Kompressorsystem und Verfahren zum Betreiben eines Kom pressorsystems in Abhängigkeit des Druckiuftbedarfs eines Betriebszustands des Fahrzeugs

Die Erfindung betrifft ein Kompressorsystem und ein Verfahren zum Betrieb eines Kompressorsystems in Abhängigkeit des Druckiuftbedarfs eines Betriebszustands eines Fahrzeugs. Das Verfahren betrifft insbesondere den Betrieb eines Kompressorsystems in einem Betriebszustand in dem ein derart hoher Bedarf an Druckluft herrscht, dass die Gefahr einer Unterversorgung des Druckluftsystems besteht. Ein derartig hoher Bedarf wird im Folgenden als grenzwertig hoher Druckluftbedarf bezeichnet.

An Kompressoren in Schienenfahrzeugen werden vielfältige, teilweise konträre Anforderungen gestellt, wie beispielsweise eine hohe Lieferleistung, ausreichende Einschaltdauern, geringe Schallemissionen, ein niedriger Energieverbrauch, ein kleiner Bauraum, flexible Betriebsstrategien sowie niedrige Anschaffungs- und Life-Cycle- Kosten. Dabei gibt es je nach Betriebszustand des Schienenfahrzeugs stark unterschiedliche Anforderungsprofile an den Kompressor. Die typische Problemstellung bei der Auslegung eines Kompressors ist, den besten Kompromiss zwischen diesen Anforderungen zu finden, der in allen Betriebszuständen des Schienenfahrzeugs akzeptabel ist. In der Regel werden in Schienenfahrzeugen Kompressoren eingesetzt, die elektrisch angetrieben werden. Die Kompressoren werden in Ein-/ Ausschaltbetrieb zwischen einem unteren Einschaltdruck und einem oberen Abschaltdruck mit einer konstanten Drehzahl, der sogenannten Nenndrehzahl, oder einer variablen Drehzahl betrieben. Der Kompressor wird so dimensioniert, dass eine vorgegebene Auffüllzeit des Druckluftbehälters erreicht und eine minimale Einschaltdauer im Betrieb nicht unterschritten wird.

Die Baugröße und damit die Maximalleistung des Kompressors sind in der Regel so gewählt, dass im Streckenbetrieb, also bei regulärer Fahrt des Fahrzeugs, eine minimale Einschaltdauer nicht unterschritten und die maximale Auffüllzeit des Druckluftbehälters nicht überschritten wird. Zudem spielen weitere Faktoren wie beispielsweise der Wirkungsgrad und die Leistungsaufnahme bei Nenndrehzahl oder die Schaliemission bei verschiedenen Drehzahlen eine Rolle bei der Kompressordimensionierung. Im Streckenbetrieb wird der Kompressor intermittierend betrieben. Dabei wird der Kompressor gestartet, wenn der Druck im Druckluftbehälter auf den Einschaltdruck abgefallen ist. Beim Erreichen des Abschaltdrucks wird der Kompressor ausgeschaltet und erst nach einem Druckabfall bis auf den Einschaltdruck erneut gestartet. Während eines Stationsbetriebs, bei dem das Schienenfahrzeug am Bahnhof hält, wird der Kompressor ebenso wie während der Fahrt intermittierend betrieben. Da im Stillstand kein dominantes Fahrgeräusch vorhanden ist, sollten Schallemissionen des Kompressors und des Lüfters am Bahnsteig vermieden werden. Da die Luftfederung im Bahnhof einen erhöhten Luftbedarf wegen dem Ein-/ Aussteigen der Fahrgäste aufweist, führt dies häufig zum Einschalten des Kompressors und des Lüfters, falls der Druckluftspeicher bei der Einfahrt in die Haltestelle nicht vollständig gefüllt ist, und damit zu unerwünschten Schallemissionen während des Halts am Bahnhof.

Um einen ökonomischen und ökologischen Betrieb des Kompressors sicherzustellen, wurde der oben beschriebene intermittierende Betrieb dahin gehend weiterentwickelt, dass der Kompressor derart betrieben wird, dass sich der Luftdruck im Druckluftbehälter während der Fahrt des Fahrzeugs in einem Bereich knapp über dem Einschaltdruck bewegt. Die Förderleistung des Kompressors wird erst dann erhöht, wenn Druckluft verbraucht wird. Auf diese Weise können Luftdruckverluste aufgrund von Leckage minimiert werden und einen unnötiges Einschalten des Kompressors und ein damit verbundener Energieverbrauch verhindert werden.

Eine derartige Strategie birgt allerdings die Gefahr, dass bei einem unvorhergesehenen, plötzlich stark ansteigenden Druckluftverbrauch zu wenig Druckluft zur Verfügung steht und es somit eine Unterversorgung kommen kann. Die Unterversorgung kann das Auslösen einer T raktionssperre zur Folge haben, so lange bis der Druckluftbehälter wieder aufgefüllt ist, wodurch es zu Verzögerungen im Ablauf des Verkehrs kommen kann.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kompressorsystem und ein Verfahren zum Betrieb eines Kompressorsystems bereitzustellen, durch welche die Gefahr einer Unterversorgung minimiert und kurzfristig auf einen außergewöhnlich hohen Bedarf an Druckluft reagiert werden kann, ohne den Luftdruck im Druckluftbehälter dauerhaft zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch das Kompressorsystem und das Verfahren zum Betrieb eines Komp resso rsyste ms gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.

Erfindungsgemäß weist ein Kompressorsystem für ein Schienenfahrzeug wenigstens einen Kompressor zur Erzeugung von Druckluft für wenigstens einen Druckluftbehälter auf, wobei die Förderleistung des wenigstens einen Kompressors zumindest mittelbar über wenigstens eine Regelungseinrichtung einstellbar ist. Weiterhin ist in einer stromabwärts vom wenigstens einen Kompressor angeordneten druckluftführenden Leitung optional zumindest ein Drucksensor angeordnet, wobei anhand des damit gemessenen Drucks die wenigstens eine Regelungseinrichtung den wenigstens einen Kompressor regelt. Die wenigstens eine Regelungseinrichtung des wenigstens einen Kompressors ist dabei weiterhin derart konfiguriert, dass sie in einem besonderen Bedarfsfall die Förderleistung des wenigstens einen Kompressors über eine festgelegte Betriebsmaximalleistung hinaus erhöhen kann, auch wenn dies eine Überschreitung der im Normalbetrieb festgelegten Grenzwerte bezüglich Lärm oder Leistungsaufnahme bedeutet. Vorzugsweise geschieht diese Erhöhung der Förderleistung lediglich kurzzeitig, um den sicheren Betrieb nicht zu gefährden.

Unter der Betriebsmaximalleistung wird im Rahmen dieser Anmeldung diejenige Leistung verstanden, mit der der wenigstens eine Kompressor im normalen Betrieb (also kein besonderer Bedarfsfall) maximal betrieben wird. Diese muss nicht zwangsweise die Maximalleistung oder die Nennleistung (maximal im Dauerbetrieb erreichbare Leistung) des wenigstens einen Kompressors darstellen. Es ist beispielsweise denkbar, dass als Betriebsmaximalleistung des Kompressors lediglich 80% der Nennleistung des Kompressors festgelegt werden, um den wenigstens einen Kompressor besonders verbrauchsgünstig und verschleißoptimiert zu betreiben. Durch die Erhöhung über die Betriebsmaximalleistung des Kompressors hinaus kann im Bedarfsfall eine Förderleistung zur Verfügung gestellt werden, die es erlaubt, den in diesem Fall erhöhten Druckluftanforderungen gerecht zu werden, sodass eine Unterversorgung des Systems verhindert werden kann, oder der Druckluftbehälter beim Einfahren in eine Haltestelle voll befüllt werden kann, obwohl ein erhöhter Verbrauch an Druckluft vorliegt. Somit kann ein Anspringen des Kompressors während des Aufenthalts im Bahnhof bzw. während eines Stillstands vermieden und somit die Lärmbelastung reduziert werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in einer stromabwärts vom wenigstens einen Kompressor angeordneten druckluftführenden Leitung zumindest ein Drucksensor angeordnet, anhand dessen der Luftdruck bzw. der Luftdruckgradient bestimmt wird. Durch die Bestimmung des Luftdrucks oder dessen Gradienten kann ein besonderer Bedarfsfall besonders einfach und effektiv erkannt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der besondere Bedarfsfall dann gegeben, wenn ein grenzwertig hoher Druckluftverbrauch besteht. Somit wird in einem Fall, in dem der Druckluftverbrauch einen bestimmten Grenzwert überschreitet, die Förderleistung des wenigstens einen Kompressors über die festgelegte Betriebsmaximalleistung hinaus erhöht.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die wenigstens eine Regelungseinrichtung dazu konfiguriert, die Förderleistung des wenigstens einen Kompressors insbesondere über die Drehzahl des Kompressors einzustellen.

Weiterhin vorteilhaft ist eine Ausführungsform, in der das Kompressorsystem wenigstens einen Sensor aufweist, der dazu konfiguriert ist, einen Messwert aufzunehmen, der dafür geeignet ist, das Kompressorsystem im Fall, dass die Förderleistung des wenigstens einen Kompressors über der festgelegten Betriebsmaximalleistung des Kompressors liegt, zu überwachen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der wenigstens eine Kompressor bei erhöhter Förderleistung keinen Schaden nimmt, um überflüssige und kostenintensive Wartungsarbeiten zu verhindern. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Kompressorsystem eine Mensch-Maschine-Schnittsteile auf. Diese ist im Cockpit des Fahrzeugführers angeordnet und kann von diesem bedient werden. Ist dies der Fall, wird direkt der besondere Bedarfsfall an die wenigstens eine Regelungseinrichtung (5) übermittelt, sodass diese die Förderleistung des wenigstens einen Kompressors über die festgelegte Betriebsmaximalleistung hinaus erhöht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die wenigstens eine Regelungseinrichtung dazu konfiguriert, in einem weiteren besonderen Bedarfsfall unter Berücksichtigung festgelegter Betriebsparameter das Einschalten des Kompressorsystems zu unterdrücken. Derartige Betriebsparameter können beispielsweise die Position des Fahrzeugs in Zusammenhang mit der aktuellen Uhrzeit und dem aktuellen Datum oder der Druck im Druckluftbehälter sein.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung eines erfindungsgemäßen Kompressorsystems wird der wenigstens eine Kompressor im besonderen Bedarfsfall, insbesondere eines grenzwertig hohen Druckluftverbrauchs, mit einer Drehzahl betrieben, die größer ist als eine bestimmte Drehzahl, welche zu einer festgelegten Betriebsmaximalleistung des Kompressors führt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der besondere Bedarfsfall vom Fahrzeugführer und/oder der Fahrzeugsteuerung an die wenigstens eine Regelungseinrichtung gemeldet. Besonders vorteilhaft ist die Ausführungsform dann, wenn der Bedarfsfall durch die Fahrzeugsteuerung erst dann gemeldet wird, wenn sie vom Zugführer bestätigt wird, da somit bestmöglich sichergestellt werden kann, dass die überhöhte Förderleistung auch wirklich als notwendig erachtet werden kann. Im Falle eines autonom operierenden Fahrzeugs kann die Fahrzeugsteuerung alleine den Bedarfsfall an die Regelungseinrichtung weiter geben.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen: Fig. 1 zeigt eine schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen Kompressorsystems

Fig. 2 zeigt zwei Diagramme welche zum einen die Drehzahl des Kompressors und zum anderen den Luftdruck im Druckluftbehälter über der Zeit darstellen

Gemäß Fig. 1 weist ein Kompressorsystem für ein Schienenfahrzeug einen Kompressor 3 zur Erzeugung von Druckluft auf. Die vom Kompressor 3 erzeugte Druckluft wird über eine druckluftführende Leitung 6 zu einer Kühlereinheit 9 mit einem Kühlerlüfter 14 geleitet. Stromabwärts der Kühlereinheit 9 sind in der Druckluft führenden Leitung 6 ein Drucksensor 7 und ein Temperatursensor 13b angeordnet. Des Weiteren mündet die druckluftführende Leitung 6 in einen Vorabscheider 11 , dem eine Luftaufbereitungsanlage 12 nachgeschaltet ist. Die getrocknete und von Partikeln gesäuberte Druckluft wird dann in einen Druckluftbehälter 4 gespeist. Ein Temperatursensor 13a, der am Kompressor 3 angeordnet ist, sowie der Temperatursensor 13b und der Drucksensor 7 senden allesamt die gemessenen Temperaturen und den gemessenen Druck an eine Regelungseinrichtung 5. Ferner erhält die Regelungseinrichtung 5 auch von einer Fahrzeugsteuerung 2 und dem Fahrzeugführer 1 Signale. Darüber hinaus ist die Regelungseinrichtung 5 dazu geeignet, sowohl die Drehzahl der Kühlereinheit 9 als auch den Kompressor 3 selbst zu regeln. Weiterhin ist eine elektrische Versorgung 15 vorgesehen, welche den Kompressor 3 über die Regelungseinheit 3 mit Strom versorgt. Je nach geforderter Kompressordrehzahl ist die Regelungseinrichtung somit in der Lage die Stromversorgung des Kompressors üblicherweise mittels eines F req uenzumrichters zu regeln.

Gemäß Figur 2 wird ersichtlich, dass über die Drehzahl des Kompressors 3 der Luftdruck in dem Druckluftbehälter 4 einstellbar ist. Das obere Diagramm veranschaulicht den Verlauf der Drehzahl über der Zeit während das untere Diagramm den Verlauf des Luftdrucks in dem Druckluftbehälter 4 über die Zeit darstellt. Der Kompressor 3 wird in einem Auffüllbetrieb A des Schienenfahrzeugs mit einer für eine Betriebsmaximalleistung des Kompressors erforderlichen Drehzahl m betrieben, bis der Luftdruck im Druckluftbehälter 4 den Abschaltdruck a erreicht. In einem darauf folgenden Streckenbetrieb N, in dem das Schienenfahrzeug im Regelbetrieb auf einer Strecke fährt, wird der Kompressor 3, sobald der Druckluftbehälter gefüllt ist, zunächst abgeschaltet. Anschließend wird er, nachdem ein erheblicher Teil der Druckluft während der Fahrt verbraucht wurde, mit einer variablen Drehzahl, geringfügig oberhalb der minimalen Drehzahl i, betrieben. Der Luftdruck im Druckluftbehälter 4 wird dabei in einem Bereich gehalten, der geringfügig oberhalb des Einschaltdrucks e eingestellt wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass lediglich so viel Druckluft erzeugt wird, wie auch tatsächlich verbraucht wird und dass somit ein ökonomischer Betrieb sichergestellt werden kann, da der Druckverlust bei hohem Druck aufgrund von Leckage höher ist als bei geringerem Druck. Zudem sind auch die energetischen Verluste bei einem niedrigeren Druckniveau ebenfalls geringer.

Bewegt sich der Luftdruck in einem Bereich knapp oberhalb des Einschaltdrucks e, wie im ersten Streckenbetrieb N des unteren Diagramms aus Figur 2 angedeutet, kann ein kurzzeitig hoher Druckluftbedarf zu einer Unterversorgung des Druckluftsystems führen. Tritt dieser Fall ein, wird ein "Boost-Mode-Betrieb" BM aktiviert, um den Druckspeicher möglichst schnell zu füllen. Dabei wird die Drehzahl kurzzeitig über der beispielsweise aufgrund von Schallemissionen oder Leistungsaufnahme des Kompressors festgelegten Drehzahl m, welche zur Betriebsmaximalleistung des Kompressors führt, in einem Bereich "Boost-Mode-Drehzahlbereich" bm betrieben, um eine Druckluftunterversorgung zu vermeiden. Der "Boost-Mode-Betrieb" BM kann dabei durch den Fahrzeugführer oder automatisch durch das Zugsteuerungssystem ausgelöst werden. Ein kurzzeitig hoher Druckluftbedarf kann beispielsweise aufgrund einer notwendigen abrupten Bremsung bei einer hohen Last des Zuges notwendig werden.

Ist der Druckluftstand des Systems wieder stabilisiert, wird nach dem "Boost-Mode- Betrieb" BM in Figur 2 der normale Bremsbetrieb B weitergeführt. Dabei wird der Kompressor 3 mit der Maximaldrehzahl m weiter betrieben und der Druckluftbehälter 4 wird bis zu einem maximalen Überdruck x gespeist, wobei der Kompressor 3 nach Erreichen des maximalen Überdrucks x mit einer variablen Drehzahl, zwischen Nenndrehzahl n und minimaler Drehzahl i, geringfügig oberhalb der minimaler Drehzahl i betrieben wird. Nach Beenden des Bremsbetriebs B wird der Kompressor 3 abgeschaltet und erst bei Erreichen des Einschaltdrucks e auf die minimale Drehzahl i eingestellt. Das Schienenfahrzeug befindet sich somit wieder im Streckenbetrieb N.

Vor einem Stationsbetrieb S erhält die Regelungseinrichtung 5 von der Fahrzeugsteuerung 10 ein Signal über den bevorstehenden Stationsbetrieb S, wobei die Drehzahl des Kompressors 3 normalerweise auf die maximale Drehzahl m eingestellt wird, um den mindestens einen Druckluftbehälter 4 bis zum maximalen Überdruck x zu speisen. Reicht die Zeit bis zum Stillstand des Zuges nicht aus um den Luftdruck im Druckluftbehälter 4 auf den maximalen Luftdruck x anzuheben, oder tritt während des Bremsvorgangs ein unerwartet hoher Luftdruckbedarf auf, so wird ebenfalls der "Boost-Mode-Betrieb" BM aktiviert und die Drehzahl des Kompressors über die festgelegten Maximaldrehzahl m angehoben, um den Druckluftbehälter 4 vollständig zu füllen. Während des Stationsbetriebs S wird der Kompressor 3 möglichst über den gesamten Aufenthalt in der Haltestelle abgeschaltet, um möglichst geringe Geräuschemissionen an der Haltestelle zu verursachen. Aus diesem Grunde ist es insbesondere bei hohem Druckluftverbrauch im Stand beispielsweise durch großen Lastwechsel des Fahrzeugs durch ein- und aussteigende Fahrgäste wichtig, dass der Druckluftbehälter bei der Einfahrt in die Haltestelle maximal gefüllt ist. Bei Erreichen des Einschaltdrucks e wird der Kompressor 3 auf die minimale Drehzahl i eingestellt. Das Schienenfahrzeug befindet sich nach dem Stationsbetrieb S wieder im Streckenbetrieb N. In einem Over-Night-Standby-Betrieb O wird der Kompressor 3 intermittierend zwischen der minimalen Drehzahl i beim Abfallen des Druckes auf den Einschaltdruck e und der Abschaltung des Kompressors 3 beim Erreichen des Abschaltdrucks a betrieben.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, dass der Kompressor 3 eine Vielzahl von Druckluftbehältern 4 speist. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass das Stellglied 8 über zwei Ausgänge verfügt und somit sowohl die Drehzahl der elektrischen Maschine 1 als auch die Drehzahl des Kühlerlüfters 14 durch die Regelungseinrichtung 5 einstellt.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Fahrzeugführer

2 Fahrzeugsteuerung

3 Kompressor

4 Druckbehälter

5 Regeleinrichtung

6 Druckluftführende Leitung

7 Drucksensor

9 Kühlereinheit

11 Vorabscheider

12 Druckluftaufbereitungsanlage

13a Temperatursensor (Kompressor)

13b Temperatursensor (Druckluft)

14 Kühlerlüfter

15 elektrische Versorgung m Drehzahl des Kompressors bei Betriebsmaximalleistung n Nenndrehzahl des Kompressors i Minimaldrehzahl des Kompressors bm Boost-Mode-Drehzahlbereich x maximaler Luftdruck im Druckluftbehälter a Ausschaltdruck e Einschaltdruck

A Auffüllbetrieb

N Streckenbetrieb

B Bremsbetrieb

S Stationsbetrieb

O Übernachbetrieb

BM Boost-Mode-Betrieb