DE10296725T5

DE10296725T5 - Layover-Heizungsanlage für eine Lokomotive

Info

Publication number: DE10296725T5
Application number: DE10296725T
Authority: DE
Inventors: Teoman Indian Head Park Uzkan
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Progress Rail Locomotive Inc
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2002-04-27
Publication date: 2004-04-29
Also published as: US20040140366A1; WO2002087950A1; GB2392238A; GB2392238B; GB0326605D0; US7028915B2; BR0209183A; SE0302833L; SE526459C2; SE0302833D0

Abstract

Layover-Heizungsanlage für eine Lokomotive, mit einem Wassertank, einer Wasserpumpe und einer zwischen diesen verlaufenden ersten Leitung;
einem Motor und einer zweiten Leitung, die zwischen dem Motor und der Wasserpumpe verläuft;
einem Nachkühler und einer dritten Leitung, die zwischen dem Nachkühler und der Wasserpumpe verläuft;
einem Radiator und einer vierten Leitung, die zwischen dem Motor und dem Radiator verläuft;
einer fünften Leitung, die von dem Nachkühler abgeht und mit der zwischen dem Motor und dem Radiator verlaufenden vierten Leitung verbunden ist;
einem Ölkühler und einer sechsten Leitung, die zwischen dem Radiator und dem Ölkühler verläuft;
einer siebten Leitung, die zwischen dem Ölkühler und der Wasserpumpe verläuft;
einer Layover-Pumpe und einer achten Leitung, die zwischen dem Wassertank und der Layover-Pumpe verläuft;
einem Heizer und einer neunten Leitung, die zwischen dem Heizer und der Layover-Pumpe verläuft;
einer zehnten Leitung, die von dem elektrischen Heizer...

Description

Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US Provisional Application No. 601287,117, die am 27. April 2001 eingereicht wurde.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizungsanlage für eine Lokomotive. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Layover-Heizungsanlage für eine Lokomotive.
Hintergrund der Erfindung
Bei den meisten modernen Dieselelektrolokomotiven treibt der Dieselmotor die elektrischen Generatoren an, die ihrerseits die die Lokomotivenräder antreibenden elektrischen Motoren mit Leistung versorgen. Der Motor ist typischerweise ein aufgeladener Dieselmotor mit Turboladern und Nachkühlern. Jede Dieselelektrolokomotive hat eine Motorkühlanlage.
Die Motorkühlanlage pumpt das flüssige Kühlmittel durch den Motorkühlkreis, um Wärme vom Motor aus zwei Hauptgründen abzuleiten: (1) Um die Temperaturen der Motorteile innerhalb zulässiger Grenzen zwecks Funktionsfähigkeit und Dauerfestigkeit zu halten und (2) um Wärme aus der einströmenden Motorluft (am Verdichterauslass) abzuziehen und dadurch die Luftkasten-Lufttemperatur zu reduzieren, wodurch der Kraftstoffverbrauch verringert und Emissionen reduziert werden.
In sämtlichen derzeitigen Motorkühlanlagen nimmt ein flüssiges Kühlmittel Wärme vom Motor (Gehäuse, Zylinderköpfe, Ölkühler, usw.) auf, transportiert sie zu den Radiatoren und gibt die Wärme an die umgebende Luft (oder an das Meerwasser bei Schiffsanwendungen) ab. Das Kühlmittel ist übli cherweise ein Gemisch aus a) Wasser und b) Wasser-Glykol-Lösungen. Es gibt zwei Arten von Glykolen, die bei diesen Anwendungen verwendet werden: a) Äthylenglykol und b) Propylenglykol. Eine der Eigenschaften der Glykole ist ihre Verringerung des Gefrierpunktes des Wassers. Der Hauptzweck für die Verwendung von Glykolen besteht somit darin, den Gefrierpunkt des Kühlmittels unter die erwartete niedrigste Temperatur abzusenken, auf die die Lokomotive trifft, und somit Gefrierschäden an Bauteilen wie den Radiatoren zu reduzieren. Je höher der Glykolprozentsatz ist, desto niedriger ist der Gefrierpunkt des Gemischs. Als Beispiel: Wasser gefriert bei 32° F, jedoch ein 50/50 Gemisch aus Wasser und Propylen gefriert bei ungefähr –36°F. Wasserglykolgemische werden somit extensiv dazu verwendet, ein Gefrieren des Motorkühlmittels bei niedrigen Umgebungstemperaturen zu vermeiden.
Ein Betrieb der Lokomotive erfordert besondere Aufmerksamkeit bei sehr niedrigen Temperaturen der Umgebungsluft. Wenn der Motor unter hoher Last arbeitet, wird ausreichend Wärme an das Kühlmittel übertragen, so dass das Kühlmittel nicht gefrieren kann. Wenn dagegen die an das Kühlmittel übertragene Wärme gering ist und die Temperatur der Umgebungsluft niedrig ist, kann es zu einem Gefrieren des Kühlmittels kommen. Dies ist unerwünscht, da es Gefrierschäden an Bauteilen, insbesondere an Radiatoren hervorrufen kann. Es wird daher eine Anzahl besonderer Vorsichtsmaßnahmen ergriffen, um das Gefrieren des Kühlmittel zu verhindern, wie im folgenden beschrieben wird.
A. Leerlauf des Motors: Der Motor kann mit einer Leerlaufdrehzahl betrieben werden, wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist und die Lokomotive sich nicht bewegt. Dies hält die Motortemperatur und die Kühlmitteltemperatur auf einem Wert, bei dem der Motor ausreichend Wärme (und Leistung) entwickeln kann, um die Wassertemperaturen oberhalb eines sicheren Mindestwertes zu halten. Diese Möglichkeit stellt einen einwandfreien Betrieb des Motors sicher, hat jedoch unerwünschte Eigenschaften. Erstens verbraucht der Leerlauf Kraftstoff, selbst wenn die Lokomotive nicht in Betrieb ist. In einigen Untersuchungen werden die Kosten des Kraftstoffs, der im Leerlauf über ein Jahr verbraucht wird, höher eingeschätzt als die Entwicklungskosten alternativer Systeme. Zweitens verringert der Leerlauf die effektive Lebensdauer des Motors.
B. Entleeren des Radiators: Wenn der Motor abgeschaltet wird, wird Wasser oder Kühlmittel aus den Radiatoren vollständig zum Wassertank hin abgelassen, um ein Gefrieren in den Radiatorrohren und eine entsprechende Schädigung zu vermeiden. Diese Möglichkeit erfordert große Wassertanks, um das Kühlmittel in den Radiatoren und Verbindungsleitungen aufzunehmen. Nahezu alle Kühlungsanlagen, die Wasser als Kühlmittel verwenden, haben diese „Ablassmerkmal". Man bezeichnet dies üblicherweise als „Trockenradiator"-System. Wenn die Radiatoren nicht entleert werden, spricht man von einem „Nassradiator"-System.
C. Layover-Anlage: Bei einigen Lokomotiven gibt es eine Anlage, die als „Layover-Anlage" bezeichnet wird. Diese Anlage ermöglicht das Abschalten des Motors bei niedrigen Umgebungstemperaturen. Üblicherweise liefert ein elektrischer Heizer (oder eine andere Wärmequelle) die Wärme, die erforderlich ist, um die Temperaturen der Motorteile auf einem minimalen Wert zu halten, so dass ein Starten des Motors jederzeit möglicht ist.
D. Kombinierte Anlage: Bei einer anderen Anlage wird eine Kombination der obigen Möglichkeiten verwendet. Die folgenden Beispiele dienen zum Beschreiben der Grundmerkmale dieser anderen Anlagen.
(1) Parken der Lokomotive in Innenräumen: Bei einer Trockenradiator-Anlage kann der Motor, wenn die Lokomotive über Nach im Inneren eines Lokomotivschuppens geparkt wird, abgeschaltet werden. Das Kühlmittel im Radiator wird dann abgelassen, und die Motorteile werden im normalen Bereich innerhalb der Gebäudetemperaturen zwecks Starts am nächsten Morgen gehalten. Ein Parken der Lokomotive in geheizten Innenräumen wird durch die zur Verfügung stehenden Gebäude eingeschränkt. In den meisten Fällen ist dies keine praktische Lösung.
(2) Parken im Freien mit Innenheizung: Bei einer Trockenradiator-Anlage wird Wasser an den Wassertank abgelassen, wenn die Lokomotive im Freien geparkt wird. In sehr kalten Nächten können die Temperaturen des Motorkühlmittels und des Motoröls niedriger als die Starttemperaturen des Motors sein. Am nächsten Morgen wird daher die Lokomotive in ein erwärmtes Gebäude gezogen und dort abgestellt, bis die Temperaturen die Starttemperaturen erreichen. Diese Lösung ist ebenfalls nicht erwünscht, da das Erwärmen der Lokomotive im Gebäude lange dauert. Außerdem steht ein geeignetes Gebäude meistens nicht zur Verfügung.
(3) Start-Stop-Anlage: In diesem Fall wird die Lokomotive bei kaltem Wetter im Freien geparkt. An der Lokomotive ist ein System vorgesehen, das den Motor automatisch anlässt, wenn die Kühlmitteltemperatur unter einen vorgegebenen Wert abfällt, und den Motor anhält, wenn die Kühlmitteltemperatur einen maximalen Wert erreicht. Auf diese Weise wird die Gefriergefahr des Motors eliminiert und ein Start des Motors am nächsten Tag ist sichergestellt. Die Start-Stop-Lösung erfordert kein Gebäude oder eine ähnliche Konstruktion. Sie ist Teil der Lokomotivenauslegung und -konstruktion. Sie hat jedoch zwei Nachteile und zwar: (a) Es ist immer noch der Betrieb des großen Lokomotivenmotors erforderlich (was kostspielig ist und die Lebensdauer des Motors verringert), und (b) sie ist geräuschvoll und umweltbelastend. Start und Betrieb des Lokomotivenmotors in einer städtischen Umgebung, insbesondere in der Nacht, ist durch örtliche Vorschriften eingeschränkt. Die Eisenbahnen legen daher bestimmte Bedingungen an Layover-Anlagen fest, welche die Start- und Stopmöglichkeit ausschließen.
(4) Layover-Anlage mit Trockenradiatoren (LSDR = Layover System Dry Radiators): Bei einer Trockenradiator-Anlage wird der Motor angehalten; es wird jedoch dem Kühlmittel ausreichend Wärme durch eine Layover-Anlage zugeführt (üblicherweise mit einem elektrischen Heizer, der mit einer externen elektrischen Quelle verbunden ist). Das Kühlmittel strömt durch den Motor und den Ölkühler, nicht jedoch durch die Radiatoren. Diese Anlage wird üblicherweise als „Layover-Anlage mit Trockenradiatoren" bezeichnet.
(5) Layover-Anlage mit Nassradiatoren (LSWR = Layover System Wet Radiators): Bei einer Nassradiator-Anlage wird der Motor angehalten; dem Kühlmittel wird jedoch wie oben ausreichend Wärme zugeführt. Das Kühlmittel strömt jedoch durch den Motor, den Ölkühler und die Radiatoren. Diese Anlage wird als „Layover-Anlage mit Nassradiatoren" bezeichnet. In diesem Fall ist der Wärmeverlust an den Radiatoren größer als der bei der LSDR-Anlage.
Bevor die erfindungsgemäß vorgeschlagene Layover-Anlage beschrie
ben wird, ist es hilfreich, die Gründe zum Erwärmen verschiedener Motor- und Kühlanlagen-Teile zu beschreiben. Diese werden in diesem Abschnitt abgehandelt. Es gibt zwei Hauptflüssigkeiten, die heutzutage in Dieselmotoren für Lokomotiven verwendet werden. Das Motorkühlmittel und das Motoröl. Jede oder beide dieser Flüssigkeiten werden dazu verwendet, den Motor während einer Layover-Periode bei niedriger Umgebungslufttemperatur mit erzwungener oder natürlicher Zirkulation zu erwärmen.
Erwärmen des Motoröls ist aus mehreren Gründen wichtig. Der Fließpunkt von Motorölen ist hoch. Beispielsweise beträgt der Fließpunkt von SAE 40 Öl ungefähr –12°C (oder ungefähr 10,4°F) (Referenz: Material Safety Data Sheet #1268 für Chevron Delo-6000 SAE 40 Öl). Wenn man die Öltemperatur unter diesen Wert absinken lässt, verhält sich Öl wie weicher Kunststoff und fließt nicht mehr. Es wäre daher nicht möglich, den Motor zu starten.
Außerdem steigt die Viskosität von Öl bei niedrigen Temperaturen auf einen sehr hohen Wert, d.h. die Viskosität von SAE 40 Öl beträgt 100 saybolds bei 210°F. Entsprechende Werte für 60 und 0°F liegen bei ungefähr 7000 und 500 000 saybolds (Marks Mechanical Engineering Handbook, 6. Ausgabe, Seiten 6–230, 1). Dies üblicherweise empfohlene Mindestöltemperatur für den Motorstart beträgt ungefähr 40 bis 50°F. Erwärmen des Öls ist daher ein Erfordernis für eine geeignet dimensionierte Startanlage, insbesondere eine elektrische Startanlage. Die Größe, das Gewicht und die Kosten von Motorstartanlagen werden mit kleiner werdender Starttemperatur sehr rasch größer.
Erwärmen des Öls unmittelbar mit einem elektrischen Heizer hat seine Grenzen. Wenn die Wärmeleitfähigkeit des Öls gering ist, wird die örtliche Temperatur an der Oberfläche des elektrischen Heizers sehr hoch. Falls dies zugelassen wird, führt dies zu einer Oxidation des Öls selbst bei niedrigen Temperaturen und verringert somit die Öllebensdauer auf nicht zu akzeptierende Werte. Um diese Oxidation zu verhindern, sollte die Heizrate (Wattdichte) des elektrischen Heizers auf einem sehr niedrigen Wert gehalten werden. Dies wiederum vergrößert die Abmessungen des elektrischen Heizers, die hierzu erforderlich sind, und wird somit unpraktikabel. Ein direktes elektrisches Heizen des Öls wird somit nicht verwendet; das Motorkühlmittel wird jedoch durch einen elektrischen Heizer erwärmt und das warme Motorkühlmittel überträgt die erforderliche Wärmemenge auf das Öl in dem herkömmlichen Ölkühler.
Erwärmen des Öls erfolgt üblicherweise durch erzwungene Zirkulation des Öls durch den Ölkühler und den Motor. Dies stellt außerdem eine geeignete Schmierung wie auch Erwärmung der Oberflächen sicher, mit denen Öl in Berührung gelangt. Wenn der Motor gestartet wird, haben die Lager- und Zwischenringflächen bereits eine Ölschicht. Dies reduziert den Leistungsbedarf für den Start, und es kann eine kleinere Startanlage verwendet werden. Erwärmen des Öls ist somit erforderlich, um die Leistung für den Motorstart zu verringern.
Eine erzwungene Konvektion warmen Öls erwärmt außerdem die Kol-ben und die Kolbenringe und steuert somit den Spalt zwischen den Ringen und dem Kolben bei Kaltstartbedingungen. Dies ist wichtig, um den Verschleiß der Ringe und Gehäuseteile gering zu halten. Das Erwärmen des Öls ist daher auch für Lebensdauer und Funktionssicherheit des Motors erforderlich.
Ein Erwärmen des Motorkühlmittels ist aus mehreren Gründen erforderlich:
a) Um den geeigneten Spalt an Motorwänden zu steuern. Mit kleiner werdender Umgebungstemperatur schrumpft das Gehäuse und reduziert den Spalt zwischen der Gehäusewand und dem Kolben (den Kolbenringen). Wenn der Motor mit Gehäusewänden gestartet wird, deren Temperatur unterhalb eines zulässigen niedrigen Wertes liegt, führt dies zu extremem Verschleiß sowohl an den Ringen wie auch an den Gehäusewänden. Es erfordert eine sehr viel größere Startleistung und erhöht die Abmessungen und Kosten der Startanlage. Es kann auch zu einem Kolbenfressen kommen.
b) Wenn zugelassen wird, dass das Kühlmittel gefriert, insbesondere innerhalb der Radiatorrohre und Gehäusekanäle, kann dies zu dauerhaften Schäden an den Rohren und anderen Teilen führen.
c) Bei ausreichend niedrigen Temperaturen verhalten sich die Wasser-Glykol-Gemische wie Gelee und sind mehr ohne weiteres fließfähig. Der Betrieb der Kühlmittelpumpe kann daher beim Start verhindert sein, wenn man die Kühlmitteltemperatur zu stark absinken lässt.
d) Die Brennfähigkeit des in den Motorzylinder eingespritzten Kraftstoffes hängt von der Lufttemperatur im Zylinder ab. Ein Erwärmen des Motorkühlmittels erwärmt wiederum die Gehäusewand und durch die Gehäusewand die im Zylinder eingeschlossene Luft. Wenn das Kühlmittel nicht erwärmt wird und die Temperatur der Umgebungsluft niedrig ist, ist es möglich, dass es zu keiner Verbrennung des Kraftstoffes kommt, so dass ein Start des Motors nicht möglich ist.
e) Bei gewissen niedrigen Umgebungstemperaturen wird der Kraftstoff nicht vollständig verbrannt, was zudem „als weißer Rauch" bezeichneten Phänomen führen kann. Ein Erwärmen des Motorkühlmittels hat die Tendenz, den „weißen Rauch des Motors" wie auch Emissionen beim Start des Motors zu verringern bzw. zu eliminieren.
Das Erwärmen des Motorkühlmittels und des Öls ist bei niedrigen Temperaturen der Umgebungsluft erforderlich. Eine Layover-Anlage des Motors wird zum Erfüllen dieses Erfordernisses verwendet. Bei einigen Anwendungen, bei denen die Umgebungstemperatur sehr niedrig wird, ist ein Heizen der Lokomotivenkabine ebenfalls ein wichtiger Aspekt für das Bedienungspersonal. Somit kann die Heizungsanlage für die Lokomotivenkabine mit der Layover-Anlage des Motors kombiniert werden, um die Temperaturen des Motors wie auch der Lokomotivenkabine innerhalb wünschenswerter Grenzen zu halten.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Layover-Heizungsanlage für eine Lokomotive und insbesondere den Motor einer Lokomotive, die für eine Verwendung in Verbindung mit einer Lokomotiven-Kühlanlage geeignet ist. Die Lokomotiven-Kühlanlage umfasst einen Wassertank, einen Motor, einen Radiator und einen Ölkühler. Die Layover-Heizungsanlage umfasst eine Pumpe zum Fördern von Fluid aus dem Wassertank. Ein Layover-Heizer steht in Strömungsverbindung mit der Pumpe. Mindestens ein Rückschlagventil steht in Strömungsverbindung mit dem Layover-Heizer. Die Layover-Heizungsanlage umfasst ferner eine Öffnung zum Steuern des Fluidstroms in der Layover-Heizungsanlage.
Es wird ferner ein Layover-Heizungsverfahren für eine Lokomotive in Verbindung mit einer Lokomotivenkühlanlage angegeben, die einen Wassertank, einen Motor, einen Radiator und einen Ölkühler umfasst. Bei dem Verfahren wird Fluid aus dem Wassertank durch einen Layover-Heizer gepumpt. Das Fluid im Heizer wird dann erwärmt. Das erwärmte Fluid wird dann dem Motor und dem Ölkühler zugeführt. Eine Öffnung zum Steuern des Fluidstroms zwecks Minimierung des Fluidstroms durch den Radiator ist vorgesehen.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.
Weitere Bereiche der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beispielsbeschreibung hervor. Es versteht sich, dass die detaillierte Beschreibung und speziellen Beispiele, welche eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen, lediglich zu Veranschaulichungszwecken dienen und nicht den Schutzbereich der Erfindung beschränken sollen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung lässt sich umfassender aus der detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen verstehen, in denen:
1 eine schematische Ansicht einer vorbekannten Lokomotiven-Kühlanlage ist,
2 eine schematische Ansicht einer anderen vorbekannten SAC-Lokomotiven-Kühlanlage ist;
3a und 3b schematische Ansichten einer anderen vorbekannten Lokomotiven-Kühlanlage ist;
4 eine perspektivische Ansicht einer Layover-Anlage mit einem Nassradiator für eine Lokomotive ist;
5 eine schematische Ansicht einer anderen vorbekannten Kühlanlage für eine Lokomotive ist;
6 eine schematische Ansicht einer Layover-Heizungsanlage gemäß einem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
7 eine schematische Ansicht einer anderen Layover-Heizungsanlage gemäß einem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist; und
8 eine schematische Ansicht eines Ölkühlkreises gemäß einem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele ist lediglich beispielhaft zu verstehen und soll in keiner Weise die Erfindung, ihre Anwendung oder ihren Einsatz beschränken.
In 1 ist die schematische Anordnung einer herkömmlichen Kühlanlage eines Dieselmotors für eine Lokomotive dargestellt. Diese Anlagen wurden bis ungefähr 1980 in großem Umfang eingesetzt. Die Kühlpumpe fördert das Kühlmittel in Richtung der Pfeile durch den Motor 10 (und einen parallelen Nachkühler 12), durch die Radiatoren 14 und den Ölkühler 6. ein Was sertank 18 liefert das Wasser für die Anlage und hält den Gegendruck für die Wasserpumpe 20 aufrecht. Weitere Motorbestandteile, die durch das Motorwasser erwärmt oder gekühlt werden müssen (wie z.B. Luftverdichter, Kraftstoff-Öl-Vorheizer, usw.) können in diesem Kreis an geeigneten Stellen angeordnet werden. Eine wichtige Eigenschaft dieser Anlage ist die Tatsache, dass die Kühlmitteltemperatur am Einlass des Motors die gleiche wie am Einlass zum Kern des Nachkühlers ist. Dies begrenzt die Menge der Luftkühlung am Nachkühler.
2 ist eine schematische Darstellung des sogenannten getrennten Nachkühlsystems (SAC = Separate Aftercooling System). Es gibt zwei Kühlkreise in diesem System, einen Motorkühlmittelkreis 22 und einen Nachkühlerkreis 24. Der Kühlmittelstrom durch die Kreise ist durch Pfeile angedeutet. In dem Motorkühlmittelkreis 22 fördert eine Pumpe 26 das Kühlmittel durch den Motor 28, den Radiator 30 und den Ölkühler 32. Im Nachkühlerkreis 24 fördert eine zweite Pumpe 34 das Kühlmittel durch die Kerne des Nachkühlers 36 und die Nachkühlerradiatoren 38. Das Kühlmittel des Kreises 22 ist heißer als das Kühlmittel des Kreises 24. Ihre entsprechenden Temperaturen tragen beispielsweise 180 bzw. 135°F. Ein Verbindungsventil 40 stellt eine Verbindung zwischen den Kreisen 22, 24 her. Wenn das Verbindungsventil 40 geöffnet ist, fließt Kühlmittel des heißeren Kreises 22 durch das Verbindungsventil 40 zu dem kälteren Kreis 24. Um diesen Wasserstrom zu kompensieren, fließt die gleiche Menge kalten Nachkühler-Kühlmittels zum Wassertank 42 und von dort zu dem Motorkühlmittelkreis 22. Dieser Strom durch das Verbindungsventil 40 bildet einen Mechanismus der Wärmeübertragung vom Motorkühlmittelkreis 22 zu dem Nachkühlerkreis 24. Wenn der Radiator 30 den Motor 28 kühlen kann, ist das Verbindungsventil 40 geschlossen, und die Temperatur des Kühlmittels im Nachkühlerkreis 24 (und die Lufttemperatur im Luftkasten) kann sehr niedrig gemacht werden. Wenn der Radiator 30 den Motor 28 nicht kühlen kann, wird das Verbindungsventil 40 geöffnet, und die überschüssige Wärme wird auf den Nachkühlerkreis 36 übertragen. In diesem Fall wird die Kühlmitteltemperatur des Nachkühlerkreises 24 höher. Bei einer Vergrößerung des Stroms durch das Verbindungsventil 40 erhöht sich die Temperatur des Kühlmittels im Nachkühlerkreis 24.
Ein wichtiges Merkmal dieser Anlage besteht darin, dass die Kühlmitteltemperatur am Einlass des Nachkühlers sehr viel niedriger als die Kühlmitteltemperatur am Motoreinlass sein kann. Diese Anlage kann die Einlasstemperatur des Motors auf einen sehr niedrigeren Wert kühlen, was wiederum den Kraftstoffverbrauch reduziert und die Motoremissionen verringert.
Ein weiteres Merkmal der SAC-Anlage ist ihre Fähigkeit, die Kühlkapazität des Nachkühler-Radiators 38 dazu zu verwenden, nur den Nachkühlerkreis 24 zu kühlen oder das Nachkühler-Kühlmittel wie auch das Kühlmittel des Motorkühlmittelkreises 22, das durch das Verbindungsventi140 fließt, zu kühlen.
Die 3a und 3b sind schematische Diagramme einer Layover-Heizungsanlage, bei der das Wasser durch einen elektrischen Immersions-Heizer erwärmt wird. Das Kühlmittel ist einer erzwungenen Zirkulation durch eine Wasserpumpe 42 ausgesetzt. Das Öl wird am Ölkühler 44 durch Wärmeübertragung vom warmen Kühlwasser des Motors auf das kältere Öl erwärmt. In dieser Anlage werden die Radiatoren 46 vollständig zum Wassertank 48 hin entleert, so dass es sich um eine Trockenradiator-Anlage handelt. Ein Temperatursensor 50 erfasst die Temperatur des Kühlmittels, so dass der Strom des Heizers 52 an- und abgeschaltet werden kann. Die Anlage kann ferner einen Luftverdichter 56 umfassen. Wie in 3a dargestellt, können auch ein Motorund Luftverdichter-Ablass 58 und ein Ablassbypass 60 vorgesehen werden. Ein Temperaturschalter 62 kann ebenfalls vorgesehen werden. Die 3b zeigt ferner eine Spülpumpe 64, einen Ölstrainer 66, einen Motor-Ölsumpf 68 und einen Motor-Ölablass 70. Eine Standby-Ölpumpe 72 und ein Ölfilter 74 sind ebenfalls dargestellt.
4 ist eine perspektivische Darstellung einer Lokomotiven-Layover-Heizungsanlage mit einem Nassradiator. Kühlmittel fließt in Richtung der Pfeile. In dieser Anlage werden die Radiatoren 76 nicht entleert. Der Wassertank 78 ist lediglich ein Auffülltank, um die Kühlanlage ständig mit Wasser gefüllt zu halten. Die Anlage umfasst einen Motor 80 und einen Ölkühler 82. Ein Luftverdichter 84 ist ebenfalls vorgesehen. Rückschlagventile 86 und ein Temperaturschalter 88 sind ferner vorgesehen.
Eine Anlage, die als „Hotstart Layover Protection System for Diesel Locomotives" ist unter www.kimhotstart.com offenbart. Bei allen „Hotstart"anlagen liefert eine Leistungsquelle Energie zum Erwärmen des Wassers und/oder Öls. Eine schematische Darstellung des Verfahrens ist in 5 gezeigt.
Wenn ein Leerlaufbetrieb einer Lokomotiven-Nasskühlanlage bei kaltem Wetter nicht erwünscht ist, könnte eine Layover-Anlage verwendet werden. In diesem Fall können die Wärmeverluste an den Radiatoren groß und kostspielig sein. Um die Wärmeverluste an den Radiatoren zu verringern, kann die Kühlmitteldurchflussrate durch die Radiatoren (idealerweise auf Null) verringert werden, indem der Druck am Einlass und Auslass der Radiatoren durch Verwendung einer festgelegten oder veränderlichen Öffnung (Drosselöffnung) gleichgemacht wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Layover-Heizungsanlage mit Nassradiatoren. Eine Ausführungsform ist in Verbindung mit einer Layover-Heizungsanlage verwendbar, wie sie in 4 dargestellt ist. Die vorliegende Erfindung kann mit einer herkömmlichen Kühlanlage, wie sie in 1 dargestellt ist, oder mit einer SAC-Anlage, wie sie in 2 dargestellt ist, verwendet werden. Bei allen diesen Anlagen mit Nassradiatoren befindet sich Kühlmittel in den Radiatoren. Wenn der Motor abgeschaltet ist und die Umgebungstemperatur niedrig ist, arbeitet die Layover-Heizungsanlage. In dieser Anlage wird das Kühlmittel durch den Layover-Heizer erwärmt, und es strömt durch die Anlage entweder durch erzwungene Zirkulation (mittels einer Kühlmittelpumpe) oder durch natürliche Konvektion.
In der Nassradiator-Anlage ist der Wärmeverlust durch die Radiatoren ein Hauptwärmeverlust und kann so groß wie oder sogar größer als der Wärmeverlust am Motor sein. Da dieser Wärmeverlust ohne nutzbare Wärme des Motors auftritt, ist eine Verringerung dieses Wärmeverlustes wünschenswert.
Die vorliegende Erfindung minimiert diesen Wärmeverlust an den Nassradiatoren der Layover-Heizungsanlage.
Der Verlust an den Radiatoren ist eine Funktion der Wasserdurchflussrate durch die Radiatoren. Ein Verfahren zum Minimieren des Wärmeverlustes an den Radiatoren besteht somit darin, die Kühlmitteldurchflussrate durch die Radiatoren so weit wie möglich und vorzugsweise auf Null zu verringern. Eine Verringerung des Durchflusses auf Null verringert natürlich nicht den Wärmeverlust auf Null, minimiert ihn jedoch für die gegebene Radiatorgröße und die gegebenen Betriebsbedingungen. Eine Verringerung des Stromes durch den Radiator kann dadurch erreicht werden, dass der Druck an beiden Enden des Radiators gleichgemacht wird.
In 1 ist die schematische Anordnung einer Layover-Heizungsanlage 89 eines derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer herkömmlichen Kühlanlage der in 1 gezeigten Art dargestellt. Die in 6 gezeigte Layover-Heizungsanlage 89 ist an der gleichen Kühlanlage wie der in 1 gezeigten dargestellt, wobei die Bestandteile der Layover-Heizungsanlage 89 hinzugefügt wurden. Entsprechend werden gleiche Bezugszeichen zum Bezeichnen gleicher Bauteile unter den Figuren verwendet. Die Anlage umfasst einen Motor 10, einen parallel geschalteten Nachkühler 12, einen Radiator 14 und einen Ölkühler 16. Der Radiator 14 umfasst, wie dargestellt, ein Gebläse. Ein Wassertank 18 wie auch eine Wasserpumpe 20 sind dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt die Layover-Heizungsanlage 89 mit den folgenden Bestandteilen: einer Layover-Pumpe 90, einem Layover-Heizer 92, zwei Rückschlagventilen 94, 96 und einer Öffnung 98 (Drosselöffnung).
Die Funktionsweise der Anlage im Motorbetriebsmodus ist der gleiche wie anhand der 1 beschrieben. Bei dieser Betriebsart befindet sich der niedrigste Druckpunkt in dem Kreis am Wassertank 18. Die Einbaurichtung der Rückschlagventile 94 und 96 verhindert eine Strömung vom Motor 10 zum Wassertank 18 und Ölkühler 16 in den Wassertank 18. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels im Kühlmittelkreis ist wie in 1 dargestellt und mit schmalen Pfeilen angedeutet.
Wenn der Motor 10 abgeschaltet ist und die Layover-Pumpe 90 arbeitet, sind die Strömungsrichtungen des Kühlmittels wie in 6 mit breiten Pfeilen dargestellt und weiter unten beschrieben. Die Layover-Pumpe 90 nimmt den Wasserstrom aus dem Wassertank 18 und fördert ihn durch den Heizer 92. Ein Teil des im Layover-Heizer 92 erwärmten Kühlmittels strömt durch das Rückschlagventil 94 und zurück durch den Motor 10 und nach Kühler 12 und Wasserpumpe 20 in den Wassertank 18. Der andere Teil des im Heizer 92 erwärmten Kühlmittels strömt durch das Rückschlagventil 96 und die Drosselöffnung 98 und dann durch den Ölkühler 16 zurück zum Wassertank 18. Der Druck an beiden Enden des Radiators (nämlich P1 und P2 in 6) wird durch geeignete Wahl der Größe der Drosselöffnung 98 gleichgemacht bzw. ausgeglichen. Die Durchflussrate durch den Radiator 14 wird somit auf einen sehr kleinen Wert und vorzugsweise auf Null reduziert. Da die Layover-Pumpe 90 durch einen Elektromotor mit einer einzigen Drehzahl betrieben wird, gibt es genau eine Wasserdurchflussrate durch die Bestandteile. Als Folge ist es möglich, den Druck am Radiator mit nur einer Drosselöffnung 98 auszugleichen.
Aus unterschiedlichen Gründen kann die Drehzahl des Elektromotors variieren, oder die Kühlmitteldurchflussrate in dem Layover-Heizkreis kann sich aus irgendeinem Grund ändern. Unter diesen Umständen ist die Verwendung einer festgelegten Drosselöffnung 98 möglicherweise nicht in der Lage, den Druck P1 und P2 zu beiden Seiten des Radiators auszugleichen. In diesem Fall kann die Layover-Heizungsanlage 89 mit einer größenveränderlichen Drosselöffnung 98 statt der festgelegten Drosselöffnung 98 ausgestattet werden. Somit kann sowohl eine festgelegte wie auch eine veränderliche Drosselöffnung 98 innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Wenn eine veränderliche Drosselöffnung 98 verwendet wird, kann die Layover-Heizungsanlage 89 auch mit Drucksensoren 100 und 102 ausgerüstet werden, um die entsprechenden Drücke P1 und P2 auf der ersten und zweiten Seite des Radiators zu erfassen und Signale zu erzeugen, die die Druckdifferenz (oder auch die Temperaturdifferenz) zwischen ihnen anzuzeigen.
Die Signale werden zu einem Computer, einer zentralen Prozessoreinheit oder einem anderen Mechanismus 104 geschickt, der in der Lage ist, die Signale zu verarbeiten. Die zentrale Prozessoreinheit 104 berechnet und erzeugt das Korrektursignal zum Verringern der Druckdifferenz und gibt das Signal an einen Aktuator 106 ab. Der Aktuator 106 ändert dann die effektive Öffnung und den Strömungswiderstand der veränderlichen Drosselöffnung 98. Auf diese Weise kann der Druck zu beiden Seiten des Radiators ausgeglichen und der Kühlmittelstrom durch ihn minimiert werden. Dies verringert den Wärmeverlust in den Radiatoren auf ein Minimum. Die Erwärmung des Öls erfolgt durch den Ölkühler, wie dies oben in Verbindung mit beispielsweise der in 3b gezeigten Anlage beschrieben wurde. Diese Anordnung ist in schematischer Weise in 8 dargestellt. So umfasst der Motor 28 einen Ölsumpf 110. Der Ölsumpf steht mit einem Strainer 112 in Verbindung. Eine Standby-Ölpumpe ist mit dem Strainer 112 verbunden. Ein Rückschlagventil 116 ist zwischen der Ölpumpe 114 und dem Ölfilter 118 angeordnet. Das Ölfilter 118 ist mit dem Ölkühler 120 verbunden. Der Ölkühler seinerseits ist mit dem Motor 28 verbunden. Die Strömung des Öls erfolgt in Richtung der in 8 dargestellten Pfeile.
Es versteht sich, dass die dargestellten Bestandteile durch verschiedene Leitungen miteinander in Strömungsverbindung stehen. Die Leitungen können Schläuche, Rohre oder andere Bauteile umfassen, die eine Strömungsverbindung zwischen den entsprechenden Bestandteilen erlauben.
Die 7 zeigt eine SAC-Kühlanlage der in 2 gezeigten Art, der die Layover-Heizungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung hinzugefügt wurde. Die Kühlmittelströmungsrichtung ist für einen Betrieb der Layover-Heizungsanlage mit einer festgelegten Drosselöffnung dargestellt. Der Kühlmittelstrom erfolgt in Richtung der Pfeile.
Im Prinzip entspricht der SAC-Kühlanlage der in 2 gezeigten, und die Layover-Heizungsanlage der in 6 gezeigten. Somit werden gleiche Be zugszeichen für sich entsprechende Bestandteile verwendet. Die Anlage in 7 umfasst die beiden Kühlmittelkreise der SAC-Anlage, und zwar den Motorkühlmittelkreis 22 und den Nachkühlerkreis 24. Dieses Ausführungsbeispiel umfasst ferner die Pumpe 26, den Motor 28, den Radiator 30 und den Ölkühler 32. Diese Bestandteile befinden sich im Motorkühlmittelkreis 22. Der Nachkühlerkreis 24 umfasst eine Kühlerpumpe 34, Nachkühlerkerne 36 und einen Nachkühlerradiator 38. Das Verbindungsventi1 40 verbindet das Kühlmittel zwischen den Kreisen 22 und 24. Ein Wassertank 42 ist ebenfalls vorgesehen.
Die Layover-Heizungsanlage 89 ist von der gleichen Bauart wie die in 6 gezeigte. Die Funktionsweise der Layover-Heizungsanlage 89 ist wie oben beschrieben. Die Layover-Heizungsanlage 89 umfasst die Layover-Pumpe 90, den Layover-Heizer 92, die Rückschlagventile 94, 96 und die Drosselöffnung 98. Wie oben beschrieben, kann die Drosselöffnung 98 fest oder veränderlich sein. Wenn eine veränderliche Drosselöffnung 98 verwendet wird, können Sensoren und eine zentrale Prozessoreinheit in der Layover-Heizungsanlage 89 verwendet werden. In der gleichen Weise kann ein Aktuator zum Steuern der Drosselöffnung 98 verwendet werden.
Die SAC-Kühlanlage in 7 arbeitet in der gleichen Weise, wie dies oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurde, wenn die Kühlanlage in Betrieb ist, während der Motor läuft und die Layover-Pumpe 90 abgeschaltet ist. Der Betrieb der Layover-Heizungsanlage ist der gleiche wie der der unter Bezugnahme auf 6 beschriebenen Layover-Anlage, wenn der Motor abgeschaltet ist und die Layover-Pumpe 90 läuft. In der gleichen Weise und wie dargestellt, arbeitet die Layover-Heizungsanlage 89 so, wie dies oben unter Bezug auf 6 beschrieben wurde, wenn die Layover-Heizungsanlage 89 in Betrieb ist und der Motor abgeschaltet ist, während die Layover-Pumpe läuft. Vorzugsweise ist das Verbindungsventil 40 geschlossen, wenn die Layover-Heizungsanlage 89 in Betrieb ist. Der Betrieb der Layover-Heizungsanlage ist der gleiche, wie er oben unter Bezugnahme auf 6 beschrieben wurde.
Weitere Merkmale der Kühlanlage (wie eine Ölseitenheizung) bleiben die gleichen. Die Betriebsbedingungen der ursprünglichen Anlage werden nicht negativ beeinflusst und bleiben die gleichen.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhaft, und somit Variationen, die nicht vom Kern der Erfindung abweichen, sollen innerhalb des Rahmens der Erfindung liegen. Solche Variationen werden nicht als Abweichung vom Geist und Schutzumfang der Erfindung angesehen.
Zusammenfassung
Eine Layover-Heizungsanlage (89) für eine Lokomotive wird beschrieben. Die Layover-Heizungsanlage (89) kann in Verbindung mit herkömmlichen Lokomotiven-Kühlanlagen verwendet werden. Die Layover-Heizungsanlage (89) umfasst einen Wassertank und eine Pumpe (90). Ein Layover-Heizer (92) erwärmt das Fluid in der Layover-Heizungsanlage (89). Eine Öffnung (98) dient zum Steuern der Fluidströmung in der Layover-Anlage (89), um den Druck auf beiden Seiten des Radiators der Lokomotive auszugleichen. Auf diese Weise wird der Strom des Fluids durch den Radiator minimiert, wodurch Wärmeverluste am Radiator ebenfalls minimiert werden. Es kann eine veränderliche Öffnung verwendet werden, die in Abhängigkeit von einem Signal verstellbar ist, welches von Drucksensoren zu beiden Seiten des Radiators erzeugt und von einer zentralen Prozessoreinheit verarbeitet wird.
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Claims

Layover-Heizungsanlage für eine Lokomotive, mit einem Wassertank, einer Wasserpumpe und einer zwischen diesen verlaufenden ersten Leitung; einem Motor und einer zweiten Leitung, die zwischen dem Motor und der Wasserpumpe verläuft; einem Nachkühler und einer dritten Leitung, die zwischen dem Nachkühler und der Wasserpumpe verläuft; einem Radiator und einer vierten Leitung, die zwischen dem Motor und dem Radiator verläuft; einer fünften Leitung, die von dem Nachkühler abgeht und mit der zwischen dem Motor und dem Radiator verlaufenden vierten Leitung verbunden ist; einem Ölkühler und einer sechsten Leitung, die zwischen dem Radiator und dem Ölkühler verläuft; einer siebten Leitung, die zwischen dem Ölkühler und der Wasserpumpe verläuft; einer Layover-Pumpe und einer achten Leitung, die zwischen dem Wassertank und der Layover-Pumpe verläuft; einem Heizer und einer neunten Leitung, die zwischen dem Heizer und der Layover-Pumpe verläuft; einer zehnten Leitung, die von dem elektrischen Heizer abgeht und mit der vom Radiator zum Ölkühler verlaufenden sechsten Leitung verbunden ist, und einem ersten Rückschlagventil in der zehnten Leitung und einer Öffnung in der zehnten Leitung zwischen dem ersten Rückschlagventil und dem Ölkühler.
Layover-Heizungsanlage für eine Lokomotive nach Anspruch 1, bei der die Öffnung eine veränderliche Öffnung ist.
Layover-Heizungsanlage für eine Lokomotive nach Anspruch 2, die ferner einen Aktuator zum Öffnen und Schließen der veränderlichen Öffnung aufweist.
Layover-Heizungsanlage für eine Lokomotive nach Anspruch 3, die ferner einen ersten Drucksensor in der vom Motor zum Radiator verlaufenden vierten Leitung und einen zweiten Drucksensor in der vom Radiator zum Ölkühler verlaufenden zweiten Drucksensor zwischen dem Radiator und der zehnten Leitung aufweist.
Layover-Heizungsanlage für eine Lokomotive nach Anspruch 4, die ferner eine zentrale Prozessoreinheit aufweist und bei der der erste und zweite Drucksensor mit der zentralen Prozessoreinheit funktionsmäßig verbunden sind, um Signale an sie abzugeben, und bei der der Aktuator mit der zentralen Prozessoreinheit funktionsmäßig verbunden ist, um die Größe der Öffnung auf der Basis von Signalen des ersten und zweiten Drucksensors zu ändern.
Layover-Heizungsanlage nach Anspruch 1, die ferner eine elfte Leitung aufweist, welche von der zehnten Leitung abgeht, die von dem elektrischen Heizer zu der Leitung verläuft, welche vom Radiator zum Ölheizer verläuft und mit der fünften Leitung verbunden ist, welche von dem Nachkühler zu der Leitung verläuft, welche vom Motor zum Radiator verläuft.
Layover-Heizungsanlage nach Anspruch 6, bei der die elfte Leitung ein zweites Rückschlagventil enthält.
Layover-Heizungsanlage für eine Lokomotive in Verbindung mit einer Lokomotiven-Kühlanlage, die einen Wassertank, einen Motor, einen Radiator und einen Ölkühler umfasst, mit: einer Pumpe zum Fördern von Fluid aus dem Wassertank; einem Layover-Heizer in Strömungsverbindung mit der Pumpe; mindestens einem Rückschlagventil in Strömungsverbindung mit dem Layover-Heizer; und einer Öffnung zum Steuern des Fluidstroms in der Layover-Heizungsanlage.
Layover-Heizungsanlage für eine Lokomotive nach Anspruch 8, bei der die Öffnung eine veränderliche Öffnung ist.
Layover-Heizungsanlage für eine Lokomotive nach Anspruch 9, die ferner einen Aktuator zum Öffnen und Schließen der veränderlichen Öffnung aufweist.
Layover-Heizungsanlage für eine Lokomotive nach Anspruch 10, die ferner einen ersten Drucksensor zum Erfassen des Drucks auf einer ersten Seite des Radiators und einen zweiten Drucksensor zum Erfassen des Drucks auf einer zweiten Seite des Radiators aufweist.
Layover-Heizungsanlage für eine Lokomotive nach Anspruch 11, die ferner eine zentrale Prozessoreinheit aufweist und bei der der erste und zweite Drucksensor mit der zentralen Prozessoreinheit funktionsmäßig verbunden sind, um Signale an sie abzugeben, und bei der der Aktuator mit der zentralen Prozessoreinheit funktionsmäßig verbunden ist, um die Größe der Öffnung auf der Basis von Signalen des ersten und zweiten Drucksensors zu ändern, wodurch der Druck auf der ersten und zweiten Seite des Radiators zum Steuern des Fluidstroms durch den Radiator gesteuert werden kann.
Layover-Heizungsverfahren für den Motor einer Lokomotive zur Verwendung in Verbindung mit einer Lokomotiven-Kühlanlage, die einen Wassertank, einen Motor, einen Radiator und einen Ölkühler umfasst, mit folgenden Schritten: Pumpen von Fluid aus dem Wassertank durch einen Layover-Heizer; Erwärmen des Fluids im Heizer; Zuführen von erwärmtem Fluid zu dem Motor und dem Ölkühler; Bereitstellen einer Öffnung zum Steuern des Fluidstroms, um den Fluidstrom durch den Radiator zum minimieren.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner das Bereitstellen einer veränderlichen Öffnung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem ferner der Druck auf einer ersten und zweiten Seite des Radiators mit Drucksensoren erfasst und die Öffnung verstellt wird, um den Druck auf der ersten und zweiten Seite des Radia tors auszugleichen und dadurch den Fluidstrom durch den Radiator zu minimieren.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem ferner ein Signal von den Drucksensoren zu einer zentralen Prozessoreinheit geschickt wird, um ein Steuersignal zu erzeugen, und das Steuersignal zu einem Aktuator geschickt wird, um eine Bewegung der Öffnung zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 13, das das Erwärmen von Motoröl umfasst, indem Motoröl vom Motor durch einen Ölfilter und einen Ölkühler sowie zurück zum Motor gepumpt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Umpumpen des Motoröls durch Verwendung einer Ölpumpe erfolgt.