DE10339211C5

DE10339211C5 - Kühlkonzept für Bremsmittel eines Triebfahrzeuges

Info

Publication number: DE10339211C5
Application number: DE10339211.4A
Authority: DE
Inventors: Helmut Stoff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2003-08-20
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2023-08-21
Also published as: DE10339211B4; DE10339211A1

Abstract

Schienengeführtes Triebfahrzeug (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) zum Erzeugen einer Antriebsbewegung für das Triebfahrzeug (1), einem Motorkühler (10) zum Kühlen des Verbrennungsmotors (2) und Bremsmitteln (6, 5a, 5b, 17) zum Abbremsen des Triebfahrzeuges (1), wobei die Bremsmittel (6, 5a, 5b, 17) über einen mit Kühlflüssigkeit befüllten Bremskühlkreislauf (18, 19) mit dem Motorkühler (10) des Verbrennungsmotors (2) verbunden sind, wobei die Bremsmittel eine elektrische Bremse (6, 5a, 5b, 17) mit einem Bremswiderstand (17) aufweisen und der Bremswiderstand (17) über den Bremskühlkreislauf (18, 19) mit dem Motorkühler (10) verbunden ist, wobei der Motorkühler (10) wenigstens einen in den Bremskühlkreislauf (18, 19) eingebundenen Bremswärmetauscher (19) und wenigstens einen in einen Motorkühlkreislauf (14, 15) eingebundenen Motorwärmetauscher (14) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Bremswärmetauscher (19) als auch der Motorwärmetauscher (14) als Luft-/Flüssigkeitswärmeaustauscher ausgelegt sind, und dass der Motorkühler (10) zum Kühlen zweier voneinander unabhängiger Kühlkreisläufe dient.

Description

Die Erfindung betrifft ein schienengeführtes Triebfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein solches schienengeführtes Triebfahrzeug ist aus der DE 1 721 276 U bereits bekannt. Ferner ist im Internet unter der Adresse www.tu-harburg.de/~segm0206/MaK/begriffe/drehstromuebertragung.html ein schienengeführtes Triebfahrzeug beschrieben. Das dort gezeigte Triebfahrzeug weist einen zum Antrieb eines Elektromotors vorgesehenen Dieselmotor mit einem Motorkühler auf. Ferner sind elektrische Bremsmittel vorgesehen, die zum Bremsen des Triebfahrzeugs Bewegungsenergie in elektrische Energie und die elektrische Energie anschließend in Wärmeenergie umwandeln. Zum Umwandeln der elektrischen Energie in Wärmeenergie dient ein mit einer Luftkühlung ausgerüsteter Bremswiderstand, so dass die Wärmeenergie schließlich an die Atmosphäre abgeführt wird. Die Luftkühlung im Fahrbetrieb wird durch eine Dachanordnung des Bremswiderstands bereitgestellt. Um jedoch auch bei geringen Fahrgeschwindigkeiten eine ausreichende Kühlung des Bremswiderstandes zu ermöglichen, weist der Bremswiderstand einen raumgreifenden Lüfter auf.
Gasförmige Kühlmittel wie Luft entfalten im Vergleich zu flüssigen Kühlmitteln eine geringere Kühlwirkung, da ein vergleichsweise schlechterer Wärmeübergang zwischen den in der Regel metallischen Bremsmitteln und dem Kühlmittel stattfindet. Dies kann zu raumgreifenden Bremsmitteln führen, da eine zur Kühlung der Bremsmittel ausreichend große Anströmfläche für die Luft bereitgestellt werden muss. Darüber hinaus kann eine Dachanordnung des Bremswiderstandes aus konstruktiven Gründen unvorteilhaft sein.
Aus der DE 11 60 319 B2 sind Bremsmittel für ein Kraftfahrzeug bekannt. Die Bremsmittel umfassen eine umlaufenden Bremsscheibe sowie ebenfalls scheibenförmig ausgestaltete Bremsbacken, die im Bremsfall hydraulisch gegen die umlaufende Bremsscheibe gepresst werden. Zum Abführen der beim Bremsen entstehenden Bremswärme weisen die Bremsbacken Hohlräume auf, die von einer Kühlflussigkeit zur Abfuhr der Bremswarme durchströmt werden. Hierzu sind die Hohlraume an den Kühlkreislauf eines Antriebsmotors angeschlossen.
Die Kühlung elektrischer Bremswiderstände mit einer Kühlflüssigkeit ist aus der DE 197 54 932 A1 bekannt.
Die DE 36 25 375 A1 offenbart verstellbare Kuhlluftklappen und eine Steuerung zum Verstellen der Kuhlluftklappen in Abhangigkeit des Kuhlbedarfs.
Aus der US 6,030,314 ist ein Kraftfahrzeug bekannt, das über einen Dieselmotor, Bremsmittel sowie über einen Bremskühlkreislauf mit Bremskühlflüssigkeit verfugt. Der Bremskühlkreislauf ist mit einem zusätzlichen Bremswarmetauscher zum Abfuhren der beim Bremsen erzeugten Bremswärme versehen, wobei die Bremskühlflussigkeit den Warmetransport von den Bremsmitteln zu dem Bremswärmetauscher übernimmt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein schienengeführtes Triebfahrzeug der eingangs genannten Art bereitzustellen, dessen Bremsmittel kompakt sind und das gleichzeitig in der Lage ist, auch hohe Bremswärmen effektiv an die Atmosphäre abzuführen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß verfügen die Bremsmittel über eine elektrodynamische Bremse mit einem Bremswiderstand. Der Bremswiderstand wird durch eine Kühlflüssigkeit gekühlt. Durch diese Flüssigkühlung wird die Kühlungseffektivität gegenüber luftgekühlten Bremswiderständen beträchtliche erhöht. Darüber hinaus kann im Rahmen der Erfindung auf einen zusätzlichen Luftkühler für die Bremsmittel selbst oder für den Bremskreislauf verzichtet werden. Die Bremswärme der Bremsmittel wird erfindungsgemäß über die Kühlflüssigkeit zum ohnehin vorhandenen Motorkühler des Verbrennungsmotors transportiert und durch dessen Luftkühlung an die Atmosphäre abgeführt. Das erfindungsgemäße Triebfahrzeug weist daher Bremsmittel auf, die kompakt und gleichzeitig mit einer effektiven Kühlung versehen sind. Ferner kann erfindungsgemäß auch bei geringem für die Bremsmittel zur Verfügung stehenden Bauraum auf eine Flussigkühlung zurückgegriffen werden. Dabei ist die Kühlleistung eines Lüfters des Motorkühlers in der Regel so groß, dass auch bei geringer Umwälzgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit für die Bremsmittel eine ausreichend hohe Kühlungsleistung bereitgestellt ist.
Die Bremsmittel können im Rahmen der Erfindung eine Bremsscheibe aufweisen. Dabei ist die Bremsscheibe drehfest mit jeweils einem Rad des Triebwagens verbunden. Gemäß dieser erfindungsgemäßen Weiterentwicklung verfügt die Bremsscheibe über eine Bremsfläche, die einem beispielsweise hydraulisch verfahrbaren Bremsschuh zugewandt ist. Im Bremsfall wird der Bremsschuh hydraulisch gegen die Bremsfläche der Bremsscheibe gepresst, so dass aufgrund der entstehenden Reibung eine Bremswirkung erzeugt wird. Innerhalb der Bremsscheibe sind Kühlkanäle vorgesehen, die von dem umgewälzten flüssigen Kühlmittel durchströmt werden. Dabei erwärmt sich die Kühlflüssigkeit in der Bremsscheibe. Durch das Umwälzen der Kühlflüssigkeit wird die Bremswärme von der Bremsscheibe zum Motorkühler transportiert und dort an die an dem Motorkühler vorbeiströmende Luft abgegeben.
Der flüssiggekühlte Bremswiderstand muss erfindungsgemäß nicht mehr auf dem Dach des Triebfahrzeugs angeordnet sein. Vielmehr ist es durch die hocheffiziente Flüssigkühlung des Bremswiderstandes möglich, diesen an beliebigen Stellen des Triebfahrzeugs anzuordnen, so dass die konstruktiven Gestaltungsmöglichkeiten des Triebfahrzeugs beträchtlich erhöht sind. Auch kann der Luftwiderstand des Triebfahrzeugs durch die Vermeidung einer Dachanordnung des Bremswiderstandes herabgesetzt werden.
Der Motorkühler ist zweckmäßigerweise so in dem Triebfahrzeug angeordnet, dass Fahrtwind in den Motorkühler einleitbar ist. Bei einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung weist der Motorkühler einen Lüfter auf, der insbesondere bei langsamer Fahrt des Triebfahrzeugs einen zur Kuhlung ausreichend großen Luftstrom bereitstellt. Der Motorkuhler kann nur durch den Lüfter gekühlt werden.
Vorteilhafterweise verfügt der Bremskühlkreislauf über eine Pumpe zum Umwälzen der Kühlflüssigkeit. Dabei ist die Pumpe beispielsweise von einem Akkumulator gespeist, der mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist und von diesem wieder aufgeladen wird. Abweichend hiervon ist es jedoch auch moglich, statt einer Elektropumpe eine hydraulische Pumpe im Bremskreislauf vorzusehen. Dabei ist die hydraulische Pumpe ebenfalls von dem Verbrennungsmotor angetrieben.
Erfindungsgemäß weist der Motorkühler wenigstens einen in den Bremskühlkreislauf eingebundenen eigenen Bremswärmetauscher und wenigstens einen in einen Motorkühlkreislauf eingebundenen Motorwärmetauscher auf, wobei der Motorkühlkreislauf zum Kühlen des Verbrennungsmotors vorgesehenen ist. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung ist ein Motorkühler bereitgestellt, der zum Kühlen zweier voneinander unabhängiger Kühlkreisläufe dient.
Sowohl der Bremswärmetauscher als auch der Motorwärmetauscher als Luft-/Flüssigkeitswärmeaustauscher ausgelegt. Dabei ist der Motorblock des Verbrennungsmotors über ein Rohrleitungssystem mit dem Motorkühler verbunden, wobei die Motorflüssigkeit in dem Rohrleitungssystem umgewalzt wird. Dabei umströmt die Motorkühlflüssigkeit den Motorblock, nimmt die bei der Brennstoffverbrennung entstehende Wärme auf und führt diese dem Motorkühler zu, wo sie an die Atmosphare abgegeben wird.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Triebfahrzeug einen Elektromotor auf. Hierbei ist der Verbrennungsmotor zweckmäßigerweise ein Dieselmotor. Solche Triebfahrzeuge werden auch dieselelektrische Triebfahrzeuge genannt. Hierbei treibt der Verbrennungsmotor den Elektromotor an, so dass auf ein aufwendiges Getriebe zum Einleiten des Antriebs in Antriebsräder des Triebwagens verzichtet werden kann. Als Elektromotor eignet sich beispielsweise ein Drehstrommotor. Es können jedoch auch Gleichstrommotoren im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise weist der Motorkuhler bewegliche Verschlussmittel auf, die zur Steuerung der Luftführung in dem Motorkühler vorgesehen sind. Durch die Verschlussmittel ist es möglich, die Kühlleistung des Motorkühlers nach Bedarf auf die jeweiligen Kuhlsysteme zu verteilen. So kann beispielsweise im Normalbetrieb des Triebfahrzeugs die erzeugte Bremswärme gering sein, so dass der Bremswärmetauscher beispielsweise mit weniger Kühlluft beaufschlagt werden muss als während einer starken Bremsung. Der erforderliche Kühlbedarf des Verbrennungsmotors verhält sich jedoch bei ungebremster Fahrt mit hohen Geschwindigkeiten in der Regel gegensätzlich dazu. Die Verschlussmittel erlauben es, den Motorkühler flexibel an unterschiedliche Betriebsituationen des Triebfahrzeugs anzupassen. Dazu sind die Verschlussmittel zweckmäßigerweise mit einem Stellantrieb sowie einer Steuerung ausgerüstet, wobei der Stellantrieb die Verschlussmittel in Abhängigkeit der jeweils erforderlichen Verteilung der Kühlung in dem Motorkühler ausrichtet, so dass der Luftstrom im Motorkühler in eine hierzu zweckmäßige Richtung umgelenkt oder aufgefächert wird.
Vorteilhafterweise sind die Verschlussmittel als bewegliche Lamellen realisiert, die mit jeweils einem Motorwarmetauscher verbunden sind.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemaßen Triebfahrzeugs zeigt.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Triebfahrzeugs 1 in schematischer Darstellung. Zum Erzeugen einer Antriebsbewegung ist ein Dieselmotor 2 vorgesehen, dessen Antriebsbewegung über eine Antriebswelle 3 in einen Generator 4 eingeleitet wird. Der als Synchrongenerator ausgebildete Generator 4 erzeugt eine dreiphasige Wechselspannung. Die Frequenz dieser Wechselspannung ist von der Drehzahl des Dieselmotors abhängig und daher zum Steuern nachgeschalteter Fahrmotoren nicht ausreichend beeinflussbar. Über einen Gleichrichter 5a wird die Wechselspannung des Generators in eine Gleichspannung umgewandelt, um für einen nachgeschalteten Wechselrichter 5b eine ausreichend stabile Eingangsspannung zur Verfügung zu stellen. Hauptaufgabe des Wechselrichters 5b ist es, die in dem Gleichstromzwischenkreis bereitgestellte Gleichspannung wieder in eine dreiphasige Antriebswechselspannung mit variabler Frequenz und variabler Spannungsamplitude umzuwandeln. Als Gleich- und Wechselrichter eignen sich beispielsweise Hochleistungs-Feldeffekttransistoren (IGBT).
Die Antriebswechselspannung dient zum Antrieb eines als Drehstrom-Asynchron-Motor ausgebildeten Elektromotors 6, der dem Wechselrichter 5b nachgeschaltet ist. Dabei ist der Elektromotor 6 über eine Antriebswelle 7 mit einem Rad des durch die Schiene 9 geführten Triebfahrzeugs 1 verbunden.
Zum Abkühlen des Dieselmotors 2 dient ein Motorkühler 10. Um einen ausreichend großen Luftstrom 11 für den Motorkuhler 10 bereitzustellen, ist ein Ventilator oder Lufter 12 vorgesehen, der uber einen ebenfalls vom Dieselmotor 2 angetriebenen Antrieb 13 angetrieben ist.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Motorkuhler 10 ferner zwei einander gegenüberliegende Motorwärmetauscher 14 auf, die über geeignete Rohrleitungen 15 mit dem Dieselmotor 2 verbunden sind. Die Rohrleitungen 15 können auch durch Schläuche realisiert sein. Der aus den Rohrleitungen 15 sowie den Motorwärmetauschern 14 bestehende Motorkühlkreislauf umfasst weiterhin eine in 1 nicht dargestellte Umwälzpumpe zum Umwalzen einer Motorkühlflüssigkeit in dem Motorkühlkreislauf, so dass beim Verbrennen des Dieselkraftstoffs im Dieselmotor 2 entstehende Motorwärme von der Motorkuhlflüssigkeit aufgenommen, zu den Motorwärmetauschern 14 geleitet und dort an die durch den Motorkuhler 10 stromende Luft 16 abgegeben wird.
Das Triebfahrzeug 1 wird elektrisch abgebremst. Hierbei wirkt der Elektromotor 6 als Generator, der die in diesen über die Antriebswelle 7 eingeleitete Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt und diese an den Wechselrichter 5b übertragt. Der Wechselrichter 5b richtet die vom Elektromotor 6 erzeugte Wechselspannung gleich und stellt sie einem Bremswiderstand 17 zur Verfügung, in dem die elektrische Bremsenergie in Wärmeenergie oder mit anderen Worten in Bremswarme umgewandelt wird.
Zum Abführen der Bremswärme ist der Bremswiderstand 17 über einen Bremskühlkreislauf, der aus einem Rohrleitungssystem 18 sowie einem Bremswärmetauscher 19 besteht, mit dem Motorkühler 10 verbunden. Der Bremskühlkreislauf 18, 19 ist mit einer Kühlflüssigkeit befüllt, wobei zum Umwälzen der Kühlflüssigkeit eine von einem Antrieb 20 angetriebene Umwalzpumpe 21 vorgesehen ist. Bei einem hiervon abweichenden Ausführungsbeispiel ist die Umwälzpumpe 21 des Bremskuhlkreislaufes mittelbar durch den Dieselmotor 2 angetrieben.
Die beim Bremsen erzeugte Bremswärme wird somit über das Rohrleitungssystem 18, ebenfalls zum Motorkühler 10 transportiert und dort mittels des Wärmeaustauschers 19 an den Luftstrom 16 im Motorkühler 10 und somit an die Atmosphäre abgegeben.
Der Motorkuhler 10 verfügt ferner über Lamellen 22 als Verschlussmittel, die in den durch die Doppelpfeile 23 angedeuteten Richtungen verschwenkbar sind. Dazu sind die Lamellen 22 mit einem nicht figurlich dargestellten Stellantrieb verbunden, der in Abhängigkeit eines von einer nicht gezeigten Steuerung dargestellten Steuerungssignals eine Antriebsbewegung in die Lamellen 22 einleitet. So ist beispielsweise möglich, mit Hilfe der Steuerung eine solche Antriebsbewegung einzuleiten, dass die Lamellen vollständig an dem Wärmetauscher 14 anliegen. In dieser Stellung der Lamellen 22 ist der Luftwiderstand in dem Motorkuhler 10 herabgesetzt und die Stromungsgeschwindigkeit des Luftstroms 16 erhöht. Durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit erhoht sich jedoch auch die Kühlleistung des Bremswärmeaustauschers 19, wobei die Kühlleistung des Motorwärmeaustauschers auf ein Minimum herabgesetzt ist. Eine solche Einstellung der Lamellen 22 ist beispielsweise dann zweckmäßig, wenn eine schnelle Verzögerung des Triebfahrzeugs 1 erwünscht ist mit hohen Bremswärmen im Gefolge. Dabei ist jedoch aufgrund des fehlenden Antriebs die Motorwärme des Dieselmoors 2 zumindest über kurze Zeiträume hinweg vernachlässigbar, so dass auf eine Motorkühlung im Wesentlichen verzichtet werden kann.
Bei erhöhtem Kühlbedarf des Dieselmotors 2 werden die Lamellen 22 in die in 1 dargestellte Stellung verschwenkt, so dass der in den Motorkuhler 10 einstromenden Luft 16 der Zugang zu den Motorwärmetauschern 14 gewahrt ist.

Claims

Schienengeführtes Triebfahrzeug (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) zum Erzeugen einer Antriebsbewegung für das Triebfahrzeug (1), einem Motorkühler (10) zum Kühlen des Verbrennungsmotors (2) und Bremsmitteln (6, 5a, 5b, 17) zum Abbremsen des Triebfahrzeuges (1), wobei die Bremsmittel (6, 5a, 5b, 17) über einen mit Kühlflüssigkeit befüllten Bremskühlkreislauf (18, 19) mit dem Motorkühler (10) des Verbrennungsmotors (2) verbunden sind, wobei die Bremsmittel eine elektrische Bremse (6, 5a, 5b, 17) mit einem Bremswiderstand (17) aufweisen und der Bremswiderstand (17) über den Bremskühlkreislauf (18, 19) mit dem Motorkühler (10) verbunden ist, wobei der Motorkühler (10) wenigstens einen in den Bremskühlkreislauf (18, 19) eingebundenen Bremswärmetauscher (19) und wenigstens einen in einen Motorkühlkreislauf (14, 15) eingebundenen Motorwärmetauscher (14) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Bremswärmetauscher (19) als auch der Motorwärmetauscher (14) als Luft-/Flüssigkeitswärmeaustauscher ausgelegt sind, und dass der Motorkühler (10) zum Kühlen zweier voneinander unabhängiger Kühlkreisläufe dient.
Triebfahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremskühlkreislauf (18, 19) über eine Pumpe (21) zum Umwälzen des Kühlmittels verfügt.
Triebfahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorkühler (10) bewegliche Verschlussmittel (22) aufweist, die zur Steuerung der Luftführung in dem Motorkühler (10) vorgesehen sind.
Triebfahrzeug (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussmittel als bewegliche Lamellen (22) realisiert sind, die jeweils mit einem Motorwärmetauscher (14) verbunden sind.