AT516091B1 - Leerlaufregelung für mehrstufigen Kolbenverdichter - Google Patents

Abstract

Mehrstufiger Kolbenverdichter (1) und Verfahren zur Leerlaufregelung eines mehrstufigen Kolbenverdichters (1) mit einer letzten Verdichterstufe (5) und zumindest einer dieser letzten Verdichterstufe (5) vorgeschalteten Verdichterstufe (4) mit einem zugehörigen Zylinderraum (10), wobei während der Leerlaufphase zumindest ein Strömungsquerschnitt vom zugehörigen Zylinderraum (10) zur Saugkammer (7) und/oder zur Druckkammer (13) und/oder zu einem Zusatzvolumen (26) der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe (4) geöffnet wird, wobei bei geöffnetem Strömungsquerschnitt der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe (4), durch die Dimensionierung eines Schadvolumens (23, 25) der letzten Verdichterstufe (5) der durch die Verdichtung erreichte Enddruck dieser letzten Verdichterstufe (5) reduziert wird und ein zum Öffnen eines Druckventils (19) der letzten Verdichterstufe (5) erforderlicher Enddruck nicht erreicht wird.

Description

Beschreibung

LEERLAUFREGELUNG FÜR MEHRSTUFIGEN KOLBENVERDICHTER

[0001] Die gegenständliche Erfindung betrifft einen mehrstufigen Kolbenverdichter und ein Verfahren zur Leerlaufregelung eines mehrstufigen Kolbenverdichters mit einer letzten Verdichterstufe und zumindest einer, dieser letzten Verdichterstufe vorgeschalteten Verdichterstufe mit einem zugehörigen Zylinderraum, wobei während der Leerlaufphase zumindest ein Strömungsquerschnitt vom zugehörigen Zylinderraum zu einer Saugkammer und/oder zu einer Druckkammer und/oder zu einem Zusatzvolumen der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe geöffnet wird.

[0002] Nutzfahrzeuge, wie beispielsweise LKWs, Busse, Baumaschinen oder auch Schienenfahrzeuge, weisen zumeist druckluftunterstützt betätigbare Bremsen auf, zu deren Versorgung mit Druckluft üblicherweise ein Verdichter vorgesehen ist. Dieser wird beispielsweise vom Antrieb des Fahrzeuges, oder, wie bei Schienenfahrzeugen üblich, von einem separaten Elektromotor angetrieben. Gerade bei Kolbenverdichtern werden hohe Anforderungen bezüglich möglichst hoher Leistung trotz kompakter Bauweise gestellt. Ebenso ist bei Verdichtern oftmals eine Leerlaufregelung vorzusehen, insbesondere bei Verdichtern die auch dann angetrieben werden, wenn gerade kein zu verdichtendes Medium benötigt wird. Als Leerlaufregelung können Abhebeeinrichtungen zum Einsatz kommen, die das Ventilelement des Saugventils für eine bestimmte Zeitspanne zwangsweise offen halten. Die Abhebeeinrichtung, bzw. die Betätigungseinrichtung dafür, ist dazu üblicherweise am Zylinderkopf angeordnet und weist einen oder mehrere Abhebefinger auf, der oder die gegen das Ventilelement des Saugventils gedrückt werden, um dieses von dessen Ventilsitz abzuheben und somit offen zu halten.

[0003] Zur Realisierung einer Leerlaufregelung bei zweistufigen Verdichtern werden z.B. die beiden Zylinder der ersten und zweiten Stufe im Leerlauf über einen separaten Überströmkanal verbunden.

[0004] Dadurch wird verhindert, dass aus der zweiten Verdichterstufe verdichtetes Medium in die daran anschließende Druckleitung gefördert wird, da in der zweiten Verdichterstufe kein Druck aufgebaut wird, welcher ausreicht, um das Druckventil der zweiten Verdichterstufe zu öffnen. Im Volllastbetrieb wird dieser Überströmkanal in beiden Zylindern mit Absperrkolben, Schiebelamellen o.ä. verschlossen.

[0005] Daraus ergibt sich jedoch wiederum eine Reihe an Nachteilen, wie beispielsweise ein erhöhter Platzbedarf, da der separate Überströmkanal und die zugehörigen Absperrkolben oder Schiebelamellen im Bereich der Zylinder angeordnet werden müssen. Da aufgrund dieser Platzproblematik die Strömungsquerschnitte im Überströmkanal verhältnismäßig klein und dadurch die Strömungswiderstände hoch sind, ergibt sich eine unnötig hohe Leistungsaufnahme während der Leerlaufphase.

[0006] Für einstufige Kolbenverdichter zeigt beispielsweise die DE 43 21 013 B4 eine Leerlaufregelung bei welcher ein mit dem Verdichtungsraum des Kolbenverdichters verbundener Zusatzraum genutzt wird. Im Zuge der Umstellung in den Leerlauf wird der Zusatzraum durch das betätigen eines Zusatzventils geöffnet. Durch den somit wesentlich vergrößerten Totraum wird beim Verdichtungshub nur noch ein Leerlaufdruck erreicht, welcher nicht ausreicht um das Druckventil des Verdichters zu öffnen.

[0007] Die bereits oben genannten Nachteile finden sich auch bei dieser Anordnung, da für das Betätigen des Zusatzventils wiederum eine entsprechende Betätigungsmechanik notwendig ist welche zu einem erhöhten Platzbedarf führt. Weiters darf nicht außer Acht gelassen werden, dass die Nutzung von Betätigungseinrichtungen die Notwendigkeit bewegter Teile mit sich bringt, welche wiederum Verschleiß und damit verbundenen Wartungsaufwand bedeuten beziehungsweise ein gewisses Ausfallsrisiko in sich tragen.

[0008] Die DE 10 2009 053 133 A1 zeigt einen Kolbenverdichter nach dessen letzter Verdich- terstufe ein Überdruckventil vorgesehen ist. Sobald ein Gewünschtes Druckniveau in einem nachfolgenden Speicher erreicht ist öffnet das Überdruckventil und aktiviert dabei über eine Verbindungsleitung auch ein Leerlaufventil an der ersten Verdichterstufe. Um eine Leerlaufregelung zu aktivieren, muss es also zu einer Entlüftung der Druckleitung nach der letzten Verdichterstufe kommen und eine entsprechende Verbindungsleitung zwischen Leerlaufventil und einem Überdruckventil vorgesehen werden.

[0009] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine zuverlässige Leerlaufregelung für mehrstufige Kolbenverdichter zu realisieren, welche eine geringstmögliche Anzahl an Betätigungsmechanismen aufweist.

[0010] Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gelöst, dass bei geöffnetem Strömungsquerschnitt der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe, durch die Dimensionierung eines Schadvolumens der letzten Verdichterstufe der durch die Verdichtung erreichte Enddruck dieser letzten Verdichterstufe unterhalb jenes Enddruckes bleibt, welcher zum Öffnen eines Druckventils der letzten Verdichterstufe erforderlich ist.

[0011] Dies erlaubt es, durch eine geometrische Maßnahme zumindest die Fördermenge während der Leerlaufphase zu reduzieren oder auch ein weiters Fördern des mehrstufigen Verdichters gänzlich zu unterbinden. Für mehrstufige Kolbenverdichter ist dadurch nur eine reduzierte Anzahl an Betätigungsmechanismen erforderlich. Dadurch wird sowohl der Platzbedarf für die Leerlaufregelung innerhalb des Verdichters, als auch der technische Aufwand reduziert. Die damit verbundene Reduzierung an beweglichen Teilen führt weiters zu einer geringeren Ausfallswahrscheinlichkeit und geringerem Wartungsaufwand. Auf diese Weise wird weiters ein Fördern während der Leerlaufphase unterbunden, da kein Medium über das entsprechende Druckventil gefördert wird.

[0012] In einer vorteilhaften Variante ist vorgesehen, dass zum Öffnen des Strömungsquerschnitts ein Saugventil der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe des Kolbenverdichters zwangsweise offengehalten wird. Dadurch ist zumindest ein Betätigungsmechanismus weniger erforderlich, um eine Leerlaufregelung zu realisieren.

[0013] Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass zum Öffnen des Strömungsquerschnitts ein Druckventil der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe des Kolbenverdichters zwangsweise offengehalten wird. Wiederum ergeben sich die analogen Vorteile wie beim zwangsweise offenhalten des Saugventils und zumindest ein Betätigungsmechanismus bei der Realisierung einer Leerlaufregelung kann eingespart werden.

[0014] Weiters kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass durch einen Betätigungsmechanismus ein Bypasskanal, welcher die Saugkammer oder die Druckkammer oder das Zusatzvolumen der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe mit deren zugehörigen Zylinderraum verbindet, freigegeben wird. Ein entsprechender mehrstufiger Kolbenverdichter weist eine letzte Verdichterstufe und zumindest eine, dieser letzten Verdichterstufe vorgeschaltete Verdichterstufe mit einer Saugkammer, einer Druckkammer und einem zugehörigen Zylinderraum auf, wobei in der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe ein Strömungsquerschnitt vorgesehen ist, welche die Saugkammer und/oder die Druckkammer und/oder ein Zusatzvolumen der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe mit dem ersten Zylinderraum verbindet und für eine Leerlaufregelung der Strömungsquerschnitt zwangsweise geöffnet ist wobei ein Schadvolumen der letzten Verdichterstufe derart bemessen ist, dass bei zwangsweise geöffnetem Strömungsquerschnitt der durch die Verdichtung erreichte Enddruck der letzten Verdichterstufe reduziert ist.

[0015] Vorteilhaft ist vorgesehen, dass durch die Anpassung eines Hubvolumens der letzten Verdichterstufe ein gewünschter Zwischendruck zwischen der letzten Verdichterstufe und der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe des mehrstufigen Kolbenverdichters erreicht wird. Dadurch kann auch bei entsprechend dimensionierten Schadvolumen der letzten Verdichterstufe der Volllastbetrieb ohne Nachteile, wie erhöhtes Temperaturniveau, schlechterer Lie- fergrad, höhere Leistungsaufnahme, erfolgen.

[0016] In einer weiteren Ausgestaltung ist das Schadraumvolumen durch einen Zusatzschadraum gebildet und der Zusatzschadraum über einen Kanal mit einem letzten Zylinderraum der letzten Verdichterstufe verbunden. Dies erlaubt es „herkömmliche“ Bauteile, wie beispielsweise den Kurbeltrieb unverändert nutzen zu können und lediglich im Zylinder oder Zylinderkopf Veränderungen in Form eines Zusatzschadraums vornehmen zu müssen.

[0017] Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt [0018] Fig. 1 einen Teil des Zylinders und des Zylinderkopfs eines erfindungsgemäßen Kol benverdichters in einer ersten Ausführungsvariante, [0019] Fig. 2 einen Teil des Zylinders und des Zylinderkopfs eines erfindungsgemäßen Kol benverdichters in einer zweiten Ausführungsvariante, [0020] Fig. 3 ein schematisches Beispiel für die Anordnung eines Zusatzvolumens.

[0021] Fig. 1 zeigt einen Teil des Zylinders 2 und des Zylinderkopfs 3 eines Kolbenverdichters 1 in zweistufiger Ausführungsvariante. Die zweiteilige Ausführungsvariante des Zylinderkopfs 3 mit einem Zylinderkopfoberteil 3.1 und einem Zylinderkopfunterteil 3.2 ist lediglich beispielhaft gewählt. Die erfindungsgemäße Leerlaufregelung kann selbstverständlich auch für Kolbenverdichter 1 mit mehr als zwei Stufen vorgesehen sein.

[0022] Im Folgenden wird zunächst der Lastbetrieb eines solchen zweistufigen Kolbenverdichters 1 beschrieben.

[0023] Der zweistufige Kolbenverdichter 1 weist zumindest eine erste Verdichterstufe 4, im Weiteren als vorgeschaltete Verdichterstufe 4 bezeichnet, und eine daran anschließende zweite Verdichterstufe 5, im weiteren als letzte Verdichterstufe 5 bezeichnet, auf. Als letzte Verdichterstufe ist jene Verdichterstufe zu sehen, welche über eine nicht dargestellte Druckleitung mit einem Verbraucher verbunden ist. Die letzte Verdichterstufe 5 ist also jene Stufe nach welcher es zu keiner weiteren Verdichtung kommt. Als vorgeschaltete Verdichterstufe 4 ist jene Verdichterstufe zu verstehen, über welche mittels einer nicht dargestellten Saugleitung aus der Umgebung des Kolbenverdichters 1 Medium angesaugt wird. Dabei können natürlich auch mehrere vorgeschaltete Verdichterstufen 4 in Betracht gezogen werden, wobei lediglich die erste vorgeschaltete Verdichterstufe 4 mit der Saugleitung verbunden ist. Alle weiteren sind zwischen dieser und der letzten Verdichterstufe 5 angeordnet.

[0024] Da wie bereits bemerkt, im Folgenden ein zweistufiger Kolbenverdichter beispielhaft beschrieben wird, gibt es bei dieser Variante jedoch lediglich eine vorgeschaltete Verdichterstufe 4. Die vorgeschaltete Verdichterstufe 4 ist über ein erstes Säugventil 6 mit einer, durch das erste Säugventil 6 abgegrenzten, ersten Saugkammer 7 verbunden. Die erste Saugkammer 7 ist mit der nicht dargestellten Saugleitung mit der Umgebung des Kolbenverdichters 1 oder auch mit einem vorgeschalteten Filter, welcher ebenfalls nicht dargestellt ist, verbunden. Über diese Saugleitung und in weiterer Folge über die erste Saugkammer 7 kann der Kolbenverdichter 1 zu verdichtendes Medium ansaugen. Im Lastbetrieb wird durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 8 der vorgeschalteten Verdichterstufe 4 und der dadurch entstehenden Druckdifferenz zwischen erster Saugkammer 7 und dem, der vorgeschalteten Verdichterstufe 4 zugehörigen Zylinderraum 10, das erste Säugventil 6 geöffnet und zu verdichtendes Medium wird über Saugkanäle 9 in den zugehörigen Zylinderraum 10 der vorgeschalteten Verdichterstufe 4 gefördert.

[0025] Nach Erreichen des unteren Totpunktes des Kolbens 8 der vorgeschalteten Verdichterstufe 4, wird das angesaugte Medium durch die folgende Aufwärtsbewegung des Kolbens 8 verdichtet und durch den steigenden Druck das erste Säugventil 6 der vorgeschalteten Verdichterstufe 4 wieder geschlossen. Aufgrund des sich, durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 8, erhöhenden Druckes im zugehörigen Zylinderraum 10 der vorgeschalteten Verdichterstufe 4 wird das erste Druckventil 11 geöffnet. Das so verdichtete Medium strömt durch entsprechende Druckkanäle 12 in die daran anschließende erste Druckkammer 13, und in weiterer Folge der Saugkammer 14 der letzten Verdichterstufe 5 zu.

[0026] Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 8 der vorgeschalteten Verdichterstufe 4, bewegt sich der Kolben 18 der letzten Verdichterstufe 5 bei beispielsweise gegensinnig bewegten Kolben 8 und 18 abwärts. Auf diese Weise wird das Medium über die Saugkammer 14 der letzten Verdichterstufe 5, über die Saugkanäle 15 und über das sich öffnende Säugventil 16 der letzten Verdichterstufe 5 in den letzten Zylinderraum 17 der letzten Verdichterstufe 5 gefördert. Hat durch die Abwärtsbewegung, der Kolben 18 der letzten Verdichterstufe 5 seinen unteren Totpunkt erreicht, wird im Zuge der nachfolgenden Aufwärtsbewegung des Kolbens 18 der letzten Verdichterstufe 5 das Medium weiter verdichtet. Dabei wird das Säugventil 16 der letzten Verdichterstufe 5 durch den steigenden Druck geschlossen.

[0027] Über ein Druckventil 19 bzw. über entsprechende Druckkanäle 20 ist die zweite Verdichterstufe mit der zweiten Druckkammer 21 verbunden. In der Druckkammer 21 liegt ein Gegenduck an. Dieser ist von einem daran über eine nicht dargestellte Druckleitung angeschlossenen Verbraucher abhängig. Aus diesem Grund muss durch die Verdichtung in der letzten Verdichterstufe 5 ein Enddruck erreicht werden, der es erlaubt das Druckventil 19 der letzten Verdichterstufe 5 gegen den Druck in der zweiten Druckkammer 21 zu öffnen.

[0028] Dies ist im Lastbetrieb, aufgrund der beschriebenen zweistufigen Verdichtung, der Fall, weshalb über das Druckventil 19 der letzten Verdichterstufe 5 das verdichtete Medium über die Druckkanäle 20 in die daran angeschlossene Druckkammer 21 ausgeschoben wird.

[0029] Der eben beschriebene Ablauf im Lastbetrieb ergibt sich in ganz analoger Weise auch für Kolbenverdichter, welche über eine mehr als zweistufige Verdichtung verfügen. Dabei wird die Verdichtung in weiter anschließende vorgeschaltene Verdichtungsstufen 4 fortgesetzt und über das Druckventil 19 der letzten Verdichterstufe 5 das Medium in die entsprechende Druckkammer 21 gefördert.

[0030] Für die erfindungsgemäße Leerlaufregelung ist beispielsweise eine Abhebeeinrichtung 22 zum zwangsweisen Öffnen des ersten Säugventils 6 vorgesehen.

[0031] Die Abhebeeinrichtung 22 ist in der, in Fig. 1 dargestellten, beispielhaften Ausführung als Abhebefinger mit Stufenkolben für das Ventilelement 6.1 des ersten Säugventils 6 der vorgeschalteten Verdichterstufe 4 ausgeführt. Die Betätigung der Abhebeeinrichtung 22 erfolgt in diesem Fall über eine Druckleitung 22.1 über welche ein entsprechender Betätigungsdruck angelegt wird. Dadurch wird die Abhebeeinrichtung gegen die von der Feder 22.2 aufgebrachte Kraft in Richtung des ersten Säugventils 6 bewegt und drückt dabei das Ventilelement 6.1 des ersten Säugventils 6 von dessen Ventilsitz 6.2 ab. Selbstverständlich sind auch andere Varianten der Abhebeeinrichtung 22 möglich, wobei vorzugsweise eine möglichst platzsparende Variante angestrebt wird.

[0032] Die dargestellten Ventile 6, 11, 16 und 19 sind beispielhaft und nicht einschränkend mit konzentrischen Ventilelementen 6.1, 11.1, 16.1 und 19.1 mit den entsprechenden Ventilsitzen 6.2, 11.2, 16.2 und 19.2 und den Ventilfedern 6.3, 11.3, 16.3 und 19.3 dargestellt. Selbstverständlich sind auch andere Bauformen, wie beispielsweise Lamellenventile, nebeneinander angeordnete Ventile oder dergleichen denkbar. Natürlich muss nicht zwangsläufig das erste Säugventil 6 entsprechend offengehalten werden. Auch das Offenhalten des Druckventils 11 der vorgeschalteten Verdichterstufe 4 ist denkbar.

[0033] Ganz allgemein ist es lediglich notwendig, dass während der Leerlaufphase zumindest ein Strömungsquerschnitt vom zugehörigen Zylinderraum 10 zur Saugkammer 7, oder zur Druckkammer 13 oder zu einem Zusatzschadraum der vorgeschalteten Verdichterstufe 4 geöffnet wird, wobei natürlich auch mehrere dieser Möglichkeiten gleichzeitig in Betracht kommen. Dieser Strömungsquerschnitt kann beispielsweise durch die Saugkanäle 9 oder durch die Druckkanäle 12 gebildet werden, wobei die entsprechenden Ventilelemente zwangsläufig abgehoben werden.

[0034] Beispielsweise kann aber auch vorgesehen sein, dass durch einen Betätigungsmechanismus, beispielsweise einen Kolben 27, ein Bypasskanal 29, welcher die Saugkammer 7 oder die Druckkammer 13 oder ein Zusatzvolumen 26 der vorgeschalteten Verdichterstufe 4 mit deren zugehörigen Zylinderraum 10 verbindet, freigegeben wird. Dabei entspricht der Bypasskanal 29 dem oben genannten Strömungsquerschnitt.

[0035] Fig.3 zeigt dazu ein lediglich schematisches Beispiel für die Anordnung eines entsprechenden Zusatzvolumens 26. Wie bereits ausgeführt ist das Zusatzvolumen 26 über einen Bypasskanal 29 mit dem Zylinderraum 10 der vorgeschalteten Verdichterstufe 4 verbunden. Als Betätigungsmechanismus, zum Freigeben des Bypasskanals 29 ist beispielhaft ein Kolben 27 gezeigt welcher zum Beispiel über eine Druckleitung 28 betätigt werden kann.

[0036] Ein derartiges Zusatzvolumen muss natürlich nicht zwangsläufig innerhalb des Kolbenverdichters angeordnet sein, sondern kann ebenso außerhalb des Kolbenverdichters in Form einer externen Kammer oder ähnlichen vorgesehen sein. Auch die beschriebene Ausführung des Betätigungsmechanismus ist lediglich beispielhaft gewählt.

[0037] Bei geöffnetem Querschnitt bzw. Bypasskanal 29 der vorgeschalteten Verdichterstufe 4, wird durch die Dimensionierung eines Schadvolumens 23 einer weiteren darauffolgenden Verdichterstufe 5, der durch die Verdichtung erreichte Enddruck dieser weiteren darauffolgenden Verdichterstufe 5 reduziert da keine, oder nur eine geringe Vorverdichtung in der vorgeschalteten Verdichterstufe 4 erfolgt. Dadurch wird ein zum Öffnen des Druckventils 19 der weiteren Verdichterstufe 5 erforderlicher Enddruck nicht erreicht oder die Fördermenge der weiteren Verdichterstufe 5 reduziert.

[0038] Als Enddruck wird jener Druck bezeichnet, welcher innerhalb eines Zylinderraums 10 oder17 erreicht wird wenn der zugehörige Kolben 8 oder 18 seinen oberen Totpunkt erreicht hat bzw. der höchst mögliche Druck, welcher in einer Verdichterstufe erreicht werden kann.

[0039] In weiterer Folge wird, in nicht einschränkender Weise, jene Variante beschrieben, bei welcher das Saugventil 6 der ersten Verdichterstufe zwangsweise geöffnet wird und auf diese Weise ein entsprechender Strömungsquerschnitt freigegeben wird.

[0040] Im Zuge der Leerlaufphase, wird mittels der Abhebeeinrichtung 22 das Ventilelement 6.1 des ersten Saugventils 6 der vorgeschalteten Verdichterstufe 4 von seinem Ventilsitz 6.2 zwangsweise abgehoben und das Saugventil damit zwangsweise offen gehalten.

[0041] Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 8 der vorgeschalteten Verdichterstufe 4, wird das im zugehörigen Zylinderraum 10 befindliche Medium jedoch nicht, oder kaum verdichtet, da das erste Saugventil 6 zwangsweise geöffnet bleibt. Zum einen setzt das über eine Ventilfeder 11.3 auf dessen Ventilsitz 11.2 gedrückte Ventilelement 11.1 des ersten Druckventils 11 dem Medium einen entsprechenden Widerstand entgegen, zum anderen wird auch beim Rückschieben über das Saugventil 6 der vorgeschalteten Verdichterstufe 4 ein geringer Druck aufgebaut, welcher das Druckventil 11 zu Beginn der Leerlaufregelung kurzfristig öffnet. Der somit in der Druckkammer 13 der vorgeschalteten Verdichterstufe 4 vorherrschende Druck sorgt in weiterer Folge für einen Gleichgewichtszustand zwischen Druck im zugehörigen Zylinderraum 10 und Druck in der Druckkammer 13, weshalb das erste Druckventil 11 in weiterer Folge ebenfalls geschlossen bleibt. Das Medium wird daher über das zwangsweise geöffnete Saugventil 6 in die daran angeschlossene erste Saugkammer 7 zurückgeschoben.

[0042] Für den in Fig. 1 teilweise gezeigten zweistufigen Kolbenverdichter, ist in der letzten Verdichterstufe 5 ein entsprechend dimensioniertes Schadvolumen 23 der letzten Verdichterstufe 5 vorgesehen. Das Schadvolumen 23 ist jenes Volumen, welches durch den Raum innerhalb des Zylinderraums 17 gebildet wird, welcher nicht von einer Verdrängerfläche, also von einer Oberfläche des Kolbens 18 der letzten Verdichterstufe 5 überstrichen wird. Befindet sich der Kolben 18 des Kolbenverdichters 1, wie in Fig.1 dargestellt, in seiner obersten Position, also dem oberen Totpunkt, so bildet das im letzten Zylinderraum 17 bzw. im Zylinderkopf 3 verbleibende Volumen oberhalb des Kolbens 18 das Schadvolumen 23. Eine derartige Anordnung des Schadvolumens 23 ist nicht zwangsläufig vorzusehen. Es ist auch denkbar, dass das Schadvo- lumen 23 durch einen Zusatzschadraum 25 gebildet wird.

[0043] Das Schadvolumen 23 der letzten Verdichterstufe 5 ist derart dimensioniert, dass ein gewisses, maximales Druckverhältnis nicht überschritten werden kann. Das Druckventil 19 der letzten Verdichterstufe 5 bleibt beispielsweise geschlossen, da, wie bereits erwähnt, ein erforderlicher Enddruck zum Öffnen des Druckventils 19 der letzten Verdichterstufe 5 nicht erreicht wird. „Beispielsweise“ deshalb, da dies insbesondere dann der Fall ist wenn eine, der letzten Verdichterstufe nachfolgende Druckleitung, welche nicht näher dargestellt ist, auch während des Leerlaufbetriebs druckbeaufschlagt bleibt. In diesem Fall kann das Druckventil 19 gegen den dort anliegenden Druck nicht geöffnet werden.

[0044] Selbstverständlich ist auch jener Fall denkbar, bei welchem diese, der letzten Verdichterstufe nachfolgende Druckleitung während des Leerlaufbetriebs nicht druckbeaufschlagt ist. In diesem Fall wird durch die entsprechende Dimensionierung des Schadvolumens 23 der weiteren Verdichterstufe 5 die Fördermenge der weiteren Verdichterstufe 5 reduziert.

[0045] Somit fördert der Kolbenverdichter zwar auch während der Leerlaufphase, jedoch unter wesentlich geringeren Drücken und somit bei wesentlich geringerer Leistungsaufnahme.

[0046] Die besondere Dimensionierung des Schadvolumens 23 wird in der in Fig.1 dargestellten Variante durch einen entsprechenden Kolbenunterstand des Kolbens 18 der letzten Verdichterstufe 5 erreicht. Dies bedeutet, dass trotz Erreichen des oberen Totpunkts, oberhalb des Kolbens18 einen verhältnismäßig großer Raum im letzten Zylinderraum 17 vom Kolben 18 unüberstrichen verbleibt, so wie es in Fig.1 dargestellt ist. Dieser Raum bildet das entsprechende Schadvolumen 23.

[0047] Demnach wird eine Leerlaufregelung ganz allgemein dadurch realisiert, dass während der Leerlaufphase ein Strömungsquerschnitt der zumindest einen, der letzten Verdichterstufe 5 vorgeschalteten Verdichterstufe 4 zwangsweise offengehalten wird und durch die Dimensionierung eines Schadvolumens 23 der letzten Verdichterstufe 5, bei der Verdichtung in der letzten Verdichterstufe 5, ein zum Öffnen eines Druckventils 19 der letzten Verdichterstufe 5 erforderlicher Enddruck nicht erreicht oder die Fördermenge der letzten Verdichterstufe 5 reduziert wird, je nachdem ob die, der letzten Verdichterstufe 5 nachfolgende Druckleitung auch während des Leerlaufbetriebs druckbeaufschlagt bleibt oder nicht. Die entsprechende Dimensionierung des Schadvolumens 23 ist bei Kolbenverdichtern 1 mit mehr als zwei Stufen sinnvollerweise nur in der letzten Verdichterstufe 5 vorgesehen. Die Stufen davor wären aufgrund der entsprechend abgehobenen Saugventile „druckfrei“. Dadurch wird der Kolbenverdichter 1 mit geringstmöglichem Widerstand betrieben.

[0048] Bei einer derartigen die Dimensionierung des Schadvolumens 23 der letzten Verdichterstufe 5, ist es vorteilhaft, dass ein Hubvolumen der letzten Verdichterstufe 5 zur Erreichung eines gewünschten Zwischendruckes zwischen der letzten Verdichterstufe 5 und der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe 4 des mehrstufigen Kolbenverdichters 1 angepasst ist.

[0049] Der Zwischendruck ist jener Druck, welcher sich während des zuvor beschriebenen Lastbetriebs zwischen zwei Verdichterstufen, also beispielsweise zwischen der letzten Verdichterstufe 5 und der unmittelbar vorgeschalteten Verdichterstufe 4, oder auch zwischen einzelnen vorgeschalteten Verdichterstufen 4, wenn es sich um einen Verdichter mit mehr als zwei Verdichtungsstufen handelt, einstellt.

[0050] Ein sich infolge der beschriebenen Dimensionierung des Schadvolumens ungünstig ergebender Zwischendruck hat eine Reihe von Nachteilen, wie beispielsweise erhöhtes Temperaturniveau, erhöhte Leistungsaufnahme, ungünstige mechanische Belastungen und dergleichen.

[0051] Handelt es sich wie in Fig.1 beispielhaft dargestellt um einen zweistufigen Kolbenverdichter 1, wird selbstverständlich das Saugventil 6 der vorgeschalteten Verdichterstufe 4 des zweistufigen Kolbenverdichters 1 zwangsweise offengehalten und das Schadvolumen 23 der letzten Verdichterstufe 5 des zweistufigen Kolbenverdichters 1 derart dimensioniert, dass das

Druckventil 19 der letzten Verdichterstufe 5 geschlossen bleibt.

[0052] Grund dafür ist, dass durch das zwangsweise von seinem Ventilsitz 6.2 abgehoben Ventilelement 6.1 des Saugventils 6 der vorgeschalteten Verdichterstufe 4, der letzten Verdichterstufe 5 kein vorverdichtetes Medium, wie im Lastbetrieb, zugeführt wird.

[0053] Dadurch erfolgt eine entsprechende Verdichtung nur in der letzten Verdichterstufe 5. Der durch die alleinige Verdichtung in der letzten Verdichterstufe 5 erreichte Enddruck reicht jedoch nicht aus, um das Druckventil 19 der letzten Verdichterstufe 5 gegen den Druck in der Druckkammer 21 bzw. der daran anschließenden, nicht dargestellten Druckleitung anzuheben.

[0054] Auf diese Weise kann durch die Kombination eines zwangsweise geöffneten Saugventils 6 der vorgeschalteten Verdichterstufe 4 mit einer entsprechenden Dimensionierung des Schadvolumens 23 der letzten Verdichterstufe 5 ein Fördern in die Druckkammer 21 des Verdichters unterbunden werden, falls die nachfolgende Druckleitung druckbeaufschlagt ist.

[0055] Fig. 2 zeigt ebenfalls lediglich beispielhaft einen Teil des Zylinders 2 und des Zylinderkopfs 3 eines Kolbenverdichter 1 in zweistufiger Ausführungsvariante. Zum Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten Kolbenverdichter 1 wird das Schadraumvolumen 23 durch einen Zusatzschadraum 25 gebildet. Dass dieser Zusatzschadraum 25 im Zylinder 2 angeordnet ist, ist in Fig.2 lediglich beispielhaft dargestellt. Der Zusatzschadraum 25 könnte genauso im Zylinderkopf 3 oder außerhalb des Kolbenverdichters 1 angeordnet sein. Dieser Zusatzschadraum 25 ist mit dem letzten Zylinderraum 17 der letzten Verdichterstufe 5 über zumindest einen Kanal 24 verbunden.

[0056] Der Vorgang der Leerlaufregelung ist zu jenem für Fig.1 beschriebenen Vorgang ident. Der Unterschied besteht darin, dass der Kolbenunterstand des Kolbens 18 der letzten Verdichterstufe 5, dem eines üblichen Kolbenunterstands eines Kolbenverdichters ohne einer, wie bereits beschriebenen, Leerlaufregelung entspricht. Dies bedeutet, dass der Kolben 18 beim Erreichen seines oberen Totpunkts den größtmöglichen Teil des Zylinderraums 17 überstrichen hat ohne mit einem Teil des Zylinderkopfs 3 oder Teilen des Saugventils 16 der letzten Verdichterstufe 5 zu kollidieren, so wie es auch in Fig.2 beispielhaft dargestellt ist.

[0057] Im Zuge der Aufwärtsbewegung des Kolbens 18 der letzten Verdichterstufe 5 wird das verdichtete Medium über den zumindest einen Kanal 24 in den Zusatzschadraum 25 geschoben. Dadurch wird im Leerlaufbetrieb wiederum kein Druck erreicht, der ausreicht, um das Druckventil 19 der letzten Verdichterstufe 5 gegen den Druck in der Druckkammer 21 bzw. der daran anschließenden, nicht dargestellten Druckleitung anzuheben.

[0058] Wiederum wird durch die Kombination eines zwangsweise geöffneten Saugventils 6 der vorgeschalteten Verdichterstufe 4 mit einer entsprechenden Dimensionierung des Schadvolumens 23 der letzten Verdichterstufe 5 bzw. des Zusatzschadraums 25 ein Fördern in die Druckkammer 21 des Verdichters unterbunden.

[0059] Der Vorteil dieser Ausführungsvariante liegt darin, dass „herkömmliche“ Bauteile, wie beispielsweise den Kurbeltrieb unverändert genutzt werden können und lediglich im Zylinder oder Zylinderkopf Veränderungen in Form eines Zusatzschadraumes vorgenommen werden müssen. Die Anzahl verschiedener Bauteile wird so auf ein wirtschaftlicheres Maß reduziert.

[0060] Durch die beschriebene Vorrichtung bzw. das beschriebene Verfahren wird eine zuverlässige Leerlaufregelung für mehrstufige Kolbenverdichter 1 realisiert, wobei nur eine geringstmögliche Anzahl an Betätigungsmechanismen, beispielsweise lediglich in Form der Abhebeeinrichtung 22, notwendig sind.

Claims (11)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zur Leerlaufregelung eines mehrstufigen Kolbenverdichters (1) mit einer letzten Verdichterstufe (5) und zumindest einer, dieser letzten Verdichterstufe (5) vorgeschalteten Verdichterstufe (4) mit einem zugehörigen Zylinderraum (10), wobei während der Leerlaufphase zumindest ein Strömungsquerschnitt vom zugehörigen Zylinderraum (10) zu einer Saugkammer (7) und/oder zu einer Druckkammer (13) und/oder zu einem Zusatzvolumen (26) der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe (4) geöffnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei geöffnetem Strömungsquerschnitt der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe (4), durch die Dimensionierung eines Schadvolumens (23, 25) der letzten Verdichterstufe (5) der durch die Verdichtung erreichte Enddruck dieser letzten Verdichterstufe (5) unterhalb jenes Enddruckes bleibt, welcher zum Öffnen eines Druckventils (19) der letzten Verdichterstufe (5) erforderlich ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Öffnen des Strömungsquerschnitts ein Saugventil (6) der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe (4) des Kolbenverdichters (1) zwangsweise offengehalten wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Öffnen des Strömungsquerschnitts ein Druckventil (11) der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe (4) des Kolbenverdichters (1) zwangsweise offengehalten wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Betätigungsmechanismus ein Bypasskanal, welcher die Saugkammer (7) oder die Druckkammer (13) oder das Zusatzvolumen (26) der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe (4) mit deren zugehörigen Zylinderraum (10) verbindet, freigegeben wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anpassung eines Hubvolumens der letzten Verdichterstufe (5) ein gewünschter Zwischendruck zwischen der letzten Verdichterstufe (5) und der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe (4) des mehrstufigen Kolbenverdichters (1) erreicht wird.
6. 6. Mehrstufiger Kolbenverdichter (1) mit einer letzten Verdichterstufe (5) und zumindest einer dieser letzten Verdichterstufe (5) vorgeschalteten Verdichterstufe (4) mit einer Saugkammer (7), einer Druckkammer (13) und einem zugehörigen Zylinderraum (10), wobei in der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe (4) ein Strömungsquerschnitt vorgesehen ist, welcher die Saugkammer (7) und/oder die Druckkammer (13) und/oder ein Zusatzvolumen (26) der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe (4) mit dem Zylinderraum (10) verbindet, und für eine Leerlaufregelung der Strömungsquerschnitt zwangsweise geöffnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schadvolumen (23, 25) der letzten Verdichterstufe (5) derart bemessen ist, dass bei zwangsweise geöffnetem Strömungsquerschnitt der durch die Verdichtung erreichte Enddruck der letzten Verdichterstufe (5) unterhalb jenes Enddruckes liegt, welcher zum Öffnen eines Druckventils (19) der letzten Verdichterstufe (5) erforderlich ist.
7. 7. Mehrstufiger Kolbenverdichter (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abhebeeinrichtung (22) für ein Saugventil (6) der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe (4) zum zwangsweisen Öffnen des Strömungsquerschnittes vorgesehen ist.
8. 8. Mehrstufiger Kolbenverdichter (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abhebeeinrichtung (22) für ein Druckventil (11) der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe (4) zum zwangsweisen Öffnen des Strömungsquerschnittes vorgesehen ist.
9. 9. Mehrstufiger Kolbenverdichter (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypasskanal vorgesehen ist, welcher die Saugkammer (7) oder die Druckkammer (13) oder das Zusatzvolumen (26) der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe (4) mit deren zugehörigen Zylinderraum (10) verbindet und das der Bypasskanal über einen Betätigungsmechanismus zum Öffnen oder zum Schließen verfügt.
10. 10. Mehrstufiger Kolbenverdichter (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schadraumvolumen (23) durch einen Zusatzschadraum (25) gebildet ist und der Zusatzschadraum (25) über einen Kanal (24) mit einem letzten Zylinderraum (17) der letzten Verdichterstufe (5) verbunden ist.
11. 11. Mehrstufiger Kolbenverdichter (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hubvolumen der letzten Verdichterstufe (5) zur Erreichung eines gewünschten Zwischendruckes zwischen der letzten Verdichterstufe (5) und der zumindest einen vorgeschalteten Verdichterstufe (4) des mehrstufigen Kolbenverdichters (1) angepasst ist. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen