DE19548108A1 - Vorrichtung und Verfahren, um plötzliche Druckänderungen in Fahrzeugen, insbesondere Bodenfahrzeugen, zu vermeiden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren, um plötzliche Druckstöße in Fahrzeugen, insbeson­ dere Bodenfahrzeugen, zu vermeiden. Sie ist insbesondere auf Hochgeschwindigkeitszüge anwendbar.

Ein in der Umgebungsluft verkehrendes Fahrzeug unterliegt Druckkräften, deren Verteilung auf die Außenwand von deren Form und von der Fahrgeschwindigkeit abhängt. Wenn das Fahrzeug in der Nähe eines Hindernisses vorbeifährt (Tunneleinfahrt, Brücke, verschiedene Hindernisse in der Nähe des Fahrwegs) oder wenn sich zwei Fahrzeuge begegnen, ergibt sich eine Verformung des aerodynamischen Geschwindig­ keitsfelds, das das Fahrzeug mit sich schleppt. Daraus ergeben sich schnelle Druckänderungen an den Außenwänden des Fahrzeugs. Dieser Effekt ist umso deutlicher, je höher die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist, da der Druck ungefähr proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist.

Bei einem Fahrzeug, in dem die Innenluft durch Klimatisierung oder Einspeisung der Außenluft erneuert wird, liegt der Innendruck nahe beim Außendruck. Die äußeren Druckveränderungen machen sich nahezu sofort aufgrund der Abmessungen der Ventilationskanäle im Fahrzeug bemerkbar. Die Zeitkonstante der Übertragung der Druckveränderungen ins Innere der klimatisierten oder belüfteten Fahrzeuge ist also klein, und zwar aufgrund der Eigenschaften der Belüftungs­ kanäle selbst. Diese Erscheinung tritt nicht auf, wenn das Fahrzeuginnere als Druckkabine ausgebildet ist (z. B. in Flugzeugen).

Wenn beispielsweise ein Hochgeschwindigkeitszug in Tunnels oder Geländeeinschnitte einfährt, ergeben sich rasche Druckänderungen an der Außenwand der Fahrzeuge. Diese Druckstöße setzen sich in dem von dem Tunnel oder dem Gelän­ deeinschnitt gebildeten abgeschlossenen Raum fort und sind unter dem Namen Druckwelle bekannt. Diese Druckwellen, die sich in dem eingeengten äußeren Raum fortpflanzen, werden an dessen Enden reflektiert und erzeugen so Echodruckwellen, die ebenso stark wie die direkten Wellen sind. Wenn die Fahrzeuge auch ein hohes Maß an Dichtheit haben, machen sich diese Veränderungen im Inneren des Fahrzeugs doch über die Belüftungs- und Klimakanäle rasch bemerkbar und belästigen die Fahrgäste erheblich. So sind durchaus Druckveränderungen üblich, die bis zu 2000 Pa innerhalb weniger als einer Sekunde betragen können.

Manche Hochgeschwindigkeitszüge verwenden zur Abhilfe dieses Druckwellenproblems Ventilatoren mit steilen Flanken in den Lüftungskanälen. Diese Ventilatoren bilden in gewis­ sem Maß Hindernisse für die Druckwellen. Aber ihr Nachteil liegt in ihrem Preis und in ihrer Lärmentwicklung. Sie bilden ein zusätzliches Bauteil, dessen Gewicht und Raumbe­ darf nicht übersehen werden können angesichts der erhebli­ chen Bemühungen, um das Fahrzeuggewicht möglichst zu ver­ ringern. Außerdem sind sie große Energieverbraucher. Schließlich müssen zwei solche Ventilatoren je Wagen vor­ gesehen werden.

Um diese Nachteile zu beheben, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Innendruck eines klimatisierten oder belüfteten Fahrzeugs bei einer plötzlichen Änderung des Außendrucks einer vorab fixierten zeitlichen Entwicklung zu unterwerfen. Hierzu erzeugt eine geeignete Vorrichtung in Echtzeit schnelle Veränderungen der geometrischen Merkmale der Lüftungs- oder Klimatisierungskanäle. Diese Veränderun­ gen sind so gewählt, daß die daraus resultierende Verände­ rung der in das Fahrzeug eindringenden Luftmenge zu einer Veränderung des Innendrucks des Fahrzeugs gemäß dem festge­ legten zeitlichen Gesetz bewirkt. Sobald ein Gleichgewicht zwischen Innen- und Außendruck erreicht ist, werden die Lüftungskanäle wiederhergestellt, so daß die normale Frisch­ lufteinspeisung wieder möglich ist. Eine solche Vorrichtung in den Lüftungskanälen macht sehr schnell aus einem für die Erneuerung der Luft bei der Belüftung oder Klimatisierung vorgesehenen Kanal einen Kanal, der eine Kontrolle des Fahrzeug-Innendrucks gewährleistet (und umgekehrt), und zwar für jegliche plötzliche Veränderung des Außendrucks (Ge­ schwindigkeit des Zugs, Art des Hindernisses, Topologie des Umfelds usw.).

Bezüglich der Merkmale der erfindungsgemäßen Vor­ richtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Ansprüche 1 und 6 verwiesen. Merkmale besonderer Ausfüh­ rungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Die Erfindung wird nun anhand von nicht beschränkend zu verstehenden, bevorzugten Ausführungsbeispielen und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Schienenfahrzeug mit den Einlaß- und Auslaßkanälen für die Belüftung oder Klima­ tisierung des Fahrzeugs.

Fig. 2 zeigt schematisch den Betrieb der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung.

Die Fig. 3 und 4 zeigen die Mittel zum Verschluß der Lufteinlaß- und -auslaßkanäle für die erfindungsgemäße Vorrichtung.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Variante der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt das allgemeine Schema einer Belüftung eines Fahrzeugs 1 für einen Hochgeschwindigkeitszug.

Dieses Fahrzeug enthält einen Einlaßkanal 2 für das Ansaugen von Außenluft zwischen einer Einlaßöffnung 3 und den inneren Lüftungskanälen sowie einen Auslaßkanal 4 für die Innenluft zwischen den inneren Lüftungskanälen und der Luftauslaßöffnung 5. Die verschiedenen Elemente des inneren Lüftungssystems (partielle Rückspeisung der Luft, Vorrich­ tung zur Aufheizung, zur Klimatisierung, Ventilatoren usw.) haben keinen besonderen Einfluß auf den Betrieb der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung.

Fährt das Fahrzeug durch eine Zone mit einer plötzli­ chen Druckänderung, dann dringt ein erhebliches Luftvolumen (in der Größenordnung von 1 bis 2 m³) plötzlich in das Fahr­ zeug durch den Kanal 2 ein bzw. tritt aus dem Kanal 4 aus. Diese plötzliche Veränderung der im Fahrzeug enthaltenen Luftmasse hängt unmittelbar mit der Druckänderung zusammen, die man erfindungsgemäß regeln kann, indem in die Kanäle 2 und 4 Verschlußelemente eingefügt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat folgende Wirkun­ gen: Eine ankommende Druckwelle wird von zwei Drucksonden erfaßt, die nach einer Signalverarbeitung die Frage beant­ worten, ob die zeitliche Schwankung des Außendrucks oder der Unterschied zwischen Innendruck und Außendruck vorgegebene Grenzwerte überschreiten.

Sobald die Druckwelle erfaßt ist, verschließen die Verschlußelemente ganz oder nahezu die Kanäle 2 und 4, und zwar sofort.

Man erzwingt so einen Luftaustausch zwischen dem Inneren des Fahrzeugs und der Außenluft so langsam, daß die Innendruckschwankungen (Überdruck oder Unterdruck) das Wohlbefinden der Fahrgäste nicht stören.

Die Verschlußelemente werden wieder geöffnet, sobald die Außendruckschwankungen und die Differenz zwischen Außen- und Innendruck wieder in vorbestimmten Grenzen liegen. Das Belüftungssystem des Fahrzeugs wird wieder für die Abfuhr der verbrauchten Luft und die Erneuerung durch frische Luft in normalen Betrieb genommen.

Fig. 2 zeigt den Betrieb der Vorrichtung in einer Ausführungsform. Die Verschlußelemente sind hier Klappen. Eine Klappe 6 befindet sich im Einlaßkanal 2 und eine Klappe 7 befindet sich im Auslaßkanal 4.

Zwei Druckmeßsonden 16 und 17 sind im Inneren bzw. außerhalb des Fahrzeugs angebracht.

Die Klappen 6 und 7 haben an die Kanäle 2 und 4 angepaßte Abmessungen. Sie befinden sich in der Nähe des Einlasses 3 und des Auslasses 5. Sie sind um Achsen 10 bzw. 11 drehbar, die an einer der Klappenseiten liegen und Schar­ niersysteme 8 und 9 in Verbindung mit den Wänden der Kanäle 2 und 4 bilden (siehe die Fig. 3 und 4). Die Achsen 10 und 11 werden durch Betätigungsorgane 12 bzw. 13 in Dreh­ richtung gesteuert, die an der tragenden Struktur 15 des Fahrzeugs befestigt sind. Es kann sich um pneumatische, hydraulische oder elektromechanische Betätigungsorgane handeln.

Ein elektronisches System 14 zur Verarbeitung der von den Sonden 16 und 17 gelieferten Signale ermittelt die Steuersignale für die Betätigungsorgane 12 und 13. Dieses elektronische System 14 kann beispielsweise von der Art sein, wie sie in der Druckschrift FR-A-2 613 089 beschrieben ist. Es kann in das allgemeine Regelsystem des Zugs inte­ griert sein. Sobald die Druckwellendetektoren eine als zu stark angesehene Druckwelle erfaßt haben, erzeugt das elek­ tronische System 14 sofort Signale für die Betätigungsorgane zum Schließen der Klappen. Die Klappen können sehr schnell geschlossen werden, beispielsweise in 100 ms. Sie bestehen vorzugsweise aus einem Material mit geringer Masseträgheit, wie z. B. Aluminium oder einem Verbundmaterial.

Das elektronische System 14 unterbricht gleichzeitig mit dem Verschluß der Klappen den Betrieb der Klimatisie­ rungs- und Lüftungsvorrichtungen. Diese werden erst bei erneuter Öffnung der Klappen wieder durch das elektronische Steuersystem in Betrieb gesetzt.

Sobald die Druckwellendetektoren keine für die Fahr­ gäste störenden Druckveränderungen mehr feststellen, öffnet das elektronische System 14 wieder progressiv die Klappen. Die Zeit für das Öffnen der Klappen hängt vom gewünschten Komfort für die Fahrgäste ab. Sie kann aufgrund von Erfah­ rungswerten bestimmt werden. Sie kann auch durch das elek­ tronische System abhängig von bestimmten Parametern wie der Amplitude der äußeren Druckveränderungen, der Dauer dieser Veränderungen usw. bestimmt werden. Die Kanäle werden also wieder geöffnet, wenn die Veränderung des Außendrucks unter einen Wert abgesunken ist, der durch Erfahrung oder Berech­ nung bestimmt wird. Da der aufgrund der plötzlichen Ver­ änderungen des Außendrucks sich ergebende Augenblicksdurch­ satz an Luft sehr viel größer als der übliche Durchsatz für die Belüftung ist, können die Klappen außerhalb der Perioden mit heftigen Druckveränderungen außer Betrieb bleiben. Sie können völlig geöffnet sein und damit den Normalbetrieb des Lüftungssystems nicht stören, solange keine Druckwellen vorliegen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung steuert nicht unmittelbar die Luftmenge für die Lüftung oder Klimatisie­ rung. Sie kann jedoch für die Kontrolle des Normaldurch­ satzes der Klimatisierung verwendet werden und mehrere Klimatisierungs-Betriebsweisen aufweisen, beispielsweise wenn die Außentemperatur sehr hoch oder sehr niedrig ist. Dann sind mehrere Arten von Änderungen möglich.

Die normale Lage der Klappen kann eine halbgeöffnete Lage sein, um den Nenndurchsatz für die Lüftung zu verrin­ gern.

Die Luftmenge kann durch eine kontinuierliche Steue­ rung der Lage der Klappen geregelt werden, sofern die Eigen­ schaften der Betätigungsorgane eine wirksame Regelung aller Stellungen dieser Klappen erlauben. Die Lage der Klappen hängt dann von einer Regelschleife ab, die von einer Messung der Luftmenge für die Lüftung ausgeht, beispielsweise mit Hilfe eines Durchsatz-Meßgeräts.

Der Ausgleich zwischen Außen- und Innendruck kann auch durch die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung erhalten werden. Gemäß dieser Variante ist eine an den Einlaßkanal 2 angeschlossene Ableitung 18 vorgesehen. Diese Ableitung kann aber auch an jedem beliebigen Punkt der Lüftungssysteme zwischen den Klappen 6 und 7 angeschlossen sein. Liegt keine Druckwelle vor, ist diese Ableitung normalerweise verschlos­ sen.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 5 arbeitet folgenderma­ ßen: Sobald die Detektoren 16 und 17 eine Druckwelle erfas­ sen, werden die Kanäle 2 und 4 verschlossen und die Ablei­ tung 18 geöffnet. Der Verschluß eines der Hauptsysteme für die Lüftung und das Öffnen der Ableitung können durch zwei unabhängige Mechanismen oder durch einen gemeinsamen Mecha­ nismus bewirkt werden, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, wo die Klappe 6 gleichzeitig einen Kanal verschließen und den anderen öffnen kann. Die Ableitung 18 regelt die Luftmenge aufgrund der Druckwelle zusätzlich zu den Undichtigkeiten des Fahrzeugs. Die Abmessungen der Ableitung 18 können vorab definiert werden. Diese Ableitung kann auch eine Engstelle mit abhängig vom Sollwert der zeitlichen Druckveränderung steuerbaren Abmessungen besitzen.

Sobald die Drücke als ausgeglichen betrachtet werden, werden die Kanäle 2 und 4 wieder geöffnet und die Ableitung 18 verschlossen. Damit ergibt sich wieder der Normalbetrieb des Lüftungssystems.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt auch den Vorteil, daß sie sehr wenig Energie verbraucht.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Vermeidung plötzlicher Druckstöße in einem klimatisierten oder belüfteten Fahrzeug, wobei das Fahrzeug (1) aufweist:

• - eine Einlaßöffnung (3) für Außenluft und eine Auslaßöff­ nung (5) für Innenluft, wobei die Einlaßöffnung an einen Einlaßkanal (2) angeschlossen ist, der die angesaugte Luft zum Klimatisierungs- oder Lüftungssystem leitet, während die Auslaßöffnung an einen Auslaßkanal (4) angeschlossen ist und die Innenluft nach außen ausstößt,
• - Mittel (6, 7) zum Verschluß der Einlaß- und Auslaßkanäle (2, 4),
• - und ein Regelorgan (14), das Signale von Meßsonden zu­ geführt erhält,

gekennzeichnet durch:

• - Sonden (16, 17) zur Messung des Außendrucks Pe und des Innendrucks Pi des Fahrzeugs, die für eine Druckwelle re­ präsentative Signale liefern,
• - Mittel zur Auswertung der Amplitude der Außendruckschwan­ kung , die auf einer ersten Messung entsprechend der zeitlichen Schwankung des Außendrucks dPe/dt und auf einer zweiten Messung entsprechend der Messung der Differenz Pe-Pi zwischen dem Außendruck Pe und dem Innendruck Pi beruht, wobei diese Auswertungsmittel angeben, daß die Außendruck­ schwankung größer als ein erster vorgegebener Wert _max ist, wenn mindestens einer der beiden Meßwerte dPe/dt bzw. Pe-Pi einen nicht in einem Intervall von ersten vorgegebenen Grenzwerten, nämlich [dPe/dt_max-, dPe/dt_max+] bzw. [(Pe-Pi)_max-, (Pe-Pi)_max+], liegenden Wert angibt, und daß die Außendruck­ schwankung unter einem zweiten vorbestimmten Wert _min liegt, wenn die beiden Meßwerte dPe/dt und Pe-Pi Werte angeben, die zwischen anderen vorbestimmten Grenzwerten, nämlich [dPe/dt_min-, dPe/dt_min+] und [(Pe-Pi)_min-, (Pe-Pi)_min+] liegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Mittel zur Messung der Druckänderung (16, 17) von einer ersten und einer zweiten Druckmeßsonde gebildet werden.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die zweiten vorbestimmten Grenzwerte dPe/dt_min+, (Pe-Pi)_min+ und dPe/dt_min-, (Pe-Pi)_min- den ersten vorbestimmten Grenzwerten dPe/dt_max+, (Pe-Pi)_max+ und dPe/dt_max-, (Pe-Pi)_max- gleichen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, in der die vorbestimmten Grenzwerte dPe/dt_max-, dPe/dt_max+, (Pe-Pi)_max-, (Pe-Pi)_max+, dPe/ dt_min-, dPe/dt_min+, (Pe-Pi)_min-, (Pe-Pi)_min+ paarweise absolut gesehen gleich, aber entgegengesetzte Vorzeichen haben, so daß die Verarbeitung der beiden Meßwerte dPe/dt und Pe-Pi anhand dieser Absolutwerte |dPe/dt|, |Pe-Pi| erfolgt.

5. Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, die so verändert wird, daß durch sie der normale Klimatisierungs-Luftdurchsatz durch regelndes Einwirken auf die Mittel zum Verschluß der Ansaug- und Auslaßkanäle (2, 4) geregelt wird.

6. Verfahren zur Vermeidung von plötzlichen Druckstößen in einem klimatisierten oder belüfteten Fahrzeug, gekennzeich­ net durch:

• - die Messung des Innendrucks im Fahrzeug,
• - die Messung des Drucks außerhalb des Fahrzeugs,
• - eine erste Messung der Außendruckschwankungen dPe/dt,
• - eine zweite Messung der Druckdifferenz Pe-Pi zwischen dem Außendruck Pe und dem Innendruck Pi,
• - eine Entscheidung, daß die Amplitude der Außendruckschwan­ kungen über einem ersten vorgegebenen Grenzwert _max liegt, wenn mindestens einer der beiden Meßwerte dPe/dt und Pe-Pi einen Wert angibt, der nicht in einem Intervall zwi­ schen zwei vorbestimmten ersten Grenzwerten [dPe/dt_max-, dPe/dt_max+], [(Pe-Pi)_max-, (Pe-Pi)_max+] liegt, und daß die Am­ plitude der Außendruckschwankungen unter einem zweiten vorbestimmten Wert _min liegt, wenn die beiden Meßwerte dPe/dt und Pe-Pi zwischen zwei vorbestimmten zweiten Grenz­ werten [dPe/dt_min-, dPe/dt_min+] bzw. [(Pe-Pi)_min-, (Pe-Pi)_min+] liegen,
• - den Verschluß der Einlaß- (2) und Auslaßkanäle (4), wenn die Amplitude der Außendruckschwankungen über dem vor­ bestimmten ersten Grenzwert _max liegt,
• - den Ausgleich zwischen dem Innendruck und dem Außendruck durch eine kontrollierte Luftströmung zwischen der Außen­ seite und dem Inneren des Fahrzeugs, so daß die zeitliche Veränderung des Innendrucks des Fahrzeugs unter einem Soll­ wert bleibt,
• - das Öffnen der Einlaß- (2) und Auslaßkanäle (4), wenn die Amplitude der Außendruckschwankungen unter dem vorbe­ stimmten zweiten Grenzwert _min liegt.