Bei Schienenfahrzeugen, die zur Personenbeförderung eingesetzt werden, ist ein Frischwassersystem vorhanden. Damit werden zum Beispiel ein Handwaschbecken und eine Toilette versorgt. Selbstverständlich können auch noch andere Verbraucher an dieses Frischwassersystem angeschlossen werden.

Um Frostschäden zu vermeiden ist es aus dem Stand der Technik bekannt, einen Thermostat im Inneren des Schienenfahrzeugs anzuordnen und das Frischwassersystem zu entleeren, sobald die Temperatur im Inneren des Fahrzeugs kleiner als beispielsweise 5°C ist. Dieser sogenannte Frostwächter funktioniert in vielen Fällen sehr gut.

Eine alternative Möglichkeit zur Entleerung des Frischwassersystems eines Schienenfahrzeugs besteht darin, dass das zugpersonal im Bedarfsfall einen entsprechenden Schalter betätigt und dadurch das Frischwassersystem entleert und vor Frostschäden geschützt wird.

Beiden Alternativen ist gemeinsam, dass sie nur dann durchführbar sind, wenn ausreichend elektrische und/oder pneumatische Hilfsenergie zur Verfügung steht. Außerdem wird bei jeder Entleerung auch der Frischwassertank entleert, so dass anschließend kein Frischwasser mehr zur Verfügung steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutz des Frischwassersystems vor Frostschäden bereitzustellen, das auch unter ungünstigsten Umständen eine erhöhte Sicherheit gegen Frostschäden bietet. Gleichzeitig soll die Funktionsfähigkeit der an das Frischwassersystem angeschlossenen Verbraucher auch nach einer solchen Entleerung nach Möglichkeit aufrecht erhalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Schutz der Wasserleitungen und Wasserbehälter eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, vor Frostschäden, wobei eine Spannung in einem elektrischen Bordnetz des Fahrzeugs überwacht wird und wobei die Wasserleitungen und die Wasserbehälter entleert werden, wenn bei Unterschreitung einer Grenztemperatur die Spannung unter einen vorgegebenen ersten Grenzwert sinkt.

Durch die erfindungsgemäße Überwachung der Spannung in dem elektrischen Bordnetz kann sichergestellt werden, dass die Entleerung der Wasserleitungen und der Wasserbehälter rechtzeitig erfolgt, das heißt, wenn noch ausreichend elektrische Energie vorhanden ist, um das Frischwassersystem beziehungsweise die Wasserleitungen und Wasserbehälter des Fahrzeugs zu entleeren. Zur Durchführung des Verfahrens wird nämlich, beispielsweise zum Betätigen eines oder mehrere Wegeventile und/oder Pumpen in dem Leitungssystem des Schienenfahrzeugs, elektrische Energie benötigt.

Da es ohne ausreichende elektrische Energie nicht möglich ist, die Wasserleitungen und Wasserbehälter eines Fahrzeugs zu entleeren, wird durch die erfindungsgemäße Überwachung der Spannung im elektrischen Netz eine deutlich erhöhte Sicherheit der Wasserleitungen und mit Wasser gefüllten Behälter gegen Frostschäden erreicht.

Dabei wird im Allgemeinen vorausgesetzt, dass eine Druckluftversorgung vorhanden ist, so dass die von Frost besonders bedrohten Teile des Systems ausgeblasen und dadurch entleert werden können. Es ist jedoch auch möglich, das Frischwassersystem so auszulegen, dass das Verfahren ohne Druckluft durchführbar ist.

Die Grenztemperatur T_Grenz wird in aller Regel davon beeinflusst, wo eine für die Überwachung des Frischwassersystems geeignete Ist-Temperatur erfasst wird. Als Ist-Temperatur kann zum Beispiel die Umgebungstemperatur oder eine Temperatur im Inneren des Schienenfahrzeugs verwendet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Frischwassertank geleert wird, wenn die Spannung unter einen vorgegebenen Grenzwert sinkt. Dies ist jedoch nicht immer notwendig. In vielen Fällen ist es ausreichend, wenn nur die Leitungen und die nachgeordneten Wasserbehälter, wie zum Beispiel ein Grauwasserbehälter, und die Toiletten entleert werden und der Frischwassertank gefüllt bleibt. Dies ist deswegen möglich, weil der Frischwassertank, wenn er vollständig mit Wasser gefüllt ist, eine sehr große Wärmekapazität aufweist, so der Frischwassertank erst nach einer langen Zeit einzufrieren beginnt. Im Vergleich zu dem Frischwassertank haben die Leitungen eine sehr viel kleinere Wärmekapazität und frieren daher sehr viel schneller ein.

Daher ist es effizient und zielführend, in einem ersten Schritt die kleineren Volumina, wie sie beispielsweise in den Frischwasserleitungen, aber auch in nachgeordneten Behältern, wie zum Beispiel einem Warmwasserspeicher zu entleeren, um Frostschäden zu vermeiden. Ein weiterer Vorteil dieser gestaffelten Vorgehensweise ist darin zu sehen, dass sobald die Spannung im Bordnetz wieder den vorgegebenen ersten Grenzwert übersteigt, die Frischwasserversorgung nach wie vor gewährleistet ist, da der Frischwassertank noch gefüllt ist.

Wenn der Frischwassertank zum großen Teil entleert ist, dann ist naturgemäß auch die Wärmekapazität der verbliebenen Wassermenge deutlich geringer, so dass die Gefahr des Einfrierens größer ist. Allerdings bedeutet dies auch, dass genügend Luftvolumen in dem Frischwassertank vorhanden ist, so dass, eine geeignete Ausgestaltung des Tanks vorausgesetzt, das Einfrieren des Frischwassers nicht zum Platzen des Frischwassertanks führt, sondern die Volumenzunahme des gefrorenen Frischwassers innerhalb des Frischwassertanks kompensiert werden kann.

Ein alternatives Kriterium für das Entleeren des Frischwassertanks kann die Dauer des Zeitintervalls ΔT innerhalb dessen die Spannung unter dem vorgegebenen ersten Grenzwert liegt, sein. Damit wird der spezifischen Wärmekapazität des im Frischwassertank vorhandenen Wassers Rechnung getragen.

Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich auch dann noch durchführen, wenn nur noch elektrische Energie und keine Druckluft mehr zur Verfügung steht.

Bei einem alternativen Verfahren zum Schutz der Wasserleitungen und Wasserbehälter eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs vor Frostschäden, ist vorgesehen, dass ein Druck in einem Druckluftnetz des Fahrzeugs überwacht wird und, dass die Wasserleitungen und Wasserbehälter entleert werden, wenn der Druck P unter einen vorgegebenen zweiten Grenzwert sinkt, wobei der oder die Frischwassertanks verschlossen bleiben. Dadurch wird dem Umstand Rechnung getragen, dass zum Entleeren der Wasserleitungen und der Wasserbehälter in aller Regel Druckluft erforderlich ist. Typischerweise sind etwa 150 Liter Druckluft bei einem Ausgangsdruck von 8 bis 10 bar erforderlich, um in einem Schienenfahrzeug alle Leitungen und Behälter zu entleeren. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist somit gewährleistet, dass alle Behälter und Leitungen entleert werden, solange ausreichend Druckluft vorhanden ist.

Auch in diesem Fall muss der Frischwassertank noch nicht entleert werden. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass der Frischwassertank letztendlich nur durch die Schwerkraft des in ihm befindlichen Wassers sich selbst entleert, so dass keine Hilfsenergie in Form von Druckluft erforderlich ist. Es ist lediglich zur Entleerung des Frischwassertanks erforderlich, ein Ventil am Ausgang des Frischwassertanks zu öffnen und dieses Ventil wird vorteilhafter Weise elektrisch betätigt.

Daher ist durch die erfindungsgemäße Trennung der Verfahrensabläufe in Abhängigkeit davon, ob die elektrische Spannung im Bordnetz oder der Druck im Druckluftnetz des Schienenfahrzeugs zu niedrig sind, möglich, einerseits eine maximale Sicherheit gegen Frostschäden zu gewährleisten und andererseits die Funktionsfähigkeit der Wasserverbraucher so lange wie möglich aufrecht zu erhalten, indem der Frischwassertank nur im äußersten Notfall entleert wird.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sieht das Entleeren der Wasserleitungen und Wasserbehälter vor, dass ein Ablauf des oder der Grauwasserbehälter geöffnet wird, ein Ablauf des Schwarzwasserbehälters der Toilette geöffnet wird, dass die Spülung der Toiletten mindestens einmal betätigt wird, und dass die vorhandenen Wasserleitungen und die vorhandenen Behälter, sofern sie nicht von alleine durch die Schwerkraft des in ihm befindlichen Wassers leer laufen, mit Druckluft ausgeblasen werden.

Zusätzlich kann vorgesehen sein, die Wasserleitungen und/oder die Wasserbehälter zu entleeren, wenn im Inneren des Fahrzeugs eine Temperatur von weniger als 5°C herrscht oder wenn ein entsprechender Schalter oder Taster von dem Begleitpersonal des Schienenfahrzeugs betätigt wird. Somit gewährleistet das erfindungsgemäße Verfahren die schon aus dem Stand der Technik bekannten Systemen vorgewohnte Sicherheit gegen Frostschäden und ergänzt diese um die Überwachung der elektrischen Bordspannung und des Druckniveaus in dem Druckspeicher beziehungsweise in der Druckluftversorgung des Schienenfahrzeugs, so dass eine zusätzliche Sicherheit gegen Frostschäden gewährleistet werden kann.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Steuergerät zur Überwachung des Wassers des Frischwassersystems und/oder des Brauchwassersystems eines Schienenfahrzeugs, wobei das erfindungsgemäße Steuergerät nach einem der vorhergehenden Verfahren arbeitet.

Wenn die schaltbaren wegeventile als belüftbare Wegeventile ausgebildet sind, dann wird nach dem Absperren des oder der Wegeventile die abgesperrte Leitung belüftet. Diese belüfteten Leitungsabschnitte können nicht mehr Einfrieren und sind dadurch wirksam vor Frostschäden geschützt. In aller Regel wird man diese Wegeventile so auslegen, dass sie stromlos geschlossen sind.

Es zeigen:

Figur 1

das erfindungsgemäße Frischwasser- und Brauchwassersystem eines Schienenfahrzeugs und

Figur 2

wird ein Ablaufdiagramm eines Erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Figur 1 sind die Frischwasserversorgung, sowie Teile des elektrischen Bordnetzes und einer Druckluftanlage stark vereinfacht und teilweise als Blockschaltbild dargestellt. Ausgehend von einem Frischwassertank 1 werden verschiedene Verbraucher, wie zum Beispiel ein Wasserhahn 3, eine Toilettenspülung 5 und ein Warmwasserbereiter 7 mittels Wasserleitungen 9 von dem Frischwassertank 1 bei Bedarf mit Wasser versorgt. Unterhalb des Wasserhahns 3 sind ein Waschbecken 11 und ein Grauwasserbehälter 13 stark vereinfacht dargestellt. Das Waschbecken 11 und der Grauwasserbehälter 13 sind über eine Ablaufleitung 15 miteinander verbunden.

Unterhalb der als Blackbox dargestellten Toilettenspülung 5 ist ein Schwarzwasserbehälter 17 vorhanden, der ebenso wie der Grauwasserbehälter 13 über einen Ablauf 19 verfügt. Beide Abläufe 15 und 19 münden in einen nicht dargestellten Abwassertank.

Auch der Frischwassertank 1 verfügt über einen Ablauf 19, der über ein erstes Wegeventil 21 geöffnet beziehungsweise geschlossen werden kann. Im Normalfall ist dieses erste Wegeventil 21 geschlossen.

In der Wasserleitung 9 ist unmittelbar nach dem Austritt aus dem Frischwassertank 1 ein zweites Wegeventil 23 vorgesehen. Mit diesem zweiten Wegeventil 23 ist es möglich, den Frischwassertank 1 zu verschließen, wenn die stromabwärts gelegenen Leitungen 9 und Verbraucher, insbesondere der Warmwasserbereiter 7, der Wasserhahn 3 sowie die Toilettenspülung 5 in erfindungsgemäßer Weise entleert werden sollen. Dazu ist es vorteilhaft, wenn insbesondere das zweite Wegeventil 23 als belüftbares Wegeventil ausgebildet ist und stromlos geschlossen ist.

Das zweite Wegeventil 23 wird zeitgleich mit der Entleerung der Behälter 7, 13, 5 geschlossen, so dass der Ablauf des Frischwassertanks 1 verschlossen und die Versorgungsleitungen 9 belüftet werden. Das zweite Wegeventil 23 ermöglicht demzufolge in der Schließ-Stellung noch die Belüftung der Versorgungs- oder Wasserleitung 9.

Die Wegeventile 21 und 23 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel als elektrisch betätigte 2/2-Wegeventile ausgebildet. In der Wasserleitung 9 ist zwischen dem Warmwasserbereiter 7 und dem Wasserhahn 3 ein Entleerventil vorgesehen.

Am Ablauf 19 des Warmwasserbereiters 7 ist ein pneumatisch betätigtes drittes Wegeventil 25 vorgesehen. Es ist jedoch auch möglich, das dritte Wegeventil 25 elektrisch zu betätigen.

Die drei Wegeventile 21, 23 und 25 sind über elektrische beziehungsweise pneumatische Signalleitungen 27, 35 mit einem Steuergerät AFD verbunden. Die elektrischen Signalleitungen sind in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 27 versehen. Die pneumatischen Leitungen, welche beispielsweise den Druckspeicher 35 mit dem Druckschalter PS verbinden, sind mit den Bezugszeichen 37 versehen.

Das Steuergerät AFD ist mit einem Thermostat 29 sowie einem Schalter 31 über Signalleitungen (ohne Bezugszeichen) verbunden. Des Weiteren ist das Steuergerät AFD mit einem Minimalspannungsrelais MVR verbunden, welches die elektrische Spannung einer Batterie 33 von beispielsweise 110 Volt überwacht.

Wenn das Minimalspannungsrelais MVR eine Spannung detektiert, die entweder unterhalb eines ersten Grenzwerts U_Grenz,₁ von beispielsweise 99 Volt, liegt, dann übermittelt das Minimalspannungsrelais MVR ein entsprechendes Signal an das Steuergerät AFD und infolge dessen werden die Wasserleitungen 9, sowie die Verbraucher 7, 3 und 5 entleert.

Das Minimalspannungsrelais MVR gibt zweites und anderes Signal an das Steuergerät AFD ab, wenn die Spannung niedriger als ein zweiter Grenzwert U_Grenz,2 ist oder die Spannung für einen Zeitintervall ΔT länger als ein vorgegebenes Zeitintervall ΔT unterhalb der ersten Grenzspanne U_Grenz,1 liegt. Wenn dieses zweite Signal am Steuergerät AFD anliegt, wird zusätzlich auch das erste Wegeventil 21 geöffnet und der Frischwassertank 1 entleert. Das Entleeren des Frischwassertanks stellt einen für die Passagiere spürbaren Eingriff in die Funktion des Schienenfahrzeugs dar, da anschließend alle Wasserverbraucher so lange funktionslos sind, bis der Frischwassertank 1 wieder aufgefüllt wurde. Daher wird der Frischwassertank 1 nur entleert, wenn es unvermeidbar ist.

In vielen Situationen ist es völlig ausreichend, nur die Verbraucher 3, 5 und 7 sowie die Wasserleitungen 9 zu entleeren und den Frischwassertank 1 gefüllt zu lassen. Die Gründe hierfür sind wie folgt:

Wenn der Frischwassertank 1 mit Wasser gefüllt ist, hat er eine sehr große Wärmekapazität und es dauert entsprechend lang bis das im Frischwassertank 1 vorhandenen Wasser einfriert. Die Wasserleitungen 9 fangen sehr viel früher an einzufrieren.

Wenn der Frischwassertank 1 nur teilweise gefüllt ist, dann ist zwar die Wärmekapazität des im Frischwassertank 1 vorhandenen Wassers deutlich reduziert. Allerdings ist dann ein Luftpolster in dem Frischwassertank 1 vorhanden, welches die Ausdehnung des Wassers beim Einfrieren entsprechend auffangen kann. Dies ist insbesondere dann ohne Schäden an dem Frischwassertank 1 möglich, wenn die Wände des Frischwassertanks zum Beispiel nach oben hin kegelstumpfförmig erweitert sind, so dass das entstehende Eis nach oben rutschen kann und keine Schäden an dem Frischwassertank verursacht.

In ähnlicher Weise wie das Minimalspannungsrelais MVR die elektrische Netzspannung überwacht, wird durch einen Druckschalter PS der Druck in einem Druckluftspeicher 35 überwacht. Sobald der Druck im Druckluftspeicher 35 unter einen dritten Grenzwerts P_Grenz,3 sinkt, gibt der Druckschalter PS ein entsprechendes Signal an das Steuergerät AFD ab und infolge dessen werden die Leitungen 9 und die Verbraucher 7, 3 und 5 entleert.

Das Steuergerät AFD hat auch einen Eingang einer pneumatischen Druckleitung 37 und einen Ausgang, der mit der Toilettenspülung 5 und mit dem Grauwasserbehälter 13 verbunden ist. Dadurch ist es möglich, bei Bedarf, die Toilettenspülung 5, die üblicherweise mit Druckluft betätigt wird, durch das Steuergerät AFD zu betätigen, so dass die Toilettenspülung 5 entleert wird, wenn gleichzeitig mit der Betätigung der Toilettenspülung 5 das zweite Steuerventil 23 geschossen wird. Des Weiteren sorgt die Druckluftleitung 37 dafür, dass bei Bedarf ein Überdruck in dem Grauwasserbehälter 13 entsteht, so dass das im Grauwasserbehälter 13 befindliche Wasser über den Ablauf 19 in den Abwassertank (nicht dargestellt) abfließen kann und dadurch der Grauwasserbehälter 13 entleert wird.

Der Warmwasserbereiter 7 wird durch das öffnen des dritten Wegeventils 25 entleert. Es empfiehlt sich im Sinne einer Minimierung des Druckluftbedarfs, zuerst das zweite Wegeventil 23 zu schließen und dann das dritte Wegeventil 25 zu öffnen, so dass der Warmwasserbereiter 7 leer läuft.

Anschließend wird die Toilettenspülung 5 von dem Steuergerät AFD mindestens einmal betätigt und der Grauwasserbehälter 13 in der oben beschriebenen Weise entleert.

Auf diese Weise ist es möglich mit einem geringen Druckluftbedarf von beispielsweise 120 bis 150 Litern das gesamte Wassersystem zu entleeren, so dass keine Frostschäden mehr auftreten können.

Wenn der Frischwassertank 1 entleert werden soll, dann ist es ausreichend, das erste Wegeventil 21 zu öffnen, da sich der Frischwassertank 1 durch die Schwerkraft des in ihm befindlichen Wassers selbst entleert.

In Figur 2 ist ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt in einem Startblock. In einem ersten Funktionsblock 51 werden die aktuelle Spannung U des Bordnetzes beziehungsweise einer Batterie sowie der Druck P im Druckspeicher 35 erfasst.

In einem ersten Abfrageblock 53 wird abgefragt, ob der aktuelle Druck P kleiner ist als ein Grenzwert P_Grenz,3. Wenn dies der Fall ist, dann werden in einem zweiten Funktionsblock 55 das Ventil 23 geschlossen und das Ventil 25 geöffnet sowie die Toilettenspülung 5 angesteuert. Dies ist durch entsprechend gekennzeichnete Pfeile, die vom zweiten Funktionsblock 55 abgehen angedeutet.

Die Ansteuerung der Ventile 21, 23 und 25 sowie der Toilettenspülung 5 kann, wie bereits im Zusammenhang mit der Figur 1 erläutert, zeitlich versetzt erfolgen, so dass zunächst das dritte Wegeventil 25 geöffnet wird, so dass der Warmwasserbereiter 9 leer laufen kann und erst anschließend wird die Toilettenspülung 5 betätigt und mit Druckluft der Grauwasserbehälter 13 belüftet. Das Ventil 21 bleibt geschlossen. Danach verzweigt das Programm wieder an den Anfang.

In einem zweiten Vergleicher 57 wird abgefragt, ob die Bordspannung U kleiner als ein erster Grenzwert U_Grenz,1 ist. Wenn dies nicht der Fall sein sollte, dann verzweigt das Verfahren wieder an den Start.

Falls sich in dem zweiten Vergleicher 57 herausgestellt hat, dass die Netzspannung U kleiner als der erste Grenzwert U_Grenz,1 ist, verzweigt das Programm zu einem dritten Funktionsblock 59. Dort werden, ähnlich wie im zweiten Funktionsblock 55 die Ventile 23 und 25 sowie die Toilettenspülung 5 angesteuert.

In einem dritten Vergleicher 61 wird geprüft, ob die Spannung U kleiner als ein zweiter Grenzwert U_Grenz,2 ist oder die Spannung länger als ein vorgegebenes Zeitintervall ΔT kleiner als der erste Grenzwert U_Grenz,1 ist. Falls diese Abfrage mit nein beantwortet wird, verzweigt das Programm wieder an den Anfang. Andernfalls wird zusätzlich in einem vierten Funktionsblock 63 das erste Wegeventil 21 geöffnet.