JP2023511051A - コンプレッサシステムおよび車両の動作状態の圧縮空気要求に依存してコンプレッサシステムを作動させる方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、コンプレッサシステム、および車両の動作状態の圧縮空気要求に依存してコンプレッサシステムを作動する方法に関する。本発明によるコンプレッサシステムは、少なくとも１つの圧縮空気容器（４）用の圧縮空気を生成するコンプレッサ（３）を有し、コンプレッサ（３）の吐出出力は、少なくとも間接的に、閉ループ制御装置（５）によって設定可能である。閉ループ制御装置（５）は、特別な要求状況時には、決定された動作最大出力を越えて、コンプレッサ（３）の吐出出力を増大させることができるように構成されている。

Description

本発明は、コンプレッサシステム、および車両の動作状態の圧縮空気要求に依存してコンプレッサシステムを作動させる方法に関する。この方法は特に、圧縮空気に対する大きな要求があることにより、圧縮空気システムの供給不足の危険性がある動作状態における、コンプレッサシステムの作動に関する。以下では、このような大きな要求を、限界値的に多い圧縮空気要求と称する。

鉄道車両におけるコンプレッサでは、例えば、供給出力が多いこと、スイッチオン持続時間が十分であること、騒音放出が少ないこと、エネルギ消費が少ないこと、設置スペースが小さいこと、動作ストラテジがフレキシブルであること、ならびに調達コストおよびライフサイクルコストが少ないことなど、部分的には反対の多種多様の要求が課される。ここでは、鉄道車両の動作状態に応じて、コンプレッサに対し、大きく異なる要求プロフィールが存在する。コンプレッサを設計する際の典型的な問題は、鉄道車両のすべての動作状態において受け入れ可能な、これらの要求間の最善の妥協を見つけることである。鉄道車両では通例、電気駆動されるコンプレッサが使用される。コンプレッサは、下のスイッチオン圧力と上のスイッチオフ圧力との間のオン／オフ動作において、一定の回転数、いわゆる公称回転数で、または可変の回転数で作動される。コンプレッサは、圧縮空気容器の設定された充填時間が達成され、かつ動作時に最短のスイッチオン持続時間を下回らないように設計される。

コンプレッサの設計サイズ、ひいては最大出力は通例、路線動作において、すなわち車両の通常の走行時に、最短のスイッチオン持続時間を下回らずかつ圧縮空気容器の最大の充填時間を上回らないように選択される。さらに、例えば、公称回転数時の電力消費および効率、または種々異なる回転数時の騒音放出など別の要因が、コンプレッサ設計に重要である。路線動作では、コンプレッサは、断続的に作動される。コンプレッサは、圧縮空気容器における圧力が、スイッチオン圧力に低下すると始動される。スイッチオフ圧力に達すると、コンプレッサは、遮断され、スイッチオン圧力まで圧力が低下した後、はじめて新たに始動される。鉄道車両が駅に停車している停車場動作中、コンプレッサは、走行中と同様に断続的に作動される。停止状態では、大きな走行騒音はないため、プラットホームではコンプレッサおよびファンの騒音放出を回避すべきである。エアサスペションは駅において、乗客の乗車／降車のために、大きな空気要求を有するため、このことは、停車場に進入する際に圧縮空気容器が完全に充填されていない場合には、コンプレッサおよびファンのスイッチオンに、ひいては駅での停車中に望ましくない騒音放出に結び付いてしまうことが多い。

コンプレッサの経済的かつエコロジーな動作を保証するために、上で説明した断続的な動作が発展させられており、これにより、コンプレッサは、圧縮空気容器における空気圧が、車両走行中にスイッチオン圧力ぎりぎりの領域で推移するように作動される。コンプレッサの吐出出力は、圧縮空気が消費されてはじめて増大される。これにより、漏れによる空気圧損失を最小化することができ、コンプレッサの不要なスイッチオンと、これに伴うエネルギ消費とを阻止することができる。

しかしながらこのようなストラテジは、予測されない、突然に大きく増大する圧縮空気消費の際に、過度に少ない圧縮空気しか利用できず、ひいては供給不足になり得るという危険性をはらんでいる。この供給不足は、圧縮空気容器が再び充填されるまで、トラクション停止がトリガされるという結果になってしまうことがあり、これにより、交通の流れにおける遅延が生じてしまうことがある。

したがって本発明の課題は、コンプレッサシステム、およびコンプレッサシステムを作動させる方法を提供し、これらにより、供給不足の危険性を最小化し、かつ圧縮空気容器における空気圧を持続的に高めることなく、圧縮空気に対する異常に高い要求に一時的に反応できるようにすることである。

この課題は、独立請求項に記載されたコンプレッサシステム、およびコンプレッサシステムを作動させる方法によって解決される。本発明の有利な発展形態は、従属請求項に含まれている。

本発明によると、鉄道車両用のコンプレッサシステムは、少なくとも１つの圧縮空気容器用の圧縮空気を生成する少なくとも１つのコンプレッサを有し、少なくとも１つのコンプレッサの吐出出力は、少なくとも間接的に、少なくとも１つの閉ループ制御装置によって設定可能である。さらに、少なくとも１つのコンプレッサの下流に配置される圧縮空気導管路に、選択的に少なくとも１つの圧力センサが配置されており、これによって測定される圧力に基づき、少なくとも１つの閉ループ制御装置により、少なくとも１つのコンプレッサが閉ループ制御される。少なくとも１つのコンプレッサの少なくとも１つの閉ループ制御装置はさらに、通常動作において決定される、騒音または電力消費についての限界値を上回ることになったとしても、この閉ループ制御装置により、特別な要求状況時に、決定された動作最大出力を越えて、少なくとも１つのコンプレッサの吐出出力を増大させることができるように構成されている。好適には、吐出出力のこの増大は、確実な動作を危険に晒さないようにするために、一時的にのみ行われる。

本願の枠内において、動作最大出力とは、少なくとも１つのコンプレッサが、通常動作（したがって特別な要求状況ではない）において最大限、作動される出力と理解される。これは必ずしも、少なくとも１つのコンプレッサの最大出力または公称出力（連続動作において達成可能な最大出力）である必要はない。例えば、少なくとも１つのコンプレッサを特に経済的かつ消耗に対して最適化して作動させるために、コンプレッサの公称出力の８０％だけをコンプレッサの動作最大出力として決定することが考えられる。

コンプレッサの動作最大出力を越えて増大させることにより、要求状況時に、この場合に増大される圧縮空気要求を満たすことを可能にする吐出出力を供給することができるため、システムの供給不足を阻止することができるか、または圧縮空気に大きな消費があったとしても、停留場に進入する際に、圧縮空気容器を満タンに充填することができる。これにより、駅に停車している間もしくは停止状態の間にコンプレッサの始動を回避することができ、したがって騒音負荷を低減することができる。

本発明の有利な実施形態では、少なくとも１つのコンプレッサの下流に配置される圧縮空気導管路に、少なくとも１つの圧力センサが配置されており、この圧力センサにより、空気圧もしくは空気圧勾配が特定される。空気圧またはその勾配を特定することにより、特別な要求状況が特に容易かつ効率的に識別可能である。

本発明の別の有利な実施形態では、特別な要求状況は、限界値的に多い圧縮空気消費がある場合に示される。したがって、圧縮空気消費が、定められた限界値を上回る場合に、少なくとも１つのコンプレッサの吐出出力が、決定された動作最大出力を越えて増大される。

本発明の有利な実施形態では、少なくとも１つの閉ループ制御装置は、少なくとも１つのコンプレッサの吐出出力を、特にコンプレッサの回転数を上回って設定するように構成されている。

さらに、コンプレッサシステムが、少なくとも１つのセンサであって、少なくとも１つのコンプレッサの吐出出力が、コンプレッサの決定された動作最大出力を上回る場合に、コンプレッサシステムを監視するのに適した測定値を記録するように構成されたセンサを有する実施形態は有利である。これによって保証することができるのは、吐出出力が増大される際、少なくとも１つのコンプレッサが、損傷されず、これにより、過剰かつコストのかかるメンテナンス作業が防止されることである。

本発明の別の有利な実施形態では、コンプレッサシステムは、マンマシンインタフェースを有する。このマンマシンインタフェースは、車両運転者のコックピットに配置されており、車両運転者が操作可能である。この場合、特別な要求状況が、少なくとも１つの閉ループ制御装置に直接に伝達され、これによってこの閉ループ制御装置により、決定された動作最大出力を越えて、少なくとも１つのコンプレッサの吐出出力が増大される。

本発明の別の有利な実施形態では、少なくとも１つの閉ループ制御装置は、別の特別な要求状況時に、決定された動作パラメータを考慮して、コンプレッサシステムのスイッチオンを抑圧するように構成されている。このような動作パラメータは、例えば、現在時刻および現在日付または圧縮空気容器における圧力に関連した車両位置であってよい。

本発明によるコンプレッサシステムを制御する本発明の方法によると、特別な要求状況時に、特に限界値的に多い圧縮空気消費の特別な要求状況時に、コンプレッサの決定された動作最大出力を生じさせる特定の回転数よりも高い回転数で、少なくとも１つのコンプレッサを作動させる。

この方法の有利な実施形態では、車両運転者および／または車両制御部により、少なくとも１つの閉ループ制御装置に特別な要求状況を通知する。この実施形態が特に有利であるのは、要求状況が、列車運転者によって確認される場合にはじめてこの要求状況が、車両制御部によって通知される場合である。というのはこれにより、過度に増大された吐出出力が、実際にも必要であるとみなされ得ることを最善に保証できるからである。自律的に動作する車両の場合、車両制御部は単独で、閉ループ制御装置に要求状況を転送可能である。

以下では、添付の図面に基づき、本発明を詳しく説明する。

本発明によるコンプレッサシステムの概略配置構成を示す図である。 コンプレッサの回転数および圧縮空気容器における空気圧を時間について示す２つの線図である。

図１によると、鉄道車両用のコンプレッサシステムは、圧縮空気を生成するためのコンプレッサ３を有する。コンプレッサ３によって生成される圧縮空気は、圧縮空気導管路６を介して、冷却ファン１４を有する冷却ユニット９に導かれる。冷却ユニット９の下流には、圧力センサ７および温度センサ１３ｂが、圧縮空気導管路６に配置されている。さらに、圧縮空気導管路６は、エアコンディショニング装置１２が後置接続されているプレセパレータ１１に達している。乾燥されかつ粒子が取り除かれた圧縮空気は次いで、圧縮空気容器４に供給される。コンプレッサ３に配置されている温度センサ１３ａ、ならびに温度センサ１３ｂおよび圧力センサ７は全体で、測定された温度および測定された圧力を閉ループ制御装置５に送信する。さらに、閉ループ制御装置５は、車両制御部２および車両運転者１からも信号を受け取る。さらに、閉ループ制御装置５は、冷却ユニット９の回転数もコンプレッサ３それ自体も閉ループ制御するのに適している。さらに、閉ループ制御ユニット３を介してコンプレッサ３に電力を供給する電力供給部１５が設けられている。したがって、要求されるコンプレッサ回転数に応じ、閉ループ制御装置は、一般に周波数変換器を用いて、コンプレッサの電力供給部を制御することができる。

図２によると、コンプレッサ３の回転数を介し、圧縮空気容器４における空気圧が設定可能であることが見て取れる。上側の線図には、回転数の経過が、時間について示されているのに対し、下側の線図には、圧縮空気容器４における空気圧の経過が、時間について示されている。

コンプレッサ３は、鉄道車両の充填動作Ａにおいて、圧縮空気容器４における空気圧が、スイッチオフ圧力ａに到達するまで、コンプレッサの動作最大出力に必要な回転数ｍで作動される。鉄道車両が通常動作で路線を走行するこれに続く路線動作Ｎでは、コンプレッサ３は、圧縮空気容器が充填されると直ちに、まずスイッチオフされる。引き続いてコンプレッサ３は、走行中に圧縮空気の大部分が消費された後、最小回転数ｉをわずかに上回る可変の回転数で作動される。この際、圧縮空気容器４における空気圧力は、スイッチオン圧力ｅをわずかに上回って設定される領域に維持される。これによって実現可能であるのは、実際にも消費される分の圧縮空気だけが生成されることであり、したがって経済的な動作を保証することができることである。というのは、圧力損失は、圧力が高い場合には漏れに起因して、圧力が低い場合よりも大きいからである。さらに、比較的低い圧力レベルでは、エネルギ損失も同様に一層少ない。

空気圧が、図２の下側の線図の第１の路線動作Ｎに示したように、スイッチオン圧力ｅをぎりぎり上回る領域において推移する場合、一時的に高い圧縮空気要求は、圧縮空気システムの供給不足に結び付いてしまうことがある。このようなケースが生じると、蓄圧器を可能な限り迅速に充填するために、「ブーストモード動作」ＢＭが起動される。ここでは回転数は一時的に、例えば、コンプレッサの騒音放出または電力消費によって決定される、コンプレッサの動作最大出力に結び付く回数数ｍを上回り、圧縮空気供給不足を回避するために、領域「ブーストモード回転数領域」ｂｍにおいて作動される。ここでこの「ブーストモード動作」ＢＭは、車両運転者または列車制御システムによって自動的にトリガされてよい。一時的に高い圧縮空気要求は、例えば、必要な突然の制動に起因して、列車の負荷が高い場合に必要になり得る。

システムの圧縮空気状態が再び安定になる、「ブーストモード動作」ＢＭの後、図２では通常制動動作Ｂがさらに続けられる。ここではコンプレッサ３は、最大回転数ｍで、引き続いて作動され、圧縮空気容器４には、最大の過剰圧力ｘまで供給され、コンプレッサ３は、最大の過剰圧力ｘに到達した後、公称回転数ｎと最小回転数ｉとの間で、最小回転数ｉをわずかに上回る、可変の回転数で作動される。制動動作Ｂが終了した後、コンプレッサ３は、スイッチオフされ、スイッチオン圧力ｅに到達してはじめて、最小回転数ｉに設定される。したがって鉄道車両は、再び路線動作Ｎになる。

停車場動作Ｓの前、閉ループ制御装置５は、車両制御部２から、目前に迫る停車場動作Ｓについての信号を受け取り、この際、少なくとも１つの圧縮空気容器４に最大の過剰圧力ｘまで供給するために、コンプレッサ３の回転数は通常、最大回転数ｍに設定される。列車の停止状態までの時間が、圧縮空気容器４における空気圧を最大空気圧ｘに上げるために十分でないか、または制動プロセス中に、予想しない高い空気圧要求が発生する場合、圧縮空気容器４を完全に充填するために、同様に「ブーストモード動作」ＢＭが起動され、コンプレッサの回転数が、決定された最大回転数ｍを越えて上げられる。停車場動作Ｓの間、コンプレッサ３は、停留所における騒音放出を可能な限りに小さくさせるために、可能な限り、停留場における停車時間全体にわたってスイッチオフされる。このような理由から特に、例えば、乗車する乗客および降車する乗客による車両の大きな負荷変化によって、アイドリング時における圧縮空気消費が多い場合に重要であるのは、停留所に進入する際に圧縮空気容器を最大限に充填することである。スイッチオン圧力ｅに達すると、コンプレッサ３は、最小回転数ｉに設定される。鉄道車両は、停車場動作Ｓの後、再び路線動作Ｎになる。オーバナイトスタンバイ動作Ｏでは、コンプレッサ３は、スイッチオン圧力ｅに圧力が低下する際の最小回転数ｉと、スイッチオフ圧力ａに達する際のコンプレッサ３のスイッチオフとの間で、断続的に作動される。

本発明は、上で説明した好ましい実施例に限定されない。むしろ、後続の特許請求の範囲の保護範囲にも含まれるこれらについての変化形態も考えることができる。したがって、例えば、コンプレッサ３により、複数の圧縮空気容器４に供給することも可能である。さらに、制御要素８が、２つの出力部を有し、したがって電気機械１の回転数も冷却ファン１４の回転数も共に閉ループ制御装置５によって設定されることも考えられる。

１ 車両運転者
２ 車両制御部
３ コンプレッサ
４ 圧縮空気容器
５ 閉ループ制御装置
６ 圧縮空気導管路
７ 圧力センサ
９ 冷却ユニット
１１ プレセパレータ
１２ エアコンディショニング装置
１３ａ 温度センサ（コンプレッサ）
１３ｂ 温度センサ（圧縮空気）
１４ 冷却ファン
１５ 電力供給部
ｍ 動作最大出力時のコンプレッサの回転数
ｎ コンプレッサの公称回転数
ｉ コンプレッサの最小回転数
ｂｍ ブーストモード回転数領域
ｘ 圧縮空気容器における最大空気圧
ａ スイッチオフ圧力
ｅ スイッチオン圧力
Ａ 充填動作
Ｎ 路線動作
Ｂ 制動動作
Ｓ 停車場動作
Ｏ オーバナイト動作
ＢＭ ブーストモード動作

Claims (10)

1. 少なくとも１つの圧縮空気容器（４）用の圧縮空気を生成する少なくとも１つのコンプレッサ（３）を有する、鉄道車両用のコンプレッサシステムにおいて、
   少なくとも１つの前記コンプレッサ（３）の吐出出力は、少なくとも間接的に、少なくとも１つの閉ループ制御装置（５）によって設定可能であり、
   少なくとも１つの前記閉ループ制御装置（５）は、特別な要求状況時に、決定された動作最大出力を越えて、前記コンプレッサ（３）の前記吐出出力を増大させ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。
2. 前記空気圧および／または空気圧勾配を特定するために、少なくとも１つの前記コンプレッサ（３）の下流に配置される圧縮空気導管路（６）に少なくとも１つの圧力センサ（７）が配置されている、請求項１記載のコンプレッサシステム。
3. 少なくとも１つの前記閉ループ制御装置（５）は、限界値的に多い圧縮空気消費の特別な要求状況時に、決定された前記動作最大出力を越えて、少なくとも１つの前記コンプレッサ（３）の前記吐出出力を増大させることができ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。
4. 少なくとも１つの前記閉ループ制御装置（５）は、特に、少なくとも１つの前記コンプレッサ（３）の回転数を上回って、少なくとも１つの前記コンプレッサ（３）の前記吐出出力を設定するように構成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のコンプレッサシステム。
5. 前記コンプレッサシステムは、前記コンプレッサシステムを監視するのに適した測定値を測定するように構成されている少なくとも１つのセンサ（７，１３ａ，１３ｂ）を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載のコンプレッサシステム。
6. 前記コンプレッサシステムは、マンマシンインタフェースを有し、前記マンマシンインタフェースは、車両運転者によって操作されかつ少なくとも１つの前記閉ループ制御装置（５）に特別な要求状況をシグナリングし、これによって前記閉ループ制御装置（５）により、決定された前記動作最大出力を越えて、少なくとも１つの前記コンプレッサ（３）の前記吐出出力が増大されるように構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のコンプレッサシステム。
7. 前記閉ループ制御装置（５）は、別の特別な要求状況時に、決定された動作パラメータを考慮して、前記コンプレッサシステムの前記スイッチオンを抑圧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。
8. 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を制御する方法であって、前記特別な要求状況時に、前記コンプレッサ（３）の、決定された動作最大出力を生じさせる回転数（ｍ）よりも高い回転数で少なくとも１つの前記コンプレッサ（３）を作動させる、方法。
9. 限界値的に多い圧縮空気消費の前記特別な要求状況時に、前記コンプレッサ（３）の、決定された動作最大出力を生じさせる回転数（ｍ）よりも高い回転数で、少なくとも１つの前記コンプレッサ（３）を作動させる、請求項８記載の方法。
10. 前記車両運転者および／または車両制御部により、前記特別な要求状況を起動する、請求項７または８記載の方法。

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