CN101835985B - 增压式压缩机和用于控制增压式压缩机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于给商用车辆(12)供应压缩空气的增压式压缩机(10)，所述增压式压缩机具有活塞室(14)、余隙空间(16)和用于通断余隙空间(16)的阀装置(18)。根据本发明设定，按这样方式来构成阀装置(18)，使得由增压式压缩机(10)输送的空气体积能够通过接通余隙空间(16)而降低到一不等于零的值。本发明还涉及一种用于控制用于给商用车辆(12)供应压缩空气的增压式压缩机(10)的方法，所述压缩机具有活塞室(14)、余隙空间(16)和用于通断余隙空间(16)的阀装置(18)。

Description

增压式压缩机和用于控制增压式压缩机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于给商用车辆供应压缩空气的增压式压缩机，所述增压式压缩机具有活塞室、余隙空间(Schadraum)和用于通断／接通余隙空间的阀装置。

本发明还涉及一种用于控制增压式压缩机的方法，所述增压式压缩机用于给商用车辆供应压缩空气并具有活塞室、余隙空间和用于通断余隙空间的阀装置。

背景技术

当今的商用车辆通常具有压缩空气驱动的分系统，如压缩空气驱动的行车制动器和空气弹簧，因此通常在商用车辆中集成有压缩空气供应装置，所述压缩空气供应装置包括压缩机。此外，商用车辆通常还包括内燃机，所述内燃机由于效率原因通常装备有涡轮增压器。原则上现在对于压缩机存在两种不同的吸收环境空气的可能性。一种可能性在于，在涡轮增压器之前抽吸未经压缩的空气，其中，也可以简单地抽吸环境空气，而另一种可能性在于，在涡轮增压器之后并且理想的是在属于涡轮增压器的增压空气冷却器之后将已经预压缩的空气分支出来。通过抽吸已经通过涡轮增压器压缩的空气，特别是在发动机转速较高和发动机负荷高时，在压缩机中形成明显提高的空气流量。但在发动机转速较低时几乎不能确定到提高的空气输送量。原因在于，这里常见的涡轮增压器设计方案在较低的发动机转速和较小的负荷时还没有建立可供使用的增压压力。此外不利的是，在压缩机内部需要非常大的阀，以便能够应对在增压压力较高时出现的高的体积流。在采用传统的阀时，会出现20至30bar的峰值压力，这种峰值压力明显高于没有涡轮增压器时出现的12至18bar的峰值压力。此外由于永久存在的余隙空间还可能使压缩机的最大压缩率降低，这特别是在增压压力低时对压缩机的空气输送产生不利影响并在该区域内使空气输送进一步降低。此外应注意，商用车辆通常在发动机转速低时具有较高的空气需求。对此的例子有集装箱更换运行和大客车的车站内空气需求。

发明内容

本发明的目的是，提供一种增压式压缩机，它没有所述的缺点。

该目的一种用于给商用车辆供应压缩空气的增压式压缩机来实现，所述增压式压缩机具有活塞室、余隙空间和用于通断余隙空间的阀装置，其中，按这样方式来构成阀装置，即，使得由增压式压缩机输送的空气体积能够通过接通余隙空间而降低到一不等于零的值，其中，所述阀装置包括能至少两级地开关的阀，所述阀装置设置成，通过按至少两级改变阀装置在余隙空间和活塞室之间的总的打开的阀流通断面来控制所输送的空气体积。

本发明基于所述类型的增压式压缩机这样来构造，即，按以下方式来构成阀装置，使得由增压式压缩机输送的空气体积能够通过接通余隙空间而降低到一不同于零的值。通过接通余隙空间并与此相关联地所输送的空气体积的降低，在增压式压缩机的内部降低了在压缩阶段形成峰值压力。所采用的阀因此可以设计成用于较小的体积流，其中同时还可以省去永久存在的余隙空间。此外，可以基本上不需强化地保留曲轴机构的构件。

这里可以有利地设定，阀装置包括多个能单独开关的阀。通断余隙空间通常通过开关阀装置来实现，所述阀装置以确定的阀流通断面的形式打开活塞室和余隙空间之间的连接。通过这种确定的阀流通断面，增压式压缩机在压缩阶段将空气吹入余隙空间。除了余隙空间体积，打开的连接的阀流通断面的意义还在于，所述阀流通断面确定了空气的流动阻力。因此多个能单独开关的阀使得能够与增压压力相匹配地扩大阀流通断面或降低流动阻力。

此外有利地可以设定，余隙空间包括多个分开的体积，各所述体积可以由阀装置单独地通断。接通其它余隙空间体积使得在需要的情况下能够进一步降低在增压式压缩机中出现的峰值压力。

除此以外还可设定，阀装置包括一个可至少两级地开关的阀。利用能够至少两级地开关的阀也可以根据需要调整活塞室和余隙空间之间的阀流通断面，因此，以这种方式同样能够可分级地降低在增压式压缩机中出现的峰值压力。

特别是可以设定，由增压式压缩机输送的空气体积能通过接通余隙空间降低到零。如果由阀装置打开的活塞室和余隙空间之间的阀流通断面足够大并且同时余隙空间的容积足够，则增压式压缩机能达到的输送压力可以降低到输送空气体积必需的压力以下。在这种状态下，增压式压缩机不再输送空气体积，并且相应地需要较少的能量，因为增压式压缩机做功较少。以这种方式可以实现一种用于节能的系统。

此外，可以设定，一配设给增压式压缩机的耦联装置适于将增压式压缩机与发动机分离。通过压缩机和发动机之间的连接的完全分离，空气输送以及与此相关地压缩机的负荷降低至零。

本发明这样基于所述类型的方法构成，即，由增压式压缩机输送的空气体积通过接通余隙空间减少到一不同于零的值。

以这种方式，根据本发明的压缩机的优点和特别之处也可以转换到方法的范围中。这也适用于下面说明的根据本发明的方法的特别优选的实施形式。

所述方法以有利的方式这样改进，即，通过改变阀装置在余隙空间和活塞室之间的总的打开的阀流通断面来控制所输送的空气体积。

此外可以设想，通过接通余隙空间将由增压式压缩机输送的空气体积降低到零。

有利地可以设想，只是在商用车辆的加速期间才满足至少一个用于通断余隙空间的条件。

特别是可以设定，根据下面的参数中的至少一个实现余隙空间的通断：

-发动机转速，

-涡轮增压器转速，

-涡轮增压器的增压压力，

-发动机负荷，

-商用车辆的空气需求。

涡轮增压器的增压压力或者说涡轮增压器转速或发动机转速和发动机负荷可以作为决定接通余隙空间对于降低在增压式压缩机中出现的峰值压力是否有意义的判断基础。此外，商用车辆的空气需求也可以用作接通余隙空间的评判标准。如果商用车辆具有足够的压缩空气，则可以与其它参数无关地将增压式压缩机转换到节能状态。

有利地可以设定，切换一配设给压缩机的耦联装置，以便使压缩机与发动机分离。

这里有利地设定，只是在商用车辆的加速期间才满足至少一个用于切换耦联装置的条件。

特别是设定，根据下面的参数中的至少一个实现耦联装置的切换

-发动机转速，

-涡轮增压器转速，

-涡轮增压器的增压压力，

-发动机负荷，

-商用车辆的空气需求。

附图说明

现在参考附图根据特别优选的实施形式对本发明进行详细说明。

其中：

图1示出具有增压式压缩机的机动车辆的简化的示意图；

图2示出压缩机的剖视图；

图3与增压压力相关地示出根据本发明的增压式压缩机所输送的空气体积；以及

图4带有根据本发明的增压式压缩机的不同工作区域的发动机特征曲线，以便示出所述方法的工作原理。

具体实施方式

在下面的附图中相同的附图标记表示相同的或同类的部件。

图1示出具有增压式压缩机10的机动车辆12的简化的示意图。商用车辆12由一发动机20驱动，发动机的废气流驱动一涡轮增压器22。涡轮增压器22通过空气滤清器24吸入新鲜空气，给发动机26供应取决于发动机废气的质量流量的增压压力流。通过一节点26同样给增压式压缩机10供应新鲜空气，其中该节点26设置在涡轮增压器22的下游。可以设想，在节点26和涡轮增压器22之间还设置一增压空气冷却器，所述增压空气冷却器使由涡轮增压器22预压缩的空气重新冷却。此外，还给压缩机10配设一耦联装置72，该耦联装置设置发动机20和压缩机10之间。通过打开耦联装置72能够使压缩机10与发动机20分离。

图2示出压缩机10的剖视图，压缩机10包括一具有冷却片40的缸壳38，所述缸壳包围在活塞室14中运动的活塞36，所述活塞由曲轴42驱动。冷却片40不是一定必需的，但用于确保对缸壳38的冷却，其中，其它没有示出的缸壳38的冷却形式，例如通过水冷的冷却形式通常具有更高的冷却效率。此外，还示出具有进气阀28的进气口30、具有出气阀32的出气34以及具有阀装置18的余隙空间16。

在所示的进气阶段期间，活塞36在活塞室14的内部向下运动，其中空气通过进气30的进气阀28被吸入活塞室14中。在进气阶段中，出气32由结构决定地关闭。在没有示出的输送阶段，活塞36在活塞室14中向上运动，其中进气阀28关闭，在达到足够高的压力时，出气阀32打开并将空气输送到出气34中。

当接通阀装置18时，活塞室14和余隙空间16之间的连接打开，空气能通过所述连接流动。此时，流动阻力基本上取决于阀装置18接通的打开的阀流通断面面积。如果压缩机10处于输送阶段，则空气不只在活塞室14的内部而且也在余隙空间16中被压缩。就是说空气的相对压缩率降低，因为，当阀装置18打开足够大的阀流通断面时，活塞室的待压缩的体积和余隙空间的待压缩的体积扩大了。如果所打开的阀流通断面不足够大，则该阀流通断面起节流阀的作用。在这种情况下，在压缩期间出现的压力不是很强烈地降低。

如果余隙空间16的体积和由阀装置18打开的阀流通断面升高到确定的极值以上，则在输送阶段在活塞室14中能达到的压力小于在出气口34的区域内存在的压力。此时不再进行空气输送，其中同时为了压缩空气只需做较少的功。以这种方式，能够实现了一种用于增压式压缩机10的节能系统。

图3与增压压力相关地示出根据本发明的压缩机10的所输送的空气体积。连续的线44、46、48和50是由所属的数据点插值得到的曲线，这些曲线示出增压式压缩机的、与压缩机转速相关的所输送的空气体积。曲线44对应于没有涡轮增压情况下所输送的空气体积，就是说，增压压力为0psi。曲线46、48和50对应于20psi、40psi和60psi的增压压力。此外还示出虚线绘制的线52，该线与压缩机的转速相关地示出根据本发明的增压式压缩机的测得的输送空气量。在该曲线下面的在约600和800转每分钟之间的区域中，曲线52和曲线44相一致。压缩机10的所述转速与发动机20的较低转速相关联，在发动机中，涡轮增压器22还不能产生明显的增压压力。在800至3000转每分钟之间所输送的空气量由于压缩机10增长的增压压力而升高，但在上部区域中达到所采用的涡轮增压器22的最大增压压力时变得平缓(verfiachen)。应该注意到，根据本发明的增压式压缩机10输送至少与图44所示的没有增压式压缩机相同的空气量。特别是因此在空转／怠速时输送至少与没有涡轮增压的情况相同的空气量。

图4示出了具有根据本发明的增压式压缩机的各种不同的运行区域的发动机特征曲线族，以便示出所述方法的工作原理。按常见的方式，在x轴上标注发动机转速，在y轴上标注由发动机提供的转矩，并且附加地从右面起以双曲线的形式绘制等发动机功率线。此外在发动机特性曲线族的内部绘制出按毫巴计的等增压压力线。第一运行区域62、第二运行区域64和第三运行区域66由第一切换界限58和第二切换界限60分开。用粗线条绘制的线56示出测得的发动机数据，据此下面对方法进行说明。

在增压式压缩机的第一运行区域中，不接通余隙空间16。在第二运行区域64中，通过阀装置18部分地接通余隙空间16，而在第三运行区域66中，完全接通余隙空间16或打开耦联装置72。由怠速54出发在第一运行区域62中，机动车辆加速，其中发动机20的状态从左下向右上沿着s形的曲线56运动穿过发动机特性曲线族。在达到第一切换界限58时，部分接通余隙空间14，以便在压缩空气期间使在增压式压缩机10中出现的峰值压力降低。随着发动机转速的升高，由涡轮增压器22提供的增压压力快速地增长，并在达到第二切换界限60时完全接通余隙空间16，以便进一步降低在增压式压缩机10的内部出现的峰值压力，或者打开耦联装置72并使压缩机10完全与发动机20分离。在达到上面的切换点70时，挂上未示出的传动装置的下一个较高的挡位，其中，发动机20的转速同时急剧降低。在重新联接传动装置之后，发动机转速重新升高到点70。在这个切换过程中，曲线56再次横跨第二切换界限60，因此余隙空间16再次部分地切断或者耦联装置72再次闭合。应该注意，这样来选择第一切换界限58，即，使得在商用车辆12的加速阶段期间所述第一切换界限只被横跨一次。接下来的全部过程在第二运行区域64和第三运行区域66中发生。在达到商用车辆12的最终速度时，发动机20通常位于离开第一切换界限58和第二切换界限60的正常的运行区域68之内。此外还可以设想，通过接通另外的余隙空间或通过加大自由的阀流通断面将压缩机置于节能状态，在该状态下，所输送的空气量接近零。

在前面的说明中、在附图中以及在各权利要求中公开的特征既单独地也可以相互任意组合地对于本发明的实现是重要的。

附图标记列表

10  压缩机

12  商用车辆

14  活塞室

16  余隙空间

18  阀装置

20  发动机

22  涡轮增压器

24  空气滤清器

26  节点

28  进气阀

30  进气口

32  出气阀

34  出气口

36  活塞

38  缸壳

40  冷却片

42  曲轴

44  0psi的增压压力

46  20psi的增压压力

48  40psi的增压压力

50  60psi的增压压力

52  测量值

54  怠速

56  测得的曲线

58  第一切换界限

60  第二切换界限

62  第一运行区域

64  第二运行区域

66  第三运行区域

68  第四运行区域

68  正常运行区域

70  切换点

72  耦联装置

Claims (13)

1.用于给商用车辆(12)供应压缩空气的增压式压缩机(10)，所述增压式压缩机具有活塞室(14)、余隙空间(16)和用于通断余隙空间(16)的阀装置(18)，其中，按这样方式来构成阀装置(18)，即，使得由增压式压缩机(10)输送的空气体积能够通过接通余隙空间(16)而降低到一不等于零的值，其特征在于，所述阀装置(18)包括一个能至少两级地开关的阀，所述阀装置设置成，通过按所述至少两级改变阀装置在余隙空间和活塞室之间的总的打开的阀流通断面来控制所输送的空气体积，其中余隙空间(16)通过总的打开的阀流通断面总是完全与活塞室(14)连接。

2.按权利要求1所述的增压式压缩机(10)，其特征在于，阀装置(18)包括多个能单独开关的阀。

3.按权利要求2所述的增压式压缩机(10)，其特征在于，所述余隙空间(14)包括多个分开的体积，这些体积能由阀装置(18)单独地通断。

4.按上述权利要求中任一项所述的增压式压缩机(10)，其特征在于，由增压式压缩机(10)输送的空气体积能通过接通余隙空间(16)降低到零。

5.按权利要求1所述的增压式压缩机(10)，其特征在于，一配设给增压式压缩机(10)的耦联装置(72)适于使增压式压缩机(10)与发动机(20)分离。

6.具有按上述权利要求中任一项所述的增压式压缩机(10)的商用车辆(12)。

7.用于控制用于给商用车辆(12)供应压缩空气的增压式压缩机(10)的方法，所述压缩机具有活塞室(14)、余隙空间(16)和用于通断余隙空间(16)的阀装置(18)，所述阀装置包括能至少两级地开关的阀，其中，由增压式压缩机(10)输送的空气体积通过接通余隙空间(16)而降低到一不等于零的值，并且通过改变阀装置(18)的、在余隙空间(16)和活塞室(14)之间的总的打开的阀流通断面来控制所输送的空气体积，其中余隙空间(16)通过总的打开的阀流通断面总是完全与活塞室(14)连接。

8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，通过接通余隙空间(16)将由增压式压缩机(10)输送的空气体积降低到零。

9.按权利要求7或8所述的方法，其特征在于，只是在商用车辆(12)的加速期间才满足至少一个用于通断余隙空间(16)的条件。

10.按权利要求7所述的方法，其特征在于，根据下面的参数中的至少一个实现余隙空间(16)的通断：

-发动机转速，

-涡轮增压器转速，

-涡轮增压器的增压压力，

-发动机负荷，

-商用车辆的空气需求。

11.按权利要求7所述的方法，其特征在于，切换配设给压缩机(10)的一耦联装置(72)，以便使压缩机(10)与发动机(20)分离。

12.按权利要求11所述的方法，其特征在于，只是在商用车辆(12)的加速期间才满足至少一个用于切换耦联装置(72)的条件。

13.按权利要求11所述的方法，其特征在于，根据下面的参数中的至少一个实现耦联装置(72)的切换：

-发动机转速，

-涡轮增压器转速，

-涡轮增压器的增压压力，

-发动机负荷，

-商用车辆的空气需求。