DE19548108A1 - Vorrichtung und Verfahren, um plötzliche Druckänderungen in Fahrzeugen, insbesondere Bodenfahrzeugen, zu vermeiden - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren, um plötzliche Druckänderungen in Fahrzeugen, insbesondere Bodenfahrzeugen, zu vermeidenInfo
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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/dtmax-, dPe/dtmax+] 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/dtmin-, dPe/dtmin+] 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/dtmin+, (Pe-Pi)min+ und
dPe/dtmin-, (Pe-Pi)min- den ersten vorbestimmten Grenzwerten
dPe/dtmax+, (Pe-Pi)max+ und dPe/dtmax-, (Pe-Pi)max- gleichen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, in der die vorbestimmten
Grenzwerte dPe/dtmax-, dPe/dtmax+, (Pe-Pi)max-, (Pe-Pi)max+, dPe/
dtmin-, dPe/dtmin+, (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/dtmax-, dPe/dtmax+], [(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/dtmin-, dPe/dtmin+] 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.
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