Dieselelektrischer Antrieb

Der dieselelektrische Antrieb ist ein Übertragungssystem, mit dem die von großen Dieselmotoren bereitgestellte mechanische Energie mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie umgewandelt und auf das Antriebssystem einer Maschinerie übertragen wird. Die häufigsten Anwendungsfälle sind dieselelektrische Lokomotiven, U-Boote und Schiffe sowie große Lastkraftwagen für Tagebaue (Großmuldenkipper).

Dieselelektrische Lokomotiven Class B 60 und Class S der australischen Eisenbahngesellschaft Victorian Railways

Prinzip
Schematische Darstellung einer modernen dieselelektrischen Lokomotive mit Zwischenkreis

Dieselelektrische Antriebe sind streng genommen elektrische Antriebe, die ihr eigenes Kraftwerk in Form eines von einem Dieselmotor angetriebenen Generators mit sich führen. Mit der erzeugten elektrischen Energie werden Elektromotoren versorgt, die Räder oder Propeller unmittelbar oder über ein Übersetzungsgetriebe antreiben.

Dieselmotoren haben wie alle Verbrennungsmotoren einen sich mit der Last und Drehzahl ändernden spezifischen Kraftstoffverbrauch, sodass nur in einem bestimmten Betriebspunkt der höchste Wirkungsgrad erreicht wird. Eine weitere Schwierigkeit ist das Starten eines Motors unter Last. Diese Schwächen werden bei kleineren Antriebseinheiten (zum Beispiel in Kraftfahrzeugen) mit einem Getriebe und einer mechanischen Kupplung umgangen, dies wird als dieselmechanischer Antrieb bezeichnet. Bei größeren Anforderungen an die Leistung wie bei Lokomotiven oder Schiffen wird entweder der dieselhydraulische oder der dieselelektrische Antrieb verwendet.

Der dieselelektrische Antrieb hat gegenüber dem dieselhydraulischen den Vorteil einer relativ einfachen und wenig störanfälligen Bauweise. Zudem sind aufgrund der sehr geringen Stückzahlen kaum hydraulische Antriebselemente in passenden Baugrößen verfügbar. Die elektronische Steuerung der Kraftübertragung ermöglicht in weitem Bereich gute Leistungsanpassungen und Fahrkomfort.

Der dieselelektrische Antrieb lässt sich zu einem Hybridantrieb kombinieren, der ein Fahren auch ohne laufenden Dieselmotor ermöglicht, indem die elektrischen Fahrmotoren ihre Energie auf bestimmten Strecken entweder aus Akkumulatoren oder – bei Schienenfahrzeugen – aus einer Oberleitung beziehen. (Die Definition der UNO rechnet die Fahrleitungsvariante allerdings nicht zu den Hybridantrieben). Nach der Logik, Hybrid gleich zwei Energiequellen, wird die reine dieselelektrische Variante nicht zu den Hybridantrieben gerechnet, die Kombination mit Akkumulator dagegen schon.

Entwicklungsgeschichte

Schienenfahrzeuge

→ siehe: Geschichte des Verbrennungsmotor-Antriebs von Schienenfahrzeugen

Dampf-elektrische Heilmann-Lokomotive Nr. 8001 von 1897
Sowjetische Ээл2

Als Vorläufer des dieselelektrischen Antriebs bei Lokomotiven gilt der dampfelektrische Antrieb von Jean-Jacques Heilmann. Er stellte 1892 mit der „Fusée Electrique“ (Elektrische Rakete) eine elektrische Lokomotive vor, die ihren Strom über einen Generator bezog, der von einer Dampfmaschine im Fahrzeug angetrieben wurde. Damit hatte er das erste schienengebundene elektrische Triebfahrzeug entwickelt, das ohne Stromzufuhr von außen autark verkehren konnte.[1] 1893 entwickelte Patton in den USA bereits eine erste benzinelektrische Lokomotive und 1896 folgte eine solche von Deutz, welche jedoch ein Einzelstück blieb. Diese frühen Fahrzeuge scheiterten noch an geeigneten elektrischen Schaltungen zur Kraftübertragung.

Ab 1903 wurden mit den Weitzer-DeDion Bouton-Triebwagen die ersten Verbrennungstriebwagen mit elektrischer Kraftübertragung in Serie gebaut. Ab 1907 wurden von den Preußischen Staatsbahnen benzol-elektrisch angetriebene Triebwagen beschafft, welche von AEG und Düsseldorfer Eisenbahnbedarf gebaut wurden. Auch waren in der Zeit vor dem Ersten Weltkrieg bereits einige Feldbahnlokomotiven benzinelektrisch angetrieben, erste Patente dazu datieren um 1912 (Crochat) und 1913 wurde in den USA eine benzinelektrische Streckenlokomotive von General Electric gebaut. 1914 meldete der dort arbeitende, schweizerischstämmige Ingenieur Hermann Lemp seine über lange Zeit verwendete Lemp-Steuerung zum Patent an. Diese hatte er nach Rücksprache mit Rudolf Diesel über die Problematik der nicht umsteuerbaren frühen Dieselmotore entwickelt.[2]

Auch Ferdinand Porsche entwickelte 1912/13 mit dem Landwehr-Train für die k.u.k Armee ein benzin-elektrisch angetriebenes Fahrzeug, welches auf Schiene und Straße fahren konnte. Porsche hatte mit dem Lohner-Porsche-Mixte bereits 1902 eines der ersten hybriden Straßenfahrzeuge entworfen. Aus dem Landwehr-Train wurden von Austro-Daimler im Ersten Weltkrieg auch benzin-elektrisch angetriebene sogenannte Austro-Daimler Generatorzüge für die k.u.k Feldbahn entwickelt.

Mit dem Aufkommen brauchbarer Dieselmotoren für Fahrzeuge wurde das ältere Konzept des benzinelektrischen Antriebs mit Ottomotor für die neuen Dieselmotoren adaptiert. Die von Juri Wladimirowitsch Lomonossow konstruierte Ээл2 (Eel2) der Sowjetischen Eisenbahnen (SŽD) war 1924 die erste dieselelektrisch angetriebene Streckenlokomotive. 1931 begann die American Locomotive Company ALCO mit dem Bau dieselelektrisch angetriebener Rangierlokomotiven der Type HH.

Im Dezember 1932 wurden von der Deutschen Reichsbahn der dieselelektrisch nach dem GEBUS-Prinzip angeriebene Triebwagenzug des Typs DR 877 zwischen Berlin und Hamburg in Betrieb genommen. Er wurde als „Fliegender Hamburger“ rasch populär, weitere Städteverbindungen, z. B. „Fliegender Kölner“ etc. wurden mit weiterentwickelten Triebwagentypen eingeführt. Das GEBUS-Prinzip des österreichischen Ingenieurs Moriz Gelinek wurde nach dem Ersten Weltkrieg zunächst für Feldbahnen entwickelt. Sein Vorteil war, dass durch verhältnismäßig kleine Änderungen der Motordrehzahl recht große Spannungsänderungen im elektrischen Teil ermöglicht wurden. Die Bahnverwaltungen in den Niederlanden, Belgien, Frankreich, der Tschechoslowakei und Österreich beschafften in der Folge mehrere Baureihen von Triebwagen und Lokomotiven nach diesem System.

1935 entwickelte die Schweizer Firma Brown, Boveri & Cie. die sogenannte BBC Servofeldregelung, welche die Feldschwächung des elektrischen Generators steuert. Gemeinsam mit der angeschlossenen Füllungsregelung des Dieselmotors konnte so eine effektive mehrstufige Drehzahl- und Spannungsregulierung verwirklicht werden. Das System wurde in Folge in viele dieselelektrische Lokomotiven eingebaut.[3]

Triebdrehgestell des „Fliegender Hamburger“ 1932

Die 1936 in Betrieb genommenen M 290 „Slovenská Strela“ (deutsch: Slowakischer Pfeil) der Tschechoslowakischen Staatsbahnen haben einen variabel mechanisch-elektrischen Antrieb. Sie wurden von zwei Ottomotoren angetrieben. Der ursprünglich vorgesehene Dieselantrieb wurde während der Erprobung aufgegeben, weil die Motoren zu laut waren. Jeder Motor ist mit dem „rotierenden Stator“ (Außenläufer) eines Generators verbunden, der Rotor (Innenläufer) wirkt zusammen mit einem Elektromotor über ein Getriebe auf eine Achse. Im Stillstand und bei geringen Geschwindigkeiten ist die Drehzahldifferenz im Generator und damit die erzeugte Leistung hoch und die Leistung wird ganz oder überwiegend elektrisch übertragen. Mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit nimmt die Drehzahl des Generator-Innenläufers und damit der Anteil der mechanisch übertragenen Leistung zu und der Anteil der über den Elektromotor elektrisch übertragenen Leistung ab. Ab 85 km/h wird der Generator durch eine Kupplung überbrückt und die Leistung nur noch mechanisch übertragen. Steuern lässt sich der Antrieb durch Drosseln des Ottomotors und Verändern des Erregerstroms bei Generator und Elektromotor.[4]

Mit dem Aufkommen neuartiger und größerer Leistungshalbleiter setzte sich um das Jahr 2000 die Verwendung von Drehstromgeneratoren mit Drehstrom-Asynchron-Motoren durch, zusammen mit einer elektronischen Leistungsregelung durch Leistungstransistoren (IGBT) oder GTO-Thyristoren, bei der die Frequenz und Spannung des Stroms durch Frequenzumrichter der jeweiligen Fahrsituation angepasst wird.

Schiffe

Das erste 1903 mit einem Dieselmotor gebaute Schiff, der Tanker Vandal, war mit dieselelektrischem Antrieb versehen, da sein Dieselmotor noch nicht wie eine Dampfmaschine für Rückwärtsfahrt umgesteuert werden konnte. In der Folge wurden vor allem U-Boote mit dieselelektrischem Antrieb ausgerüstet, ab den 1920er Jahren auch zunehmend größere Fracht- und Passagierschiffe und in den 1930er Jahren auch ehemalige Schaufelraddampfer. Auch Schaufelrad-Motorschiffe wie die MS Stadt Wien der DDSG wurden gebaut, die Antriebstechnik stammte von Brown, Boveri und Sulzer. Ab den 1930er Jahren wurden auch große Seeschiffe dieselelektrisch angetrieben, beispielsweise die deutschen Passagierschiffe Patria und Robert Ley.

Bei U-Booten ist besonders im getauchten Zustand der Antrieb rein elektrisch aus Akkumulatoren üblich, da damit der Verbrauch der begrenzten Sauerstoffvorräte verringert wird und durch Vermeidung des Motorengeräusches die Detektion mittels passivem Sonar erschwert wird. Im Vergleich zu Atom-U-Booten sind dieselelektrische U-Boote unter Wasser leiser und geben auch eine geringere thermische Signatur ab, erreichen jedoch deutlich geringere Reichweiten und müssen daher häufiger auftauchen.

Schienenverkehr
Baureihe 1600 (NOHAB-Lizenzbau von AFB) der luxemburgischen Eisenbahnen (CFL)
Französische dieselelektrische Lokomotive der Baureihe CC 72000
130 101 der ehemaligen Deutschen Reichsbahn (DR)

Der dieselelektrische Antrieb überwiegt heute weltweit bei Streckenlokomotiven.

Neben der Beschaffung dieselelektrischer Schnelltriebwagen experimentierten mehrere Bahngesellschaften in Europa Ende der 1920er Jahre mit dieselelektrisch angetriebenen Lokomotiven. Die British Railways stellten bereits ab 1958 die neuen Mehrzweck-Lokomotiven Type 4 (Bezeichnung ab 1973: Class 40) von English Electric in Dienst. Weit in Europa verbreitet waren die NOHAB AA16 und deren Lizenzbauten NMBS/SNCB-Reihe 202 von Anglo-Franco-Belge (AFB) bzw. den von Henschel und GM gebauten Loks der Reihe ÖBB 2050. Diese Lokomotiven besaßen importiertes Antriebs-Know-how von General Motors aus den USA. Auch in Frankreich setzte die SNCF auf dieselelektrischen Antrieb. Lediglich bei der Deutschen Bundesbahn (DB) und zunächst der Deutschen Reichsbahn (DR) wurden in den 1950er Jahren Entscheidungen zugunsten des dieselhydraulischen Antriebs getroffen. Bei ihrer Gründung übernahm die Deutsche Bahn AG 1994 nur aus dem Bestand der DR dieselelektrische Streckenlokomotiven (Baureihen 231, 232, 234 und 242). Mittlerweile schafft auch die Deutsche Bahn dieselelektrische Lokomotiven an. Die 37 Maschinen der Baureihe 245 sind sogar mit vier Diesel-Generator-Einheiten ausgestattet.[5]

Bei dieselelektrischen Triebzügen können sich elektrische Fahrmotoren in anderen Wagen befinden als der Dieselgenerator. In den Intercity-Zügen der britischen Baureihe 220 sind Dieselgeneratoren und Fahrmotoren über den ganzen Zug verteilt.[6] Jeder Wagen besitzt einen 560 kW leistenden Dieselmotor, der mittels eines Generators den Strom für einen elektrischen Fahrmotor liefert. Letzterer treibt jeweils eine der vier Achsen des Wagens an.

Die Rotterdamer Straßenbahn baute für ihre Überlandstrecken 1961–1963 ihren Triebzug M 17 aus zwei gebrauchten elektrischen Straßenbahnwagen mit einem ehemaligen Dieseltriebwagen als Generatorwagen in der Mitte. Bei der Zahnradbahn Diakopto–Kalavryta in Griechenland befand sich nach dem gleichen Bauprinzip ein Generatorwagen zwischen den beiden Zahnradtriebwagen. Die Strecke hatte größere Achslasten nicht erlaubt, weshalb das elektrische „Kraftwerk“ in einem separaten Wagen untergebracht wurde.

Omnibusse
Tilling-Stevens Petrol-Electric-Bus des Typs B9A
  • Der Londoner Busbetrieb Thomas Tilling nahm von 1911 bis 1925 in mehreren Serien hunderte von Tilling-Stevens Petrol-Electric Busse (Doppeldecker und Eindecker) in Betrieb, die einen Verbrennungsmotor mit einem Elektroantrieb verbanden. Da der Dieselmotor noch nicht ausgereift war, wurde ein Ottomotor verwendet. Die letzten Busse wurden 1933 außer Betrieb genommen.
  • In den 1930er Jahren gab es in zahlreichen Städten der USA hunderte Stadtbusse mit dieselelektrischem Antrieb. Beispielsweise gab es in Newark sowohl über 500 dieselelektrische Busse als auch über 500 Oberleitungsbusse, die ebenfalls über einen Dieselmotor verfügten, um in der Innenstadt unabhängig von der Oberleitung fahren zu können (sog. „All-Service“-Busse). Diese Duo-Busse fuhren bis 1948, die einfachen dieselelektrischen Busse waren bis Ende 1955 in Betrieb.[7]
  • 1946 bis 1950 wurde in der Sowjetunion unter der Bezeichnung ZIS-154 ein dieselelektrischer Stadtbus in einer Auflage von 1165 Exemplaren hergestellt.
  • 1964 wurde in Charleroi (Belgien) der Prototyp eines Linienbusses konstruiert und gebaut, dessen Dieselmotor im Heck direkt mit einem Drehstrom-Generator verbunden war, und der an der Hinterachse mit zwei Gleichstrommotoren als Radnabenantriebe ausgerüstet war. Dadurch konnte die für damalige Verhältnisse niedrige Fußbodenhöhe von 600 mm erreicht werden.[8]
  • 1999 bis 2003 produzierte Daimler-Benz den Midibus Cito (O 520). Diese dieselelektrische Variante wird inzwischen nicht mehr angeboten.
New Routemaster im Londoner Linienverkehr (November 2022)

Spezialfahrzeuge
Muldenkipper Liebherr T282
Versuchsträger Kette auf Schützenpanzer Marder

Bereits 1956 begann das Tscheljabinski Traktorny Sawod mit der Projektierung einer dieselelektrisch angetriebenen Planierraupe. Die etwa 32 Tonnen schwere DET-250 wird seit 1961 in Serie gebaut.

Der Muldenkipper 'Liebherr T 282 B' zum Einsatz in Erz-Minen ist nach Firmenangaben das größte Landfahrzeug mit einem dieselelektrischen Antrieb. Besonderheiten: Das Fahrzeug hat aus Gründen der Zuverlässigkeit und der geringeren Wartungskosten keine herkömmliche Betriebsbremse, sondern bremst hauptsächlich über die zwei elektrischen Antriebsmotoren, von denen jeweils einer direkt hinter jeder Radnabe an der Hinterachse angebracht ist. Bei dieser Anordnung kann auch auf ein Differentialgetriebe verzichtet werden, da die Drehzahl jedes Rades getrennt regelbar ist. Die Leistung der Elektromotoren ist auf die notwendige Bremsleistung bei voller Beladung ausgelegt und ca. doppelt so hoch wie die des antreibenden, 2700 kW starken Dieselmotors. Die beim Bremsvorgang gewonnene elektrische Energie wird über Bremswiderstände in Wärme umgewandelt.

1985 diente ein Schützenpanzer Marder als Basisfahrzeug für eine Untersuchung des Bundesamtes für Wehrtechnik und Beschaffung zu Nutzungsmöglichkeiten des dieselelektrischen Antriebs in Kampffahrzeugen. Man versprach sich von diesem Konzept einen verbesserten Wirkungsgrad, durch einen kompakteren Motor die Nutzung kleinerer Triebwerkräume, einfacheren Aufbau des Triebwerks und geringere Störanfälligkeit sowie den Verzicht auf ölhydraulischen Baugruppen. Der Versuchsträger Kette aus dieser Versuchsserie ist in der Wehrtechnischen Studiensammlung in Koblenz ausgestellt.[9][10]

Kässbohrer hat mit dem PistenBully 600 E+ 2012 die erste Pistenraupe mit dieselelektrischem Antrieb vorgestellt. Nach Herstellerangaben verbraucht die Pistenraupe dadurch 20 % weniger Kraftstoff, aufgrund des konstanten Betrieb des Dieselmotors im optimalen Drehzahlbereich. Das Skigebiet Kaunertaler Gletscher beispielsweise, hat eine solche Pistenraupe bei sich im Einsatz.

Schiffe
Frachtschiff Wuppertal aus dem Jahr 1936
Dieselelektrisch gespeister POD-Antrieb

Bei Schiffen wurde der dieselelektrische Antrieb zunächst verwendet, da sich frühe Dieselmotoren noch nicht in der Laufrichtung umsteuern ließen. Aus ähnlichen Gründen wurden große und schnelle Schiffe auch mit einem turboelektrischen Antrieb ausgestattet. Auch U-Boote besaßen von Anfang an ein dieselelektrische Antriebssystem, die Dieselmotore und Generatoren dienten jedoch meistens zum Laden der Batterien.

Wiktionary: dieselelektrisch – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise
  1. Fonds Jean-Jacques Heilmann, ingénieur-électricien (1853–1922) bei archivesnationales.culture.gouv.fr, abgerufen am 8. März 2019.
  2. Patent US1216237A: Controlling means for engine-generator-driven vehicles. Angemeldet am 24. Juni 1914, veröffentlicht am 13. Februar 1917, Anmelder: General Electric Company, Erfinder: Hermann Lemp.
  3. E. Meyer: EINE AMERIKANISCHE DIESEL-LOKOMOTIVE MIT BROWN BOVERI SERVOFELDREGLER-STEUERUNG. In: Brown-Boveri (Hrsg.): Brown-Boveri Mitteilungen. Nr. 6. Brown-Boveri, Juni 1937, S. 151–154.
  4. Artikel über den M 290 (tschechisch)
  5. Mit vier Motoren in: Lok Magazin 7/2014, S. 32 ff.
  6. Howard Johnston, Ken Harris: Train Recognition Guide. Harper Collins, London 2005, ISBN 0-00-718226-0, S. 395.
  7. Louis Clessens: Der „Electrobus“ - eine Renaissance des dieselelektrischen Autobusses? In: Der Stadtverkehr, Heft 4/1965, S. 122, Verlag Werner Stock, Brackwede 1965
  8. Louis Clessens: Der „Electrobus“ - eine Renaissance des dieselelektrischen Autobusses? In: Der Stadtverkehr, Heft 4/1965, S. 122/123, Verlag Werner Stock, Brackwede 1965
  9. Verein der Freunde und Förderer der Wehrtechnischen Studiensammlung, Chronik der Wehrtechnischen Studiensammlung mit wichtigen Ereignissen, Jubiläumsschrift zum 50-jährigen Bestehen der Wehrtechnischen Studiensammlung, Koblenz, 2012, S. 75
  10. Wehrtechnische Studiensammlung Koblenz, Exponatbeschreibung Versuchsträger Kette, Inv.Nr.: 28857
  11. Präsentation der Enok auf der Internetseite des Antriebsherstellers (Memento vom 13. Januar 2013 im Internet Archive)
Normdaten (Sachbegriff): GND: 4280124-2
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