czuk B.: Podstawowe parametry i charakterystyki trakcyjne lokomotyw spalinowych przewidzianych do wprowadzenia hybrydowego uk�adu nap�dowego. Opracowanie niepublikowane OR-10283, IPS „Tabor” – Pozna�, 12.2012.

6. Praca zbiorowa. Wytyczne i wymagania dla g�ównych zespo�ów i urz�dze� nap�dów hybrydowych. Opracowanie niepublikowane OR-10127, IPS „Tabor” – Pozna�, 02.2012.

7. Praca zbiorowa. Modele uk�adów nap�dowych i uk�adów sterowania lokomotyw spalinowych z nap�dami hybrydowymi. Opracowanie niepublikowane OR-10183, IPS „Tabor” – Pozna�, 12.2012.

8. Praca zbiorowa. Analizy symulacyjne i obliczenia dla okre�lenia charakterystyk zespo�ów pr�dotwórczych oraz modu�ów 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. Keywords: Diesel locomotive, generating set, hybrid drive system