Lokomotive
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Eine Lokomotive ist ein Schienenfahrzeug, das die Antriebskraft für einen Zug liefert. Wenn eine Lokomotive in der Lage ist, eine Nutzlast zu befördern, wird sie gewöhnlich eher als Triebwagen, Triebwagen, Triebwagen oder Triebkraftwagen bezeichnet; der Einsatz dieser selbstfahrenden Fahrzeuge ist bei Personenzügen zunehmend üblich, im Güterverkehr jedoch selten (siehe CargoSprinter). ⓘ
Traditionell wurden Züge von Lokomotiven von vorne gezogen. Es hat sich jedoch der Push-Pull-Betrieb durchgesetzt, bei dem der Zug eine Lokomotive (oder mehrere Lokomotiven) an der Spitze, am Ende oder an beiden Enden haben kann. In jüngster Zeit haben die Eisenbahnen begonnen, DPU oder verteilte Leistung einzuführen. An der Spitze können eine oder zwei Lokomotiven stehen, gefolgt von einer Lokomotive in der Mitte des Zuges, die von der führenden Einheit ferngesteuert wird. ⓘ
Als eine Lokomotive (von neulat. loco motivus, sich von der Stelle bewegend), auch Zugmaschine oder kurz Lok genannt, bezeichnet man seit ihrer Erfindung sowohl eine spur- bzw. schienengebundene als auch eine frei bewegliche Arbeitsmaschine, die nach der Zeit der ausschließlichen Nutzung als vielseitige Dampflokomotive zum überwiegend spurgebundenen Triebfahrzeug mit unterschiedlichen Antriebstechnologien weiterentwickelt wurde. ⓘ
Etymologie
Das Wort Lokomotive stammt vom lateinischen loco - "von einem Ort", Ablativ von locus "Ort", und dem mittellateinischen motivus, "Bewegung verursachend", und ist eine verkürzte Form des Begriffs Lokomotive, der erstmals 1814 zur Unterscheidung zwischen selbstfahrenden und stationären Dampfmaschinen verwendet wurde. ⓘ
Klassifizierungen
Vor den Lokomotiven wurde die Antriebskraft für Eisenbahnen durch verschiedene Methoden niedrigerer Technologie erzeugt, wie menschliche Kraft, Pferdekraft, Schwerkraft oder stationäre Motoren, die Seilsysteme antrieben. Nur wenige dieser Systeme sind heute noch in Betrieb. Lokomotiven können ihre Kraft aus Brennstoff (Holz, Kohle, Erdöl oder Erdgas) erzeugen oder sie können Strom von einer externen Quelle beziehen. Es ist üblich, Lokomotiven nach ihrer Energiequelle zu klassifizieren. Zu den gängigen gehören: ⓘ
Dampf
Eine Dampflokomotive ist eine Lokomotive, deren primäre Antriebsquelle eine Dampfmaschine ist. Die gebräuchlichste Form der Dampflokomotive enthält auch einen Kessel zur Erzeugung des von der Lokomotive verwendeten Dampfes. Das Wasser im Kessel wird durch die Verbrennung von brennbarem Material - in der Regel Kohle, Holz oder Öl - erhitzt, um Dampf zu erzeugen. Der Dampf treibt Kolben an, die mit den Haupträdern der Lokomotive, den so genannten "Treibrädern", verbunden sind. Sowohl der Brennstoff- als auch der Wasservorrat werden mit der Lokomotive mitgeführt, entweder auf der Lokomotive selbst in Bunkern und Tanks (diese Anordnung wird als "Tenderlokomotive" bezeichnet) oder hinter der Lokomotive in Beibooten (diese Anordnung wird als "Tenderlokomotive" bezeichnet). ⓘ
Die erste voll funktionsfähige Eisenbahndampflokomotive wurde 1802 von Richard Trevithick gebaut. Sie wurde für das Eisenwerk Coalbrookdale in Shropshire in England gebaut, obwohl keine Aufzeichnungen über ihren Einsatz dort erhalten sind. Am 21. Februar 1804 fand die erste aufgezeichnete dampfbetriebene Eisenbahnfahrt statt, als eine andere von Trevithicks Lokomotiven einen Zug von der Eisenhütte Penydarren in Merthyr Tydfil nach Abercynon in Südwales zog. Sie wurde von Andrew Vivian begleitet und fuhr mit gemischtem Erfolg. Die Konstruktion umfasste eine Reihe wichtiger Neuerungen, darunter den Einsatz von Hochdruckdampf, der das Gewicht der Maschine reduzierte und ihre Effizienz erhöhte. ⓘ
1812 fuhr Matthew Murrays Zweizylinder-Zahnstangenlokomotive Salamanca zum ersten Mal auf der Middleton Railway mit Zahnstange und Ritzel; sie gilt allgemein als die erste kommerziell erfolgreiche Lokomotive. Eine weitere bekannte frühe Lokomotive war Puffing Billy, die 1813-14 von dem Ingenieur William Hedley für die Wylam Colliery bei Newcastle upon Tyne gebaut wurde. Diese Lokomotive ist die älteste erhaltene Lokomotive und wird im Science Museum in London ausgestellt. George Stephenson baute die Lokomotive Nr. 1 für die Stockton & Darlington Railway im Nordosten Englands, die erste öffentliche Dampfeisenbahn der Welt. Im Jahr 1829 baute sein Sohn Robert The Rocket in Newcastle upon Tyne. Die Rocket nahm an den Rainhill Trials teil und gewann diese. Dieser Erfolg führte dazu, dass sich das Unternehmen zum führenden Hersteller von Dampflokomotiven entwickelte, die bei Eisenbahnen im Vereinigten Königreich, in den USA und in weiten Teilen Europas eingesetzt wurden. Die von Stephenson gebaute Liverpool & Manchester Railway wurde ein Jahr später eröffnet und nutzte ausschließlich die Dampfkraft für Personen- und Güterzüge. ⓘ
Die Dampflokomotive blieb bis nach dem Zweiten Weltkrieg der bei weitem am häufigsten verwendete Lokomotivtyp. Dampflokomotiven sind weniger effizient als moderne Diesel- und Elektrolokomotiven, und für ihren Betrieb und ihre Wartung sind wesentlich mehr Arbeitskräfte erforderlich. Zahlen von British Rail zeigten, dass die Kosten für das Personal und den Treibstoff einer Dampflokomotive etwa zweieinhalbmal so hoch waren wie die Kosten für den Unterhalt einer entsprechenden Diesellokomotive, und die tägliche Fahrleistung war geringer. Zwischen etwa 1950 und 1970 wurde der Großteil der Dampflokomotiven aus dem kommerziellen Betrieb genommen und durch elektrische und dieselelektrische Lokomotiven ersetzt. Während Nordamerika in den 1950er Jahren und Kontinentaleuropa in den 1970er Jahren von der Dampflokomotive abrückten, erfolgte der Übergang in anderen Teilen der Welt später. Dampf war eine vertraute Technologie, die weithin verfügbare Brennstoffe nutzte und in Niedriglohnländern nicht so große Kostenunterschiede aufwies. Sie wurde in vielen Ländern bis zum Ende des 20. Jahrhunderts eingesetzt. Gegen Ende des 20. Jahrhunderts wurde die Dampfkraft weltweit fast nur noch bei historischen Eisenbahnen regelmäßig eingesetzt. ⓘ
Interne Verbrennung
Verbrennungslokomotiven verwenden einen Verbrennungsmotor, der über ein Getriebe mit den Antriebsrädern verbunden ist. In der Regel läuft der Motor mit nahezu konstanter Geschwindigkeit, egal ob die Lokomotive steht oder fährt. Lokomotiven mit Verbrennungsmotor werden nach der Art des Kraftstoffs und in Unterkategorien nach der Art des Getriebes eingeteilt. ⓘ
Benzol
Benzol-Lokomotiven haben einen Verbrennungsmotor, der Benzol als Kraftstoff verwendet. Zwischen den späten 1890er und 1900er Jahren gab es eine Reihe kommerzieller Hersteller von Benzol-Lokomotiven. Den Anfang machte die Firma Deutz, die ein Betriebssystem auf der Grundlage eines Prototyps für ein Manganbergwerk in Gießen herstellte. Danach, in den frühen 1900er Jahren, wurden sie für mehrere Bergbau- und Tunnelbetriebe verkauft. Nach 1900 war ein breiter Einsatz nicht mehr notwendig oder erforderlich, da ihre Unzulänglichkeit mit der Existenz von Benzin- und Diesellokomotiven zunahm. ⓘ
Kerosin
Kerosinlokomotiven verwenden Kerosin als Treibstoff. Sie waren die ersten Verbrennungslokomotiven der Welt und gingen den Diesel- und anderen Öllokomotiven um einige Jahre voraus. Das erste bekannte Kerosin-Schienenfahrzeug war eine von Gottlieb Daimler im Jahr 1887 gebaute Draisine, die jedoch technisch gesehen keine Lokomotive war, da sie eine Nutzlast beförderte. ⓘ
Eine Kerosinlokomotive wurde 1894 von den Priestman Brothers aus Kingston upon Hull für den Einsatz in den Docks von Hull gebaut. Diese Lokomotive wurde mit einem 12 PS starken, doppelt wirkenden Schiffsmotor gebaut, der mit 300 Umdrehungen pro Minute lief und auf einem vierrädrigen Wagengestell montiert war. Aufgrund ihrer geringen Leistung konnte sie jeweils nur einen beladenen Waggon ziehen und war kein großer Erfolg. Die erste erfolgreiche Kerosinlokomotive war "Lachesis", die von Richard Hornsby & Sons gebaut und 1896 an die Woolwich Arsenal Railway geliefert wurde. Zwischen 1896 und 1903 baute das Unternehmen vier Kerosinlokomotiven für den Einsatz im Arsenal. ⓘ
Benzin
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Benzinlokomotiven verwenden Benzin als Treibstoff. Die erste kommerziell erfolgreiche Benzinlokomotive war eine benzinbetriebene Lokomotive, die 1902 von der Maudslay Motor Company für den Deptford Cattle Market in London gebaut wurde. Es handelte sich um eine 80 PS starke Lokomotive mit einem vertikalen 3-Zylinder-Benzinmotor und einem mechanischen Zweigang-Getriebe. ⓘ
Petrol-mechanisch
Die gebräuchlichste Art von Benzinlokomotiven sind benzinbetriebene Lokomotiven, die eine mechanische Kraftübertragung in Form von Getrieben (manchmal in Verbindung mit Kettenantrieben) nutzen, um die Leistung des Motors auf die Antriebsräder zu übertragen, ähnlich wie bei einem Auto. Die zweite benzin-mechanische Lokomotive wurde im Januar 1903 von F.C. Blake aus Kew für die Richmond Main Sewerage Board gebaut. ⓘ
Benzin-elektrisch
Petrol-elektrische Lokomotiven sind Benzinlokomotiven, die die Motorleistung über ein elektrisches Getriebe auf die Antriebsräder übertragen. Dabei wird die mechanische Drehkraft des Motors durch einen Dynamo in elektrische Energie umgewandelt und die Räder werden durch mehrgängige elektrische Fahrmotoren angetrieben. Dies ermöglicht eine sanftere Beschleunigung, da die Notwendigkeit von Gangwechseln entfällt, ist jedoch teurer, schwerer und manchmal sperriger als ein mechanisches Getriebe. ⓘ
Eine bemerkenswerte frühe benzinelektrische Lokomotive wurde 1913 für die Minneapolis, St. Paul, Rochester and Dubuque Electric Traction Company gebaut. Sie wog 60 Tonnen, leistete 350 PS und fuhr über zwei Drehgestelle in einer Bo-Bo-Anordnung. ⓘ
Diesel
Diesellokomotiven werden von Dieselmotoren angetrieben. In den Anfängen der Entwicklung des Dieselantriebs wurden verschiedene Antriebssysteme mit unterschiedlichem Erfolg eingesetzt, wobei sich der elektrische Antrieb als der beliebteste erwies. ⓘ
Diesel-mechanische
Eine dieselmechanische Lokomotive verwendet eine mechanische Kraftübertragung, um die Leistung auf die Räder zu übertragen. Diese Art der Kraftübertragung ist im Allgemeinen auf Rangierlokomotiven mit geringer Leistung und niedriger Geschwindigkeit, leichte Triebzüge und selbstfahrende Triebwagen beschränkt. Die frühesten Diesellokomotiven waren dieselmechanisch. Im Jahr 1906 gründeten Rudolf Diesel, Adolf Klose und der Dampf- und Dieselmotorenhersteller Gebrüder Sulzer die Diesel-Sulzer-Klose GmbH, um Lokomotiven mit Dieselantrieb herzustellen. Die Preußischen Staatseisenbahnen bestellten 1909 eine Diesellokomotive bei dem Unternehmen. Die erste dieselbetriebene Lokomotive der Welt (eine dieselmechanische Lokomotive) wurde im Sommer 1912 auf der Bahnstrecke Winterthur-Romanshorn in der Schweiz betrieben, war aber kein kommerzieller Erfolg. Bis Mitte der 1920er Jahre wurden in einer Reihe von Ländern Prototypen von Diesellokomotiven in kleiner Stückzahl hergestellt. ⓘ
Dieselelektrisch
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Dieselelektrische Lokomotiven sind Diesellokomotiven mit elektrischem Antrieb. Der Dieselmotor treibt entweder einen elektrischen Gleichstromgenerator (im Allgemeinen weniger als 3.000 PS (2.200 kW) netto für die Traktion) oder einen elektrischen Wechselstrom-Gleichrichter (im Allgemeinen 3.000 PS (2.200 kW) netto oder mehr für die Traktion) an, dessen Leistung die Fahrmotoren antreibt, die die Lokomotive antreiben. Es gibt keine mechanische Verbindung zwischen dem Dieselmotor und den Rädern. Die überwiegende Mehrheit der heutigen Diesellokomotiven ist dieselelektrisch. ⓘ
Im Jahr 1914 entwickelte und patentierte Hermann Lemp, ein Elektroingenieur von General Electric, ein zuverlässiges elektrisches Gleichstrom-Steuerungssystem (spätere Verbesserungen wurden ebenfalls von Lemp patentiert). Die Konstruktion von Lemp verwendete einen einzigen Hebel zur koordinierten Steuerung von Motor und Generator und war der Prototyp für alle dieselelektrischen Lokomotivsteuerungen. In den Jahren 1917-18 produzierte GE drei diesel-elektrische Versuchslokomotiven, die mit der von Lemp entwickelten Steuerung ausgestattet waren. Im Jahr 1924 nahm eine dieselelektrische Lokomotive (Eel2 mit der ursprünglichen Nummer Юэ 001/Yu-e 001) den Betrieb auf. Sie war von einem Team unter der Leitung von Yury Lomonosov entworfen und 1923-1924 von der Maschinenfabrik Esslingen in Deutschland gebaut worden. Sie hatte 5 Antriebsachsen (1'E1'). Nach mehreren Testfahrten beförderte sie fast drei Jahrzehnte lang, von 1925 bis 1954, Züge. ⓘ
Diesel-hydraulisch
Dieselhydraulische Lokomotiven sind Diesellokomotiven mit hydraulischer Kraftübertragung. Dabei werden ein oder mehrere Drehmomentwandler in Kombination mit einem Getriebe und einem mechanischen Radsatzgetriebe eingesetzt, um die Kraft des Dieselmotors auf die Räder zu übertragen. ⓘ
Der weltweite Hauptnutzer von hydraulischen Antrieben für den Fernverkehr war die Bundesrepublik Deutschland, unter anderem mit der DB-Baureihe V 200 aus den 1950er Jahren und der DB V 160-Familie aus den 1960er und 1970er Jahren. Die britische Eisenbahn führte im Rahmen ihres Modernisierungsplans von 1955 eine Reihe von dieselhydraulischen Konstruktionen ein, wobei es sich zunächst um in Lizenz gebaute Versionen deutscher Konstruktionen handelte. In Spanien setzte Renfe von den 1960er bis 1990er Jahren deutsche Zweimotoren mit hohem Leistungsgewicht für den Hochgeschwindigkeitsverkehr ein. (siehe Renfe-Baureihen 340, 350, 352, 353, 354). ⓘ
Hydrostatische Antriebe werden auch im Schienenverkehr eingesetzt, z. B. in Rangierlokomotiven mit 350 bis 750 PS (260 bis 560 kW) der CMI-Gruppe (Belgien). Hydrostatische Antriebe werden auch in Eisenbahnwartungsmaschinen wie Stampfern und Schienenschleifern eingesetzt. ⓘ
Gasturbine
Eine Gasturbinenlokomotive ist eine Lokomotive mit Verbrennungsmotor, die mit einer Gasturbine ausgestattet ist. ICE-Motoren benötigen ein Getriebe, um die Räder anzutreiben. Der Motor muss weiterlaufen können, wenn die Lokomotive angehalten wird. ⓘ
Gasturbinen-mechanische Lokomotiven verwenden ein mechanisches Getriebe, um die Leistung der Gasturbinen auf die Räder zu übertragen. Eine Gasturbinenlokomotive wurde 1861 von Marc Antoine Francois Mennons patentiert (britisches Patent Nr. 1633). Es gibt keine Belege dafür, dass die Lokomotive tatsächlich gebaut wurde, aber der Entwurf enthält die wesentlichen Merkmale von Gasturbinenlokomotiven, einschließlich Kompressor, Brennkammer, Turbine und Luftvorwärmer. 1952 lieferte Renault den Prototyp einer vierachsigen Lokomotive mit mechanischer Gasturbine und 1150 PS, die mit dem Gas- und Drucklufterzeugungssystem der "freien Turbine" von Pescara und nicht mit einem in die Turbine integrierten koaxialen Mehrstufenverdichter ausgestattet war. Diesem Modell folgte 1959 ein Paar sechsachsiger Lokomotiven mit 2400 PS, die mit zwei Turbinen und Pescara-Einspeisung ausgestattet waren. Mehrere ähnliche Lokomotiven wurden in der UdSSR von den Kharkov Locomotive Works gebaut. ⓘ
Bei Gasturbinen-Elektrolokomotiven treibt eine Gasturbine einen elektrischen Generator oder eine Lichtmaschine an, die den Fahrmotor für den Antrieb der Räder mit elektrischem Strom versorgt. Im Jahr 1939 bestellten die Schweizerischen Bundesbahnen bei Brown Boveri die Am 4/6, eine GTEL mit einer maximalen Motorleistung von 1.620 kW (2.170 PS). Sie wurde 1941 fertiggestellt und vor ihrer Indienststellung erprobt. Die Am 4/6 war die erste Gasturbinen-Elektrolokomotive. Die British Rail 18000 wurde von Brown Boveri gebaut und 1949 ausgeliefert. Die British Rail 18100 wurde von Metropolitan-Vickers gebaut und 1951 ausgeliefert. Eine dritte Lokomotive, die British Rail GT3, wurde 1961 gebaut. Union Pacific betrieb ab den 1950er Jahren eine große Flotte von turbinengetriebenen Güterzuglokomotiven. Diese Lokomotiven wurden häufig auf Langstrecken eingesetzt und waren trotz ihres geringen Kraftstoffverbrauchs kosteneffizient, da sie mit "Reststoffen" aus der Erdölindustrie betrieben wurden. Zu ihrer Blütezeit schätzte die Eisenbahngesellschaft, dass sie etwa 10 % der Union Pacific-Güterzüge antrieben, was einen weitaus größeren Einsatz als bei allen anderen Exemplaren dieser Klasse bedeutete. ⓘ
Eine Gasturbine bietet einige Vorteile gegenüber einem Kolbenmotor. Es gibt nur wenige bewegliche Teile, wodurch weniger Schmierung erforderlich ist und die Wartungskosten gesenkt werden können, und das Verhältnis von Leistung zu Gewicht ist wesentlich höher. Eine Turbine mit einer bestimmten Leistung ist außerdem kleiner als ein gleich starker Kolbenmotor, so dass eine Lokomotive sehr leistungsstark sein kann, ohne übermäßig groß zu sein. Allerdings nehmen sowohl die Leistung als auch der Wirkungsgrad einer Turbine mit der Drehzahl drastisch ab, während die Leistungskurve eines Kolbenmotors vergleichsweise flach ist. Aus diesem Grund sind GTEL-Systeme vor allem für Langstreckenfahrten mit hoher Geschwindigkeit geeignet. Zu den weiteren Problemen der Gasturbinen-Elektrolokomotiven gehörte, dass sie sehr laut waren. ⓘ
Elektrisch
Eine Elektrolokomotive ist eine Lokomotive, die nur mit Strom betrieben wird. Die Stromversorgung der fahrenden Züge erfolgt über eine (fast) durchgehende Leitung entlang der Strecke, die in der Regel eine von drei Formen hat: eine Oberleitung, die an Masten oder Türmen entlang der Strecke oder an Bauwerken oder Tunneldecken aufgehängt ist; eine dritte Schiene, die auf Gleisniveau montiert ist; oder eine Bordbatterie. Sowohl Oberleitungssysteme als auch Systeme mit dritter Schiene nutzen in der Regel die Fahrschienen als Rückleiter, einige Systeme verwenden jedoch eine separate vierte Schiene für diesen Zweck. Die verwendete elektrische Energie ist entweder Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC). ⓘ
Es gibt verschiedene Stromabnahmeverfahren: eine Oberleitungsmast, eine lange, flexible Stange, die mit einem Rad oder Schuh in die Leitung eingreift; ein Bügelstromabnehmer, ein Rahmen, der eine lange Stromabnehmerstange gegen den Draht hält; ein Stromabnehmer, ein Scharnierrahmen, der die Stromabnehmerschuhe in einer festen Geometrie gegen den Draht hält; oder ein Kontaktschuh, ein Schuh, der in Kontakt mit der dritten Schiene ist. Von den drei Methoden ist die Stromabnehmermethode am besten für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet. ⓘ
Bei Elektrolokomotiven werden fast ausnahmslos achsaufgehängte Fahrmotoren verwendet, wobei für jede angetriebene Achse ein Motor vorgesehen ist. Bei dieser Anordnung wird eine Seite des Motorgehäuses von Gleitlagern getragen, die auf einem geschliffenen und polierten Zapfen laufen, der fest mit der Achse verbunden ist. Die andere Seite des Gehäuses ist mit einem zungenförmigen Vorsprung versehen, der in einen entsprechenden Schlitz im Drehgestellträger eingreift und als Drehmomentstütze dient. Die Kraftübertragung vom Motor zur Achse erfolgt über ein Stirnradgetriebe, bei dem ein Ritzel auf der Motorwelle in ein Hohlrad auf der Achse eingreift. Beide Zahnräder befinden sich in einem flüssigkeitsdichten Gehäuse, das Schmieröl enthält. Die Art des Einsatzes der Lokomotive bestimmt das Übersetzungsverhältnis. Bei Güterzuglokomotiven sind hohe Übersetzungen üblich, während niedrige Übersetzungen typisch für Passagierlokomotiven sind. ⓘ
Der Strom wird in der Regel in großen und relativ effizienten Kraftwerken erzeugt, in das Eisenbahnnetz eingespeist und an die Züge verteilt. Einige elektrische Bahnen verfügen über eigene Kraftwerke und Übertragungsleitungen, die meisten kaufen jedoch Strom von einem Energieversorger. Die Bahn stellt in der Regel ihre eigenen Verteilungsleitungen, Schalter und Transformatoren zur Verfügung. ⓘ
Elektrolokomotiven kosten in der Regel 20 % weniger als Diesellokomotiven, ihre Wartungskosten sind um 25-35 % niedriger und ihre Betriebskosten um bis zu 50 % geringer. ⓘ
Gleichstrom
Die frühesten Systeme waren Gleichstromsysteme. Der erste elektrische Personenzug wurde 1879 von Werner von Siemens in Berlin vorgestellt. Die Lokomotive wurde von einem 2,2 kW starken Reihenschlussmotor angetrieben, und der Zug, bestehend aus der Lokomotive und drei Wagen, erreichte eine Geschwindigkeit von 13 km/h. Während vier Monaten beförderte der Zug 90.000 Fahrgäste auf einer 300 Meter langen Rundstrecke. Die Stromzufuhr (150 V Gleichstrom) erfolgte über eine dritte isolierte Schiene zwischen den Gleisen. Die Stromabnahme erfolgte über eine Kontaktrolle. Die erste elektrische Straßenbahnlinie der Welt wurde 1881 in Lichterfelde bei Berlin in Betrieb genommen. Sie wurde von Werner von Siemens gebaut (siehe Straßenbahn Groß-Lichterfelde und Berliner Straßenbahn). Die Volk's Electric Railway wurde 1883 in Brighton eröffnet und ist die älteste erhaltene elektrische Eisenbahn. Ebenfalls 1883 wurde die Mödlinger und Hinterbrühler Straßenbahn in der Nähe von Wien in Österreich eröffnet. Sie war die erste elektrische Straßenbahn der Welt, die von einer Oberleitung betrieben wurde. Fünf Jahre später, im Jahr 1888, wurde in den USA bei der Richmond Union Passenger Railway mit Hilfe der von Frank J. Sprague entworfenen Ausrüstung die erste elektrische Draisine in Betrieb genommen. ⓘ
Die erste elektrisch betriebene U-Bahn-Linie war die City & South London Railway, die durch eine Klausel in ihrem Ermächtigungsgesetz veranlasst wurde, die den Einsatz von Dampfkraft verbot. Sie wurde 1890 eröffnet und verwendete elektrische Lokomotiven, die von Mather & Platt gebaut wurden. Die Elektrizität wurde schnell zur bevorzugten Energiequelle für U-Bahnen, unterstützt durch die Erfindung der Triebzugsteuerung durch Sprague im Jahr 1897. ⓘ
Der erste Einsatz der Elektrifizierung auf einer Hauptstrecke erfolgte 1895 auf einem vier Meilen langen Abschnitt der Baltimore Belt Line der Baltimore & Ohio (B&O), die den Hauptteil der B&O mit der neuen Strecke nach New York durch eine Reihe von Tunneln am Rande der Innenstadt von Baltimore verband. Anfänglich wurden drei Bo+Bo-Einheiten am südlichen Ende des elektrifizierten Abschnitts eingesetzt, die sich an die Lokomotive und den Zug koppelten und ihn durch die Tunnels zogen. ⓘ
Bei früheren Systemen wurde Gleichstrom verwendet. Diese Systeme wurden nach und nach durch Wechselstrom ersetzt. Heute verwenden fast alle Vollbahnen Wechselstromsysteme. Gleichstromsysteme werden hauptsächlich im städtischen Nahverkehr eingesetzt, z. B. in U-Bahnen, Stadtbahnen und Straßenbahnen, wo der Strombedarf geringer ist. ⓘ
Wechselstrom
Die erste praktische Wechselstrom-Elektrolokomotive wurde von Charles Brown entworfen, der damals für Oerlikon in Zürich arbeitete. Im Jahr 1891 hatte Brown die Fernstromübertragung mit Drehstrom zwischen einem Wasserkraftwerk in Lauffen am Neckar und Frankfurt am Main West über eine Entfernung von 280 km demonstriert. Aufgrund seiner Erfahrungen, die er während seiner Tätigkeit für Jean Heilmann bei der Entwicklung von Dampflokomotiven gesammelt hatte, stellte Brown fest, dass Drehstrommotoren ein besseres Leistungsgewicht als Gleichstrommotoren aufwiesen und aufgrund des fehlenden Kommutators einfacher herzustellen und zu warten waren. Allerdings waren sie viel größer als die damaligen Gleichstrommotoren und konnten nicht in Unterflur-Drehgestelle eingebaut werden: Sie konnten nur in den Lokomotivkästen untergebracht werden. ⓘ
Im Jahr 1894 entwickelte der ungarische Ingenieur Kálmán Kandó einen neuen Typ von Drehstrom-Asynchronmotoren und -Generatoren für elektrische Lokomotiven. Kandós frühe Entwürfe von 1894 wurden erstmals in einer kurzen Drehstromstraßenbahn in Evian-les-Bains (Frankreich) eingesetzt, die zwischen 1896 und 1898 gebaut wurde. 1918 erfand und entwickelte Kandó den rotierenden Phasenumwandler, der es ermöglichte, elektrische Lokomotiven mit Drehstrommotoren zu betreiben, die über eine einzige Oberleitung mit dem einfachen einphasigen Industriefrequenzwechselstrom (50 Hz) der nationalen Hochspannungsnetze versorgt wurden. ⓘ
1896 installierte Oerlikon das erste kommerzielle Beispiel des Systems bei der Luganer Straßenbahn. Jede 30-Tonnen-Lokomotive verfügte über zwei 110 kW (150 PS) starke Motoren, die mit dreiphasigem 750-V-40-Hz-Wechselstrom betrieben wurden, der von doppelten Oberleitungen eingespeist wurde. Drehstrommotoren laufen mit konstanter Geschwindigkeit und verfügen über eine Nutzbremsung und eignen sich gut für steil ansteigende Strecken. Die ersten Drehstromlokomotiven für Hauptstrecken wurden 1899 von Brown (damals in Partnerschaft mit Walter Boveri) für die 40 km lange Strecke Burgdorf-Thun in der Schweiz geliefert. Die erste einphasige Wechselstromversorgung mit Industriefrequenz für Lokomotiven wurde 1901 von Oerlikon nach den Entwürfen von Hans Behn-Eschenburg und Emil Huber-Stockar realisiert; die Installation auf der Strecke Seebach-Wettingen der Schweizerischen Bundesbahnen wurde 1904 abgeschlossen. Die 15 kV, 50 Hz 345 kW (460 PS), 48 Tonnen schweren Lokomotiven verwendeten Transformatoren und rotierende Umformer zum Antrieb von Gleichstrom-Fahrmotoren. ⓘ
Die italienischen Eisenbahnen waren die ersten in der Welt, die die elektrische Traktion auf der gesamten Länge einer Hauptstrecke und nicht nur auf einem kurzen Abschnitt einführten. Die 106 km lange Valtellina-Linie wurde am 4. September 1902 eröffnet, entworfen von Kandó und einem Team der Ganz-Werke. Das elektrische System war dreiphasig mit 3 kV und 15 Hz. Diese Spannung war wesentlich höher als die früher verwendete und erforderte neue Konstruktionen für Elektromotoren und Schaltgeräte. Das dreiphasige Zweileitersystem wurde bei mehreren Eisenbahnen in Norditalien eingesetzt und wurde als das "italienische System" bekannt. Kandó wurde 1905 eingeladen, die Leitung der Società Italiana Westinghouse zu übernehmen und leitete die Entwicklung mehrerer italienischer Elektrolokomotiven. ⓘ
Batterieelektrisch
Eine batterieelektrische Lokomotive (oder Batterielokomotive) ist eine elektrische Lokomotive, die mit Bordbatterien betrieben wird; eine Art batterieelektrisches Fahrzeug. ⓘ
Solche Lokomotiven werden dort eingesetzt, wo eine herkömmliche Diesel- oder Elektrolokomotive ungeeignet wäre. Ein Beispiel sind Wartungszüge auf elektrifizierten Strecken, wenn die Stromversorgung abgeschaltet ist. Ein weiteres Einsatzgebiet sind Industrieanlagen, in denen eine verbrennungsbetriebene Lokomotive (d. h. eine dampf- oder dieselbetriebene Lokomotive) aufgrund der Brand-, Explosions- oder Rauchgefahr in einem geschlossenen Raum ein Sicherheitsproblem darstellen könnte. Batterielokomotiven werden bevorzugt in Bergwerken eingesetzt, in denen sich Gas an den Sammelschuhen durch Lichtbogenbildung entzünden könnte oder in denen ein elektrischer Widerstand in den Versorgungs- oder Rücklaufkreisen, insbesondere an den Schienenstößen, entstehen könnte, der einen gefährlichen Stromaustritt in den Boden ermöglicht. ⓘ
Die erste bekannte elektrische Lokomotive wurde 1837 von dem Chemiker Robert Davidson aus Aberdeen gebaut und mit galvanischen Zellen (Batterien) betrieben. Später baute Davidson eine größere Lokomotive namens Galvani, die 1841 auf der Ausstellung der Royal Scottish Society of Arts ausgestellt wurde. Das sieben Tonnen schwere Fahrzeug verfügte über zwei direkt angetriebene Reluktanzmotoren mit feststehenden Elektromagneten, die auf Eisenstangen wirkten, die an einem hölzernen Zylinder an jeder Achse befestigt waren, und einfache Kommutatoren. Es beförderte eine Last von sechs Tonnen mit einer Geschwindigkeit von vier Meilen pro Stunde (6 Kilometer pro Stunde) über eine Strecke von eineinhalb Meilen (2,4 Kilometer). Im September des folgenden Jahres wurde sie auf der Edinburgh and Glasgow Railway getestet, aber die begrenzte Leistung der Batterien verhinderte ihren allgemeinen Einsatz. ⓘ
Ein weiteres Beispiel war die Kennecott-Kupfermine in Latouche, Alaska, wo 1917 die unterirdischen Förderwege verbreitert wurden, um den Einsatz von zwei Batterielokomotiven mit 4+1⁄2 Tonnen zu ermöglichen. Im Jahr 1928 bestellte Kennecott Copper vier Elektrolokomotiven der Serie 700 mit eingebauten Batterien. Diese Lokomotiven wogen 85 Tonnen und wurden mit 750-Volt-Oberleitung betrieben, wobei die Reichweite im Batteriebetrieb erheblich größer war. Die Lokomotiven verrichteten mehrere Jahrzehnte lang ihren Dienst mit der Nickel-Eisen-Batterie-Technologie (Edison). Die Batterien wurden durch Blei-Säure-Batterien ersetzt, und die Lokomotiven wurden kurz darauf ausgemustert. Alle vier Lokomotiven wurden an Museen gespendet, eine wurde jedoch verschrottet. Die anderen sind bei der Boone and Scenic Valley Railroad, Iowa, und im Western Railway Museum in Rio Vista, Kalifornien, zu sehen. Die Toronto Transit Commission hatte zuvor eine batterieelektrische Lokomotive im Einsatz, die 1968 von Nippon Sharyo gebaut und 2009 ausgemustert wurde. ⓘ
Die London Underground setzt regelmäßig batterieelektrische Lokomotiven für allgemeine Wartungsarbeiten ein. ⓘ
Andere Typen
Diesel-Dampf
Dampf-Diesel-Hybridlokomotiven können mit Dampf aus einem Kessel oder mit Diesel einen Kolbenmotor antreiben. Beim Cristiani-Druckdampfsystem treibt ein Dieselmotor einen Kompressor an, der den von einem Kessel erzeugten Dampf antreibt und umwälzt; dabei wird der Dampf effektiv als Kraftübertragungsmedium genutzt, während der Dieselmotor die Hauptantriebskraft ist. ⓘ
In den 1940er Jahren begannen Diesellokomotiven die Dampflokomotiven bei den amerikanischen Eisenbahnen zu verdrängen. Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs setzte sich der Dieselantrieb bei den Eisenbahnen vieler Länder durch. Die deutlich bessere Wirtschaftlichkeit des Dieselbetriebs löste einen regelrechten Run auf den Diesel aus, einen Prozess, der als Dieselisierung bezeichnet wird. Bis Ende der 1990er Jahre waren in den meisten Ländern nur noch historische Eisenbahnen mit Dampflokomotiven unterwegs. ⓘ
Diesellokomotiven sind wesentlich wartungsärmer als Dampflokomotiven, so dass weniger Personal für den Betrieb der Flotte benötigt wird. Die besten Dampflokomotiven verbrachten durchschnittlich drei bis fünf Tage pro Monat in der Werkstatt, um routinemäßig gewartet und instand gesetzt zu werden. Schwere Überholungen waren häufig, und oft musste der Kessel für größere Reparaturen aus dem Rahmen genommen werden. Im Gegensatz dazu benötigt eine typische Diesellokomotive nicht mehr als acht bis zehn Stunden Wartung pro Monat (die Wartungsintervalle liegen je nach Alter der Lokomotive bei 92 oder 184 Tagen) und kann zwischen größeren Überholungen jahrzehntelang laufen. Diesellokomotiven sind nicht so umweltschädlich wie Dampflokomotiven; moderne Lokomotiven erzeugen nur geringe Abgasemissionen. ⓘ
Atomelektrisch
In den frühen 1950er Jahren erhielt Dr. Lyle Borst von der University of Utah von verschiedenen US-Eisenbahngesellschaften und -Herstellern Mittel, um die Machbarkeit einer elektrisch angetriebenen Lokomotive zu untersuchen, in der ein eingebauter Atomreaktor den Dampf zur Stromerzeugung erzeugte. Zu dieser Zeit war die Atomenergie noch nicht vollständig erforscht; Borst glaubte, dass der Uranpreis das größte Hindernis darstellte. Bei der Borst-Atomlokomotive würde der Mittelteil eine 200 Tonnen schwere Reaktorkammer und drei Meter dicke Stahlwände haben, um bei Unfällen das Austreten von Radioaktivität zu verhindern. Er schätzte die Kosten für die Herstellung von Atomlokomotiven mit 7000-PS-Motoren auf etwa 1.200.000 Dollar pro Stück. Folglich wurden Züge mit eingebauten Nukleargeneratoren aufgrund der unerschwinglichen Kosten im Allgemeinen als nicht realisierbar angesehen. ⓘ
Brennstoffzelle - elektrisch
Im Jahr 2002 wurde in Val-d'Or, Quebec, die erste 3,6 Tonnen schwere, 17 kW starke, mit Wasserstoff (Brennstoffzellen) betriebene Bergbaulokomotive vorgeführt. Im Jahr 2007 wurde die Mini-Wasserstoffbahn in Kaohsiung, Taiwan, in Betrieb genommen. Die Railpower GG20B schließlich ist ein weiteres Beispiel für eine Brennstoffzellen-Elektrolokomotive. ⓘ
Hybrid-Lokomotiven
Es gibt viele verschiedene Arten von Hybrid- oder Dual-Mode-Lokomotiven, die zwei oder mehr Antriebsarten verwenden. Die gängigsten Hybridlokomotiven sind Elektro-Diesel-Lokomotiven, die entweder mit Strom oder mit einem eingebauten Dieselmotor betrieben werden. Sie werden für durchgehende Fahrten auf Strecken eingesetzt, die nur teilweise elektrifiziert sind. Beispiele hierfür sind die EMD FL9 und die Bombardier ALP-45DP. ⓘ
Einsatz
Lokomotiven werden im Schienenverkehr hauptsächlich für drei Zwecke eingesetzt: zum Ziehen von Personenzügen, für Güterzüge und zum Rangieren. ⓘ
Güterzuglokomotiven sind normalerweise für eine hohe Anfahrzugkraft und eine hohe Dauerleistung ausgelegt. Dies ermöglicht es ihnen, lange, schwere Züge anzufahren und zu bewegen, geht jedoch in der Regel auf Kosten einer relativ niedrigen Höchstgeschwindigkeit. Lokomotiven für den Personenverkehr haben in der Regel eine geringere Anfahrzugkraft, sind aber in der Lage, die für die Einhaltung der Fahrpläne erforderlichen hohen Geschwindigkeiten zu erreichen. Lokomotiven für den gemischten Verkehr (US-Englisch: General Purpose Locomotive oder Road Switcher Locomotive), die sowohl für den Personen- als auch für den Güterverkehr bestimmt sind, haben eine geringere Anfahrzugkraft als eine Güterzuglokomotive, können aber schwerere Züge als eine Passagierlokomotive befördern. ⓘ
Bei den meisten Dampflokomotiven handelt es sich um Hubkolbenmotoren, bei denen die Kolben über Pleuelstangen mit den Antriebsrädern verbunden sind, ohne dass ein Getriebe zwischengeschaltet ist. Dies bedeutet, dass die Kombination aus Anfahrzugkraft und Höchstgeschwindigkeit stark vom Durchmesser der Antriebsräder beeinflusst wird. Dampflokomotiven, die für den Güterverkehr bestimmt sind, haben im Allgemeinen Antriebsräder mit kleinerem Durchmesser als Passagierlokomotiven. ⓘ
Bei dieselelektrischen und elektrischen Lokomotiven passt das Steuersystem zwischen Fahrmotoren und Achsen die Leistungsabgabe an die Schienen für den Güter- oder Personenverkehr an. Personenzuglokomotiven können mit anderen Funktionen ausgestattet sein, z. B. mit einer Kopfstromversorgung (auch als Hotelstrom oder elektrische Zugversorgung bezeichnet) oder einem Dampfgenerator. ⓘ
Einige Lokomotiven sind speziell für den Betrieb auf Steilstrecken ausgelegt und verfügen über umfangreiche zusätzliche Bremsvorrichtungen und manchmal auch über Zahnstangen. Bei Dampflokomotiven, die für steile Zahnradbahnen gebaut wurden, ist der Kessel häufig gegenüber dem Lokomotivrahmen geneigt, so dass der Kessel bei steilen Steigungen in etwa eben bleibt. ⓘ
Lokomotiven werden auch in einigen Hochgeschwindigkeitszügen eingesetzt: Alle TGV-Züge, viele AVE-Züge, einige Korea Train Express-Züge und die inzwischen ausgemusterten ICE 1- und ICE 2-Züge verwenden Lokomotiven, die auch als Triebköpfe bezeichnet werden können. Der Einsatz von Triebköpfen ermöglicht eine hohe Fahrqualität und weniger elektrische Ausrüstung, bietet aber im Vergleich zu elektrischen Triebzügen auch eine geringere Beschleunigung und höhere Achslasten (für die Triebköpfe). Der KTX-Sancheon und der ICE 1 verwenden eine Mischung aus elektrischen Triebköpfen und Triebköpfen. ⓘ
Betriebliche Rolle
Lokomotiven werden gelegentlich in einer bestimmten Rolle eingesetzt, z. B. als:
- Zuglokomotive ist die technische Bezeichnung für eine Lokomotive, die an der Vorderseite eines Eisenbahnzuges angebracht ist, um diesen Zug zu ziehen. Alternativ kann die Zuglokomotive auch am hinteren Ende des Zuges angehängt werden, wenn Einrichtungen für den Schubbetrieb vorhanden sind;
- Vorspannlokomotive - eine Lokomotive, die vor der Zuglokomotive angehängt wird, um den Doppelkopfbetrieb zu ermöglichen;
- Stützlokomotive - eine Lokomotive, die einen Zug aufgrund eines schwierigen Starts oder einer starken Steigung vorübergehend von hinten unterstützt;
- Leichte Lokomotive - eine Lokomotive, die aus Verlagerungs- oder Betriebsgründen ohne Zug hinter ihr fährt. Gelegentlich wird eine leichte Lokomotive auch als eigenständiger Zug bezeichnet.
- Stationslotse - eine Lokomotive, die zum Rangieren von Personenzügen in einem Bahnhof eingesetzt wird. ⓘ
Achsfolge
Die Achsfolge einer Lokomotive beschreibt, wie viele Räder sie hat; gängige Methoden sind die AAR-Achsfolge, die UIC-Klassifizierung und die Whyte-Notation. ⓘ
Ferngesteuerte Lokomotiven
In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts kamen im Rangierbetrieb ferngesteuerte Lokomotiven zum Einsatz, die von einem Bediener außerhalb des Führerstands der Lokomotive ferngesteuert werden. Der Hauptvorteil besteht darin, dass ein Bediener die Beladung der Waggons mit Getreide, Kohle, Schotter usw. steuern kann. Darüber hinaus kann derselbe Bediener den Zug nach Bedarf bewegen. So wird die Lokomotive in etwa einem Drittel der Zeit be- oder entladen. ⓘ
Unterscheidung nach der Art des Antriebs
Üblicherweise wird nach der Antriebsart zunächst zwischen Dampflokomotiven, Lokomotiven mit Verbrennungsmotor und Elektrolokomotiven unterschieden. Andere Antriebe, zum Beispiel mittels Luftschrauben (siehe Schienenzeppelin) oder Raketenantrieb, gab es lediglich in einzelnen Versuchsfahrzeugen. Feuerlose Dampflokomotiven gibt es in begrenzten Betriebs-Bahnanlagen, beispielsweise in explosionsgefährdeten Bereichen der Chemie-Industrie. Selten vorkommende Zweikraftlokomotiven sind etwa Lokomotiven, die wahlweise ihren Fahrstrom über einen von einem Dieselmotor angetriebenen Generator oder aus Oberleitung beziehungsweise Stromschiene beziehen können. ⓘ
Dampflokomotiven
Dampflokomotiven beziehen ihre Primärenergie aus der Verbrennung der zumeist mitgeführten Brennstoffe, früher oftmals Torf oder Holz, dann Kohle (alle auf offenem Rost), sowie Kohlenstaub oder Schweröl. Sie sind eine Weiterentwicklung des Dampfkraftwagens. Die für den Antrieb benötigten Brennstoffe werden in Laderäumen (Kohlenkästen) oder Tanks auf der Lokomotive oder auf einem angehängten Schlepptender mitgeführt. ⓘ
Der damit geheizte Dampflokomotivkessel erzeugt aus ebenfalls in Wasserkästen an der Lokomotive oder im angehängten Tender mitgeführtem Wasser den Dampfdruck für die Zylinder. Diese übertragen die Druckkraft auf die Treibstangen, die über eine Treibkurbel mit der Treibachse verbunden sind. ⓘ
Die Dampflokomotive war die ursprüngliche und lange Zeit vorherrschende Lokomotivbauart. Sie ist in den USA seit den 1960er Jahren, in der Schweiz seit 1960, in der Bundesrepublik Deutschland bei der Deutschen Bundesbahn seit 1977 und in der DDR sowie in Berlin bei der Deutschen Reichsbahn seit 1988 praktisch vollständig durch Elektro- und Diesellokomotiven abgelöst worden. In Asien, beispielsweise in der Volksrepublik China, in Indien, Thailand und Nordkorea, aber auch bei einigen deutschen Schmalspurbahnen befinden sich Dampfloks noch im regulären Betrieb. ⓘ
Sehr selten kommt eine Dampfturbine – typisch auf einen elektrischen Generator wirkend – zum Einsatz (siehe Dampfturbinenlokomotive). ⓘ
Elektrolokomotiven
Elektrolokomotiven (kurz E-Loks, Elloks oder Elektroloks) haben einen rein elektrischen Antrieb im Gegensatz zu beispielsweise dieselelektrisch oder elektrisch-dampfgetriebenen Lokomotiven. Elektroloks beziehen ihre Primärenergie meist während der Fahrt aus Oberleitungen oder aus einer seitlichen Stromschiene über Stromabnehmer. ⓘ
Auch die diskontinuierliche Elektroenergie-Speicherung in Akkumulatoren ist gebräuchlich. Lokomotiven mit elektrischen Fahrmotoren, die ihren Strom aus einem Generator beziehen, der von einem Dieselmotor angetrieben wird, werden üblicherweise als Diesellokomotiven eingeordnet. ⓘ
Moderne Elektroloks haben ausschließlich Einzelachsantrieb. Die Radsätze mitsamt dem Fahrmotor sind meist in paarig angeordneten Drehgestellen mit je zwei oder drei Radsätzen zusammengefasst, die den darüberliegenden Aufbau tragen. ⓘ
Letzter Stand der Entwicklung sind Drehstrom-Antriebe, die aus dem Wechsel- oder Gleichstrom der Fahrleitung bzw. des Generators bei dieselelektrischen Antrieben in Frequenzumrichtern den Drehstrom zum Antrieb der Drehstrom-Fahrmotoren gewinnen. Mehrsystemlokomotiven können mit dieser Technik bei unterschiedlichen Fahrleitungsspannungen und -frequenzen fahren. ⓘ
Batterie- und oder Wasserstoff-Brennstoffzellen dienen neuerdings als Energiequelle für kleine elektrisch angetriebene Züge. ⓘ
Unterscheidung nach Anwendungszwecken
Frühere Lokomotivtypen wurden neben der Antriebsart auch nach Schnellzug-, Personenzug-, Güterzuglokomotiven sowie Verschiebe- und Kleinlokomotiven unterschieden. Für den Streckenbetrieb werden jedoch zunehmend Allzwecklokomotiven verwendet, die sowohl schnelle Personenzüge als auch Güterzüge ziehen können. Bei Personenzügen ersetzen zunehmend Triebwagen den Zug mit Lokomotive. Eine Unterscheidung neuer und stark standardisierten Lokomotiven nach Betriebsart ist nur noch im jeweiligen Extrembereich anzutreffen, also bei sehr hohen Geschwindigkeiten über 200 km/h oder sehr hohen Zuglasten. Eine relativierende Rolle bei diesen Zuordnungen spielt auch, dass der alte und noch betriebsfähige Lokomotivbestand oft noch für Zugdienste mit geringerem Leistungsbedarf eingesetzt wird. ⓘ
Kleinlokomotiven
Kleinlokomotiven sind Lokomotiven mit geringer Größe und verhältnismäßig geringer Antriebsleistung für leichte Rangieraufgaben. Für diese werden verschiedene Antriebe verwendet, so unter anderem Dieselmotoren, Ottomotoren und Akku-gespeiste Elektromotoren. Auch Dampfspeicherlokomotiven und Pressluftlokomotiven sowie die Schienentraktoren sind zu den Kleinlokomotiven zu rechnen. ⓘ