Schienenfahrzeug mit Thermogenerator Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit Antriebsmit ^¬ teln zum Erzeugen einer Traktionskraft und zum Erzeugen einer elektrischen Versorgungsenergie für elektrische Verbraucher des Schienenfahrzeugs. Ein solches Schienenfahrzeug ist aus der Praxis bereits be ^¬ kannt. So weisen Schienenfahrzeuge Antriebsmittel auf, die zum Erzeugen einer Traktionskraft eingerichtet sind. Die Traktionskraft wird in wenigstens einen Radsatz des Schienen ^¬ fahrzeugs eingeleitet, wodurch die gewünschte Fahrbewegung des Schienenfahrzeugs erzeugt wird. Darüber hinaus stellen die Antriebsmittel die Versorgungsenergie für elektrische Verbraucher, wie beispielsweise Steuerungsgeräte, Klimaanla ^¬ gen und dergleichen bereit, die in dem Schienenfahrzeug ange ^¬ ordnet sind.

Aufgrund immer knapper werdender Rohstoffe ist mit einem fortwährenden Anstieg der Kosten für Kraftstoffe oder Strom zu rechnen. Dieser Preisanstieg wirkt sich im Bereich des Schienenverkehrs auf die Betriebskosten oder die so genannten „Life-Cycle-Kosten" nachteilig aus. Insbesondere bei intensi ^¬ ver Nutzung übersteigen die Betriebskosten eines Schienenfahrzeugs dessen Anschaffungskosten beträchtlich, so dass geringe Betriebskosten einen oftmals entscheidenden Wettbewerbsvorteil mit sich bringen. Dies gilt für elektrische Schienenfahrzeuge ebenso wie für dieselelektrische Schienen ^¬ fahrzeuge .

Bei einer dieselelektrischen Lokomotive erzeugt ein Dieselmo ^¬ tor zunächst eine Bewegungsenergie, die in einen elektrischen Generator eingeleitet wird, der schließlich die gewünschte elektrische Traktions- und Versorgungsenergie bereitstellt. Insbesondere beim Dieselmotor werden etwa 60% der im Kraftstoff enthaltene Energie ungenutzt über das Abgas und die Kühlmittelkreisläufe m Form von Wärme irreversibel an die Umwelt abgegeben. Aber auch bei einer rein elektrisch ange triebenen Lokomotive mit einer Leistung von 6,4 MW werden über die Stromrichter und Trafokühler etwa 0,75 MW an die gebung in Form von Wärme abgegeben.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Schienenfahrzeug der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dessen Nutzung geringe Betriebskosten entstehen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Antriebs ^¬ mittel wenigstens einen Thermogenerator aufweisen, der zumindest einen Teil der elektrischen Versorgungsenergie bereit ^¬ stellt .

Erfindungsgemäß werden Thermogeneratoren eingesetzt, um an jeweils zweckmäßig ausgesuchten Stellen des Schienenfahrzeugs die von den Antriebsmitteln erzeugte Abwärme zur Erzeugung von Elektroenergie einzusetzen. Die von jedem Thermogenerator erzeugte Elektroenergie wird erfindungsgemäß zur elektrischen Versorgung von Verbrauchern des Schienenfahrzeugs eingesetzt. Dazu werden die Thermogeneratoren gezielt an zweckmäßigen Bauteilen der Antriebsmittel angeordnet, die der aktiven Küh ^¬ lung bedürfen oder aufwendig isoliert werden müssen, um Wär- meabstrahlung (z.B. an Abgasanlagen) zu verringern. Daraus ergeben sich verschiedene technische Vorteile. Zum einen kön ^¬ nen die Kühleinheiten kleiner dimensioniert werden, da der jeweilige Thermogenerator die zu kühlende Komponente eben ^¬ falls abkühlt. Zum anderen können aufwändige thermische Iso ^¬ lierungen einfacher ausgeführt sein oder überflüssig werden. Werden die Thermogeneratoren z. B. an einem dieselbetriebenen Schienenfahrzeug an dessen Abwärme erzeugenden Komponenten eingesetzt, kann der Dieselmotor mit deutlich geringer Motorleistung ausgelegt werden, um die gleiche Traktionsleis ^¬ tung zu erreichen. So kann beispielsweise ein Dieselmotor mit 2,4 MW Motorleistung ohne Abwärmenutzung durch einen Dieselmotor mit 2,2 MW Motorleistung ersetzt werden und dennoch die gleiche Traktionsleistung des 2,4 MW Motors erreichen. Dar- über hinaus wird durch den Einsatz von kleineren Dieselmotoreinheiten mit Abwärmenutzung auch der Kraftstoffverbrauch, bei gleicher Traktionsleistung herabgesetzt.

Die Thermogeneratoren stehen zweckmäßigerweise in wärmelei ^¬ tendem Kontakt mit solchen Antriebsmitteln, die bei Normalbetrieb des Schienenfahrzeugs eine große Wärmemenge abgeben. Thermogeneratoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Unter dem Begriff Thermogenerator ist ein Bauteil zu verstehen, dass Wärme direkt in elektrische Energie umwandelt. Voraus ^¬ setzung für diese Umwandlung ist ein Temperaturunterschied am Thermogenerator. Ein Thermogenerator weist keine beweglichen Teile auf. Die Umwandlung der Wärme in elektrische Energie wird auf den so genannten Seebeck-Effekt zurückgeführt, der auch als thermoelektrischer Prozess bezeichnet wird. Die von einem Thermogenerator erzeugte elektrische Leistung ist umso größer, je größer der Temperaturunterschied am Thermogenera ^¬ tor selbst ist. So können beispielsweise Peltier-Elemente oder Bimetalle als Thermogenerator eingesetzt werden. Andere Thermogeneratoren bilden einen p-n-Übergang in Bismut- Tellurid-Halbleitern aus. Bei 40° Temperaturunterschied am Eingang eines solchen Thermogenerators kann dieser etwa 1% der im Wärmestrom enthaltenen Energie in Elektroenergie umwandeln, wobei eine optimale Abstimmung auf den Widerstand des nachgeschalteten Stromverbrauchers vorausgesetzt wurde.

Vorteilhafterweise weisen die Antriebsmittel einen Umrichter ^¬ kühler auf, der wärmeleitend mit einem Umrichter- Thermogenerator verbunden ist. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung ist wenigstens einer der Thermogeneratoren des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs wärmeleitend mit dem Umrichterkühler verbunden. Der Umrichterkühler erzeugt eine Abwärme, die durch die wärmeleitende Verbindung in den Um- richter-Thermogenerator eingeleitet wird. Dieser erzeugt in Abhängigkeit der eingeleiteten Wärme und Temperatur der besagten Wärme die gewünschte elektrische Versorgungsenergie. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verfügen die Antriebsmittel über wenigstens einen Transformatorkühler, der wärmeleitend mit einem Transformator-Thermogenerator verbunden ist. Wie bereits weiter oben angedeutet, wird auf diese Art und Weise die Abwärme eines Transformatorkühlers zur Er ^¬ zeugung elektrischer Leistung genutzt. Hierbei wird der

Transformator-Thermogenerator lediglich wärmeleitend mit einem Kühler des Traktionstransformators des Schienenfahrzeugs verbunden .

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Antriebsmittel einen Dieselmotor mit wenigstens einer Ab ^¬ gasanlage, wobei die Abgasanlage einen Abgasausleitabschnitt aufweist, der wärmeleitend mit einem Thermogenerator verbunden ist. Wie bereits weiter oben ausgeführt ist, wird bei ei ^¬ nem Dieselmotor, der mit einem Generator gekoppelt ist, ein hoher Anteil der erzeugbaren Energie irreversibel in Form von Wärme an die Umwelt abgegeben. Aus diesem Grunde ist der Ein ^¬ satz eines wärmeleitend mit der Abgasanlage des Dieselmotors verbundene Thermogenerator besonders effektiv bei der Erzeu ^¬ gung von Elektroenergie. Darüber hinaus können Thermospannun- gen an einem Abgasschalldämpfer oder einem sonstigen Bauteil der Abgasanlage durch die Kühlung mittels des Thermogenera- tors verringert werden.

Die Abgasanlage kann auch einen Abgasrückkühler aufweisen. Auch der Abgasrückkühler kann wärmeleitend mit einem Abgas- rückkühl-Thermogenerator verbunden sein.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Weiterentwicklung ist der Dieselmotor über einen Kühlkreislauf an einen Motorkühler angeschlossen, wobei der Motorkühler wärmeleitend mit einem Mo- torkühler-Thermogenerator verbunden ist.

Zweckmäßigerweise sind der oder werden die Thermogeneratoren zum Erzeugen einer Steuerspannung für Steuer- oder Regelungsmittel des Schienenfahrzeugs eingesetzt. Moderne Schienen ^¬ fahrzeuge weisen zahlreiche Steuer- und Regeleinheiten auf, mit denen beispielsweise die Traktion oder ein Bremsvorgang des Schienenfahrzeugs geregelt oder aber auch eine Überwa ^¬ chung des Schienenfahrzeugs durch die Zugbeeinflussung ermög licht wird.

Darüber hinaus kann der oder die Thermogeneratoren zur Versorgung der Hilfsbetriebe des Schienenfahrzeugs eingesetzt werden. Die vom Thermogenerator bereitgestellte Gleichspannung muss dann zu einer Wechselspannung umgewandelt werden, um einzelne Hilfsbetriebe versorgen zu können. Hilfsbetrieb umfassen beispielsweise Maschinenraumlüfter, Fahrmotorenlüf ter, Klimaanlagen, Druckschutzsysteme, Bremswiderstandslüf ^¬ ter, Bremskompressoren, Stirnscheibenheizungen, Fußbodenhei zungen und ähnliche elektrische Verbraucher.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin ^¬ dung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirken de Bauteile verweisen und wobei

Figur 1 den Kühlkreislauf eines Dieselmotors gemäß ei nem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeuges in schematischer Darstel ^¬ lung,

Figur 2 einen von Figur 1 abweichenden Kühlkreislauf eines Dieselmotors,

Figur 3 den Kühlkreislauf eines Stromrichters gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä ^¬ ßen Schienenfahrzeugs und

Figur 4 den Kühlkreislauf eines Transformators gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä- ßen Schienenfahrzeugs zeigen. Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungs- gemäßen Schienenfahrzeugs 1, das lediglich teilweise an Hand einiger Komponenten seiner Antriebsmittel 2 dargestellt ist. Die Antriebsmittel 2 weisen einen Dieselmotor 3 auf, der über einen Kühlkreislauf 4 gekühlt wird. In dem Kühlkreislauf 4 ist eine Umwälzpumpe 5 vorgesehen, die ein zweckmäßiges Kühl ^¬ mittel, hier Wasser, in dem Kühlkreislauf 4 fortwährend um ^¬ wälzt. Der Kühlkreislauf 4 dient nicht nur zur Kühlung des Dieselmotors 3, sondern auch zur Abkühlung eines Abgasrückkühlers 6 sowie eines Ölkühlers 7. Ferner ist ein Bypass 8 vorgesehen, der es ermöglicht, einen Motorkühler 9 des Schienenfahrzeugs zu überbrücken. Der Bypaß 8 dient hier lediglich der schnellen Aufwärmung des Motors im so genannten kleinen Kreislauf, um möglichst schnell Betriebstemperatur und damit optimale Verbrennung des Kraftstoffes zu erreichen. Dies ist beispielsweise beim Starten des Dieselmotors zweckmäßig. Bei dem Motorkühler 9 handelt es sich beispielsweise um einen Luft-/Wasserkühler, bei dem der Fahrtwind oder ein Lüfterrad zur Kühlung der Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufs 4 genutzt wird. Der Dieselmotor 3 erzeugt eine Drehbewegung, die in einen nicht gezeigten Generator eingeleitet wird. Der Generator wandelt die Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Dabei ist dem Generator ein Gleichrichter nachgeschaltet, der die vom Generator erzeugte Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt. Der Gleichrichter ist über eine Gleichspannungs ^¬ verbindung mit einem Wechselrichter verbunden, der eine Motor-Wechselspannung zum Antrieb der elektrischen Fahrmotoren und der so genannten Hilfsbetriebetrafos erzeugt. Das aus Gleich- und Wechselrichter bestehende System wird auch als Frequenzstromrichter bezeichnet.

Der Dieselmotor 3 umfasst eine Abgasanlage, die neben dem be ^¬ sagten Abgasrückkühler 6 auch einen Abgasausleitabschnitt 10 umfasst, in beim Betrieb des Dieselmotors 3 entstehenden Ab ^¬ gase zur Abgabe an die Außenatmosphäre eingeleitet werden. Abgasausleitabschnitt 10 und Abgasrückkühler 6 für Schienenfahrzeuge sind dem jedoch Fachmann bekannt, so dass an dieser Stelle auf deren genaue Ausgestaltung nicht genauer eingegan- gen zu werden braucht. Wesentlich ist, dass die Abgase eine hohe Temperatur aufweisen und eine beträchtliche Wärmeenergie bereitstellen. Die Abgasausleitabschnitt 10 ist daher wärme ^¬ leitend mit einem Abgasausleit-Thermogenerator 11 verbunden, welcher die Wärmemenge Qi _n aufnimmt und dabei die Wärmemenge Q _out abgibt, wobei der Abgasausleit-Thermogenerator 11 auf ^¬ grund des thermoelektrischen oder Seebeck-Effekts eine elekt ^¬ rische Leistung P _ei bereitstellt, die anschließend zur Ener ^¬ gieversorgung von Steuerungsgeräten oder Hilfsbetriebeein- richtungen des Schienenfahrzeugs eingesetzt wird. Darüber hinaus ist auch der Motorkühler 9 mit einem Motorkühler- Thermogenerator 12 verbunden, der die aufgrund der wärmeleitenden Verbindung wieder eine gewisse Wärmemenge Qi _n vom Mo ^¬ torkühler 9 aufnimmt und dabei die Wärmemenge Q _out abgibt, wo ^¬ bei wiederum eine elektrische Leistung P _ei bereitgestellt wird. Qi _n ist größer als Q _out . Daher wirken Thermogeneratoren wie eine zusätzliche Kühlung, so dass der Motorkühler 9 ent ^¬ sprechend kleiner dimensioniert werden kann.

Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das sich von dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass der Motorkühler 9 mit keinem Thermogenerator verbunden ist.

Gemäß einem weiteren figürlich nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Rückführungskühl- Thermogenerator vorgesehen, der in wärmeleitendem Kontakt mit der Abgasrückführer 6 steht. Die gesamte Abgasanlage kann da ^¬ her auch zwei Thermogeneratoren aufweisen, nämlich einen Rückführungskühl-Thermogenerator und einem Abgasausleit- Thermogenerator. Hinzu kann dann auch noch der Motorkühler- Thermogenerator treten.

Figur 3 zeigt in einen weiteren Kühlkreislauf 13 des Schie ^¬ nenfahrzeugs beispielsweise eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (E-Lok) , wobei der gezeigte Kühlkreislauf 13 zur Kühlung eines Stromrichters 14 also Gleich- oder Wechselrichter des Schienenfahrzeugs eingerichtet ist. In dem Kühlkreis- lauf 13 wird mit Hilfe einer Umwälzpumpe 15 eine Kühlflüssig keit, hier ein Gemisch aus Wasser, Frost und Korrosions ^¬ schutzmittel, umgewälzt. Dabei wird die Kühlflüssigkeit über einen Stromrichterkühler 16 geführt. Der Stromrichterkühler 16 ist wärmeleitend mit einem Umrichter-Thermogenerator 17 verbunden. Der Umrichter-Thermogenerator 17 nimmt daher eine gewisse Wärmemenge Qi _n vom Umrichterkühler 14 auf und gibt anschließend eine geringere Wärmemenge Q _out an die Außenatmo ^¬ sphäre ab, wobei er einen gewissen Anteil der Wärmemengendif ferenz (Q _in - Q _out ) in elektrische Energie oder Leistung P _el umwandelt .

Figur 4 zeigt einen Transformatorkühlkreislauf 18 eines elektrisch angetriebenen Schienenfahrzeugs 1. Die Antriebs ^¬ mittel des rein elektrisch angetriebenen Schienenfahrzeugs umfassen einen Transformator, dessen Primärwicklung über einen Stromabnehmer mit dem Fahrdraht der elektrifizierten Bahnstrecke verbunden ist. Der Transformator weist zwei Trak tionswicklungen auf, denen jeweils ein Frequenzumrichter und die elektrischen Fahrmotore nachgeschaltet sind.

In dem Transformationskühlkreislauf 18 wird mit Hilfe einer Umwälzpumpe 19 eine Kühlflüssigkeit umgewälzt. Der Kühlkreis lauf 18 dient zur Kühlung des besagten Transformators, wobei die von der Umwälzpumpe 19 umgewälzte Kühlflüssigkeit ein Transformatoröl ist. Das Transformatoröl wird über zwei Transformatorkühler 20 und 21 geführt, die jeweils wärmelei ^¬ tend mit Transformator-Thermogeneratoren 22 verbunden sind, die nach dem bereits beschriebenen Prinzip ein elektrische Leistung P _el bereitstellen.