Die Diesellokomotive regeln |
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Bevor wir mit dem Motor, oder der
Gasturbine auf grosse Reise
gehen, müssen wir diesen Motor auf dem Fahrzeug verbauen. Das erfolgt in
der Regel an einem dazu geeigneten Ort. Dieser befindet sich bei ihrem
Wagen an der Spitze und einem
Vorbau, der Ihnen die
Sicht auf die Strasse nimmt. Ach bei Ihnen ist dieser in der Mitte verbaut
worden. Nicht jeder kann sich so bekannte und teure Sportwagen aus Italien
leisten. Der Einbauraum für einen Motor nennt man passend Mo-torraum. Dieser ist erforderlich, damit sich niemand an den heissen Bauteilen verbrennen kann und dass der Motor etwas von den Umwelteinflüssen geschützt ist.
Der
Schutz ist nur erforderlich, damit der Motor nicht ver-schmutzt wird, denn
dieser könnte die
Kühlung
behindern. Zudem haben wir auch die
Umweltwanne bereits
kennen gelernt. Weiter erlaubt es der Motorraum den Lärm des Motors etwas zu verringern. Durch das um den Motor aufgebaute Gehäuse können die Schallwellen nicht so gut entweichen.
Wenn man dann noch weitere Massnahmen umsetzt, dann ist vom Motor in dem
Motorraum kaum etwas zu hören. Es ist aber wie so oft ein Abwegen zwischen
Aufwand und Erfolg. Im Auto sollte man das Teil schon noch hören, aber
auch das Radio verstehen. Mit dem im Motorraum eingebauten Motor, können wir diesen nun für die Fahrt mit dem Fahrzeug nutzen. Das kann ein Automobil, eine Lokomotive, ein Schiff oder auch ein Flugzeug sein. Wie so oft, gibt es viele Möglichkeiten für den Einsatz. Da wir nicht vom Weg abkommen sollten, starten wir nun den Motor, oder die Turbine einer Lokomotive oder von einem Automobil, denn so gross sind die Unterschiede in dem Bereich gar nicht.
Wenn der Motor, oder die
Gasturbine einmal gestartet
wurden, sollten wir die beiden Maschinen doch noch regeln können. Gerade
bei einem Fahrzeug sind bestimmte Geschwindigkeiten vorgeben und diese
muss man mit der
Leistung der
Antriebe
ausgleichen. Nehmen wird dazu ein Beispiel, dass sie besser kennen, als
die
Lokomotive, es ist das
Lieblingsstück der meisten Männer und Frauen und nennt sich Automobil. Bei einer Fahrt mit diesem Automobil regulieren Sie die Leistung des Motors mit einem Pedal, das Gaspedal genannt wird. Dabei spielt es keine Rolle, ob Sie ein Mo-dell für Benzin oder Dieselöl haben.
Sie
geben mit dem
Pedal auch
nicht mehr
Gas, denn
es wird damit geregelt, wie viel
Treibstoff
verbrannt wird. Daher geben Sie vermutlich eher Stoff und mit zuneh-mender
Geschwindigkeit reicht die
Leistung des
Motors nicht mehr aus. Das ist sogar schnell der Fall. Daher benutzen Sie ein Getriebe, mit dem sie die Übersetzung verändern kön-nen. Geschaltet werden die einzelnen Gänge mit einem Schaltknüppel, oder mit einer automatischen Schaltung.
Soweit ist es noch einfach, wenn sie dann aber los-fahren müssen, muss das
Spiel mit der benötigten Kraft und der Zufuhr von
Kraftstoff
stimmen, denn sonst ruckelt der Wagen unangenehm, oder der Motor stellt
die Arbeit ein. Haben Sie sich schon einmal überlegt, was dann genau passiert und warum der Motor das immer mitmacht und nicht ab und zu stottert? Besonders dann nicht, wenn sie das Pedal nicht drücken. Es ist die bei jedem Motor vorhandene Regelung. Diese können wir als Grundregler bezeichnen. Mit ihr wird die Zufuhr von Treibstoff so geregelt, dass dieser mit einer minimalen Drehzahl arbeitet und so den Betrieb nicht einstellt.
Die technisch minimal mögliche Drehzahl wird
Leerlauf genannt. Sofern der Motor ohne Last arbeiten kann, wird dieser
automatisch eingestellt. In diesem Fall wird der Motor so betrieben, dass
er gerade noch drehen kann und der dafür benötigte
Treibstoff
so gering gehalten wird, wie es nur geht. Auch wenn man meinen könnte,
eine tiefere Drehzahl sein besser, kann eventuell Treibstoff nicht optimal
verbrannt werden. Sehr viele Leute nennen den Leerlauf auch Stand-gas. Es ist wirklich so, Sie verändern nicht den Anteil des Gases, sondern jenen des Treibstoffes. Aber wie so oft ist das dem allgemeinen Sprach-gebrauch egal.
Ob
Standgas, oder Leerlauf der
Dieselmotor und auch die
Turbine halten diese Drehzahlen automa-tisch und ohne weitere Regelung
ein. Um
Leistung
abzurufen, muss die Drehzahl daher erhöht werden. Natürlich verbrauchen die Motoren, wie die Gas-turbine im Leerlauf ebenfalls Treibstoff, aber es gibt Situationen, wo sich ein Ausschalten nicht lohnt. Ein kurzer Stopp an einer Kreuzung kann ebenso als Beispiel genommen werden, wie Wechsel der Fahr-richtung bei der Eisenbahn.
Sie
sehen, es ist durchaus sinnvoll den Motor auto-matisch auf diese Drehzahl
einzustellen, denn oft würde in solchen Situationen der Motor vergessen. Um mit dem Fahrzeug losfahren zu können, muss die Drehzahl am Motor erhöht werden. Wie das zu erfolgen hat, hängt jedoch davon ab, wie die Kraft auf die Räder übertragen wird.
Je
nach gewählter Lösung muss der Motor, oder die Turbine die
Leistung
anderes erhöhen. Daher ist es durchaus wichtig, dass wir die Übertragung
der Kräfte kurz ansehen, denn damit erklärt sich dann oft auch die
Regelung.
In
der Luftfahrt gibt es diese Übertragungen bei den
Gasturbinen nicht, dort
wird der von diesen erzeugte Schub direkt genutzt. Wenn wir nun aber diese
Turbine in einem Hubschrauber einbauen, sieht sich Sache anders aus. Die
dort umgesetzte Lösung erfolgt auf mechanische Weise. Ist diese auch bei
einem Motor so anwendbar, oder müssen wir dort wirklich auf andere
Lösungen setzen. Es lohnt sich ein genauer Blick. |
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Kraftübertragung |
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Der
Dieselmotor läuft nun und die
Kurbelwelle dreht sich.
Diese Drehung muss nun irgendwie auf den mechanischen
Antrieb
übertragen werden. Auch bei einer Turbine nutzt man bei Fahrzeugen diese
Drehung aus. Man nennt die anstehende Kraft auch
Drehmoment.
Dieses steht auch im Leerlauf an und daher muss eine Lösung gefunden, bei
der die Übertragung der Kräfte auch unterbrochen werden kann. Dabei gibt es bei Diesellokomotiven drei Möglichkeiten. Eine davon kann auch bei den Automobilen angewendet werden. Da Sie sich dort etwas besser auskennen, beginne ich mit dieser Lösung.
Wie
ich schon erwähnt habe, es gibt Unterschiede bei der Regelung des
Fahrmotors.
Sie drücken bei Ihrem Wagen einfach ein
Pedal und
verbinden die Kraftübertragung und schon beginnt der Wagen schneller zu
werden. Mechanische Lösung: Die mechanische Kraftübertragung wird bei den Lokomotiven dieselmechanisch genannt. Bei dieser Lösung wird das Moment vom Motor über ein Getriebe auf die angeriebene Achse übertragen.
Hier werden wegen den möglichen Drehzahlen
Getriebe
benötigt, die geschal-tet werden können. Zudem muss die Übertragung des
Drehmoments
mittels einer
Kupplung
unterbrochen werden.
Diese Lösung sollten Sie gut kennen, denn Sie benutzen vermutlich so ein
Fahrzeug. Automobile, aber auch LKW sind mit solchen
Antrieben
versehen worden. Es ist eine einfache und günstige Lösung, die zudem noch
sehr leicht ist. Was sich auf der Strasse bewährt, sollte doch auch bei
der Eisenbahn möglich sein, denn günstige Lösungen sind dort gefragt.
Gehen wir einmal davon aus, dass dieselmechanische Antriebe möglich sind.
Wie
auf der Strasse müssen wir Gänge schalten und eine
Kupplung
betätigen. An diesem Grundsatz ändert sich nichts. Wie vielleicht bei
Ihrem Wagen könnten auch automatische
Getriebe
verwendet werden. Daher sind eigentlich bei der Eisenbahn keine Grenzen
vorhanden. Wobei eine gibt es, die dafür sorgt, dass sich diese Lösung nur
bei kleineren
Traktoren
durchsetzen konnte, denn wir müssen auch in die andere Richtung fahren. Sie benutzen dazu bei Ihrem Automobil den Rück-wärtsgang. Bei dem auf dem Bild abgebildeten Fahrzeug war das auch so, aber um wieder auf den Rückweg zu gehen, musste dieses Modell gewendet werden.
Das
machen Sie auch, denn mit diesem Gang kann man nicht so schnell fahren.
Eine Lösung, die von den grossen Dampflokomotiven bereits bekannt war. Bei
einer grossen
Lokomotive ist das aber hinderlich
und so musste ein zweites
Getriebe
her.
Getriebe, die eine umgekehrte Fahrrichtung mit
dem üblichen
Getriebe
zulassen, nennt man Wendegetriebe. Diese verändern das
Drehmoment
des Motors nur so, dass diese sich in die andere Richtung dreht, denn wir
wissen, das kann der Motor nicht und auch bei der
Gasturbine geht das nicht.
Flugzeuge können nicht rückwärts fahren, sie müssen gestossen werden. Bei
der Eisenbahn gab es diese Wendegetriebe.
Der
Motor wird nach jedem neuen Gang mit dem
Pedal wieder auf
Touren
gebracht und so beschleunigt. Das erfolgt so lange, bis es keine weiteren
Gänge mehr gibt. Bei den meisten Automobilen ist das
Getriebe so
ausgelegt worden, dass mit der minimalen Drehzahl eine für Landstrassen
übliche Geschwindigkeit erreicht werden kann. Auf schnelleren Autobahnen
muss dann einfach mehr auf das Pedal getreten werden.
Hydraulische Lösung:
Bei einer dieselhydraulischen
Lokomotive wird die Kraft über ein
spezielles
Hydrodynamisches Getriebe
übertragen. Dadurch regelt sich der Motor hier ähnlich, wie bei der vorher
betrachteten mechanischen Lösung. Jedoch haben wir damit einen unechten
hydraulischen
Antrieb,
denn das spezielle
Öl wird
nur im
Getriebe
verwendet, der restliche Antrieb erfolgt auf die bekannte Weise. Wenn wir nun einen unechten hydraulischen Antrieb haben, dann wird es auch einen echten geben. Bei diesen Lösungen ist der Antrieb des Fahrzeuges nur eine nette Beigabe.
Sie
werden es mir kaum glauben, aber die echten hydraulischen
Antriebe gibt es auch auf der Strasse, wobei
genau genommen nicht auf dieser, sondern im Gelände. Es lohnt sich daher
auch hier genauer auf den Antrieb zu schauen. Mit dem Motor wird eine Pumpe für Hydrostatiköl angetrieben. Die Fliesskraft dieser Flüssigkeit wird dann in speziellen Fahrmotoren dazu genutzt um ein Drehmoment zu erzeugen.
Wir
haben daher eine rein auf dem
Hydrostatiköl
basieren Lösung erhalten. Jedoch fehlen uns nun die Fahrzeuge, die mit
dieser Lösung versehen werden, denn es sind grundsätzliche spezielle
Modelle und das gilt auch für die Eisen-bahn.
Der
echte hydraulische
Antrieb, wird verwendet, wenn man eine
hydro-statische Anlage auch aus anderen Gründen benötigt. Das können
einfache
Zylinder sein um Erdreich
auszuheben, oder Hebebühnen um die
Fahrleitung
zu kontrollieren. Diese Fahrzeuge haben die Anlage deswegen erhalten und
da es schön ist, wenn sich der Bagger auch verschieben kann, wurde ein
Antrieb verbaut und für diesen nutzte man die vorhandene Anlage.
Die
Motorsteuerung regelt die Drehzahl anhand des verlangten hydraulischen
Druckes. Das geht einfacher, als man vermuten könnte, denn die Anforderung
an einen höheren Druck in den Leitungen führt dazu, dass auch die Drehzahl
des Motors erhöht wurde. Mit anderen Worten, der Motor wurde indirekt ab
der Pumpe geregelt. Ein sehr einfacher Aufbau der auch beim unechten
hydraulischen
Antrieb
genutzt wird. Sie sehen, es gibt diesen Antrieb sowohl auf der Strasse, als auch auf der Schiene nicht so oft. In den meisten Fällen wird von einem dieselhydrau-lischen Antrieb gesprochen, wenn an Stelle des Schaltgetriebes ein Wandler vorhanden ist, der die Drehzahlen entsprechend anpasst.
Die
weitere Übertragung nach diesem
Getriebe
er-folgt auf mechanische Weise. Der Grund dafür liegt in der noch
fehlenden Lösung für den
Antrieb.
Elektrische Lösung:
Kommen wir zur Lösung, die so wohl kaum an einer anderen Stelle, als der
Eisenbahn angewendet wird. Bei dieselelektrischen
Antrieben wird der Drehzahl des
Dieselmotors dazu genutzt,
eine elektrische
Spannung
zu erzeugen. Der eigentliche Antrieb ist dann, wie bei den elektrischen
Lokomotiven gelöst worden. Damit
das klappt, ist an der Welle des Motors einfach ein
Generator
angeschlossen worden.
Auch wenn ich hier von den Motoren sprechen, es ist durchaus auch möglich
diesen
Generator
ab einer
Gasturbine zu betreiben. Dabei
ist sogar eine feste
Kupplung
möglich, denn es kann kein elektrischer
Strom
fliessen, wenn der
Stromkreis
unterbrochen ist. So wechselt auch der Generator in den Leerlauf und es
kann kein Strom fliessen. Bei der Gasturbine spielt es dabei keine Rolle,
dass sie nur schwer in den Leerlauf wechselt.
Der
Vorteil dieser dieselelektrischen Lösung ist, dass elektrischen
Fahrmotoren
besser reguliert werden können. Es sind da Aufbauten möglich, die von
elektrischen
Lokomotiven übernommen werden.
Zudem besitzen elektrische Motoren eine sehr gute Ausnutzung des
Drehmoments.
Der Motor dreht einfach, wenn der
Strom
hoch genug angesetzt wurde. Sie sehen, es sind ganz spezielle Lösung, die
eher bei den Elektrolokomotiven zu finden sind. Weiter können mit dieser Antriebsform auch Lokomotiven gebaut werden, die auch über einen elektrischen Antrieb verfügen. Als Beispiel sei hier die Reihe Eem 6/6 erwähnt, die auf dem Bild zu erkennen ist.
Fährt man ab der
Fahrleitung
ist der normale Ansatz vorhanden. Fehlt diese jedoch, wird mit dem
Dieselmotor gefahren. Hier
sind es wirklich nur Motoren, denn das hochfahren einer
Gasturbine ginge schlicht zu
lange.
Wenn wir nach Nachteilen suchen, dann hat es diese auch hier. Der Aufbau
solcher
Lokomotiven führt zu einem eher
hohen Gewicht. Gerade dort, wo die
Achslasten
ein Problem sind, kann es mit dieselelektrischen Lokomotiven schwer
werden, die verlangte
Leistung zu
bekommen. Trotzdem bekamen diese Maschinen eine sehr grosse Verbreitung
und das auch nur, weil der elektrische
Fahrmotor
sehr gut reguliert werden kann.
Mit
diesem Aufbau haben wir aber ein Problem, denn die elektrische Regulierung
kann die
Leistung beim
Dieselmotor nicht regulieren.
Diese ist auch vom Aufbau des
Generators
abhängig. Da nun aber das Personal nicht die
Fahrmotoren und
zur gleichen Zeit auch den Dieselmotor regulieren kann, muss eine optimal
arbeitende Steuerung für den Motor her und diese wollen wir uns an einem
Beispiel genauer ansehen.
Der Woodwardregler:
Die Regelung der Drehzahlen bei
Antrieben
mit dieselelektrischer Lösung soll so automatisch wie möglich erfolgen und
zu dem Zweck wird der Woodwardregler verwendet. Mit seiner Hilfe kann sich
das Personal auf die
Fahrmotoren und
die Fahrt konzentrieren. Diese Regelung übernimmt diese Steuerung. Das
geht sogar so weit, dass sie für die Einstellung der Drehzahl beim
Leerlauf verwendet wird.
Beim
Woodwardregler arbeitet man mit einem Öldruck. Dieser Öldruck kann durch
die Steuerung der
Loko-motive beeinflusst werden. So
übernimmt er auch Aufgaben der Regelung, die auf der Fahrt benötigt
werden. Mit der Anforderung, den
Fahrmotoren
Leistung
abzuverlangen, wird der Woodwardregler angesteuert. Der
Dieselmotor wird aufgesteuert
und so dem
Generator
die Möglichkeit gegeben, der Anforderung nachzukommen.
Auf
der Fahrt regelt der Woodwardregler den Motor, indem er diesem mehr oder
weniger
Treibstoff in
die
Zylinder spritzt. Die
erforderliche Menge regelt dabei der Woodwardregler und das bei nahezu
jeder Füllung. Das kann dazu führen, dass der
Dieselmotor
friedlich brummt, während der Zug beschleunigt. Selbst wenn vom Motor
Leistung
verlangt wird, sorgt dieser Regler dafür, dass die Menge stimmt und so
kann man dem Motor das Rauchen abgewöhnen.
Dabei arbeitet der Woodwardregler rein nur mit mechanischen Bauteilen und
den erwähnten Flüssigkeiten. Eine zusätzliche Steuerung ist nicht
vorhanden und würde auch keinen direkten Nutzen bringen. Moderne
Lokomotiven nehmen dazu die
Elektronik zur Hilfe. So steuert bei diesen Lokomotiven der Bordrechner
die Tourenzahl, die der abgerufenen
Leistung
entspricht. Wir haben also in beiden Fällen eine indirekte Regelung für
den
Dieselmotor.
Ob
mit dem Woodwardregler, oder mit einer anderen Steuerung. Bei den grossen
Motoren von
Lokomotiven können diese kaum
direkt vom Personal geregelt werden. Besonders dann, wenn man auf die
Strecke sehen und die
Ströme
der
Fahrmotoren
regeln muss, ist es nicht leicht mit einem
Pedal noch die
korrekte Drehzahl am
Dieselmotor einzustellen. Die
automatische Regelung ist daher ein Vorteil und das auch, wenn
Feierabend
ist.
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