用于空气压缩机后冷却器的除冰系统的制作方法

本发明涉及机车空气供应系统，并且更具体地涉及对空气压缩机中间冷却器和后冷却器的除冰。

背景技术：

典型的铁路两级空气压缩机包括中间冷却器和后冷却器两者，以去除压缩热量。空气的保水能力高度地取决于温度，称为饱和分压；在高温下，空气能够比低温下保持多得多的水蒸气。此外，饱和分压与空气压力无关，因此当空气被等温压缩时，超过饱和分压的所有水蒸气压力都作为液态水析出。在典型的空气压缩机中，压缩不是等温的，而是空气在压缩期间加热并且其水蒸气保持能力相应地增加。在大多数入口条件下，随着空气冷却，液态水将在中间冷却器和后冷却器中析出。当环境温度低于冰点且压缩机以低占空比操作运行时，压缩机可能无法在中间冷却器和/或后冷却器中产生足够的热量来将冷却器保持在冰点之上。因此，在冷却器内部可能发生结霜和结冰，并且它们可能被冰堵塞。如果结冰条件持续存在，则通过冷却器的压缩空气流可能被堵塞，从而阻止压缩空气输送到机车主贮存器并危及列车的制动能力。

中间冷却器或后冷却器冻结的常规解决方案包括使用旁通回路，所述旁通回路具有手动操作的旁通阀和与冷却器回路并联的旁通流道。虽然这种旁通解决方案可以工作，但旁通阀必须在冬季手动打开，并在冬季结束时关闭。除了手动转换旁通阀的实际困难(比如在适当的时间接近所有的旁通阀)之外，无法确保旁通阀的季节性转换与环境温度的实际变化相一致。例如，机车通常行驶穿过足够寒冷而导致全年大部分时间结冰的地区。结果，在本领域中需要一种更完全地解决该问题的除冰方案。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于具有第一级卸荷阀和第二级卸荷阀的空气压缩机的除冰系统，该除冰系统在环境温度变化时能够容易且自动地提供除冰。所述除冰系统包括联接至第一级卸荷阀的中间冷却器除冰阀，该中间冷却器除冰阀能在第一位置与第二位置之间移动，在第一位置，第一级卸荷阀连接至卸荷控制阀的出口，在第二位置，所述第一级卸荷阀连接至排气口。所述除冰系统还包括联接至第二级卸荷阀的后冷却器除冰阀，该后冷却器除冰阀能在第一位置与第二位置之间移动，在第一位置，第二级卸荷阀连接至卸荷控制阀的出口，在第二位置，第二级卸荷阀连接至第三排气口。控制器与中间冷却器除冰阀和后冷却器除冰阀的导向阀互连，并且被编程为：当环境温度低于预定阈值时，在后冷却器除冰阀在第一位置时将中间冷却器除冰阀导向到第二位置持续第一时间间隔。该控制器进一步被编程为当环境温度低于预定阈值时，在中间冷却器除冰阀在第一位置时将后冷却器除冰阀导向到第二位置持续第二时间间隔。该控制器可以被编程为在导向中间冷却器除冰阀和后冷却器除冰阀之前确定压缩机是否卸载。该控制器还可以被编程为在预定等待间隔之后重复对中间冷却器除冰阀和后冷却器除冰阀的导向，该预定等待间隔可以基于环境温度来调节。压力传感器可以与卸荷控制阀的出口相关联，并且与控制器互连。环境温度传感器也可以与控制器互连。第一温度传感器可以与中间冷却器的出口相关联并与控制器互连，并且第二温度传感器可以与后冷却器的出口相关联并与控制器互连。所述控制器然后可以被编程为基于读取第一温度传感器或第二温度传感器来调节预定等待时间间隔。所述控制器可以进一步被编程为基于压缩机的加载循环来调节预定等待时间间隔。

本发明还包括一种对具有第一级卸荷阀和第二级卸荷阀的空气压缩机除冰的方法。该方法开始于确定环境温度是否能导致压缩机的中间冷却器或后冷却器结冰的步骤。如果是，则该方法包括将第一级卸荷阀或第二级卸荷阀中的一个联接至排气口，而不将第一级卸荷阀或第二级卸荷阀中的另一个联接至排气口，持续预定时间间隔，使得由该级产生的热量能够对相关联的中间冷却器或后冷却器除冰。将第一级卸荷阀或第二级卸荷阀联接至排气口的步骤通过选择性地导向中间冷却器除冰阀实现，所述中间冷却器除冰阀联接至第一级卸荷阀并能在第一位置与第二位置之间移动，在第一位置，第一级卸荷阀连接至卸荷控制阀的出口，在第二位置，第一级卸荷阀连接至排气口。将第一级卸荷阀或第二级卸荷阀联接至排气口的步骤进一步包括选择性地导向后冷却器除冰阀，所述后冷却器除冰阀联接至第二级卸荷阀并能在第一位置与第二位置之间移动，在第一位置，第二级卸荷阀连接至卸荷控制阀的出口，在第二位置，第二级卸荷阀连接至排气口。所述方法还包括以下步骤：将第一级卸荷阀或第二级卸荷阀中的另一个联接至排气口持续第二预定时间间隔，而不联接先前联接至排气口持续第一预定时间间隔的第一级卸荷阀或第二级卸荷阀。该方法还包括以下步骤：在可能取决于环境温度的预定等待间隔之后，重复选择性地联接第一级卸荷阀或第二级卸荷阀中的任一个的步骤。

附图说明

通过结合附图阅读以下详细描述，将更全面地理解和认识本发明，其中：

图1是根据本发明的压缩机除冰系统的示意图；

图2是根据本发明的用于压缩机除冰系统的控制器的示意图；

图3是根据本发明的用于压缩机除冰系统的除冰启动过程的流程图；

图4是根据本发明的用于压缩机除冰系统的控制过程的流程图；

图5是根据本发明的考虑压缩机负载循环的用于压缩机除冰系统的控制过程的流程图；

图6是根据本发明的考虑压缩机出口温度的用于压缩机除冰系统的控制过程的流程图；

图7是处于正常运行的根据本发明的压缩机除冰系统的示意图；

图8是处于卸荷配置中的根据本发明的压缩机除冰系统的示意图；

图9是处于后冷却器除冰配置中的根据本发明的压缩机除冰系统的示意图；以及

图10是处于中间冷却器除冰配置中的根据本发明的压缩机除冰系统的示意图。

具体实施方式

参考附图，其中相同的附图标记始终指代相同的部分，在图1中可看到与两级机车空气压缩机12相关联的系统10，用于选择性地对与压缩机12相关联的后冷却器16和中间冷却器14除冰。压缩机12具有与其第一压缩级20相关联的第一卸荷阀18和与其第二压缩级24相关联的第二卸荷阀22。卸荷阀(比如第一卸荷阀18和第二卸荷阀22)通常用于通过使压缩机12的入口阀短路来降低压缩机启动时的扭矩，使得在压缩机开始运行时没有压缩。当压缩机12运转以控制空气输送时，卸荷阀18和22可以利用压缩空气被选择性地导向，以打开和关闭。例如，当卸荷阀18和22关闭时，压缩机12被加载并因此输送空气，而当卸荷阀18和22打开时，压缩机12被卸载并且不输送空气。因此，压缩机12可以连续运行，其中空气输送经由卸荷阀18和22控制。

除了卸荷阀18和22用于控制空气输送的常规操作之外，系统10被配置成选择性地操作第一卸荷阀18和第二卸荷阀22，用于对中间冷却器14和后冷却器16除冰。当第一卸荷阀18关闭而第二卸荷阀22打开时，第一压缩级20的温度将随着第一级中的压力增加而增加。第一压缩级20中的高温空气将融化在中间冷却器14中积聚的任何冰，同时仅将少量空气流容量输送到压缩机12外。当第一卸荷阀18打开而第二卸荷阀22关闭时，第二压缩级24的温度将随着第二压缩级24中的压力增加而增加。第二压缩级24中的高温空气将融化在后冷却器16中积聚的任何冰，同时仅将少量空气流容量输送到压缩机12外。

如图1中所示，系统10利用与第一卸荷阀18相关联的中间冷却器除冰阀26和与第二卸荷阀22相关联的后冷却器除冰阀28实现对第一卸荷阀18和第二卸荷阀22的选择性控制。中间冷却器除冰阀26和后冷却器除冰阀28通常联接至卸荷控制阀30。卸荷控制阀30可以被导向，以选择性地将中间冷却器除冰阀26和后冷却器除冰阀28联接至主贮存器压力源mr或排气ex。中间冷却器除冰阀26可以相应地被导向，以将第一卸荷阀18联接至卸荷控制阀30的输出或联接至排气ex。后冷却器除冰阀28也可以被导向，以将第二卸荷阀18联接至卸荷控制阀30的输出或联接至排气ex。系统10还包括定位在卸荷控制阀30的输出与中间冷却器除冰阀26和后冷却器除冰阀28的输入之间的压力变换器32。第一温度传感器34可选地定位成确定中间冷却器14与第二压缩级24之间的压缩机空气温度。第二温度传感器36可选地定位成确定后冷却器16下游的压缩机空气温度。第三温度传感器38定位成确定环境温度。中间冷却器除冰阀26和后冷却器除冰阀28可以包括对其进行电子控制的三通电磁阀，如本文所描述的。

参考图2，中间冷却器除冰阀26和后冷却器除冰阀28可以由与第一温度传感器34、第二温度传感器36和第三温度传感器38互连的控制器40选择性地操作。控制器40还可以联接至卸荷控制阀压力传感器32和压缩机旋转速度传感器42。控制器40被编程为经由相应的电磁阀提供对中间冷却器除冰阀26和后冷却器除冰阀28的单独控制。应该认识到，可以使用其它的电动、气动和电动气动方案来允许控制器40操作中间冷却器除冰阀26和后冷却器除冰阀28。在无动力状态下，每个三通阀将其相关联的压缩机卸荷器连接至卸荷控制阀30。在动力状态下，三通阀将其相关联的压缩机卸荷器通气至排气ex，并堵塞卸荷控制阀30。控制器40可以是具有根据本发明配置的软件、专用固件或者数字或模拟电路的任何可编程装置。

参考图3，控制器40可以执行除冰启动过程50，该过程开始于控制器40读取卸荷控制阀压力传感器32以确定压缩机何时在卸载状态下运行52。高压意味着压缩机12被卸载，而低/零压力意味着加载或压缩机12关闭。如果检查54确定压缩机12被加载，则除冰被禁用62。如果检查54确定压缩机12被卸载，则控制器40读取环境温度传感器56。如果检查58确定环境温度大于冰点(0℃)，则中间冷却器/后冷却器除冰功能被禁用62。如果在检查58处环境温度小于或等于冰点(0℃)，则中间冷却器/后冷却器除冰功能被启用60。

参考图4，第一除冰系统控制过程70可以开始于检查72，以比如通过图3的过程50确定是否启用除冰。如果启用，则控制器40启动中间冷却器除冰计时器74并使中间冷却器除冰阀通电，以使第一级加载76。该操作致使高温空气流向中间冷却器14。在第二级保持卸载的同时，固定的中间冷却除冰计时器是否已经终止的检查78提供固定的中间冷却除冰时间间隔。当检查78确定已经达到固定的中间冷却除冰间隔的结束时，控制器40使中间冷却器除冰阀80断电。控制器40接下来启动后冷却器除冰计时器82，其建立固定的后冷却器除冰时间间隔并使后冷却器除冰阀84通电，以使第二级加载固定时间。该操作致使高温空气流向后冷却器16，从而融化其中形成的任何冰。当检查86确定后冷却器除冰计时器已经终止从而后冷却器除冰时间间隔已经结束时，控制器40使后冷却器除冰阀88断电。控制器40然后启动建立预定等待时间间隔的计时器。当检查90确定等待计时器已经终止时，除冰过程70重新开始。预定等待间隔可以与环境温度成比例，其中在较低的环境温度下间隔较短，这是因为当环境温度较低时将更频繁地发生结冰。如果在任何时间控制器40通过感测卸荷器控制压力大约为0psi(或小于用于定义被认为是加载的某个其它低压)来确定压缩机12被加载，并且加载循环的持续时间小于预定最小值(例如30秒)，则控制器40可以完成正在进行的任何除冰序列。如果加载循环大于预定最小值但小于某个预定最大值(例如，大于30秒但小于60秒)，则控制器40可以可选地重置等待计时器。注意到，在加载运行期间和压缩机关闭时，卸荷器控制压力为零。时间限制可以选择为足够长，以使中间冷却器14和后冷却器16都变暖，但是具有上限以解决压缩机关闭状态的可能性。

参考图5，如果控制器40在压缩机12的驱动马达上包括电流/频率传感器或在压缩机12的旋转元件上包括速度传感器，则可以使用第二除冰系统控制过程100，以启用控制器40来确定压缩机12何时在加载状态下运行。在加载状态下，卸荷器控制压力将较低，并且速度信号将较高。过程100开始于控制器40读取控制阀压力传感器102和压缩机驱动马达传感器104。如果检查106确定压缩机12开启并加载并且第二检查108确定加载循环大于预定最小值(例如，大于30秒)，则控制器40可以可选地重置等待时间间隔110。最小运行时间限制可以选择为足够长，以使中间冷却器14和后冷却器16都变暖。

参考图6，如果控制器40与中间冷却器14的出口中的第一温度传感器34和/或后冷却器16外部的第二温度传感器互连，则可以使用第三除冰系统控制过程120。在操作中，如果除冰模式如图3所示被启用，则控制器40通过读取卸荷器控制压力和压缩机驱动马达速度传感器42来确定压缩机12是否在加载状态下操作，从而开始过程120。如果检查124确定压缩机12处于加载运行状态，则控制器40读取中间冷却器和后冷却器排出温度中的一者或两者126。如果检查128确定中间冷却器和/或后冷却器出口温度大于阈值，比如冰点加上预定余量(比如5℃)，那么除冰功能等待间隔被重置130，并且可以可选地增加到更长的时间。如果中间冷却器和后冷却器出口温度不大于冰点加上预定余量(比如5℃)，则中间冷却器/后冷却器除冰等待间隔不重置，并且可以可选地降低到更短的时间132。在任一实施例中，中间冷却器除冰持续时间和等待间隔可以可选地不同于后冷却器除冰持续时间和等待间隔。

参考图7，第一压缩级20和第二压缩级24通常尺寸设定为使得每个级以大约3.2:1的压缩比(cr)压缩，前提是假设压缩机调压器保持大约145psi(10巴)的出口压力。这在卸荷阀18和22都关闭的正常运行中产生了大约10:1的总体压缩比(3.2x3.2大约为10)。参考图8，在卸载操作中，用于第一压缩级20的入口阀136和用于第二压缩级24的入口阀138分别被卸荷阀18和22短路，从而不会发生压缩。因此，每一级的压缩比总体上是1:1。

参考图9，当第一级卸荷阀18打开而第二级卸荷阀22关闭时，那么第二压缩级24完成所有工作并以10:1的压缩比压缩。进口为大气压，并且排气口为10巴，但体积流量较低。因为压缩比为10:1，所以压缩热量比压缩比仅为3.2:1时的正常运行高得多。这种较高的压缩热量用于对后冷却器16除冰。

参考图10，当第一级卸荷器18关闭而第二级卸荷器22打开时，那么第一压缩级20完成所有工作并以10:1的压缩比压缩。3.2压缩比产生的进口抽吸将在进气冲程底部处在气缸中产生3.2barg的压力。该压力在上死点处将增加到10巴(3.2x3.2＝～10)。如果压缩机出口小于10巴，那么第一压缩级20将使空气流过第二压缩级24的排气阀142，直到出口达到10巴。因为压缩比为10:1，所以压缩热量比压缩比仅为3.2:1时的正常运行高得多。如果压缩机出口为10巴或更高，那么第一压缩级20中的压力不足以流动穿过第二压缩级24的排气阀142。结果，第一压缩级20将向每个压缩冲程上截留的中间空气体积增加热量。这种积聚的压缩热量比压缩比仅为3.2:1时的正常运行高得多。这种较高的压缩热量用于对中间冷却器14除冰。

如本文所描述的，本发明是有用的，因为压缩机12通常由机车控制，压缩机设置在机车上，以将机车的主贮存器系统保持在130和145psi之间的系统压力。在温暖的天气，卸荷器18和22主要用于允许压缩机12启动卸载并达到运行速度，而不需要压缩空气所需的扭矩。一旦压缩机12处于一定速度，卸荷阀18和22就关闭，并且压缩机12正常运行。在寒冷的天气，除了用于有助于促进启动之外，卸荷阀18和22可以用于控制空气输送。更具体而言，压缩机12在较冷的天气中连续运行，因为在较冷的温度下，即使卸荷器由于曲柄箱油的低温粘度而打开，油润滑的压缩机也可能具有非常高的起动转矩。当压缩机12连续运行以避免冷启动困难时，卸荷阀18和22用于控制连续运行的压缩机12是否实际上正在输送压缩空气。然而，当压缩机12卸载操作时，没有空气流动，并且几乎没有压缩热量，但是曲柄轴驱动的冷却风扇正在运行以抽吸冷空气穿过中间冷却器14和后冷却器16。因此，在中间冷却器14或后冷却器16中析出的任何湿气都会冻结。通常，第一级卸荷阀18和第二级卸荷阀22都由单个机车控制的卸荷控制阀30同步控制。

因此，本发明可以为现有机车压缩机控制系统提供独立的补充，以提供中间冷却器/后冷却器除冰。控制器40因此可以包括独立装置，该独立装置连同用于实施本发明的相关结构部件一起连接至机车系统。控制器40还可以包括利用根据本发明的程序改装的传统控制器、或者甚至在负责控制常规空气供应设备的机车控制系统的可编程元件上实施的软件或固件。

因此，本发明可以是与之相关联的系统、方法和/或计算机程序，并且在此参考方法和系统的流程图和框图进行描述。流程图和框图示出了本发明的系统、方法和计算机程序的可能实施方式的架构、功能和操作。应该理解的是，流程图和框图的每个框可以通过软件、固件或者专用模拟或数字电路中的计算机可读程序指令来实施。这些计算机可读程序指令可以在通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理设备的处理器上实施，以产生执行流程图和框图中的任何框的一部分或全部的机器。流程图或框图中的每个框可以表示指令的模块、部段或部分，其包括用于执行特定逻辑功能的一个或更多个可执行指令。还应指出的是：框图和流程图示的每个框、或者框图和流程图中的各框的组合，可以由执行特定功能或动作或者执行专用硬件和计算机指令的组合的基于专用硬件的系统来实施。