MX2013012519A - Sistema de compresor multiple y metodo para locomotoras. - Google Patents
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Abstract
Un sistema y método para mantener un suministro de aire comprimido en una locomotora; el sistema de aire comprimido para una locomotora de ferrocarril comprende: un primer compresor de aire; un segundo compresor de aire; un calentador de recuperación para mantener la temperatura del refrigerante del motor; y un sistema de control, en donde estos pueden ser energizados por al menos uno de las siguientes fuentes de energía: una fuente de energía eléctrica a bordo; una fuente de energía externa, en donde el calentador de recuperación puede utilizar calor generado por el primer compresor de aire y el segundo compresor de aire para mantener la temperatura del refrigerante del motor, y en donde el sistema de control que opera el sistema de aire comprimido utiliza una primera lógica cuando la fuente de energía es la fuente de energía eléctrica a bordo y una segunda lógica cuando la fuente de energía es la fuente de energía externa.
Description
SISTEMA DE COMPRESOR MULTIPLE Y METODO PARA LOCOMOTORAS
CAMPO DE LA INVENCION
La presente invención se ubica en el campo de los motores diesel de locomotoras y sistemas de aire comprimido. De manera más particular, la presente invención se ubica en el campo técnico de los sistemas de compresor de aire para motores de locomotora diesel utilizando múltiples compresores de aire, circuitos de control y energía y un sistema de calentamiento de recuperación.
ANTECEDENTES DE IA INVENCION
Los sistemas de compresor de aire para motores de combustión interna, tales como aquellos que energizan locomotoras, son conocidos en la técnica para el propósito de generar aire comprimido que va a ser utilizado en los sistemas auxiliares y de frenado de la locomotora. Por ejemplo, un sistema de compresor de aire de la técnica anterior puede incluir un compresor de aire de múltiples cilindros con un par de cilindros de baja presión y un cilindro de alta presión montados sobre y soportados por un cárter. Generalmente, el compresor de aire es energizado por el motor de la locomotora y no está disponible par uso mientras la locomotora está apagada .
Los sistemas de calentador de recuperación para motores de combustión interna también son conocidos en la técnica. Estos sistemas de calentador de recuperación generalmente mantienen el refrigerante del motor por arriba de una cierta temperatura cuando las temperaturas ambiente no son suficientes para mantener el refrigerante del motor. Al mantener el refrigerante del motor por arriba de ciertas temperaturas se permite que las locomotoras inactivas sean apagadas y fácilmente reiniciadas, incluso después de días de estar paradas en climas de frío extremo. El equipamiento de una locomotora con un calentador de recuperación ayuda a evitar problemas asociados con la inactividad del motor incluyendo el desperdicio de combustible y aceite, la acumulación de humedad, emisiones, ruido y desgaste del motor.
Los sistemas de compresor de aire tradicionales de la técnica anterior tienen una desventaja debido a que no pueden ser energizados cuando el motor de la locomotora es apagado. Esta falta de un constante suministro de presión de aire puede demorar la partida de la locomotora al prolongar el protocolo de prueba de partida del freno. Además, el calor generado por el compresor de aire no es utilizado y por el contrario se considera calor desperdiciado.
El sistema y método del compresor de aire múltiple
divulgados están dirigidos a superar una o más de las desventajas antes enlistadas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCION
En un aspecto, la presente invención aquí divulgada está dirigida a un sistema de aire comprimido para una locomotora de ferrocarril que comprende: un primer compresor de aire; un segundo compresor de aire; un calentador de recuperación para mantener la temperatura del refrigerante del motor; y un sistema de control, en donde el primer compresor de aire, el segundo compresor de aire, el calentador de recuperación, y el paquete de control pueden ser energizados por al menos una de las siguientes fuentes de energía: una fuente de energía eléctrica a bordo; o una fuente de energía externa, en donde el calentador de recuperación puede utilizar calor generado por el primer compresor de aire y el segundo compresor de aire para mantener la temperatura del refrigerante del motor, y en donde el sistema de control que opera el sistema de aire comprimido utiliza una primera lógica cuando la fuente de energía es la fuente de energía eléctrica a bordo y una segunda lógica cuando la fuente de energía es la fuente de energía externa.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
La figura 1 es un diagrama de un sistema de compresor de aire múltiple para un motor de locomotora diesel de acuerdo con una modalidad de la presente invención.
La figura 2? es un gráfico de flujo de un método para operar un sistema de compresor de aire en un motor de locomotora diesel de acuerdo con una modalidad de la presente invención.
La figura 2B es un gráfico de flujo de un método para operar un sistema de compresor de aire en un motor de locomotora diesel de acuerdo con otra modalidad de la presente invención.
La figura 3 es un gráfico de flujo 'de un método para operar un sistema de compresor de aire en un motor de locomotora diesel de acuerdo con otra modalidad de la presente invención.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
La presente solicitud está dirigida al campo técnico de los sistemas de compresor para motores diesel utilizando múltiples compresores de aire, circuitos de control y energía, y un sistema de calentamiento de recuperación.
Haciendo referencia a la figura 1, se muestra una modalidad de la presente invención. Un sistema de compresor
múltiple 100 puede incluir al menos dos compresores de aire 102, un calentador de recuperación 106 y un sistema de control 104.
Cada compresor de aire 102 puede ser un compresor de aire tipo tornillo rotatorio, o cualquier otro tipo de compresor de aire conocido en la técnica". Cada compresor de aire 102 puede ser clasificado a 60-80% de la capacidad mínima especificada por la industria para generar aire comprimido para sistemas de frenado y auxiliares de locomotora. A diferencia de los arreglos de compresor de aire de locomotora tradicionales, los compresores de aire 102 pueden ser energizados por red eléctrica además de la corriente eléctrica generada por los sistemas de locomotora a bordo. La corriente eléctrica puede incluir corriente alterna de 440 voltios suministrada desde la rejilla de energía comercial, o cualquier otro tipo de energía comercialmente disponible. Un enchufe y cable de energía apropiados pueden ser enchufados en la locomotora a nivel del suelo para proporcionar la red eléctrica cuando el motor de combustión interna está apagado o no está operando a plena capacidad.
El calentador de recuperación 106 puede incluir un sistema de calentamiento eléctrico para mantener la temperatura del sistema refrigerante del motor por arriba de una cierta temperatura en climas de frío extremo. A
diferencia de los sistemas de calentador de recuperación de locomotoras tradicionales, en un modo de operación, el calentador de recuperación 106 puede incluir un elemento de calentamiento eléctrico energizado por red eléctrica además de la corriente eléctrica generada por lo sistemas de locomotora a bordo. La red eléctrica puede incluir corriente alterna de 440 voltios suministrada desde la rejilla de energía comercial, o cualquier otro tipo de energía comercialmente disponible. Un enchufe y cable de energía apropiados pueden ser enchufados en la locomotora desde el nivel del suelo para proporcionar la red eléctrica cuando el motor de combustión interna es apagado o no está operando a plena capacidad. De manera alternativa, o en cooperación con el sistema de calentamiento eléctrico, el calentador de recuperación 106 puede utilizar el calor generado por los compresores de aire 102 para calentar el refrigerante del motor 122, reduciendo al mínimo la necesidad de operar el calentador de recuperación 106.
El sistema de control 104 puede incluir un microprocesador 105. El sistema de control 104 puede estar operativamente conectado 110 a compresores de aire 102. El sistema de control 104 se puede comunicar con los compresores de aire 102 a lo largo de la conexión operativa 110, y también puede recibir señales de estatus desde los
compresores de aire 102 a lo largo de la conexión operativa 110.
De manera adicional, el sistema de control 104 puede estar operativamente conectado 112 a un calentador de recuperación 106. El sistema de control 104 se puede comunicar con el calentador de recuperación 106 a lo largo de la conexión operativa 112, y también puede recibir señales de estatus desde el calentador de recuperación 106 a lo largo de la conexión operativa 112. A través de las conexiones operativas 110 y 112, el sistema de control 104 puede monitorear datos tales como la demanda de energía por parte de los compresores de aire 102 y el calentador de recuperación 106, priorizando la necesidad de ambos sistemas y asignando flujo de corriente para mantener el nivel deseado de aire comprimido y la temperatura deseada del refrigerante.
Tal como se utiliza en la figura 1 y las siguientes figuras y descripciones, la conexión operativa o la comunicación operativa incluye cualquier tipo de comunicación cableada o inalámbrica. En una modalidad preferida, las conexiones operativas 110, 112 pueden comprender una conexión de datos cableada.
Un sistema de compresor múltiple 100 también puede incluir un intercambiador de calor 120 que puede ser un dispositivo de intercambiador de calor de cualquier tipo
utilizado en la técnica de los sistemas de transferencia de calor, A medida que el refrigerante del motor 122 fluye a través del intercambiador de calor 120 y el calentador de recuperación 106, éste puede ser calentado por el calor de desperdicio de los compresores de aire 102 llevado a través del aceite 124 y transmitido a través del intercambiador de calor 120 y/o el calor que proviene del calentador de recuperación 106. A medida que el refrigerante del motor 122 acumula más energía, éste regresará a una temperatura superior. A medida que el refrigerante del motor 122 sale del dispositivo de intercambio de calor, éste puede ser dirigido nuevamente al motor de la locomotora.
El sistema de control 104 monitoreará el refrigerante del motor 122 e intentará mantener el refrigerante del motor 122 dentro de un rango de temperatura predeterminado. En una modalidad, el rango de temperatura predeterminado puede ubicarse entre 135°F (57.22°C) y 185°F (85°C) . Cuando solamente un compresor de aire 102 es energizado y está operando, el calentador de recuperación 106 también puede ser energizado para proporcionar calor al refrigerante del motor 122. Si la demanda de presión de aire del sistema requiere la operación de ambos compresores de aire 102, el calentador de recuperación 106 será des-energizado siempre y cuando ambos compresores de aire 102 estén energizados. De manera
adicional, en una modalidad, la red eléctrica no será utilizada a menos que la locomotora esté apagada y automáticamente des-energizará y hará sonar una alarma en caso que el motor comience a funcionar mientras la red eléctrica está energizada.
El sistema de control 104 monitoreará el refrigerante del motor 122 y activará una alarma en caso que la operación de calentamiento sea solicitada con una cantidad insuficiente de refrigerante de motor 122 disponible. En otra modalidad, habrá un modo de operación para correr únicamente el calentador de recuperación y ninguno de los compresores de aire 102.
Al mantener el refrigerante del motor 122 en o por arriba de una cierta temperatura, la presente invención puede permitir que una locomotora de ferrocarril sea mantenida a un estatus completamente preparado para el despliegue sin emisiones locales de un motor diesel interno. Debido a que la energía comercial puede ser generada de manera más eficiente en estaciones de generación grandes, las emisiones en la forma de gases de invernadero y materia en partículas se pueden reducir a través de la presente invención. Además, la presente invención también puede eliminar o reducir el ruido asociado con la inactividad del motor para producir aire comprimido y evitar el congelamiento del agua del motor.
Además, un sistema de compresor de aire múltiple 100 ofrece la ventaja de la redundancia para la conflabilidad de la locomotora y capacidad adicional para una demanda pico de corto plazo de aire comprimido.
La presente invención proporciona la capacidad para aplicar aire comprimido a los vagones de un tren cuando el tren está estacionado en una posición estacionaria sin detener el motor de combustión interna de la locomotora para generar energía eléctrica o aire comprimido. Al mantener un suministro confiable y constante de aire comprimido a los vagones y sistemas del tren unido se ofrece la ventaja de un protocolo de prueba de partida de frenado más veloz previo al despacho del tren.
Un sistema de compresor múltiple 100 incluye al menos dos modos únicos de operación. El primer modo de operación puede corresponder al momento en que el motor de la locomotora está funcionando. El segundo modo de operación puede corresponder al momento en que el motor de la locomotora está apagado y otra fuente de energía es utilizada, tal como red eléctrica como se describió antes.
Haciendo referencia ahora a la figura 2A, se muestra un gráfico de flujo de una modalidad de la presente invención. Cuando el motor diesel de la locomotora está funcionando, como en 210, se utilizaría la siguiente lógica para regular
la operación el sistema de compresor de aire múltiple 100. En 220, con base en un intervalo de tiempo, un compresor se vería favorecido para operación sobre el otro. Si la presión de aire permanece por encima de una cantidad predeterminada en 230, un compresor de aire continuará siendo utilizado para satisfacer la demanda de aire. Si la presión de aire del sistema cae por debajo de la cantidad predeterminada en 230, el sistema de control 104 energizará ambos compresores de aire 102 para satisfacer la demanda de aire, como en 240.
Una vez que se energiza un compresor de aire 102, éste funcionará hasta que la temperatura del aceite de los compresores de aire 124 esté a un nivel predeterminado. Si la demanda de aire de la locomotora actual se satisface, el compresor de aire 102 se correrá sin carga hasta que el aceite 124 alcanza la temperatura predeterminada.
Una vez que se satisface la demanda de aire de la locomotora, los compresores de aire energizados 102 serán descargados por un periodo de tiempo predeterminado. Durante este periodo de tiempo predeterminado, la presión del aire a través del sistema se puede monitorear a través del sistema de control 104 para determinar si está cayendo a una velocidad que requeriría que un compresor de aire 102 fuese re-energizado dentro de un intervalo determinado del apagado. Si se cumple esta condición, los compresores de aire
energizados 102 continuarán operando en un estado descargado hasta que la demanda de aire de la locomotora necesita una presión de aire adicional. Por ejemplo, si la presión del aire está cayendo a una velocidad en que un compresor de aire 102 necesitará ser energizado dentro de un periodo de diez minutos posterior al apagado, el sistema de control 104 entonces ordenará al compresor de aire 102 operar en un estado descargado en lugar de apagar el compresor de aire 102 únicamente para re-energizarlo menos de diez minutos después.
Cada compresor de aire 102 será monitoreado por el sistema de control 104. Si un compresor de aire 102 no se energiza, corre u opera en alguna manera, se devolverá una señal de falla al sistema de control 104 a través de la conexión operativa 110 y el otro compresor de aire 102 puede ser utilizado para satisfacer la demanda actual.
El aceite 124 del compresor de aire comparte un intercambiador de calor 120 con el refrigerante del motor 122 de la locomotora, proporcionando asi enfriamiento para el aceite 124 del compresor de aire al mismo tiempo que se proporciona calor para el refrigerante del motor 122.
Haciendo referencia ahora a la figura 2B se muestra un gráfico de flujo de otra modalidad de la presente invención. En 250, cuando el motor diesel de la locomotora no está funcionando, se puede establecer una conexión de red
eléctrica en 260. Una vez que se conecta la red eléctrica, se puede utilizar la siguiente lógica para regular la operación del sistema de compresor de aire múltiple 100.
Inicialmente, en 270, un compresor de aire 102 será energizado y utilizado para proporcionar presión de aire al sistema de compresor de aire múltiple 100. El compresor de aire, energizado 102 será determinado, por ejemplo, de acuerdo con un programa de tiempo, con un compresor de aire 102 alternativamente siendo favorecido sobre otro compresor de aire 102, sobre una base rotatoria, equilibrando su ciclo de trabajo. Únicamente se mantendrá un compresor de aire 102 en el estado de "caliente y listo".
En 280, siempre y cuando el compresor de aire sea mantenido por arriba de una cantidad predeterminada, se utilizará un compresor de aire 102 como se muestra en 270. No obstante, en 280, cuando la presión del aire cae por debajo de esta cantidad predeterminada, ambos compresores de aire 102 serán energizados para satisfacer la demanda de aire en 290.
Haciendo referencia ahora a la figura 3, se muestra un gráfico de flujo de otro aspecto de la presente invención. En 300, cuando el motor diesel de la locomotora no está funcionando, se puede establecer una conexión de red eléctrica en 310. Una vez que se conecta la red eléctrica, se
puede utilizar la siguiente lógica para regular la operación del sistema de compresor de aire múltiple 100.
Inicialmente, en 320, se energizará y utilizará un compresor de aire 102 para proporcionar presión de aire al sistema de compresor' de aire múltiple 100. El compresor de aire energizado 102 será determinado, por ejemplo, de acuerdo con un programa de tiempo, con un compresor de aire 102 siendo alternativamente favorecido sobre otro compresor de aire 102, sobre una base rotatoria, eguilibrando su ciclo de trabajo. Únicamente se mantendrá un compresor de aire 102 en el estado "caliente y listo".
En 330, cuando la presión del aire cae por debajo de una cantidad predeterminada, ambos compresores de aire 102 serán energizados para satisfacer la demanda de aire en 340. Pero siempre y cuando se mantenga la presión del aire por arriba de una cantidad predeterminada, el proceso avanza al siguiente paso en 350. En 350, siempre y cuando la temperatura del refrigerante del motor permanezca por arriba de una temperatura predeterminada, un compresor 102 continuará siendo energizado y utilizado para proporcionar presión de aire al sistema de compresor de aire múltiple 100. No obstante, si en 350 la temperatura del refrigerante cae por debajo de la temperatura predeterminada, en 360 el calentador de recuperación 106 puede ser energizado tal como
se describió antes para proporcionar calor al refrigerante del motor. El proceso entonces puede comenzar nuevamente en 320, con un compresor proporcionando presión de aire.
También, otra modalidad (que no se muestra) de la presente invención puede incluir un modo de operación para correr únicamente el calentador de recuperación 106 y ninguno de los compresores de aire 102. Este modo puede ser preferido cuando la locomotora es programada para apagarse y no se necesita un suministro de aire constante, pero sigue siendo deseable mantener el refrigerante del motor a una cierta temperatura .
Las modalidades antes descritas son proporcionadas como ejemplos ilustrativos solamente. Aguellos expertos en la técnica fácilmente apreciarán que se pueden realizar muchas desviaciones de las modalidades especificas divulgadas en esta especificación sin apartarse de la invención. Por consiguiente, el alcance de la invención se va a determinar mediante las reivindicaciones siguientes en lugar de quedar limitado a las modalidades específicamente descritas antes.
Claims (19)
1. - Un sistema de aire comprimido para una locomotora de ferrocarril, que comprende: un primer compresor de aire; un segundo compresor de aire; un calentador de recuperación para mantener una temperatura de un refrigerante de motor; y un sistema de control, dicho sistema de control conectado operativamente a dicho primer compresor de aire, dicho segundo compresor de aire, y dicho calentador de recuperación, en donde dicho control de dicho calentador de recuperación está basado en dicho control de dicho primer y segundo compresores de aire.
2. - El sistema de aire comprimido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el primer compresor de aire, el segundo compresor de aire, el calentador de recuperación, y el paquete de control pueden ser energizados por al menos una de las siguientes fuentes de energía: una fuente de energía eléctrica a bordo; o una fuente de energía externa.
3. - El sistema de aire comprimido de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la fuente de energía externa comprende corriente alterna suministrada desde una rejilla de energía.
4. - El sistema de aire comprimido de conformidad con la reivindicación 2, que además comprende un intercambiador de calor, en donde el intercambiador de calor puede utilizar calor generado por al menos uno del primer compresor de aire y el segundo compresor de aire para mantener la temperatura del refrigerante del motor.
5. - El sistema de aire comprimido de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el sistema de control puede monitorear una presión de aire actual del sistema de aire comprimido y energizar ya sea el primer compresor de aire, el segundo compresor de aire, o ambos, el primer compresor de aire y el segundo compresor de aire simultáneamente .
6. - El sistema de aire comprimido de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el primer compresor de aire y el segundo compresor de aire pueden funcionar en un estado descargado.
7. - El sistema de aire comprimido de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el sistema de control que opera el sistema de aire comprimido utiliza una primera lógica cuando la fuente de energía es la fuente de energía eléctrica a bordo.
8. - El sistema de aire comprimido de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el sistema de control que opera el sistema de aire comprimido utiliza una segunda lógica cuando la fuente de energía es la fuente de energía externa .
9. - El sistema de aire comprimido de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque la segunda lógica puede requerir que la temperatura del refrigerante del motor sea mantenida por uno de los siguientes: el calentador de recuperación; el intercambiador de calor; o una combinación del calentador de recuperación y el intercambiador de calor.
10. - Un método para operar un sistema de aire comprimido para una locomotora, dicho sistema de aire comprimido comprende un motor, un primer compresor de aire, un segundo compresor de aire, un calentador de recuperación, y un sistema de control que comprende: determinar que el motor no está apagado; energizar el primer compresor de aire para proporcionar presión de aire al sistema de aire comprimido; monitorear la presión del aire dentro del sistema de aire comprimido; y controlar dicho calentador de recuperación con base en dicha energización de dicho primer compresor de aire.
11.- El método de conformidad con la reivindicación 10, que además comprende: energizar el segundo compresor de aire si la presión de aire monitoreada cae por debajo de un nivel predeterminado, de manera que tanto el primer compresor de aire como el segundo compresor de aire son simultáneamente energizados ; y controlar dicho calentador de recuperación con base en dicha energización de dicho primer y segundo compresores de aire.
12. - El método de conformidad con la reivindicación 10, que además comprendé: correr el primer compresor de aire en una condición descargada en caso que la presión de aire monitoreada esté por arriba de un nivel predeterminado.
13. - Un método para operar un sistema de aire comprimido para una locomotora, dicho sistema de aire comprimido comprende un motor, un primer compresor de aire, un segundo compresor de aire, un calentador de recuperación, un intercambiador de calor, una fuente de red eléctrica, y un sistema de control, que comprende: determinar que el motor está apagado; conectar la fuente de la red eléctrica al sistema de aire comprimido; monxtorear la presión de aire dentro del sistema de aire comprimido; determinar una demanda de presión de aire; energizar el primer compresor de aire para proporcionar presión de aire al sistema de aire comprimido en caso que dicho paso de determinación requiera presión de aire para satisfacer la demanda; y controlar dicho calentador de recuperación con base en dicha energización de dicho primer compresor de aire.
14. - El método de conformidad con la reivindicación 13, que además comprende: energizar el segundo compresor de aire en caso que la presión de aire monitoreada caiga por debajo de un nivel predeterminado, de manera que tanto el primer compresor de aire como el segundo compresor de aire son simultáneamente energizados; y controlar dicho calentador de recuperación con base en dicha energización de dicho primer y segundo compresores de aire .
15. - El método de conformidad con la reivindicación 13, que además comprende: correr al menos uno del primer compresor de aire o el segundo compresor de aire en una condición descargada en caso que la presión de aire monitoreada esté por arriba de un nivel predeterminado.
16. - El método de conformidad con la reivindicación 13, que además comprende: monitorear una temperatura de un refrigerante de motor; y mantener la temperatura del refrigerante del motor con base en dicho paso de monitoreo.
17. - El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque dicho paso de mantenimiento comprende: utilizar un intercambiador de calor para proporcionar refrigerante para un suministro de aceite utilizado por al menos uno del primer compresor de aire y el segundo compresor de aire; y utilizar el intercambiador de calor para proporcionar calentamiento para el refrigerante del motor.
18. - El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque dicho paso de mantenimiento comprende; utilizar el calentador de recuperación para proporcionar calentamiento para el refrigerante del motor.
19. - El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque el calentador de recuperación es energizado por la fuente de red eléctrica.
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