Dizel-Elektrik Lokomotiflerde Çoklu Motor Konfigürasyonu ile Yakıt Tüketimi ve Emisyon Azaltımı

Öz

Dizel-elektrik lokomotifler, dünya genelinde elektrifikasyon altyapısı bulunmayan demiryolu hatlarında yük ve yolcu taşımacılığının temel unsuru olmaya devam etmektedir. Geleneksel dizel-elektrik lokomotiflerde kullanılan tek büyük dizel motorun kısmi yüklerde düşük verimle çalışması, aşırı yakıt tüketimi ve yüksek emisyon değerlerine neden olmaktadır. Bu çalışmada, tek büyük dizel motor yerine birden fazla küçük dizel motorun kullanıldığı çoklu motor (multi-engine) konfigürasyonlarının yakıt tüketimi ve emisyon azaltımı üzerindeki etkileri kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Araştırma kapsamında; jeneratör seti (genset) lokomotifleri, Bombardier TRAXX DE ME (Class 245) gibi ana hat çoklu motorlu lokomotifler ve hibrit dizel-elektrik sistemler detaylı olarak değerlendirilmiştir. Literatür taraması sonuçlarına göre, çoklu motor konfigürasyonları ile geleneksel tek motorlu lokomotiflere kıyasla %20-50 yakıt tasarrufu, NOx emisyonlarında %80, partikül madde (PM) emisyonlarında %90 ve sera gazı emisyonlarında %37'ye varan azaltımlar sağlanabilmektedir. Ayrıca, çoklu motor sistemlerinin bakım maliyetlerini düşürdüğü, operasyonel esnekliği artırdığı ve lokomotif kullanılabilirlik oranını yükselttiği belirlenmiştir. Ayrıca, çoklu motor konfigürasyonunun Türkiye demiryolu sektöründe uygulanabilirliği; TCDD dizel lokomotif filosunun mevcut durumu, TÜRASAŞ yerli üretim kapasitesi ve 2053 net sıfır emisyon hedefi çerçevesinde değerlendirilmektedir. Çalışma, enerji yönetim stratejilerinin optimizasyonu, hibrit sistemlerle entegrasyon potansiyeli ve gelecek nesil düşük emisyonlu lokomotif teknolojileri hakkında öneriler sunmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Dizel-elektrik lokomotif
• Çoklu motor konfigürasyonu
• Genset lokomotif
• Yakıt tüketimi azaltımı
• Emisyon kontrolü
• Enerji yönetim stratejisi

Fuel Consumption and Emission Reduction through Multi-Engine Configuration in Diesel-Electric Locomotives

Öz

Diesel-electric locomotives remain the backbone of freight and passenger transportation on non-electrified railway lines worldwide. The operation of a single large diesel engine at partial loads in conventional diesel-electric locomotives results in low efficiency, excessive fuel consumption, and high emission levels. This study comprehensively examines the effects of multi-engine configurations, where multiple smaller diesel engines replace a single large diesel engine, on fuel consumption and emission reduction. The research evaluates genset locomotives, mainline multi-engine locomotives such as the Bombardier TRAXX DE ME (Class 245), and hybrid diesel-electric systems in detail. According to the literature review results, multi-engine configurations can achieve 20-50% fuel savings, up to 80% reduction in NOx emissions, up to 90% reduction in particulate matter (PM) emissions, and up to 37% reduction in greenhouse gas emissions compared to conventional single-engine locomotives. Furthermore, multi-engine systems have been found to reduce maintenance costs, increase operational flexibility, and improve locomotive availability rates. Furthermore, the applicability of multi-engine configuration to the Turkish railway sector is evaluated in the context of the current state of Turkish State Railways (TCDD)’s diesel locomotive fleet, Turkish Rail System Vehicles Industry Inc. (TÜRASAŞ)’s domestic manufacturing capacity, and Türkiye’s 2053 net-zero emission target. The study presents recommendations regarding the optimization of energy management strategies, integration potential with hybrid systems, and next-generation low-emission locomotive technologies.

Anahtar Kelimeler

• Diesel-electric locomotive
• Multi-engine configuration
• Genset locomotive
• Fuel consumption reduction
• Emission control
• Energy management strategy

Kaynakça

1. [1] EESI, "Electrification of U.S. Railways: Pie in the Sky, or Realistic Goal?", Environmental and Energy Study Institute, 2017.
2. [2] Britannica, "Locomotive – Diesel, Electric, Hybrid", Encyclopedia Britannica, Updated 2024.
3. [3] Federal Railroad Administration (FRA), "Locomotive Emissions Comparison Tool (LECT): Emissions Data Documentation", December 2023.
4. [4] North Carolina State University, "Evaluation of Locomotive Emissions Reduction Strategies", NCDOT Project 2016-20, Final Report.
5. [5] C. Marin, M. Radulescu, "Locomotive Diesel Engine Operation with Optimal Specific Fuel Consumption", Procedia Manufacturing, Vol. 46, pp. 270-277, 2020.
6. [6] Union Pacific Railroad, "Low-Emissions Locomotive Technology Brings Unique Challenges", Inside Track, October 2021.
7. [7] Union Pacific Railroad, "How Are Locomotives Getting More Fuel Efficient for the Railroad Industry?", UP Technology Report, 2022.
8. [8] National Railway Equipment (NRE), "N-ViroMotive Product Line – Ultra-Low Emitting Locomotives", NRE Technical Documentation, 2020.

9. [9] K. Barrow, "Four into One: Bombardier's Multi-Engine Traxx DE ME", International Railway Journal, September 2018.
10. [10] Bombardier Transportation, "TRAXX DE Multi-Engine Locomotive – Frame Contract with DB Regio AG for 200 Locomotives", Press Release, April 2011.
11. [11] Sudostbayernbahn, "Bombardier Delivers TRAXX Diesel Multi-Engine Locomotives", Mass Transit Magazine, 2014.
12. [12] European Commission, "Directive 2004/26/EC – Emission Standards for Non-Road Mobile Machinery", Official Journal of the European Union, 2004.
13. [13] J. de Graaf et al., "Analysis of Hybrid and Plug-In Hybrid Alternative Propulsion Systems for Regional Diesel-Electric Multiple Unit Trains", Energies, Vol. 14, No. 18, 5920, 2021.
14. [14] Progress Rail (Caterpillar), "Hybrid Diesel/Battery Electric Locomotives to Support Customers' Emission Reduction Goals", Press Release, InnoTrans Berlin, 2022.
15. [15] CRRC Ziyang Co., "HXN6 Hybrid Locomotive Technical Specifications", Railway Technology, July 2022.
16. [16] T. Din, S. Hillmansen, "Operation and energy evaluation of diesel and hybrid trains with smart switching controls", Control Engineering Practice, Vol. 117, 2021, 104927.
17. [17] J. Milošević, J. Deur, Z. Herold, "Comparative analysis of conventional diesel-electric and hypothetical battery-electric heavy haul locomotive operation", Energy, Vol. 219, 2021, 119524.
18. [18] Z. Wang, X. Li, Y. Zhang, "Novel hybrid power system and energy management strategy for locomotives", Applied Energy, Vol. 348, 2023, 121448.
19. [19] Railpower Technologies, "Green Goat Hybrid Switching Locomotives", Technical Report, 2005.
20. [20] U.S. Environmental Protection Agency (EPA), "Regulations for Emissions from Locomotives", 40 CFR Part 1033, 2008.
21. [21] Bureau of Transportation Statistics, "Federal Exhaust Emissions Standards for Locomotives", U.S. DOT, 2016.
22. [22] DieselNet, "Emission Standards: USA – Nonroad Diesel Engines" and "EU – Nonroad Engines", Online Database, 2024.
23. [23] ICCT, "European Stage V Non-Road Emission Standards", Policy Update, November 2016.
24. [24] California Air Resources Board (CARB), "NRE Tier 4 GenSet Locomotive Final Report and Addendum", July 2015.
25. [25] New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA), "Demonstration of Idle Reduction Technology for Short-Line Railroads", Technical Report, 2012.
26. [26] M. Saadat, M. Esfahanian, M.H. Saket, "Reducing fuel consumption of diesel-electric locomotives using hybrid powertrain and fuzzy look-ahead control", Proc. IMechE Part F: J. Rail and Rapid Transit, Vol. 231, No. 4, pp. 406-418, 2017.
27. [27] J. Škrbina, J. Deur, "Optimized Energy Management Control of a Hybrid Electric Locomotive", Machines, Vol. 11, No. 6, 589, 2023.
28. [28] M. Ghaviha, J. Bohlin, C. Holmberg, E. Dahlquist, "Real-world assessment of the energy consumption and emissions performance of a novel diesel-electric dual-drive locomotive", Cleaner Engineering and Technology, Vol. 22, 2024, 100791.
29. [29] J. Kim, Y. Lee, S. Choi, "A Study on Characteristic Emission Factors of Exhaust Gas from Diesel Locomotives", Applied Sciences, Vol. 10, No. 12, 4093, 2020.
30. [30] S. Park et al., "Investigation of real operation gaseous emissions from a diesel locomotive", Transportation Research Part D, Vol. 108, 2022, 103335.TCDD Genel Müdürlüğü, “Demiryolu Ağı ve Elektrifikasyon Verileri”, TCDD Resmi İstatistikler, 2024. (Elektrikli hat uzunluğu 7.142 km, toplam hat uzunluğu 13.919 km).
31. [31] Sayıştay Başkanlığı, “TCDD Taşımacılık A.Ş. 2024 Yılı Denetim Raporu”, Ankara, 2025. (Dizel ana hat lokomotiflerinin %75’i 30 yaş üzerinde, 2024 net zarar: 25 milyar TL).
32. [32] T.C. Cumhurbaşkanlığı Strateji ve Bütçe Başkanlığı, “On İkinci Kalkınma Planı (2024-2028)”, Ankara, 2023. (Elektrikli hat oranı hedefi: %72, sinyalli hat oranı hedefi: %80).
33. [33] TÜRASAŞ, “Yeni Nesil Lokomotifler – Teknik Özellikler”, TÜRASAŞ Resmi Web Sitesi, 2024. (DE 36000 Powerhaul, DE 10000K, DE 6000K teknik verileri).
34. [34] Ulaştırma ve Altyapı Bakanlığı, “Yerli ve Milli Lokomotif İçin 3 Yeni Fabrika”, Basın Açıklaması, Aralık 2024.
35. [35] TÜRASAŞ – TCDD Taşımacılık, “Eskişehir 5000 Elektrikli Anahat Lokomotifi Temin Sözleşmesi”, 95 adet lokomotif üretimi, 2024.
36. [36] Ulaştırma ve Altyapı Bakanlığı, “Milli CoCo Tipi 6 Akslı Anahat Lokomotifi Projesi”, Tasarım hedefi: 7,2 MW güç, Eylül 2025.
37. [37] TCDD Taşımacılık A.Ş., “35 Adet Dizel-Elektrik Anahat Lokomotifi Alım İhalesi”, İhale Sonucu: Stadler Rail Group, 274 milyon Euro, Ekim 2025.
38. [38] TLM16V185 Dizel Motorun Teknik Özellikleri, https://tubitak.gov.tr/sites/default/files/ek.tlm16v185_motor_katalogu.pdf