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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Lufttrockner für Eisenbahn-Luftsysteme, und insbesondere ein Lufttrockner-Steuersystem mit einem Schlafmodus, um während der Leerlaufzeiten den Verbrauch von Luft und Strom zu verhindern.
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BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
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Ein typischer Lufttrockner mit zwei Trockenmitteltürmen („Doppelturmlufttrockner“) umfasst zwei Trockenkreisläufe, die durch Ventile gesteuert werden. Feuchte Einlassluft strömt durch einen Kreislauf, um Wasserdampf zu entfernen, während trockene Produktluft im Gegenstrom den anderen Kreislauf durchläuft, um das angesammelte Wasser zu entfernen und das Trockenmittel zu regenerieren. Einlass- und Auslassventile für jeden Pneumatikkreis reagieren auf die Steuerelektronik, um den Luftstrom zwischen den beiden Kreisläufen so umzuschalten, dass ein Kreislauf stets trocknet, während der andere sich regeneriert. Der Lufttrockner kann eine Vorfiltrationsstufe mit einem Wasserabscheider und/oder Koaleszer aufweisen, der in der Strömungsrichtung vor den Trocknungskreisen angeordnet ist. Die Vorfiltrationsstufe entfernt Flüssigphasen- und Aerosolwasser und -öl, das sich infolge der Verdichtung der Umgebungsluft durch die Luftkompressoren der Lokomotive im Luftversorgungssystem ansammeln können. Eine Vorfiltrationsstufe umfasst ein Entwässerungsventil, das periodisch benutzt wird, um angesammelte Flüssigkeit zu spülen. Ein typischer Betätigungszyklus eines Entwässerungsventils der Vorfiltrationsstufe kann zum Beispiel alle zwei Minuten eine zwei Sekunden lange Spülung (Öffnung) veranlassen.
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Wenn eine Lokomotive abgestellt wird, öffnet der Lokführer gewöhnlich den Hauptleistungsschalter und schaltet die elektrisch betriebenen Hilfsgeräte ab, zu denen auch der Lufttrockner gehört. Unter bestimmten Umständen kann die Lokomotive jedoch für längere Zeit bei unausgeschaltetem elektrischem Strom abgestellt werden oder im Leerlauf sein. Wenn der Dieselmotor oder der Luftkompressor abgeschaltet ist, werden das Vorfiltrations-Entwässerungsventil und die Trockenmittel-Regenerationsvenile ihren Betätigungszyklus fortsetzen und schließlich das Hauptluftreservoir und/oder die Batterie der Lokomotive erschöpfen. Einige Luftversorgungssysteme gehen das Problem des elektrischen Stromverbrauchs an, indem sie die Lufttrocknerventile nur bei laufendem Luftkompressor betätigen. Diese Lösung löst das Problem jedoch nicht vollständig, da sie in Betrieb zu einer ineffizienten Trocknung der Luft führen kann. Zum Beispiel kann noch Luft durch einen Lufttrockner strömen, wenn der Kompressor aus ist. Zudem gibt es viele Fälle, in denen der Kompressor zwar eingeschaltet ist, tatsächlich aber keine Luft durch den Lufttrockner strömt, weshalb dieser Betrieb der Ventile verschwenderisch ist. Schließlich kann in einem Zug mit mehreren Lokomotiven, wo alle Lokomotiven durch eine Hauptreservoir-Zugleitung miteinander gekoppelt sind, die Lokomotive, deren Kompressor aus ist, von anderen Lokomotiven im Zug mit Druckluft versorgt werden. Daher besteht ein Bedarf an einem Lufttrockner-Steuersystem, das verhindert, dass der Lufttrockner unnötigerweise Druckluft auslässt oder elektrischen Strom verschwendet, wenn das Luftversorgungssystem der Lokomotive im Leerlauf betrieben werden soll.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung umfasst einen Lufttrockner für ein Luftversorgungssystem für Lokomotiven, der einen Ventilsatz zum Steuern des Luftstroms von einem Einlass durch einen von zwei Trockenmitteltürmen zu einem Auslass und ein Steuergerät zum Steuern des Ventilsatzes aufweist. Das Steuergerät ist insbesondere dazu programmiert, in Reaktion auf eine Bestimmung, dass das Luftversorgungssystem der Lokomotive nicht in Gebrauch ist, die Betätigung der Ventile zu unterbinden. Es wird bestimmt, dass das Luftversorgungssystem der Lokomotive nicht in Gebrauch ist, wenn der Luftkompressor, der dem Lufttrockner Luft zuführt, eine vorbestimmte Zeit lang nicht in Betrieb war, wenn der elektrische Zustand einer mit dem Lufttrockner gekoppelten Diesellokomotive anzeigt, dass er nicht in Gebrauch ist, wenn eine vorbestimmte Zeit lang kein Luftstrom durch den Lufttrockner vorhanden ist, wenn eine vorbestimmte Zeit lang kein ausreichender Druck im ersten Hauptreservoir vorhanden ist, wenn das zweite Hauptreservoir einen ausreichenden Druck im zweiten Hauptreservoir relativ zum ersten Hauptreservoir hat, oder wenn der Feuchtigkeitsgrad der aus dem Lufttrockner austretenden Luft eine vorbestimmte Zeit lang anzeigt, dass das Luftversorgungssystem nicht in Gebrauch ist. Demnach kann der Lufttrockner einen Feuchtigkeitssensor umfassen, der mit dem Steuergerät gekoppelt ist, und das Steuergerät kann mit dem Luftkompressor, dem elektrischen System der Lokomotive und Drucksensoren im ersten und zweiten Hauptreservoir verbunden sein. Das Steuergerät kann auch mit einem Rückschlagventil verbunden sein, das zwischen dem ersten und dem zweiten Hauptreservoir angeordnet ist, und optional mit einem Durchflussmesser, der angeordnet ist, um einen Luftvolumenstrom im Einlass des Lufttrockners zu messen.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst eine Schlafmodussteuerung für einen Lufttrockner, der eine Ventilreihe zum Steuern des Luftstroms von einem Einlass durch mindestens einen Trockenmittelturm zu einem Auslass und ein Steuergerät zum Steuern des Ventilsatzes aufweist. Das Steuergerät des Lufttrockners bestimmt, ob das Luftversorgungssystem der Lokomotive nicht in Gebrauch ist, und unterbindet die Betätigung der Ventilreihe während der Zeitperiode, in welcher das Luftversorgungssystem der Lokomotive nicht in Gebrauch ist, wenn nicht. Das Steuergerät kann den Normalbetrieb in regelmäßigen Abständen wiederherstellen, oder nach Erkennung eines Anzeichens, dass das Luftversorgungssystem der Lokomotive wieder in Gebrauch ist.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird beim Durchlesen der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich, wobei:
- 1 eine schematische Darstellung eines Luftversorgungssystems für Lokomotiven ist, das einen Lufttrockner mit Schlafmodus gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
- 2 eine schematische Darstellung eines Lufttrockners mit einem Schlafmodus gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
- 3 eine schematische Darstellung eines Lufttrockners mit einem Schlafmodus gemäß der vorliegenden Erfindung ist, der mit verschiedenen Elementen eines Luftversorgungssystems für Lokomotiven verbunden ist; und
- 4 ein Ablaufplan eines Implementierungsprozesses des Schlafmodus für einen Lufttrockner gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in denen gleiche Bezugszeichen sich durchgängig auf gleiche Teile beziehen, wird in 1 ein Luftsystem 10 für Lokomotiven dargestellt, das einen Luftkompressor 12, einen Nachkühler 14, ein erstes und ein zweites Hauptreservoir MR1 und MR2, und einen Lufttrockner 16 mit zwei Trockenmitteltürmen umfasst, der einen Schlafmodus gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist, wie weiter unten ausführlicher beschrieben. Das zweite Hauptreservoir MR2 ist mit dem Bremssystem 18 gekoppelt, und ein Rückschlagventil 20 ist zwischen dem ersten und dem weiten Hauptreservoir MR1 und MR2 angeordnet. Eine Vorfiltrationsstufe 22 ist mit dem Lufttrockner 16 verbunden und weist ein Entwässerungsventil 24 auf, das einer Entwässerungsventil-Spülzykluszeit entsprechend betätigt wird. Optional kann ein Durchflussmesser 26 in der Einlassluft zum Lufttrockner angeordnet sein.
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Bezug nehmend auf 2, umfasst ein Lufttrockner 16 mit zwei Trockenmitteltürmen einen Einlass 28 zum Empfangen von Luft aus dem ersten Hauptreservoir MR1. Der Einlass 28 steht mit einer integralen Vorfiltrationsstufe 30 in Verbindung, die wie dargestellt einen Wasserabscheider 32, einen Grobkoaleszer 34 und einen Feinkoaleszer 36 aufweist. Im Wasserabscheider 32, Grobkoaleszer 34 und Feinkoaleszer 36 angesammelte Flüssigkeiten werden durch das Entwässerungsventil 24 ausgestoßen. Ein Paar Einlassventile 42 und 44 sind in der Strömungsrichtung hinter der Vorfiltrationsstufe 30 angeordnet, um einströmende Luft zwischen einem von zwei Luftwegen umzuleiten, von denen jeder mit einem der zwei Trockenmitteltürme 46 und 48 verbunden ist. Ein Temperatursensor 50 ist vor den Einlassventilen 42 und 44 und hinter der Vorfiltrationsstufe 30 angeordnet. Der erste Luftweg hinter dem ersten Einlassventil 42 führt zu einem Auslassventil 52 und zum ersten Trockenmittelturm 46. Der zweite Luftweg hinter dem zweiten Einlassventil 44 führt zu einem zweiten Auslassventil 54 und zum zweiten Trockenmittelturm 48. Der erste Luftweg umfasst zudem ein erstes Rückschlagventil 58 und eine erste Bypassöffnung 62 hinter dem ersten Trockenmittelturm 46, und der zweite Luftweg umfasst zudem ein zweites Rückschlagventil 60 und eine Bypassöffnung 64 hinter dem zweiten Trockenmittelturm 48. Ein einzelner Auslass 66 ist mit dem Ende des ersten und zweiten Luftwegs gekoppelt, und ein Feuchtigkeitssensor 68 ist vor dem Auslass 66 angeordnet. Die Einlassventile 42 und 44 und die Auslassventile 52 und 54 werden durch ein Steuergerät 40 gesteuert. Das Steuergerät 40 betätigt die Einlassventile 42 und 44 und die Auslassventile 52 und 54 derart, dass Druckluft, die am Einlass 28 zugeführt wird, zur Trocknung durch einen der Trockenmitteltürme 46 oder 48 geleitet wird. Der andere der Trockenmitteltürme 46 oder 48 kann regeneriert werden, indem das entsprechende Auslassventil 52 oder 54 eine bestimmte Zeit lang geöffnet wird, um die Rückströmung getrockneter Luft durch die Bypassöffnung 62 oder 64 zuzulassen. Das Steuergerät 40 kommuniziert auch mit dem Temperatursensor 50 und dem Feuchtigkeitssensor 68. Ein Heizelement 70 kann ebenfalls mit dem Steuergerät 40 verbunden sein und im Lufttrockner 16 angeordnet sein, um die Einlassventile 42 und 44 und die Auslassventile 52 und 54 zu erwärmen, wenn die Temperatur unter dem Gefrierpunkt liegt.
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Zusätzlich zur Ausführung des Normalbetriebs der Einlassventile 42 und 44 und der Auslassventile 52 und 54 ist das Steuergerät 40 dazu programmiert, zu bestimmen, ob die Betrieb des Lufttrockners 16 unterbunden werden soll, wie z.B., wenn die Lokomotive im Leerlauf ist oder wenn kein Trocknungsbedarf besteht, da keine Luft durch den Lufttrockner 16 strömt. Wenn das Steuergerät 40 bestimmt, dass das Luftsystem 10 für Lokomotiven nicht in Gebrauch ist, ist das Steuergerät 40 dazu programmiert, einen Schlafmodus zu aktivieren, in welchem die Betätigung des Entwässerungsventils 38 und/oder der Einlassventile 42 und 44 und der Auslassventile 52 und 54 ausgesetzt wird, bis das Steuergerät 40 ein Signal empfängt, das anzeigt, dass das Luftsystem 10 wieder in Gebrauch ist. Wenn das Steuergerät 40 bestimmt, dass das Luftsystem 10 wieder in Gebrauch ist, kann das Steuergerät 40 die normale Betätigung der Ventile wiederaufnehmen. Sobald der Schlafmodus eingeleitet ist, kann das Steuergerät das normalerweise geschlossene Einlassventil 24, die normalerweise geöffneten Einlassventile 42 und 44 und die normalerweise geschlossenen Auslassventile 52 und 54 stromlos schalten, um unerwünschte Luftaustritte aus dem Luftversorgungssystem 10 zu vermeiden.
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Auf 3 Bezug nehmend, kann das Steuergerät 40 mit dem Kompressor 12 verbunden sein, um eine Eingabe zu empfangen, die anzeigt, wann der Kompressor 12 betrieben wird. Das Steuergerät 40 kann zum Beispiel ein Signal empfangen, das den Zustand des Kompressormotor-Antriebsstroms, des Druckreglers oder der Motorsteuerschütze anzeigt. Dementsprechend kann das Steuergerät 40 mit dem elektrischen System 72 der Lokomotive verbunden sein, um den Zustand der Lokomotive zu bestimmen. Zum Beispiel kann das Steuergerät 40 mit dem Ausgang des Hilfsgenerators 74 verbunden sein, um zu bestimmen, ob die Diesellokomotive abgeschaltet ist. Das Steuergerät 40 kann auch mit der Batterie 76 der Lokomotive verbunden sein, um zu bestimmen, ob die Batteriespannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert abgefallen ist, wodurch angezeigt wird, dass der Dieselmotor der Lokomotive nicht läuft und die Batterie 76 nicht aufgeladen wird. Eines dieser erkannten Ereignisse oder alle davon können vom Steuergerät 40 als Auslöser zur Einleitung des Schlafmodus verwendet werden. Das Steuergerät 40 kann den Schlafmodus eine vorbestimmte Zeit lang implementieren, oder bis das Steuergerät 40 ein Ereignis erkennt, das die Wiederaufnahme des Gebrauchs des Luftversorgungssystems 10 für Lokomotiven anzeigt.
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Anstelle oder zusätzlich zur Erkennung von Lokzustandsereignissen kann das Steuergerät 40 auch dazu programmiert sein, zu bestimmen, ob ein Luftstrom durch den Lufttrockner 16 vorhanden ist, oder selbst die Qualität und Menge des Luftstroms durch den Lufttrockner 16 als Auslöser für den Eintritt in den Schlafmodus bestimmen. Zum Beispiel kann eine binäre Anzeige vom Rückschlagventil 20 genommen werden, um anzuzeigen, ob das Rückschlagventil 20 geöffnet oder geschlossen ist, wodurch das Steuergerät 40 bestimmen kann, ob Luft von MR1 zu MR2 strömt. Dementsprechend kann eine proportionale Anzeige vom Rückschlagventil 20 genommen werden, um zu bestimmen, wie weit das Rückschlagventil 20 geöffnet ist. Die Größe der Öffnung des Rückschlagventils 20 ist proportional zur Druckdifferenz durch das Rückschlagventil 20, und die Federkonstante und Vorspannung der Vorspannfeder im Rückschlagventil 20 sind bekannt. Daher kann die Bewegungsmenge des Rückschlagventils 20 verwendet werden, um den momentanen Durchfluss durch das Rückschlagventil 20 zu bestimmen. Der Gesamtluftvolumenstrom kann dann durch einfaches Integrieren des momentanen Luftvolumenstroms über einen bestimmten Zeitraum hinweg berechnet werden. Schließlich kann das System einen Durchflussmesser 26 umfassen, um den Durchfluss direkt zu messen. Das Steuergerät 40 kann dann dazu programmiert sein, in den Schlafmodus einzutreten, um die Ventilbetätigung zu unterbinden, wenn kein Luftstrom vorhanden ist, oder wenn der Luftstrom eine bestimmte Zeit wie z.B. vierundzwanzig Stunden lang unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegt.
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Das Steuergerät 40 kann auch mit MR1 oder MR2 verbunden sein, um den Druck in einem oder beiden Reservoirs zu bestimmen. Das Steuergerät 40 kann dann den Schlafmodus einleiten, wenn der Druck in MR1 kleiner ist als der untere Sollwert des Druckreglers, der verwendet wird, um zum Aufladen des Systems 10 den Druckluftkompressor 12 auszulösen, da dies anzeigt, dass die Lokomotive nicht in einem Zustand ist, in welchem der Luftkompressor 12 MR1 auffüllen muss. Dementsprechend kann das Steuergerät 40 dazu programmiert sein, den Schlafmodus einzuleiten, wenn der Druck in MR2 eine vorbestimmte Anzahl von Stunden lang größer als der Druck in MR1 ist, wodurch angezeigt wird, dass MR1 nicht aufgeladen wird. Der Druck in MR1 oder MR2 kann durch einen Druckwandler oder Druckschalter bestimmt werden, der mit dem Steuergerät 40 verbunden ist.
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Das Steuergerät 40 kann auch dazu programmiert sein, den Ausgang des Lufttrockners 16 zu messen, um zu bestimmen, ob der Schlafmodus eingeleitet werden soll. Zum Beispiel kann eine fehlende Änderung in der Feuchtigkeit am Ausgang des Lufttrockners 16 verwendet werden, um abzuleiten, dass das Luftversorgungssystem 10 nicht aktiv ist. Das Steuergerät 40 kann zum Beispiel den Schlafmodus einleiten, wenn die Luftfeuchtigkeit innerhalb einer vorgegebenen Toleranz ausreichend trocken bleibt, während die Spülzykluszeit des Lufttrockners auf eine maximale Dauer eingestellt ist und die Temperatur am Einlass 28 so warm ist, dass die Luftfeuchtigkeit zunehmen müsste, wenn ein Luftstrom durch den Lufttrockner vorhanden wäre.
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Das Steuergerät 40 kann auch dazu programmiert sein, zu bestimmen, ob die Auslassluftfeuchtigkeit dem erwarteten Sättigungsgrad für durch den Lufttrockner 16 strömende Luft entspricht, und den Schlafmodus einleiten, wenn nicht. Wenn angenommen wird, dass die Druckluft in MR1 aufgrund des Verdichtungsdrucks gesättigt ist, kann anhand der aktuellen Lufttemperatur und des entsprechenden Wasserdampfsättigungsgrads das Luftvolumen berechnet werden, das mit der Zeit zur Sättigung eines der Trockenmitteltürme 46 oder 48 im Lufttrockner 16 führen wird. Das Steuergerät 40 kann zum Beispiel berechnen, dass die Sättigung des Trockenmittels des Lufttrockners 16 bei der gemessenen Temperatur durch 500 Kubikfuß Luft aus MR1 erfolgen wird. Bei einer Durchflussmenge von 90 Normkubikfuß pro Minute (SCFM) müsste die dann Sättigung in nur 5,5 Minuten erfolgen. Wenn die Luftfeuchtigkeit im Auslass 66 nach Ablauf der erwarteten Sättigungszeit nicht der Sättigung entspricht, kann das Steuergerät den Schlafmodus einleiten.
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Statt die erwartete Sättigungszeit zu messen, kann das Steuergerät 40 dazu programmiert sein, den Schlafmodus einzuleiten, wenn die standardmäßige Regenerationszykluszeit eine vorbestimmte Zahl von Malen wiederholt wurde, ohne dass die Luftfeuchtigkeit angestiegen ist. Bei Lufttrocknern 16 mit variablem Regenerationszyklus kann das Steuergerät 40 dazu programmiert sein, den Schlafmodus einzuleiten, wenn der variable Regenerationszyklus eine vorbestimmte Zahl von Malen verlängert wurde, ohne dass die Luftfeuchtigkeit der durch den Lufttrockner 16 strömenden Luft angestiegen ist. Ein anschließender Anstieg der Luftfeuchtigkeit am Auslass 66 kann verwendet werden, um die Rückkehr des Steuergeräts 40 zur normalen Ventilsteuerung auszulösen.
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Sobald das Steuergerät 40 den Schlafmodus eingeleitet hat, kann eine Änderung in den verschiedenen Auslösebedingungen, die oben genannt wurden, vom Steuergerät 40 benutzt werden, um den Schlafmodus zu beenden und zum normalen Ventilbetrieb zurückzukehren. Beispielsweise kann das Einschalten des Luftkompressors 12, die Erkennung eines Luftstroms durch den Lufttrockner 16, ein Anstieg im MR1-Druck über einen vorbestimmten Schwellenwert, der Strom am Hilfsgenerator, ein Aufladen der Batterie der Lokomotive über eine vorbestimmte Voltzahl und/oder eine Änderung in der Luftfeuchtigkeit am Auslass 66 des Lufttrockners eine Rückkehr zum Normalbetrieb auslösen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Steuergerät 40 dazu programmiert sein, in regelmäßigen Abständen zum Normalbetrieb zurückzukehren, wie z.B. einmal alle vierundzwanzig Stunden, und dann wieder in den Ventilsteuerungsschlafmodus zurückzukehren, wenn die Bedingungen des Luftversorgungssystems 10 für die Einleitung des Schlafmodus noch vorliegen.
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Auf 4 Bezug nehmend, kann das Steuergerät 40 einen Schlafmodusprozess 80 implementieren, der mit dem Lufttrockner 16 im normalen Ventilbetrieb 82 beginnt. Das Steuergerät 40 führt dann eine Prüfung 82 durch, um unter Verwendung eines der oben erläuterten Ansätze zu bestimmen, ob das Luftversorgungssystem 10 der Lokomotive im Leerlauf sein sollte. Das Steuergerät 40 kann zum Beispiel das elektrische System 72 der Lokomotive, den Luftkompressor 12, das erste Hauptreservoir MR1, das Rückschlagventil 20, den Lufttrockner 16 oder das zweite Hauptreservoir MR2 auf relevante Zustandsdaten hin prüfen und dann notwendige Berechnungen durchführen, um wie oben beschrieben zu bestimmen, ob das System 10 im Leerlauf ist, weshalb der Lufttrockner 16 in den Schlafmodus versetzt und alle Ventile stromlos geschaltet werden sollten. Wenn eine Prüfung 84 angibt, dass das Luftversorgungssystem der Lokomotive nicht in Gebrauch ist, z.B. eine bestimmte Zeit lang im Leerlauf ist, unterbindet das Steuergerät 40 die Betätigung der Lufttrocknerventile 86, wodurch es den Lufttrockner 16 in den Schlafmodus versetzt. Das Steuergerät 40 führt nach einem vorbestimmten Zeitplan eine anschließende Prüfung 88 der relevanten Aspekte des Systems 10 durch, um zu bestimmen, ob das Luftversorgungssystem 10 der Lokomotive wieder in Gebrauch ist. Wenn ja, stellt das Steuergerät 40 den normalen Ventilbetrieb wieder her 90.