mini|hochkant=1.3|Dieselelektrische Lokomotiven Class B 60 und Class S der australischen Eisenbahngesellschaft Victorian Railways
Der dieselelektrische Antrieb ist ein Energie-Übertragungssystem, bei dem die von einem Dieselmotor bereitgestellte mechanische Energie mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese wird dann mittels Elektromotoren erneut in die benötigte mechanische Energie für das Antriebssystem gewandelt sowie für Hilfszwecke genutzt. Die häufigsten Anwendungsfälle sind dieselelektrische Lokomotiven, U-Boote und Schiffe sowie große Lastkraftwagen für Tagebaue (Großmuldenkipper).
Allgemeines mini|Schematische Darstellung einer modernen dieselelektrischen Lokomotive mit Zwischenkreis Notwendigkeit Die Verwendung von Verbrennungsmotoren als Antriebe ist aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften mit gewissen Herausforderungen verbunden, die bei anderen Kraftmaschinen nicht in dieser Form vorhanden sind: Verbrennungsmotoren sind nicht in der Lage, unter Belastung und ohne ein äußeres Drehmoment selbstständig anzulaufen. Verbrennungsmotoren können nur in einem begrenzten Drehzahlbereich Leistung abgeben, wobei eine Leerlaufdrehzahl erforderlich ist, um den Verbrennungsmotor zu betreiben. Verbrennungsmotoren sind charakterisiert durch ein im gesamten Drehzahlbereich maximal annähernd konstantes Drehmoment. Verbrennungsmotoren sind häufig nur für eine Drehrichtung ausgelegt. Aus den genannten Eigenschaften lässt sich ableiten, dass Verbrennungsmotoren als direkte Antriebsmaschine prinzipiell ungeeignet sind. Somit ist eine Leistungsübertragungsanlage zwischen Verbrennungsmotor und Abtrieb erforderlich. Diese muss die Funktionen übernehmen, die der Verbrennungsmotor nicht erfüllt: Trennung zwischen Verbrennungsmotor und dem Abtrieb, damit der Verbrennungsmotor ohne Belastung anlaufen und im Leerlauf betrieben werden kann. Außerdem kann ein Auslauf des Abtriebs erforderlich sein. Anpassung des Drehmomentverlaufs des Verbrennungsmotors an den geforderten Drehmomentverlauf. Erweiterung des Drehzahlbereichs des Verbrennungsmotors zwischen Null und der geforderten Höchstdrehzahl. Änderung der Drehrichtung. Gegebenenfalls Änderung der Drehmomentrichtung, wenn der Verbrennungsmotor anders ausgerichtet ist als der Abtrieb. Diese Schwächen werden bei kleineren Antriebseinheiten (z. B. in Kraftfahrzeugen) mit einem Getriebe und einer mechanischen Kupplung umgangen, dies wird als mechanische Kraftübertragung bezeichnet. Bei größeren Anforderungen an die Leistung wie bei Schienenfahrzeugen oder Schiffen wird entweder eine hydraulische oder eine elektrische Leistungsübertragung verwendet.
Prinzip Die elektrische Leistungsübertragung ist durch elektrische Maschinen im Leistungsfluss zwischen Verbrennungsmotor und Antrieb gekennzeichnet. Ein vom Verbrennungsmotor angetriebener elektrischer Generator wandelt die kinetische Energie des Verbrennungsmotors in elektrische Energie um. Diese Einheit stellt sozusagen eine Art Kraftwerk bzw. Stromerzeugungsaggregat dar. Mit der erzeugten elektrischen Energie werden Elektromotoren betrieben, die direkt oder über ein Getriebe Räder oder Propeller antreiben.
Je nach eingesetzter Technik kann die elektrische Leistungsübertragung eingeteilt werden in: Gleichstrom-Gleichstrom-Übertragung Wechselstrom-Gleichstrom-Übertragung Wechselstrom-Übertragung. Verbrennungsmotoren haben einen sich mit der Last und Drehzahl ändernden spezifischen Kraftstoffverbrauch, sodass nur in einem bestimmten Betriebspunkt der höchste Wirkungsgrad erreicht wird. Um einen wirtschaftlichen Betrieb zu gewährleisten, sollte die Leistungsübertragung den Verbrennungsmotor in diesem optimalen Betriebspunkt betreiben.
Die elektrische Leistungsübertragung kann zu einem Hybridantrieb kombiniert werden, der ein Fahren ohne laufenden Verbrennungsmotor ermöglicht, indem die elektrischen Fahrmotoren ihre Energie für bestimmte Streckenabschnitte aus Akkumulatoren beziehen. Bei Schienenfahrzeugen kann die elektrische Energie auch aus einer Oberleitung entnommen werden, so dass ein Zweikrafttriebfahrzeug entsteht. Nach der Logik «Hybrid gleich zwei Energiequellen» wird die rein elektrische Leistungsübertragung nicht zu den Hybridantrieben gezählt, wohl aber die Kombination mit Akkumulatoren.
Vergleich Der dieselelektrische Antrieb hat gegenüber dem dieselhydraulischen den Vorteil einer relativ einfachen und wenig störanfälligen Bauweise. Zudem ermöglicht die elektronische Steuerung der Kraftübertragung in weitem Bereich gute Leistungsanpassungen und Fahrkomfort.
Hingegen sind aufgrund der sehr geringen Stückzahlen kaum hydraulische Antriebselemente in passenden Baugrößen für dieselhydraulische Antriebe verfügbar.
Entwicklungsgeschichte Schienenfahrzeuge
mini|Dampf-elektrische Heilmann-Lokomotive Nr. 8001 von 1897 mini|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.Fonds Jean-Jacques Heilmann, ingénieur-électricien (1853–1922) bei archivesnationales.culture.gouv.fr, abgerufen am 8. März 2019. 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 – wie zum Beispiel der VT 151 – 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.
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. mini|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.Artikel über den M 290 (tschechisch)
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. Für diese Lokomotiven wurde bewährte Antriebstechnik des Herstellers General Motors Electro-Motive Division (EMD) aus den USA verwendet. 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.Mit vier Motoren in: Lok Magazin 7/2014, S. 32 ff.
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 werden.