JP2023503991A - 鉄道車両用コンプレッサシステムおよびコンプレッサシステムの冷却装置を制御するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、鉄道車両用コンプレッサシステム（１）に関しており、該コンプレッサシステム（１）は、コンプレッサ（１０）と、冷却装置（４０）と、制御装置（３０）または該制御装置（３０）の制御信号を受信するためのインターフェースとを備え、ここで、制御装置（３０）は、コンプレッサ（１０）の動作に依存せずに冷却装置（４０）を駆動制御し、操作変数（ｕＲ，ｕＳ）として制御装置（３０）によって予め設定可能な可変の冷却流体体積流量、特に冷却空気体積流量を提供することができるように構成されている。

Description

本発明は、鉄道車両用コンプレッサシステム、コンプレッサシステムの冷却装置を制御するための方法ならびにこの目的のために想定されたコンピュータプログラム製品に関する。

コンプレッサは、多くの技術的用途に使用されている。現代の鉄道車両では、そのような使用分野の一例として、騒音排出の低減がますます重要になっている。同時に、コンプレッサの温度収支は、全温度域で保証する必要があり、鉄道車両では、例えば、－４０℃～＋５０℃の間で、狭い設置空間でも保証する必要がある。

鉄道車両の圧縮空気コンプレッサの従来のコンプレッサシステムは、コンプレッサならびに場合によってはアフタークーラーを含むか、または２段式ピストンコンプレッサの場合のようにインタークーラーとアフタークーラーとを含む。コンプレッサは、ピストンマシンとして実施することができ、あるいはロータリーコンプレッサ、例えばスクリューコンプレッサもしくはスクロールコンプレッサとして実施することもでき、主に空冷式である。ここでの空気冷却は、例えば１つ以上のファンまたは電動ファンなどのファンを介して行われ、これらのファンは、機械的または信号技術的な結合によりコンプレッサ回転数に応じて動作する。

それにもかかわらず、周囲温度が高く、室内環境が良くないとコンプレッサがオーバーヒートすることが頻繁に起こる。逆に、この直結方式によれば、それによってもたらされる高い冷却能力により、低い吸気温度で短い動作時間の場合に、内部の氷結もしくは結露蓄積およびそれに伴う動作制限ならびに摩耗や腐食の増加などのリスクが生じる。この結果、従来の冷却システムでは冷却器ファン回転数とコンプレッサ回転数との結合に基づき解決することができない目標の競合が生じる。

したがって、上記の記述に鑑みて本発明の課題は、コンプレッサシステムの改善された冷却性を可能にする、コンプレッサシステム、コンプレッサシステムの冷却装置を制御するための方法、ならびに該方法を実行するためのコンピュータプログラム製品を提供することである。

この課題は、独立請求項に記載のコンプレッサシステム、コンプレッサシステムの冷却装置を制御するための方法、ならびにコンピュータプログラム製品によって解決される。本発明の好適な発展形態は、従属請求項に含まれる。

本発明によれば、本コンプレッサシステムは、コンプレッサと、冷却装置と、制御装置または該制御装置の制御信号を受信するためのインターフェースとを備え、制御装置は、コンプレッサの動作、特に回転数に依存せずに冷却装置を駆動制御するように構成されている。

したがって、本コンプレッサシステムの冷却装置は、コンプレッサのコンプレッサ回転数に依存することなく最適な動作に必要な冷却能力に合わせて動作させることができる。これは、冷却装置の独立したエネルギー駆動の別個の信号技術的な駆動制御を介して実施することができ、かつ／または例えば冷却装置とコンプレッサとの機械的な結合の場合でも、切り替え可能な変速比を使用することによって実施することができる。さらに、冷却装置の別個の信号技術的な駆動制御は、そのような場合の駆動制御が、コンプレッサが基本的にスイッチオン／オフされているかどうかにも依存しないという利点を提供する。

この場合、別個の信号技術的な駆動制御は、コンプレッサおよび冷却装置のための別個の制御装置を必ずしも必要とするのではなく、むしろ独立した信号転送および独立した信号内容に向けられている。そのような独立性は、冷却装置の駆動制御のための信号生成の際に、場合によってはコンプレッサの動作状態も考慮することによって制限されない。例えば、基本的には独立した駆動制御を行うことができるが、ここでは、所定のコンプレッサ回転数から冷却装置の少なくとも１つの基本動作が想定される。

冷却装置の動作は、別個の信号技術的な駆動制御を介して行うことができ、この場合、コンプレッサが冷却装置と並行して動作する動作状態において、コンプレッサ回転数と、冷却装置の動作との機械的な結合を支援することができる。この観点において、冷却装置の駆動制御は、それでもなお独立しており、この場合の結合は、単に選択可能な駆動機能または駆動支援を表す。

コンプレッサの動作に依存しない冷却装置の駆動制御により、冷却装置を必要に応じてスイッチオン／オフすることができる。これによって、過熱および／または結露蓄積を回避もしくは少なくとも軽減することができる。特に、そのような冷却装置は、繰り返される動作シナリオの場合、予防的に使用可能である。

したがって、コンプレッサシステム、特にコンプレッサ自体は、最適な動作点で動作させることができる。これは、コンプレッサシステムの効率や耐用年数にプラスの効果があるだけでなく、むしろ下流側に配置された乾燥機の過度に高い乾燥機入口温度による過負荷も回避することができ、これによって、乾燥機の効率や乾燥剤の耐用年数も向上する。

さらに、冷却装置は、制御装置によって操作変数として予め設定可能である可変の冷却流体体積流量、特に冷却空気体積流量を提供することができるように構成されている。

これに関連して、制御装置は、冷却装置の純粋な開ループ制御に限定されるのではなく、むしろこれを介して実施形態に応じて閉ループ制御に向けられてもよいことに留意されたい。したがって、これは、対応する閉ループ制御変数が監視および比較される場合である。「制御（する）」という用語が使用される限り、これは閉ループ制御も共に含むことができ、つまり、例えば、対応する検出ユニットが設けられているか、または設けられる場合、このことが除外されない限り閉ループ制御まで拡張されてよい。

したがって、冷却装置は、単位時間あたりに冷却のために提供される流体体積を変更することができる適合装置を有している。例えば、この目的のために、流体の流量を、バルブ位置を介して相応に駆動制御することができ、あるいは生成量をファン回転数に従った流量のように駆動力を介して相応に駆動制御することができる。それらの良好な可用性に基づいて、冷却剤としての空気の使用は、簡素で安価な解決手段を示す。空気は単独で冷却剤として使用されないにもかかわらず、少なくとも空気流量の変化により、冷却を簡単に適合することができる。

代替的または補足的に、操作変数として冷却流体温度および／または冷却装置のスイッチオンおよびスイッチオフ時点も利用することができる。

コンプレッサシステムが、冷却装置および／またはコンプレッサを駆動制御するための固有の制御装置を含んでおらず、むしろ対応する外部制御装置の受信のためのインターフェースのみを有している場合、コンプレッサシステムは、簡素に構築されてよい。

コンプレッサシステムの１つの実施形態では、制御装置は、コンプレッサシステムの中央制御装置、特にインバーターであるか、またはコンプレッサシステムは、鉄道車両の中央制御装置の制御信号を受信するためのインターフェースを有する。

鉄道車両の中央制御装置の場合、冷却装置および／またはコンプレッサの駆動制御のためのさらなる影響因子を考慮することができる。中央インテリジェンスには、特定のフレームワーク条件への応答特性を加速させ、明確化し、かつ／または鉄道車両のさらなる機能性部品に関して調整するために、自己学習機能を含めることもできる。この制御装置の自己学習機能によれば、コンプレッサが、例えば低いデューティサイクルで動作し、温度をスイッチオン全体にわたって平均して最適化するように冷却装置のデューティサイクルおよびスイッチオン特性が最適化される場合に、不所望な動作状況を回避することができる。そのため、冷却装置は、例えば重要な部品の最適な（摩耗の少ない）動作に必要な最低温度に到達し、かつ冷却能力が温度および／または圧力などの１つ以上の重要なプロセスパラメータに基づいて閉ループ制御される場合にのみ作動できる。鉄道車両の中央制御装置に対する上記の説明は、同様にコンプレッサシステムの中央制御装置に移行させることができる。コンプレッサシステムの中央制御装置を介して直接提供されないさらなる影響変数を考慮するために、対応する入力信号を受信するための対応するインターフェースを必要に応じて設けることができる。

１つの実施形態では、コンプレッサシステムは、空気温度および／または油温および／または部品温度を検出するための温度検出ユニットを備え、ここで、制御装置は、温度検出ユニットによって検出された温度に基づいて、特に、空気温度、油温、および／または部品温度に基づいて冷却装置を駆動制御するように構成されている。

したがって、操作変数の適合は、少なくとも１つの温度信号に基づく閉ループ制御の形態で行われる。温度測定を介すことにより、過熱および／または結露の確率について直接的な結論を導き出すことができる。そのため、例えば、制御装置に格納されている限界値または他のアルゴリズムに依存して、操作変数適合を行うことができる。対応する温度検出ユニットは、１つ以上の温度センサを含むことができる。

さらに、部品温度の測定によれば、一般的な過熱および／または結露のリスクを検出してこれに対処することができるだけでなく、むしろ、例えばエラストマー、ベアリンググリース、ピストンリング、または他の温度劣化に敏感な材料などの過度な摩耗や経年劣化に関する部品温度を監視することも可能である。実際に過熱が起きていなくても、それに基づいた保守管理間隔の適合のために、部品の温度データを文書化することができる。これは、油温の測定についても同様に当てはまる。

ただし、代替的または補足的に、過熱および／または結露の確率と相関する他の測定変数が冷却装置の制御のために使用されることも可能である。結露または対応する確率に関して、例えば、湿度センサを使用することもできる。

さらなる発展形態では、コンプレッサシステムは、コンプレッサを通って流れる空気の通流方向においてコンプレッサの下流側に配置されたアフタークーラーおよび／またはインタークーラーを含み、制御装置は、空気のアフタークーラー出口温度および／またはインタークーラー出口温度および／またはオイルパン温度に基づいて冷却装置を駆動制御するように構成されている。

空気のアフタークーラー出口温度および／またはインタークーラー出口温度の測定により、アフタークーラーおよび／または例えば２段式コンプレッサの場合、通流方向においてコンプレッサの第１の圧縮段の下流側で、コンプレッサの第２の圧縮段の上流側に配置され、それにアフタークーラーが続くインタークーラーの冷却能力が過熱および／または結露の確率に関して考慮される。したがって、冷却装置の駆動制御は、コンプレッサおよびそれぞれのクーラーの可能な性能データもしくは動作設定に依存することなく行うことができる。すなわち、それぞれの温度は、直接検出され、他の変数を介して間接的に導出されるものではない。このことは、原理的に可能なはずである。間接的な導出の場合、例えば、空気のコンプレッサ出口温度を測定する場合、アフタークーラーおよび／またはインタークーラーによるさらなる冷却を制御装置にマッピングする必要が生じかねず、このことは、制御アルゴリズムの複雑さの度合いを高め、またアフタークーラーおよび／またはインタークーラーの想定される冷却能力と実際の冷却能力とのずれが考慮されないままになる。

オイルパン温度の代替的または補足的な測定により、さらにそれに適合した冷却装置の駆動制御により、過度に低い温度で水が油に混入することや温度に起因するオイル寿命の低下にも対処することができる。

さらに、両方の温度を合わせた冷却装置の駆動制御を行うことができるようにするために、アフタークーラーの出口温度もオイルパン温度も測定することが有利な場合もある。同様に、温度検出ユニットのうちの１つの故障は、それぞれ他の温度検出ユニットによって補償することができる。また、冗長的な設計の他に、並列測定を介して妥当性検査でさえも行うことが可能であり、これにより、特に温度検出ユニットの誤機能の示唆が供給される。これは、温度検出ユニットにおける複数のセンサの使用についても同様に当てはまる。これらの利点は、空気のアフタークーラー出口温度およびオイルパン温度に限定されるのではなく、少なくとも２つの異なる測定変数に関連する他の検出ユニットによる検出についても同様に当てはまる。

１つの実施形態では、上記の温度検出ユニットまたはさらなる温度検出ユニットは、コンプレッサシステムのアフタークーラーおよび／またはインタークーラーの領域に、特にアフタークーラーおよび／またはインタークーラーの空気流下流側の空気流に設けられている。

既に述べたように、アフタークーラーの領域における温度の考慮は、制御アルゴリズムの設計を簡素化させ、駆動制御の信頼性を向上させる。得られた測定信号は、単独で、またはさらなる測定信号と関連させて利用することができる。特に、アフタークーラーの下流側の空気流における測定は、良好なアクセス性に基づいて温度検出ユニットの配置構成に関して利点になり得る。

特に、制御装置は、冷却装置の駆動制御のための入力変数として、空気のアフタークーラー出口温度およびオイルパン温度と、空気のアフタークーラー出口温度およびオイルパン温度のそれぞれの予め定められた限界値との差分比較を考慮するように構成されており、特に、予め定められた限界値を上回るそれぞれの温度差分が生じた場合に内側循環油路および外側循環油路を制御するための操作変数として当該差分比較を使用するように構成されている。

通常、例えば、油潤滑式コンプレッサの場合、オイルパン温度の最大限界値を上回らないようにするために、オイルパン温度が予め定められた最小限界値に達した時点から、オイルクーラーを通過しない内側循環油路から、オイルクーラーを通って案内される外側循環油路に切り替わる。しかしながら、上記の実施形態によれば、これについては、オイルパン温度だけが観察されるのではなく、むしろアフタークーラー出口温度も観察される。外側循環油路への切り替えは、これにより、既に単独ではオイルパン温度の最小限界値到達時点に行うことはできないが、むしろオイルパン温度がオイルパン温度の最大限界値以下であり、かつ空気のアフタークーラー出口温度がアフタークーラー出口温度の予め定められた限界値以下である限り、遅延させることができる。外側循環油路への切り替えは、この場合は、前述した基準の１つがもはや満たされない場合、つまり、オイルパン温度の最大限界値および／またはアフタークーラー出口温度の予め定められた限界値に到達するかそれを上回る場合にのみ想定される。

さらなる発展形態では、制御装置は、冷却装置の駆動制御のために、温度損失、特にハウジングを介した温度損失、および／または温度慣性、特に油温の慣性を、外乱変数として、特に少なくとも１つの比例制御部品を介して考慮するように構成されている。

コンプレッサやアフタークーラーハウジングなどを介した温度損失および／または温度慣性は、閉ループ制御変数に障害的な影響を与える可能性がある。１つ以上のそのような外乱変数を考慮することにより、閉ループ制御区間は操作変数を相応に適合することができる。比例制御部品の使用は、迅速な応答を可能にする。この比例制御部品は、例えば、ＰＴ１またはＰＴ２部品またはＰＩＤ制御器を含んでいてよい。

１つの実施形態では、冷却装置は、少なくとも１つのファン、特に少なくとも１つの電気ファンを含む。

冷却装置としてのファンは、対応するコンプレッサシステムに簡単に統合して後付けすることができる。冷却装置が複数のファンを含む場合、冷却は的を絞って局所的に行うことができ、それぞれの冷却能力を、冷却すべき対象物および／または冷却すべき空気流量までの比較的短い距離に基づく所要の空気流量の低減により減少させることができる。

特に、コンプレッサシステムの循環油路用のそれぞれ少なくとも１つのファンと、圧縮空気後部冷却用および／または圧縮空気中間冷却用のファンとが設けられている。

循環油路も圧縮空気も、過熱または過冷却の影響に関して開ループ制御変数または閉ループ制御変数として決定的であり、そのため、過熱を回避するためのそれぞれ少なくとも１つのファンによる的を絞った局所的冷却は、迅速な応答手段を提供する。さらに、結露を回避もしくは少なくとも軽減するという観点から見れば、局所的冷却によりそれぞれのファンの影響領域が局所的に限定されること、特にそれらのファンが個別に駆動制御されることは利点となる。

１つの実施形態では、制御装置は、コンプレッサが間欠モードに切り替えられた後に冷却装置のアフターランニング動作を実行するように構成され、かつ／またはコンプレッサが始動した場合に冷却装置を作動させないか、または部分的にのみ作動させるように構成されている。

したがって、動作データおよび／または環境データに基づき冷却装置のアフターランニング動作を設けることができ、それにより、冷却装置は、予め定められた期間の間および／または事前定義された事象が発生するまで引き続き動作する。対応する事前定義された事象は、例えば、検出された温度が予め定められた量だけ低下するか、または吸気温度に対する予め定められた絶対限界温度または最大差分温度の下回りであってよい。冷却装置は、コンプレッサが間欠モードに切り替えられた後、それぞれの期間にわたって、一定の動作パラメータで引き続き動作することができ、あるいは例えばファンの場合、ファン回転数を連続的に引き下げるアフターランニング動作のパラメータースキームでさえも開始することができる。アフターランニング動作にわたってコンプレッサブロックやシリンダーなどの様々な部品の熱容量を利用することができる。コンプレッサの停止中に、加熱された部品は引き続き冷却することができる。再起動の際に部品の加熱曲線は、後部冷却なしの場合よりも低い点から始まる。これにより、鉄道車両では通例の間欠モードにおけるピーク温度や部品全体の温度レベルを下げることができる。これにより、熱負荷やそれに伴う熱的経年劣化プロセスを回避もしくは少なくとも軽減することができる。それに応じて、アフターランニング動作のために、冷却すべき領域に取り付けられた材料において、温度履歴でさえも考慮することができる。熱負荷とそれに伴う経年劣化プロセスを完全に回避することができない場合に限り、保守管理目的のために温度データを収集する、かつ／または温度データに基づいて対応する保守管理手段をトリガする手段が存在する。

冷却装置が、コンプレッサの始動後に作動していないか、部分的にのみ作動している場合、制御装置は、特にコンプレッサの動作パラメータに依存して生じる予め定められた遅延を設けるか、または冷却装置の動作を、同様に事前定義された温度限界値の上回りなどの事象に結合させることも可能である。

特に、制御装置は、少なくともコンプレッサが自身の動作温度に達するまでは冷却装置を作動させないか、または部分的にのみ作動させるように構成されている。

それにより、このことが冷却装置によって遅延されることなくコンプレッサを迅速に動作温度までもたらすことができる。この目的のために、例えば、コンプレッサの部品温度またはコンプレッサの動作温度を表す別の温度などの対応する温度を、温度検出ユニットを介して検出することができる。代替的または補足的に、制御装置は、格納された経験値またはアルゴリズムに基づいて、動作温度に到達することが期待できる動作条件もしくは動作パラメータに依存して留保することを想定することができる。これに関連して、システムの慣性を克服できるようにするために、エネルギー的に最適化された回転数で例えば特にゆっくりとコンプレッサを動作させることも可能である。代替的に、漸近的に上方の圧力点に近づけ、それによってスイッチオフをできるだけ長く遅らせるために、コンプレッサの回転数を引き上げてから続けて引き下げることも可能である。

さらなる態様では、本発明は、コンプレッサシステムの冷却装置を制御するための方法に関し、該方法は、以下のステップ、すなわち
－コンプレッサシステムの空気温度、油温、および／または部品温度を検出するステップと、
－検出された空気温度、油温、および／または部品温度に基づいて、冷却装置を制御するステップとを含む。

空気温度、油温、および／または部品温度は、この目的のために、温度検出ユニットを介して、つまり直接測定するか、または他の測定および／または動作変数から導出する、特に算出することができる。導出とは、計算とは対照的に、定量的な具体的温度表記をもたらす必要があるのではなく、むしろ例えば他の測定変数の予め定められた限界値に基づいて、予め定められた限界値の観点からそれぞれの温度を定性的に分類することができる。そのような導出には、ここでは、計算ステップも含まれる可能性があり、この場合、結果において定性的評価が決定的となる。それとは対照的に、他の変数からの計算は、冷却装置を駆動制御するための定量的な結果を提供する。他の測定変数からの具体的な定量的計算は、間接的な測定としても理解することができる。

導出の定性的結果および／または直接的もしくは間接的測定の定量的結果に依存して、冷却装置は駆動制御される。検出された温度に基づく駆動制御によって冷却装置の動作をコンプレッサの動作から機械的および信号技術的に分離することにより、コンプレッサシステムについて既に説明した利点が生じる。

本方法の１つの実施形態では、検出された空気温度および／または油温および／または部品温度に基づいて、少なくとも１つの冷却流体体積流パラメータ、特に冷却流体体積流量、冷却流体体積流温度、および／または冷却装置のスイッチオンおよび／またはスイッチオフ時点が制御される。

冷却装置の冷却流体体積流量および／またはスイッチオンおよび／またはスイッチオフ時点は、コンプレッサシステムの温度収支に比較的遅延の少ない影響力の行使を引き起こすが、冷却流体体積流温度が変化している場合の間は、温度変化に対する対応する流体慣性を考慮する必要がある。しかしながら、冷却流体体積流温度の代替的または補足的な選択は、例えば熱交換器への結び付け、熱交換器の切り換え、および／または他の構成によって、エネルギーの効率的な冷却を表すことができる。再び冷却流体体積流量および／またはスイッチオンおよび／またはスイッチオフ時点の駆動制御に論及すれば、冷却流体体積流量の変更は、ここでは、冷却装置の構成要素が、高頻度なスイッチオンおよびスイッチオフから守られるという利点を提供する。他方、スイッチオンおよび／またはスイッチオフ時点を介した冷却装置の独立した駆動制御は、冷却流体体積流量を適合化することができない冷却装置に対しても実現することができる。

可用性が高く安価なことに基づき、流体として特に空気が使用され、つまり、空冷が想定される。ここでは、水や油などの他の流体熱媒体でさえも使用可能である。これに関連して、代替的または補足的に、相応に異なる熱容量および／または熱伝導率を有する異なる熱媒体を使用することによって可変の冷却を設けることも可能である。この目的のために、冷却装置は、それぞれ異なる熱媒体で動作する冷却器を含むことができ、これらは、別個に駆動制御可能であり、かつ／または異なる熱媒体のために異なる入口間で切り替えられる。様々な熱媒体の使用ならびに冷却流体体積流温度の適合も、低い周囲温度の場合に、特にコンプレッサの間欠モードにおいて、結露を回避もしくは少なくとも軽減するために利用することもできる。そのような場合には、冷却装置は、加熱装置として動作する。

一実施形態では、特にピストンコンプレッサを備えたコンプレッサシステムの冷却装置の制御により、油温および／またはインタークーラー出口温度および／またはアフタークーラー出口温度が、検出された部品温度に基づいて制御される。

部品温度とは、油温の場合には、制御変数として、特にコンプレッサにおける部品温度検出に関連し、それに対してインタークーラー出口温度および／またはアフタークーラー出口温度における部品温度とは、特にインタークーラーおよび／またはアフタークーラーにおける部品温度検出に向けられる。ここでは、言及されているすべての部品温度でさえも測定して、相応に制御装置で考慮することができる。

代替的に、特に油潤滑式ロータリーコンプレッサを備えたコンプレッサシステムの冷却装置の制御により、空気温度、特にアフタークーラー出口温度が、検出された空気温度、特に検出されたアフタークーラー出口温度および／または検出された油温、特に検出されたオイルパン温度に基づいて制御される。

検出された空気温度も、検出された油温も、過熱または結露のリスクについての結論が導出できることを可能にさせる。特に、検出された油温を介すことにより、水が油に混入する確率を評価することも可能である。空気温度の駆動制御のために検出された両方の温度を使用することにより、冗長的な駆動制御を構成できるだけでなく、むしろこれを介して空気温度を必要に応じて適合することも可能になる。例えば、制御装置は、検出された温度のうちの１つがそれぞれの予め定められた限界値を上回っている場合に、冷却装置の少なくとも１つの冷却流体体積流パラメータを、冷却能力向上の目的のために変更することができる。さらに、少なくとも１つの冷却流体体積流パラメータの変更が、検出された空気温度によるそれぞれの限界値の上回りまたは検出された油温によるそれぞれの限界値の上回りに依存した形で異なって中止されることが想定されてもよい。例えば、空気温度限界値を上回った場合の冷却能力は、油温限界値を上回った場合よりも著しく大幅に高められ、あるいはその逆も同様である。

さらなる発展形態では、予め定められた限界値を上回る温度差分が生じた場合に、内側循環油路と外側循環油路との間の制御のための操作変数として、検出された空気温度および検出された油温の差分比較が行われる。

このことから、既にコンプレッサシステムに対して説明した利点が生じる。

さらなる態様では、制御の際に、温度損失、特にハウジングを介した温度損失、および／または温度慣性、特に油温の慣性が、外乱変数として、特に比例制御部品を介して考慮される。

ここでも、コンプレッサシステムに対して述べた記述に類似して利点が生じる。さらに、冷却装置の駆動制御を必要に応じて適合するために、様々な温度損失および／または慣性に、制御装置によって異なる重み付けを行うことができる。

さらに、本発明は、コンピュータプログラム製品であって、プログラムコードがデータ処理装置上で実行されるときに、データ処理装置に前述した方法を実行させるように構成された、機械可読担体上に格納されたプログラムコードを有している、コンピュータプログラム製品に関する。

このコンピュータプログラム製品を介すことにより、とりわけ簡単に、信号技術的に駆動制御される冷却装置を従来のコンプレッサシステムに後付けすることが可能になる。

以下では、本発明を、一実施形態に基づいて添付の図面を参照しながらより詳細に説明する。

本発明の第１の実施形態によるコンプレッサシステムの概略図である。 本発明の第２の実施形態によるコンプレッサシステムの概略図である。 本発明の第３の実施形態によるコンプレッサシステムの概略図である。 図１～図３によるコンプレッサシステムに適用可能な冷却装置の例示的な開ループ制御を示す図である。 図１～図３によるコンプレッサシステムに適用可能な冷却装置の例示的な閉ループ制御を示す図である。

図１には、コンプレッサ１０とアフタークーラー２０とを備えた本発明の第１の実施形態によるコンプレッサシステム１の概略図が示されている。圧縮すべき空気は、矢印に従って、まずコンプレッサ１０を通って案内され、そこで圧縮された後、アフタークーラー２０を通過する。さらに、このコンプレッサシステム１は、本実施形態では２つのファン４０を含んだ冷却装置を駆動制御する制御装置３０を含んでいる。両方のファンは、動作中、それぞれ一方の冷却空気体積流量４１を生成することができ、この冷却空気体積流量は、一方のファン４０を介して主にコンプレッサ１０および／またはコンプレッサ出口に向けられ、他方のファン４０を介して主にアフタークーラー出口および／またはアフタークーラー２０に向けられている。制御装置３０は、ここでは、ファン４０のスイッチオン時点およびスイッチオフ時点も、ファン回転数の駆動制御によるファン４０の冷却空気体積流量率も適合できるように構成されている。

本実施形態では、ファン４０の駆動制御は、温度検出ユニット５０ａ，５０ｂ，５０ｃによって検出された温度の評価に基づいている。温度検出ユニット５０ａは、アフタークーラー出口温度を検出し、温度検出ユニット５０ｂは、コンプレッサ１０のオイルパン１１のオイルパン温度を検出し、温度検出ユニット５０ｃは、コンプレッサ１０の部品温度を検出する。これらの温度検出ユニット５０ａ，５０ｂ，５０ｃは、温度検出ユニット５０ａについて示されているように、制御装置３０と線路を介して接続されていてもよいし、図１において温度検出ユニット５０ｂ，５０ｃについての接続線路の省略によって示されているように、制御装置３０と無線で通信するように構成されていてもよい。検出された温度のうちの１つがそれぞれの予め定められた限界値を上回った場合、ファン４０は、コンプレッサの動作に依存することなくスイッチオンされる。これとは対照的に、検出された温度のうちの少なくとも１つが、検出されたアフタークーラー出口温度、検出されたオイルパン温度、および／または検出された部品温度のためのそれぞれの限界値を下回った場合、ファン４０はスイッチオフされる。ファン４０は、ここでは必要に応じて個別に駆動制御され、この場合、駆動制御の簡略化のために、同期的な駆動制御を設けることも可能である。後者の場合、より精密な冷却管理のために、様々な限界値コンステレーションを制御装置３０に格納することができる。さらに、制御装置３０は、ファン４０の冷却能力を、ファン回転数の駆動制御により温度に依存して適合することもできる。

本実施形態におけるファン４０は、検出されたアフタークーラー出口温度、検出されたオイルパン温度、および検出された部品温度を介して駆動制御されるにもかかわらず、制御装置３０は、代替的または付加的に、コンプレッサが間欠モードに切り替わった後の少なくとも予め定められた期間の間ファンを引き続き動作させるように、すなわちアフターランニング動作を設けるように構成されてもよい。そのようなアフターランニング動作は、スイッチオフ時点で検出された温度のレベルに結合させてもよく、そのため、このアフターランニング動作は、予め定められた温度限界値を上回った場合にのみ想定され、かつ／またはアフターランニング動作の持続時間がそのような温度に依存する。

図２は、コンプレッサシステム１の例示的な第２の実施形態としての油潤滑式コンプレッサを例示的に示している。ここでも、図３でも同様に、同一の部品には同一の参照符号が使用される。第２の実施形態が、第１の実施形態と異なるのは、内側循環油路２３と、オイルクーラー２１を通って案内される外側循環油路２２とが設けられた点である。オイルクーラー２１は、コンプレッサ１０やアフタークーラー２０のようにファン４０によって必要に応じて冷却される。オイルクーラー２１に割り当てられたファン４０も同様に、ここでは見やすさの理由から信号技術的な接続が示されていないにもかかわらず、制御装置３０によって制御される。オイル案内を、内側循環油路２３からオイルがオイルクーラー２１を通過する外側循環油路２２に切り替えるために、温度検出ユニット５０ａによって検出されたアフタークーラー出口温度、ならびに温度検出ユニット５０ｂによって検出されたオイルパン温度が考慮される。オイルパン温度が予め定められた最大限界値を上回らず、かつアフタークーラー出口温度も予め定められた限界値を下回って維持されている限り、オイルは、内側循環油路２３を介してオイルパン１１に案内される。基準が維持されない場合には、外側循環油路への切り替えが行われる。それに応じて、オイルクーラー２１に割り当てられているファン４０は、外側循環油路への切り替えとともに作動する。作動は、検出されたオイルパン温度、オイルクーラー温度、または想定すべきアフターランニングまたはフォワードランニングモードなどの他の事象にさえも結合させることができる。

第３の実施形態として、図３は、コンプレッサ１０として２段式コンプレッサを備えたコンプレッサシステム１を例示的に示している。処理空気６０は、まずコンプレッサ１０の第１の圧縮段を通過し、その後、インタークーラー２４に案内される。インタークーラー出口温度は、この場合、温度検出ユニット５０ｄによって検出される。処理空気６０は、インタークーラー２４を通過した後、コンプレッサ１０の第２の圧縮段に供給され、その後、アフタークーラー２０を介して排出される。

さらに、図３には、先の実施形態についても適用可能であってよい吸気温度または周囲温度の検出のための温度検出ユニット５０ｅが例示的に示されている。検出された吸気温度は、動作データおよび／または環境データに基づく冷却装置のアフターランニング動作を提供するために使用することができ、それにより、冷却装置は、予め定められた期間の間および／または事前定義された事象が発生するまで引き続き動作する。対応する事前定義された事象は、例えば、吸気温度に対する最大差分温度の下回りであってよい。

図４は、図１～図３によるコンプレッサシステムに適用可能な冷却装置の例示的な開ループ制御を示している。そのような開ループ制御は、一般に、アクチュエータ１００と、開ループ制御区間２００とからなり、この場合、この開ループ制御は、参照変数ｗ、操作変数ｕ_Ｓに従って、可能な外乱変数ｄを考慮して、開ループ制御すべき変数ｙ_Ｓを開ループ制御する。図１に示される第１の実施形態への適用では、例えば、開ループ制御すべき変数ｙ_ｓとしての空気温度が、ファン４０によって提供される操作変数ｕ_Ｓとしての冷却空気体積流量を介して、外乱変数ｄとしての温度損失および温度慣性を考慮して開ループ制御される。図５に示される例示的な閉ループ制御とは対照的に、この開ループ制御は、ここでは、例えば、検出された温度のそれぞれの予め定められた限界値の上回りまたは下回りに従って事象ベースで行われる。次いで、ファンの駆動制御が、予め定められた制御設定に基づいて行われる。それに対して、閉ループ制御の場合には、制御設定は、制御装置３０によって求められた閉ループ制御差分に従って適合される。

それに応じて図５に示されている閉ループ制御は、アクチュエータ１１０と、閉ループ制御区間２１０と、測定ユニット３１０と、制御器４１０とを含んでいる。図１に示す実施形態によるコンプレッサシステム１の制御装置３０への適用では、閉ループ制御変数ｙとして空気のアフタークーラー出口温度ならびにオイルパン温度が測定され、それぞれの参照変数ｗと求められた実際値ｙ_Ｍとの間の差分が形成される。閉ループ制御差分ｅからは、制御器４１０を介して開ループ制御変数ｕがアクチュエータ１１０に伝送される。次いで、操作変数ｕ_Ｒ（ここでは例えばファン回転数）が再び閉ループ制御区間への入口に現れ、この閉ループ制御区間は、再び温度損失および温度慣性を外乱変数ｄとして考慮する。

ファン４０もしくはそれらのファン回転数が相互に依存することなく駆動制御される限り、ファンの各々に対して、別個の閉ループを設けることができる。同様に、この閉ループ制御は、上記の説明に従った場合でさえも、これらのファンを、最初は一緒に、特に同じファン回転数で駆動制御し、それぞれの独立した適合を閉ループ制御変数相互の差分に依存して行うことが可能である。この場合、閉ループ制御変数の当該差分の参照変数に対する閉ループ制御変数の差分の制御差分も同様に閉ループ制御に含まれる。すなわち、閉ループ制御変数の差分は、それらの閉ループ制御差分に依存してファン４０の独立した駆動制御を必要とする。さらに、閉ループ制御変数の差分、つまりここでは、アフタークーラー出口温度とオイルパン温度との間の差分は、第２の操作変数としてコンプレッサ１０の内側および外側循環油路を駆動制御するのに利用することもできる。

本発明は、説明した実施形態に限定されるものではない。冷却装置をファンの使用に基づいて説明してきたにもかかわらず、コンプレッサシステム内の空気が傍を通ったり、かつ／または中を通過したりする熱交換器などの他の冷却ユニットも使用することができる。熱交換器の冷却能力は、その位置決め、配向により適合することができ、かつ／または熱交換器を通流する熱媒体の場合は、冷却流体体積流量、冷却流体体積流温度、および／または熱媒体の交換によって適合することができる。

１ コンプレッサシステム
１０ コンプレッサ
１１ オイルパン
２０ アフタークーラー
２１ オイルクーラー
２２ 外側循環油路
２３ 内側循環油路
２４ インタークーラー
３０ 制御装置
４０ ファン
４１ 冷却空気体積流量
５０ａ 温度検出ユニット（アフタークーラー出口温度）
５０ｂ 温度検出ユニット（オイルパン温度）
５０ｃ 温度検出ユニット（部品温度）
５０ｄ 温度検出ユニット（インタークーラー出口温度）
５０ｅ 温度検出ユニット（吸気温度／周囲温度）
６０ 処理空気流
１００，１１０ アクチュエータ
２００ 開ループ制御区間
２１０ 閉ループ制御区間
３１０ 測定ユニット
４１０ 制御器
ｄ 外乱変数
ｅ 閉ループ制御差分
ｕ 開ループ制御変数
ｕ_Ｒ，ｕ_Ｓ 操作変数
ｙ 閉ループ制御変数
ｙ_Ｍ 実際値
ｙ_Ｓ 開ループ制御すべき変数
ｗ 参照変数

Claims (15)

1. 鉄道車両用コンプレッサシステム（１）であって、
   コンプレッサ（１０）と、
   冷却装置（４０）と、
   制御装置（３０）または該制御装置（３０）の制御信号を受信するためのインターフェースとを備え、
   前記制御装置（３０）は、前記コンプレッサ（１０）の動作に依存せずに前記冷却装置（４０）を駆動制御し、前記制御装置（３０）によって操作変数（ｕ_Ｒ，ｕ_Ｓ）として予め設定可能である可変の冷却流体体積流量、特に冷却空気体積流量を提供することができるように構成されている、コンプレッサシステム（１）。
2. 前記制御装置（３０）は、コンプレッサシステムの中央制御装置、特にインバーターであるか、または前記コンプレッサシステムは、鉄道車両の中央制御装置の制御信号を受信するためのインターフェースを有する、請求項１記載のコンプレッサシステム（１）。
3. 前記コンプレッサシステム（１）は、空気温度および／または油温および／または部品温度を検出するための温度検出ユニット（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ）を備え、前記制御装置（３０）は、前記温度検出ユニット（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ）によって検出された温度に基づいて、特に、空気温度、油温、および／または部品温度に基づいて前記冷却装置（４０）を駆動制御するように構成されている、請求項１または２記載のコンプレッサシステム（１）。
4. 前記コンプレッサシステム（１）は、前記コンプレッサ（１０）を通って流れる空気の通流方向において前記コンプレッサ（１０）の下流側に配置されたアフタークーラー（２０）および／またはインタークーラー（２４）を含み、前記制御装置（３０）は、前記空気のアフタークーラー出口温度および／またはインタークーラー出口温度および／またはオイルパン温度に基づいて前記冷却装置（４０）を駆動制御するように構成されている、請求項３記載のコンプレッサシステム（１）。
5. 請求項３記載の前記温度検出ユニット（５０ａ，５０ｄ）またはさらなる温度検出ユニットは、請求項４記載の前記コンプレッサシステムの前記アフタークーラー（２０）および／または前記インタークーラー（２４）の領域に、特に前記アフタークーラー（２０）および／または前記インタークーラー（２４）の空気流下流側の空気流に設けられている、請求項３または４記載のコンプレッサシステム（１）。
6. 前記制御装置（３０）は、前記冷却装置（４０）の駆動制御のための入力変数として、前記空気のアフタークーラー出口温度および前記オイルパン温度と、前記空気のアフタークーラー出口温度および前記オイルパン温度のそれぞれの予め定められた限界値との差分比較を考慮するように構成されており、特に、予め定められた限界値を上回るそれぞれの温度差分が生じた場合に内側循環油路および外側循環油路を制御するための操作変数（ｕ_Ｒ，ｕ_Ｓ）として前記差分比較を使用するように構成されている、請求項４または５記載のコンプレッサシステム（１）。
7. 前記制御装置（３０）は、前記冷却装置（４０）の駆動制御のために、温度損失、特にハウジングを介した温度損失、および／または温度慣性、特に油温の慣性を、外乱変数（ｄ）として、特に少なくとも１つの比例制御部品を介して考慮するように構成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のコンプレッサシステム（１）。
8. 前記冷却装置（４０）は、少なくとも１つのファン（４０）、特に少なくとも１つの電動ファンを含み、特に、前記コンプレッサシステム（１）の循環油路用のそれぞれ少なくとも１つのファン（４０）と、圧縮空気後部冷却用および／または圧縮空気中間冷却用のファン（４０）とが設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載のコンプレッサシステム（１）。
9. 前記制御装置（３０）は、前記コンプレッサ（１０）が間欠モードに切り替えられた後に前記冷却装置（４０）のアフターランニング動作を実行するように構成され、かつ／または前記コンプレッサ（１０）が始動した場合に前記冷却装置（４０）を作動させないか、または部分的にのみ作動させるように構成されており、特に少なくとも前記コンプレッサ（１０）が自身の動作温度に達するまでは前記冷却装置（４０）を作動させないか、または部分的にのみ作動させるように構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のコンプレッサシステム（１）。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載のコンプレッサシステム（１）の冷却装置（４０）を制御するための方法であって、以下のステップ、すなわち
    －前記コンプレッサシステム（１）の空気温度、油温、および／または部品温度を検出するステップと、
    －前記検出された空気温度、油温、および／または部品温度に基づいて、前記冷却装置（４０）を制御するステップとを含む、方法。
11. 前記検出された空気温度、油温、および／または部品温度に基づいて、少なくとも１つの冷却流体体積流パラメータ、特に冷却流体体積流量、冷却流体体積流温度、および／または前記冷却装置（４０）のスイッチオンおよび／またはスイッチオフ時点が制御される、請求項１０記載の方法。
12. 特にピストンコンプレッサを備えたコンプレッサシステム（１）の冷却装置（４０）の制御により、油温および／またはインタークーラー出口温度および／またはアフタークーラー出口温度が、検出された部品温度に基づいて制御され、または
    特に油潤滑式ロータリーコンプレッサを備えたコンプレッサシステム（１）の冷却装置（４０）の制御により、空気温度、特にアフタークーラー出口温度が、検出された空気温度、特に検出されたアフタークーラー出口温度および／または検出された油温、特に検出されたオイルパン温度に基づいて制御される、請求項１１記載の方法。
13. 予め定められた限界値を上回る温度差分が生じた場合に、内側循環油路と外側循環油路との間の制御のための操作変数（ｕ_Ｒ，ｕ_Ｓ）として、前記検出された空気温度および前記検出された油温と、前記空気のアフタークーラー出口温度および前記オイルパン温度のそれぞれの予め定められた限界値との差分比較を行う、請求項１２記載の方法。
14. 前記制御の際に、温度損失、特にハウジングを介した温度損失、および／または温度慣性、特に油温の慣性が、外乱変数（ｄ）として特に比例制御部品を介して考慮される、請求項１０から１３までのいずれか１項記載の方法。
15. コンピュータプログラム製品であって、プログラムコードがデータ処理装置上で実行されるときに、データ処理装置に請求項１０から１４までのいずれか１項記載の方法を実行させるように構成された、機械可読担体上に格納されたプログラムコードを有している、コンピュータプログラム製品。

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