CN110073148A - 用于空气干燥器的加热器的优化控制 - Google Patents

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Abstract

一种空气干燥器，其具有与其进气阀和排气阀相关联的加热器，以防止在冷温度下冻结。空气干燥器包括与阀块相关联的温度传感器和控制器，当温度降到低于预定阈值时，控制器可以禁止阀的操作，直到加热器可以充分地加热阀块为止。为了防止加热器过热，当入口空气温度升高时，控制器可以调整加热器的占空比。

Description

用于空气干燥器的加热器的优化控制
背景技术
1.发明领域
本发明涉及铁路空气系统空气干燥器，并且更具体地涉及具有阀块加热器控制系统的空气干燥器。
2.相关技术的描述
典型的“双塔”干燥剂型空气干燥器包括由阀控制的两个干燥回路。湿的入口空气流过一个回路以去除水蒸气，而干的产物空气逆向流过另一个回路以去除积聚的水并使干燥剂再生。每个气动回路的进气阀和排气阀响应于控制电子装置以切换两个回路之间的空气流，使得一个回路总是进行干燥而另一个回路进行再生。空气干燥器可以包括预过滤级，其中水分离器和/或聚结器被定位在干燥回路的上游。预过滤级去除了由于机车空气压缩机对环境空气的压缩而可以在空气供应系统中积聚的液相和气溶胶相的水和油。预过滤级包括排水阀，其用于周期性地清除任何积聚的液体。例如，典型的预过滤排水阀致动循环可以每两分钟命令清除(打开)两秒钟。
用于轨道车辆的空气干燥器必须在-40℃至0℃之间的冻结温度下操作。此外，通过空气干燥器的冷空气流呈现出对干燥器的显著冷负荷。因为流过空气干燥器的入口级的空气含有水分，所以干燥器中的控制阀可能冻结。提供加热器元件以加热阀元件从而减轻结冰。然而，具有用于防止在-40℃下冻结的足够功率以及高空气流速的加热器在较高的空气温度(诸如接近0℃的那些温度)下会提供过多的热量。因此，加热器元件在阀块已经加热到足以被温度控制器感测到之前就可能变得过热。因此，本领域需要一种空气干燥器加热器控制系统，该系统可以在极低的温度下提供足够的热量而在较暖的温度下不过热。
发明内容
本发明是一种用于调节铁路空气干燥器上的加热器的功率以在接近0℃的冻结温度下不过热的同时提供用于防止在非常低的温度下冻结的足够热量和高空气流速的系统和方法。本发明的空气干燥器包括：入口，其用于接收压缩空气供应；进气阀对和对应的排气阀对，其被定位在阀块中以用于控制压缩空气通过对应的干燥剂塔对的移动；加热器，其被配置为加热阀块；温度传感器，其用于输出指示阀块的温度的信号；以及控制器，其被编程为确定阀块的温度是否低于第一预定阈值，并且如果是，则禁止对进气阀和排气阀的操作直到阀块的温度高于第二预定阈值为止。控制器被编程为当阀块的温度低于第一预定阈值时操作加热器直到阀块的温度高于第二预定阈值为止，并且当阀块的温度高于第二预定阈值时仅操作进气阀和排气阀。第二温度传感器可以被互连到控制器并且被定位在入口中，以用于输出指示入口中的压缩空气的温度的信号。控制器然后可以被编程为根据入口中的压缩空气的温度来操作加热器。例如，控制器可以被编程为：当入口中的压缩空气的温度落在第一范围内时，根据全占空比来操作加热器，并且当入口中的压缩空气的温度落在第二范围内时，根据减小的占空比来操作加热器。控制器可以另外被编程为根据标准化的输入电压来操作加热器。控制器也可以被编程为：如果入口中的压缩空气低于预定温度，则当切换压缩空气在干燥剂塔对之间的移动时，延迟对应于打开的进气阀的排气阀的打开。
本发明包括一种通过使用空气干燥器来防止冻结空气干燥器阀的方法，该空气干燥器具有：入口，其用于接收压缩空气的供应；进气阀对和对应的排气阀对，其被定位在阀块中；加热器，其被配置为加热阀块；以及温度传感器，其用于输出指示阀块的温度的信号。该方法包括如下步骤：确定阀块的温度是否低于第一预定阈值，并且如果是，则禁止对进气阀和排气阀的操作直到阀块的温度高于第二预定阈值为止。该方法可以包括如下的另外步骤：当阀块的温度低于第一预定阈值时操作加热器直到阀块的温度高于第二预定阈值为止。如果第二温度传感器被互连到控制器，则该方法可以包括根据入口中的压缩空气的温度来操作加热器的步骤。例如，根据入口中的压缩空气的温度来操作加热器的步骤可以包括：当入口中的压缩空气的温度落在第一范围内时，以全占空比来操作加热器，并且当入口中的压缩空气的温度落在第二范围内时，以减小的占空比来操作加热器。该方法还可以包括根据标准化的输入电压来操作加热器的步骤。在任何实施例中，该方法可以包括如下步骤：如果入口中的压缩空气低于预定温度，则当切换压缩空气在干燥剂塔对之间的移动时，延迟对应于打开的进气阀的排气阀的打开。
附图说明
通过结合附图阅读以下详细描述，将更全面地理解和领会本发明，其中：
图1是根据本发明的具有空气干燥器的机车空气供应系统的示意图，该空气干燥器具有加热阀块；
图2是根据本发明的具有一体式预过滤级和加热阀块的空气干燥器的示意图；
图3是根据本发明的具有预过滤级的空气干燥器的加热阀块的示意图；并且
图4是针对具有加热阀块的空气干燥器的加热器控制过程的流程图。
具体实施方式
现在参考附图(其中相同的附图标记始终表示相同的部件)，在图1中可以看到机车空气系统10，其具有空气压缩机12、后冷却器14、第一主风缸MR1和第二主风缸MR2、以及双塔干燥剂空气干燥器16(其具有根据本发明的加热器控制)，如下面将更全面描述的。第二主风缸MR2被耦合到制动系统18，并且止回阀20被定位在第一主风缸MR1和第二主风缸MR2之间。预过滤级22与空气干燥器16相关联并且包括排水阀24，根据排水阀清除循环时间来操作排水阀24。
参考图2，双塔干燥剂空气干燥器16包括用于接收来自第一主风缸MR1的空气的入口28。入口28与预过滤级30连通，预过滤级30被示出为包括水分离器32、粗聚结器34和精细聚结器36。水分离器32、粗聚结器34和精细聚结器36中的任何积聚的液体通过排水阀24排出。进气阀对42和44被定位在预过滤级30的下游，以用于在两个通道中的一个之间转移进入的空气，两个通道中的每一个与两个干燥剂塔46和48中的一个相关联。温度传感器50被定位在进气阀42和44的上游并且预过滤级30的下游。可选地，温度传感器50或第二温度传感器76可以位于容纳一系列阀的阀块中。第一进气阀42下游的第一通道通向排气阀52和第一干燥剂塔46。第二进气阀44下游的第二通道通向第二排气阀54和第二干燥剂塔48。第一通道还包括第一干燥剂塔46下游的第一止回阀58和第一旁路孔口62，并且第二通道还包括第二干燥剂塔48下游的第二止回阀60和旁路孔口64。单个出口66被耦合到第一通道和第二通道的端部，并且湿度传感器68被定位在出口66的上游。进气阀42和44以及排气阀52和54由控制器40控制。控制器40操作进气阀42和44以及排气阀52和54，使得在入口28处提供的压缩空气被引导通过干燥剂塔46或48中的一个以进行干燥。干燥剂塔46或28中的另一个可以通过允许经干燥的空气根据需要回流通过旁路孔口62或64并从排气阀52或54流出而被再生。控制器40还与温度传感器50、温度传感器76和湿度传感器68通信。
加热元件70还可以经由场效应晶体管(FET)、固态继电器或机电继电器而被耦合到控制器40并且被定位在空气干燥器16中，以在温度低于冰点的情况下加热排水阀24、进气阀42和44以及排气阀52和54。加热元件70必须具有足够的功率以防止在空气干燥器16的最小指定工作温度(通常为-40℃)下冻结，同时使至少60至100+SCFM的接近环境温度的空气流动。通过干燥器16的冷空气流呈现出非常显著的冷负荷。测试已显示的是，在-40℃和标称空气流下，需要至少525瓦特的加热器功率来防止阀块72中的冻结温度以及防止排水阀24、进气阀42和44以及排气阀52和54的冻结。如在图3中看到的，图1中看到的空气干燥器通道被布置成使得排水阀24、进气阀42和44以及排气阀52和54与加热器元件70一起共同位于阀块72中。如以上所说明的，空气干燥器16包括温度传感器76，以用于确定阀块72的近似温度并因此确定排水阀24、进气阀42和44以及排气阀52和54的近似温度。温度传感器50被示出为被定位成检测通过空气干燥器16的空气的温度，但是也可以被定位成检测阀块72(显示为温度传感器76)的温度、入口空气的温度、环境空气的温度、或上述的一些组合。
在低于冰点的环境温度的情况下，存在冻结位置中的各种电磁阀的风险，其可能不利地影响机车空气系统10。例如，如果进气阀42或44和排气阀52和54中的任一个或两个在打开状态下冻结，则可能使回路中的一个保持打开。在这种状态下，空气干燥器16将使主风缸系统(MR1和MR2)以大于空气压缩机12可以再充电的速率排气，从而导致不期望的列车停止(机车制动系统在低的主风缸压力下需要进行不可恢复的惩罚制动应用)。因此，参考图4，空气干燥器控制器40被编程为实施依赖于温度的加热器功率控制过程80，以确保在没有加热器元件70过热的风险的情况下阀块72被充分加热到避免阀中的任一个阀将被冻结的可能性的温度。在初始起动时，所有阀保持不通电(unpowered)，并且控制器40诸如通过使用被定位在阀块72中的温度传感器76来读取阀块72的温度82。接下来，执行检查84以确定温度是否低于表示冻结风险的阈值(选择指示排水阀24、进气阀42和44或排气阀52和54将被冻结的风险的任何预定温度，诸如3℃)。如果温度高于阈值，则空气干燥器16可以开启并继续正常操作86，即，实施“正常模式”。如果在检查84处温度低于阈值，则控制器40进入安全模式88，在安全模式88下阀操作被禁止并且加热器元件70被通电。经由加热器元件70的通电继续加热，直到在检查90处阀块72的温度已经上升到高于第二阈值时为止，第二阈值可以是与检查84处相同的温度或者稍微更高一些，诸如12℃。如果是这样，使加热器元件70断电92并且控制返回到检查84，使得每当温度下降到低于由检查84设定的指示阀冻结风险的阈值时加热器元件70就可以被重新通电。如以上所说明的，在某些情况下，在被定位在阀块72中的温度传感器76已经感测到阀块72已充分加热以允许加热器元件70断电之前，加热器元件70就可能过热了(例如，180至200℃的加热器元件70温度可能损坏加热器元件70)。因此，控制器40可以被配置为在执行步骤88时读取入口空气温度94，并且通过控制与入口空气温度成比例的功率供应来控制加热器元件70，诸如通过使用加热器元件70的脉冲宽度调制(PWM)控制。在非常低的温度(例如-40℃至0℃)下，由控制器40提供的PWM占空比可以是一(1)，使得加热器元件70被持续地供电以提供全瓦特的加热功率。然而，在较暖的温度(诸如0℃)下，可以减小PWM占空比以在不存在过热的风险下向阀块72提供足够的热量以防止冻结。例如，在对于低于-30℃的温度另外需要具有525瓦特的加热功率的系统中，对于接近0℃的温度，该系统可能仅需要200瓦特的功率。防止冻结而不超过(例如，180至200℃的加热器元件70温度可以损坏加热器元件70)工作温度所需的功率水平可以针对-40℃至3℃的温度范围内的各个点用实验方式来确定，并且然后被用于调整入口空气温度加热器控制算法中的PWM占空比。
假设72V标称输入功率(典型的空气干燥器操作规范要求在50V DC至93V DC(72V+/-30％)下操作)，依赖于温度的加热器功率控制过程80可以是开环的。在高电压下，加热器元件70仍然可能过热并超过目标工作温度，但是假设的是，在过电压下的操作是不频繁发生的，特别是在过电压和接近冰点的环境温度的同时条件下的操作是不频繁发生的。然而，为了减轻这种风险，加热器元件70可以包括超温恒温器，以便每当加热器元件70的温度超过预定最大值时就使加热器开路。替代地，可以由控制器40提供恒温器功能，其中添加嵌入在被耦合到控制器40的加热器元件70中的附加热敏电阻器。在该选项中，控制器40还可以响应于加热器元件70的温度接近最大可允许操作温度来调节PWM占空比，以允许加热器元件70在或低于但不高于最大工作温度下操作。
在另一个实施例中，控制器22可以读取输入电压，并基于空气温度和输入电压两者经由PWM调节给加热器元件70的功率。如上所述，给加热器元件70的功率可以与环境温度成比例，在非常低的温度下提供最大加热器功率，并且在较暖的温度下提供较小的功率。另外，控制器22可以读取输入电压并调整给加热器元件70的功率，以提供相当于标称72V输入的功率。对于电阻性负载，功率＝V2/R。因此，在72VDC下耗散300瓦特的加热器在93VDC下将耗散500瓦特。在这种情况下，控制器22可以将PWM占空比减小到300/500＝0.6。例如，如果环境温度为-1℃，则可以进一步降低PWM占空比以与该温度成比例。如果依赖于温度的PWM占空比在-1℃下为0.5，则控制器22将提供0.6*0.5＝0.3的PWM占空比。类似地，如果输入电压为50VDC，则与依赖于电压的PWM因子将为300/145＝2.0。如果环境温度因子是0.5，依照上面的示例，则最终的PWM占空比将是2.0*0.5＝1.0。以这种方式，控制器22可以向加热器元件70提供针对输入电压和环境温度两者进行标准化的输出功率。
为了进一步防止阀冻结，可以改变空气干燥器16的正常模式。因为进气阀42和44比排气阀52和54使更多的空气流动更长的持续时间，所以进气阀42和44具有高得多的解冻(freezing open)的概率。例如，进气阀42和44在干燥循环的整个持续时间内流量高达150SCFM，而排气阀52和54具有110秒的循环，其在干燥剂室向下吹时的开始几秒是高流量的(high-flow)，接着在110秒循环的剩余时间内是18SCFM清除流量(purging flow)。此外，在冷温度下，循环延长可以导致空气流过进气阀42和44长达30分钟。由于这种区别，控制器22可以被配置成使得当入口空气温度低于反应冻结风险的预定温度(诸如0℃)时，正常模式包括进气阀42或44的关闭与对应的排气阀52或54的打开之间的时间延迟。在典型的操作中，一次仅打开一个进气阀42或44，并且因此全部的入口流量被引导通过该阀。因此，在冷温度下，打开的进气阀42或44承受来自空气流的非常高的冷却，这可能导致冻结。在冷温度下，控制器22可以通过针对其通常循环关闭与回路A相关联的进气阀42、打开与回路B相关联的进气阀42、等待预定时间(诸如1分钟)、并且然后打开与回路A相关联的排气阀52来命令开关从干燥回路A切换到回路B。该延迟将允许用于进气阀缓慢加热并完全关闭的时间，并且如果进气阀被解冻，那么通过使两个进气阀同时打开(A被解冻，B被命令打开)，则每个阀将承受入口流量的仅一半，从而降低了对两个阀的依赖于流量的冷却影响，并且提高了在打开与回路A相关联的排气阀之前回路A的冻结的进气阀解冻的机会。
如上所述，本发明可以是系统、方法和/或与系统、方法相关联的计算机程序，并且在本文中参考方法和系统的流程图和框图来描述。该流程图和框图说明了本发明的系统、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，流程图和框图的每一个框可以由软件、固件或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、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器上实施，以产生实施流程图和框图中的任何框的部分或全部的机器。流程图或框图中的每一个框可以表示模块、段或指令的一部分，其包括用于实施指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应该注意的是，框图和流程图图示中的每一个框、或者框图和流程图中的框的组合可以由下述基于专用硬件的系统实施，上述基于专用硬件的系统实施执行指定功能或动作或者执行专用硬件和计算机指令的组合。

Claims (14)

1.一种空气干燥器，包括：
入口，其用于接收压缩空气供应；
进气阀对和对应的排气阀对，其被定位在阀块中以用于控制所述压缩空气通过对应的干燥剂塔对的移动；
加热器，其被配置为加热所述阀块；
温度传感器，其用于输出指示所述阀块的温度的信号；以及
控制器，其被互连到所述进气阀和所述排气阀、所述加热器以及所述温度传感器，其中，所述控制器被编程为确定所述阀块的温度是否低于第一预定阈值，并且如果是，则禁止对所述进气阀和所述排气阀的操作，直到所述阀块的温度高于第二预定阈值为止。
2.根据权利要求1所述的空气干燥器，其中，所述控制器被编程为：当所述阀块的温度低于所述第一预定阈值时，操作所述加热器直到所述阀块的温度高于所述第二预定阈值为止。
3.根据权利要求2所述的空气干燥器，其中，所述控制器被编程为仅当所述阀块的温度高于所述第二预定阈值时操作所述进气阀和所述排气阀。
4.根据权利要求3所述的空气干燥器，还包括第二温度传感器，其被互连到所述控制器并且被定位在入口中，以用于输出指示所述入口中的压缩空气的温度的信号。
5.根据权利要求4所述的空气干燥器，其中，所述控制器被编程为根据所述入口中的压缩空气的温度来操作所述加热器。
6.根据权利要求5所述的空气干燥器，其中，所述控制器被编程为：当所述入口中的压缩空气的温度落在第一范围内时，根据全占空比来操作所述加热器，并且当所述入口中的压缩空气的温度落在第二范围内时，根据减小的占空比来操作所述加热器。
7.根据权利要求6所述的空气干燥器，其中，所述控制器另外被编程为根据标准化的输入电压来操作所述加热器。
8.根据权利要求4所述的空气干燥器，其中，如果所述入口中的压缩空气低于预定温度，则当切换所述压缩空气在所述干燥剂塔对之间的移动时，所述控制器被编程为延迟所述排气阀的打开，所述排气阀对应于打开的进气阀。
9.一种防止冻结空气干燥器阀的方法，包括以下步骤：
提供一种空气干燥器，所述空气干燥器具有：入口，其用于接收压缩空气的供应；进气阀对和对应的排气阀对，其被定位在阀块中；加热器，其被配置为加热所述阀块；以及温度传感器，其用于输出指示所述阀块的温度的信号；以及
确定所述阀块的温度是否低于第一预定阈值，并且如果是，则禁止对所述进气阀和所述排气阀的操作，直到所述阀块的温度高于第二预定阈值为止。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：当所述阀块的温度低于所述第一预定阈值时操作所述加热器，直到所述阀块的温度高于所述第二预定阈值为止。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述空气干燥器还包括被互连到所述控制器的第二温度传感器，并且其中，操作所述加热器的步骤包括根据所述入口中的压缩空气的温度来操作所述加热器。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，根据所述入口中的压缩空气的温度来操作所述加热器的步骤包括：当所述入口中的压缩空气的温度落在第一范围内时，以全占空比来操作所述加热器，并且当所述入口中的压缩空气的温度落在第二范围内时，以减小的占空比来操作所述加热器。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：根据标准化的输入电压来操作所述加热器。
14.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：如果所述入口中的压缩空气低于预定温度，则当切换所述压缩空气在所述干燥剂塔对之间的移动时，所述控制器被编程为延迟所述排气阀的打开，所述排气阀对应于打开的进气阀。
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