Verfahren und Einrichtung für eine bedarfsgerechte Druckluftversorgung eines Fahrzeuges, insbesondere eines Schienenfahrzeuges

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für eine bedarfsgerechte

Druckluftversorgung eines Fahrzeuges, insbesondere eines Schienenfahrzeuges, wobei durch einen mit einer Hauptbehälterluftleitung verbundenen Hauptluftkompressor zumindest der Hauptluftbedarf des Schienenfahrzeuges zum Betrieb eines

pneumatischen Bremssystems gedeckt wird, und wobei durch mindestens einen elektromotorisch betriebenen Hilfsluftkompressor mit dem gegenüber geringerer

Förderleistung zusätzliche Druckluft zum Betrieb von Nebenaggregaten erzeugt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Einrichtung, mit welcher ein derartiges

Verfahren durchführbar ist sowie ein das Verfahren verkörperndes

Computerprogrammprodukt.

Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf Schienenfahrzeuge, hauptsächlich auf elektrisch betriebene Schienenfahrzeuge, welche über einen

Pantographen die zum Betrieb erforderliche elektrische Energie von einer elektrischen Oberleitung her abgreifen. Neben dieser ersten Energiequelle im Hochvoltbereich besitzen die hier interessierenden Fahrzeuge auch eine zweite Energiequelle, beispielweise in Form einer oder mehrerer Fahrzeugbatterien, zur Speicherung elektrischer Energie im Niedervoltbereich. Die Fahrzeugbatterie ist zur Versorgung elektrischer Nebenaggregate vorgesehen, falls die erste Energiequelle nicht zur

Verfügung steht und wird während des Normalbetrieb des Fahrzeuges in einem hinreichenden Ladezustand gehalten.

Die vom Hauptluftkompressor erzeugte Druckluft wird in erster Linie zur Versorgung einer pneumatischen Fahrzeugbremsanlage verwendet. Bei Fahrzeugen der hier interessierenden Art existiert neben einem solchen Hauptluftkompressor mindestens ein Hilfsluftkompressor, der gegenüber dem Hauptluftkompressor eine weit geringere Förderleistung und geringere geometrische Abmessungen aufweist. Mit dem

Hilfsluftkompressor können pneumatisch betriebene Nebenaggregate, wie eine Sandungsanlage, Bordtoiletten, Luftfederung oder auch der Stellantrieb eines

Pantographen gespeist werden. Eine solche Hilfsluftversorgung findet jedoch nur im Normalbetrieb, also während der Fahrt oder bei kurzen Zwischenstopps auf der Strecke statt. Hiervon wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein sogenannter

Abstellbetrieb unterschieden, bei welchem das Fahrzeug über Nacht oder über einen noch längeren Zeitraum im geparkten Zustand abgestellt wird.

Die DE 10 2015 1 13 940 A1 offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zur Haupt- und Hilfsluftversorgung, insbesondere eines Schienenfahrzeuges mit einem über einen Elektromotor angetriebenen Kompressor zur Erzeugung von Druckluft für die Befüllung zumindest eines Hauptluftbehälters zur Versorgung von pneumatischen Aggregaten des Fahrzeuges, wobei das Fahrzeug über mindestens eine erste und zweite

Energiequelle zur Versorgung mit elektrischer Energie verfügt. Ein pneumatischer Stellantrieb ist zum Aufrüsten des Fahrzeuges und Aktivierung der ersten Energiequelle mit der vom Kompressor erzeugten Druckluft vorgesehen, indem in dieser Phase die zweite Energiequelle den Elektromotor des einzigen Kompressors des

Schienenfahrzeuges speist. Eine spezielle Schaltventileinrichtung führt die Druckluft zum Aufrüsten des Pantographen einem dem pneumatischen Stellantrieb zugeordneten Hilfsluftbehälter zu, welche der Bevorratung von Druckluft für das Aufrüsten des

Pantographen dient. Ansonsten führt die Schaltventileinrichtung die vom Kompressor erzeugte Druckluft dem Hauptluftbehälter zu, die mit einer Hauptluftbehälterleitung in Verbindung steht.

Nachteilhaft bei dieser technischen Lösung ist, dass geringfügige Leckagen im

Druckluftsystem dafür sorgen können, dass sich der Hilfsluftbehälter soweit entleert, dass eine Betätigung des Pantographens durch den pneumatischen Stellantrieb nicht mehr möglich ist. In diesem Fall des Unterschreitens eines unteren Grenzdrucks muss der Kompressor eingeschaltet werden, um den Druckverlust auszugleichen. Der Kompressor erzeugt aufgrund seiner Größe einen beträchtlichen Lärm, der zur

Belästigung von Anwohnern in der Nähe des abgestellten Fahrzeuges führen kann. Wenn zudem bei bestimmten Anwendungsfällen sichergestellt sein soll, dass der Pantograph während des gesamten Abstellbetriebs im permanenten Kontakt an der elektrischen Versorgungsleitung steht, so kann es zum Einschalten des Kompressors auch während der Nacht kommen. Ein permanenter Kontakt des Pantographen an der elektrischen Versorgungsleitung ermöglicht, dass das Fahrzeug jederzeit betriebsbereit gehalten wird. Hierdurch kann zudem elektrischer Strom abgegriffen werden, um auch bei schlechten Witterungsverhältnissen durch Versorgung von Heizeinrichtungen ein Einfrieren des Fahrzeuges oder dergleichen zu verhindern.

Wird der Kompressor für die Hilfsluftversorgung verwendet, so kann hierfür auch die elektrische Energie der Fahrzeugbatterie genutzt werden, welche dann über einen Umrichter dem Drehstrommotor des Kompressors zugeführt wird. Hierdurch ist ein Antrieb des Kompressors mit geringer Leistung und gegenüber einem Volllastbetrieb entsprechend geringerer Lärmemission möglich.

Die DE 10 2013 212 451 A1 offenbart eine Einrichtung für eine Druckluftversorgung eines Fahrzeuges, bei der neben einem Hauptluftkompressor auch ein

Hilfsluftkompressor mit dem gegenüber geringerer Förderleistung zum Betrieb einer hier als WC-Vorrichtung bezeichneten Toiletteneinheit vorgesehen ist. Die hierfür benötigte Druckluft wird über eine Hauptbehälterluftleitung zugeführt, wobei zusätzlich eine Hilfsluftleitung zum Betrieb pneumatischer Nebenaggregate vorhanden ist. Die

Hilfsluftleitung ist über ein Bypassventil mit der Toiletteneinheit strömungstechnisch verbunden, um entweder Druckluft aus der Hauptbehälterluftleitung oder Hilfsluftleitung für Spülungen der Toiletteneinheit verwenden zu können. Auf steuerungstechnische Maßnahmen für die Druckluftversorgung anderer Nebenaggregate wird bei diesem Stand der Technik nicht eingegangen. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Einrichtung für eine bedarfsgerechte Druckluftversorgung eines Fahrzeuges zu schaffen, mit

welchem/welcher das Aufrüsten eines Pantographens während des Abstellbetriebs des Fahrzeuges mit geringer Lärmemission möglich ist. Die Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch Anspruch 1 gelöst. Im Hinblick auf die hiermit korrespondierende Einrichtung wird auf Anspruch 6 verwiesen. Ferner ist ein Computerprogrammprodukt angegeben, welches Programmcodemittel zur

Durchführung des Verfahrens auf einer elektronischen Steuereinheit der Einrichtung angibt. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte

Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass während des

Abstellbetriebs des Fahrzeuges ausschließlich der mindestens eine Hilfsluftkompressor eingesetzt wird, um bei Bedarf Druckluft zu erzeugen, mit der ein per pneumatischem Stellantrieb betätigbarer Pantograph während des Abstellbetriebs in permanentem Kontakt an einer elektrischen Versorgungsleitung gehalten wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der Hauptluftkompressor während des

Abstellbetriebs abgeschaltet bleibt und erst aktiviert wird, wenn der Abstellbetrieb beendet ist, um in den Normalbetrieb des Fahrzeuges überzugehen. Hierfür ist es erforderlich, die Druckluftbehälter auf Solldruckniveau aufzufüllen. Wird dagegen während des Abstellbetriebs aufgrund von Leckagen oder geringfügigen

Luftverbräuchen Druckluft dafür benötigt, um einen Pantographen in permanentem Kontakt an der elektrischen Versorgungsleitung zu halten, so wird zu diesem Zweck vorzugsweise nur ein einziger Hilfsluftkompressor aktiviert. Dieser verursacht wegen seiner geringen Förderleistung weit weniger Lärmemission, als ein eingeschalteter Hauptluftkompressor, selbst wenn dieser nur hilfsweise batteriebetrieben in Gang gesetzt wird. Zudem lässt sich ein Hilfsluftkompressor wegen der geringen Baugröße besser abkapseln und gegebenenfalls innerhalb des Wagens des Schienenfahrzeuges integrieren.

Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die im Abstellbetrieb des Fahrzeuges per Hilfsluftkompressor erzeugte Druckluft zusätzlich zur Kompensation von Leckageverlusten in der Hauptbehälterluftleitung und/oder hieran angeschlossenen Sub-System des Fahrzeuges genutzt werden sollte. Als Sub-Systeme kommen beispielsweise andere druckmittelbetriebene

Nebenaggregate, wie Toilettenspülung, Sandungsanlage, Luftfederung in Betracht. Die Hauptbehälterluftleitung führt entlang des gesamten Fahrzeuges oder

Fahrzeugverbundes und steht mit mindestens einem Hauptluftbehälter in Verbindung, welcher der Bevorratung von Druckluft dient. An der Hauptbehälterluftleitung sind die Druckverbraucher des Fahrzeuges angeschlossen. Hierzu zählen auch die vorgenannten Sub-Systeme. Innerhalb dieses Leitungsnetzes steht während des Normalbet ebes ein Speisedruck von circa 8 bis 10 bar an. Tritt während des

Abstellbetriebes leckagebedingt Druckverlust ein, so kann also der Hilfsluftkompressor zur Wiederauffüllung genutzt werden. Hierdurch wird die Fahrbereitschaft während des Abstellbetriebes aufrechterhalten, ohne dass hierfür der Hauptluftkompressor eingeschaltet werden müsste, welcher eine nachteilhaft hohe Lärmemission

verursachen würde.

In diesem Zusammenhang wird weiterhin vorgeschlagen, dass zur Reduzierung des Druckluftverbrauchs durch Leckageverluste im Abstellbetrieb des Fahrzeuges die Sub- Systeme gänzlich abgesperrt werden können. Diese optionale Maßnahme kann beispielsweise durch den Sub-Systeme zugeordnete Absperrventile realisiert werden, welche möglichst nahe der Hauptbehälterluftleitung plaziert werden sollten. Daneben ist es auch denkbar, zur Erreichung desselben Ziels auch das Bremssystem während des Abstellbetriebs des Fahrzeuges von der Hauptbehälterluftleitung per Absperrventil abzukoppeln. Die Betätigung hierfür vorgesehener Absperrventile kann

elektromagnetisch oder per Vorsteuerung pneumatisch oder hydraulisch erfolgen.

Außerdem ist es ratsam, die Schaltstellung der Absperrventile zu Diagnosezwecken zu überwachen.

Gemäß einer anderen die Erfindung weiter verbessernden Maßnahme wird

vorgeschlagen, dass im Abstellbetrieb des Fahrzeuges der Einschaltdruck einer Traktionssperreinheit des Fahrzeugs gegenüber dem Normalbetrieb herabgesetzt wird. Mit einer Traktionssperreinheit wird bei einem Absenken des Drucks in der

Hauptbehälterluftleitung unterhalb 7 bis 7,5 bar eine Inbetriebnahme des Fahrzeugs aus Sicherheitsgründen verhindert. Denn erst bei hinreichend hohem Druck der

Hauptluftleitung von 8 bis 10 bar kann das Bremssystem sicher funktionieren. Daher bildet die Traktionssperreinheit eine Fahrsperre bei unzureichendem Druck. Allerdings braucht der vorgenannte Grenzdruck der Traktionssperreinheit während des

Absperrbetriebs des Fahrzeugs nicht überwacht und aufrechterhalten werden, da in diesem Zustand sowieso keine Fahrtaufnahme erfolgt, ohne das vorher eine Auffüllung des Druckluftsystems per Hauptluftkompressor durchgeführt wird. Wird während des Abstellbetriebs des Fahrzeuges der Einschaltdruck der Traktionssperreinheit reduziert, so wäre ein höherer Druckverlust durch Leckage tolerabel und der im Abstellbetrieb für die Wiederauffüllung erfindungsgemäß exklusiv verwendete Hilfsluftkompressor ist einer geringeren Einschaltbelastung ausgesetzt. Trotzdem lässt sich eine sichere Parkbremsung sicherstellen, indem hierfür vorzugsweise Federspeicherbremsen zum Einsatz kommen.

Der Hilfsluftkompressor ist im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung vorzugsweise über die Fahrzeugbatterie mit der nötigen elektrischen Antriebsenergie gespeist.

Insoweit kann der Hilfsluftkompressor in kompakter Bauform durch eine Baueinheit eines einzylindrigen Kolbenverdichters mit angeflanschtem Elektromotor ausgeführt werden. Daneben ist es auch denkbar, dass der Elektromotor des Hilfsluftkompressors als ein Drehstrommotor ausgebildet ist, dem zum Batteriebetrieb mit der

Fahrzeugbatterie ein Frequenzumrichter zugeordnet ist. Besteht ein elektrischer Oberleitungskontakt, so kann der Hilfsluftkompressor natürlich auch auf

Oberleitungsversorgung umgeschaltet werden, wozu bei einem Drehstrommotor eventuell eine Spannungsanpassung vorzunehmen ist.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Hilfsluftkompressor mit einem druckausgangsseitig angeordneten

Lufttrockner zur Entfeuchtung der vom Hilfsluftkompressor erzeugten Druckluft versehen ist. Ein solcher Lufttrockner kann beispielsweise als Einkammerlufttrockner oder als Zweikammerlufttrockner oder als Membrantrockner ausgeführt sein. Die Wahl des geeigneten Lufttrockners wird bestimmt durch die Luftförderleistung und, dem zur Verfügung stehenden Bauraum sowie den gewünschten Restfeuchtegrad der vom Hilfsluftkompressor erzeugten Druckluft.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung für eine Druckluftversorgung eines Schienenfahrzeuges mit pneumatisch betätigkbarem Panthographen zur elektrischen Energieversorgung, und Fig. 2 einen Ausschnitt aus dem System nach Figur 1 im Bereich der Hauptbehälterluftleitung mit angeschlossenen Sub-Systemen. Gemäß Figur 1 besteht eine Einrichtung zur Druckluftversorgung eines - hier nicht weiter dargestellten - Schienenfahrzeuges aus einem Hauptluftkompressor 1 zur Speisung einer längs durch das Schienenfahrzeug verlaufenden Hauptbehälterluftleitung 2 zur Deckung des Hauptluftbedarfs des Schienenfahrzeuges, insbesondere zum Betrieb des pneumatischen Bremssystems 3. Der Hauptluftkompressor 1 ist von einem Drehstrommotor 4 angetrieben, welcher zur elektrischen Energieversorgung über einen einfahrbaren Panthographen 5 - hier im ausgefahrenen Zustand gezeigt - mit einer elektrischen Versorgungsleitung 6 in Verbindung steht. Weiterhin ist ein über einen vergleichsweise kleiner dimensionierten Elektromotor 7 ein zusätzlicher

Hilfsluftkompressor 8 mit gegenüber dem Hauptluftkompressor 1 geringerer

Förderleistung vorgesehen, um zusätzlich Druckluft zum Betrieb von Nebenaggregaten zu erzeugen. An die Hauptbehälterluftleitung 2 ist außerdem ein pneumatischer

Stellantrieb 9 zur Speisedruckversorgung angeschlossen. Des sei darauf hingewiesen, dass die schematische Zeichnung zur Vereinfachung keine Ventile darstellt, welche natürlich zur Ansteuerung der Druckmittelaggregate erforderlich sind.

Über eine Steuereinheit 10 wird die Druckluftförderung des Hauptluftkompressors 1 sowie des Hilfsluftkompressors 8 je nach Druckluftbedarf angesteuert. Ein

exemplarischer Sensor 1 1 ist hier zur Erfassung des Istdrucks in der

Hauptbehälterluftleitung 2 vorgesehen, welcher diesen Messwert der Steuereinheit 10 zu Regelungszwecken in an sich bekannter Weiser zur Verfügung stellt. Hierdurch ist auch der Istdruck eines an die Hauptbehälterluftleitung 2 angeschlossen

Hauptluftbehälters 12 zur Bevorratung von Druckluft überwachbar.

Während des Normalbetriebes des Fahrzeuges erfolgt die Drucklufterzeugung bedarfsgerecht. Dies bedeutet, dass der Hauptluftkompressor 1 dann in Betrieb genommen wird, wenn ein Wiederauffüllen des Druckluftvorrats erforderlich ist. Dies wird durch einen Abfall des mit dem Sensor 1 1 gemessenen Istdrucks unter einem Grenzwert unterhalb 8 bar ausgelöst. Dagegen werden während des Abstellbetriebes des Fahrzeugs leckagebedingt auftretende Druckluftverluste nicht durch Inbetriebnahme des Hauptluftkompressors 1 kompensiert. Stattdessen wird erfindungsgemäß ausschließlich der Hilfsluftkompressor 8 aktiviert. Hierdurch lässt sich im Leckagefall über die lange Zeitdauer des

Abstellbetriebs hinreichend Druckluft erzeugen, um mit Hilfe des pneumatischen Stellantriebs 9 den Panthographen 5 in einem permanenten Kontakt an der elektrischen Versorgungsleitung 6 zu halten. Daneben kann der Hilfsluftkompressor 8 auch dafür verwendet werden, um die im Abstellbetrieb des Fahrzeuges auftretenden Leckageverluste an der

Hauptbehälterluftleitung 2 und den hieran angeschlossenen - hier nicht weiter dargestellten - Sub-Systemen des Fahrzeuges zu kompensieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die elektrische Energieversorgung des

Elektromotors 7 des Hilfsluftkompressors 8 durch eine Fahrzeugbatterie 13

sichergestellt werden. Da der Elektromotor 7 des Hilfsluftkompressors 8 hier als ein Drehstrommotor ausgebildet ist, ist für diesen Batteriebetrieb ein Frequenzumrichter 14 zwischengeschaltet. Daneben ist es auch möglich, den Elektromotor 7 des

Hilfsluftkompressors 8 direkt über die Versorgungsleitung 6 mit elektrischer Energie zu versorgen, allerdings nur dann, wenn Oberleitungskontakt besteht. Sollte also während des Abstellbetriebs eine Leckage im System der Hauptbehälterluftleitung 2 nicht zu einem Einfahren der pneumatischen Stelleinheit 9 führen, was ein entsprechendes Einsinken des Panthographen 5 und damit Kontaktverlust von der Versorgungsleitung 6 zur Folge hätte, so steht hierüber elektrische Antriebsenergie für den Hilfskompressor 8 zur Verfügung, um anderweitige Druckluftverluste während des Abstellbetriebs zu kompensieren, beispielsweise seitens der Sub-Systeme.

Zur Entfeuchtung der von Hilfsluftkompressor 8 erzeugten Druckluft ist ein Lufttrockner 15 in Form eines Einkammertrockners ausgangsseitig des Druckluftanschlusses des Hilfsluftkompressors 8 angeschlossen Gemäß Figur 2 werden einige exemplarische Sub-Systeme 16a bis 16c schematisch dargestellt, welche über die Hauptbehälterluftleitung 2 gespeist werden. Außerdem ist hier auch das pneumatische Bremssystem 3 illustriert, welches ebenfalls von der Hauptbehälterluftleitung 2 aus mit pneumatischer Energie versorgt wird.

Zur Reduzierung des Druckluftverbrauchs durch Leckageverluste im System der Hauptbehälterluftleitung 2 während des Abstellbetriebs des Fahrzeugs sind die Sub- Systeme 16a bis 16c sowie das Bremssystem 3 über je zugeordnete Absperrventile 17a bis 17d von der Hauptbehälterluftleitung 2 absperrbar. Die Einschaltung der

Absperrventile 17a bis 17d erfolgt zu Beginn des Abstellbetriebes des Fahrzeuges durch die Steuereinheit 10. Außerdem wird über einen Sensor 1 1 ' der Druck im

Bremssystem 3 separat überwacht, so dass hier das Absperrventil 17d zur

Leckageverlustreduzierung vorgeschaltet werden kann. Bei dem Sub-System 16a handelt es sich bei diesem Ausführungsbeispiel um eine Sandungseinheit, das Sub- System 16b stellt eine Luftfederungseinheit dar und das Sub-System 16c ist eine pneumatisch betätigbare Toilette. Natürlich können diese auch mehrfach vorgesehen werden.

Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene exemplarische Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, dass der Panthograph als eine

Stromabnahmeeinheit angesehen werden kann, welche nicht mit einer als Oberleitung ausgebildeten Versorgungsleitung einen elektrischen Kontakt herstellt, sondern mit einer Stromschiene unterhalb des Fahrzeuges, insbesondere Schienenfahrzeuges.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Hauptluftkompressor

2 Hauptbehälterluftleitung

3 pneumatisches Bremssystem

4 Elektromtor für Hauptluftkompressor

5 Panthograph

6 Versorgungsleitung

7 Elektromotor für Hilfsluftkompressor

8 Hilfsluftkompressor

9 pneumatischer Stellantrieb

10 elektronische Steuereinheit

1 1 Drucksensor

12 Druckluftbehälter

13 Fahrzeugbatterie

14 ^' Umrichter

15 Lufttrockner

16 Sub-System

17 Absperrventil