CN102162437A - 空气压缩机和用于使空气压缩机运行的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空气压缩机和用于使空气压缩机运行的方法。该空气压缩机(1)用于产生车辆压缩空气设备(12、15)所用压缩空气，具有：气缸(2)和布置在气缸中的活塞(3)，活塞将气缸的内腔划分成压缩腔(4)和中间腔(5)，压缩腔为了输送压缩空气而可以与车辆的压缩空气设备(12、15)连接。由此出发，利用呈活塞/气缸结构形式的空气压缩机的压缩空气产生方案如此优化，即，用于驱动压缩机的扭矩的最大值得以降低。为此，设置：对中间腔(5)施加附加压力，从而使得中间腔(5)中的压力按时间平均来看处于大气压之上。此外，本发明还涉及带有这样的空气压缩机的压缩空气设备，以及涉及用于使这样的空气压缩机运行的方法。

Description

空气压缩机和用于使空气压缩机运行的方法
技术领域
本发明涉及一种用于产生车辆的压缩空气设备所用压缩空气的、依照权利要求1前序部分的空气压缩机。本发明还涉及一种带有这样的空气压缩机的压缩空气设备，以及涉及用于使这样的空气压缩机运行的、依照权利要求9和10的方法。
背景技术
此类空气压缩机例如用于为商用车，也就是说载重车中的气动制动设备产生压缩空气。在乘用车领域中，空气压缩机例如用于为气动水平调整设备产生压缩空气。在商用车领域内，这样的空气压缩机通常通过车辆的驱动马达来驱动。在乘用车领域内，空气压缩机的驱动通过单独为其设置的电动马达来进行。
在此使用的空气压缩机通常构造为活塞式压缩机，并且因此具有气缸和布置在气缸中的活塞。该活塞将气缸的内腔划分成压缩腔和与该压缩腔在压力侧分隔开的腔，该腔一般而言与压缩机的曲柄箱保持连接。该腔在下面被称为中间腔(Neutralraum)。
这样的空气压缩机的运行包括吸取阶段，在吸取阶段中，基于活塞运动，压缩腔的容积得到扩大，并且因此从大气吸取空气，并且空气通过进气阀引导到压缩腔中。压缩阶段跟随在吸取阶段后，在该压缩阶段中，压缩腔的容积通过活塞的相反运动而缩小。在这种情况下，进气阀关闭，从而使得处于压缩腔中的空气不能逸出。压缩腔中的空气被以如下时长压缩，直到活塞到达活塞的上止点，并且压缩腔的容积被最小化，或者说直到压缩了的空气通过排气阀输出到压缩空气设备的连接在压缩机输出端上的部件处。在压缩阶段期间，有待应用于驱动压缩机的扭矩上升至该扭矩的最大值。该最大值直到达到上止点时再度降低至零。
发明内容
本发明基于以下任务，即，对利用呈活塞/气缸结构形式的空气压缩机的压缩空气产生方案进行如下改进，即，有待用于驱动压缩机的扭矩的最大值得到降低。
该任务通过依据权利要求1、9和10的本发明来解决。从属权利要求说明了本发明的有利的设计方案。
上面介绍的活塞式压缩机的工作原理产生如下结果：存在于中间腔中的压力在吸取阶段期间关于按时间平均地存在的压力值来上升，并且在压缩阶段中下降。按时间平均来看，中间腔中例如存在大气压。在吸取阶段期间，中间腔中的压力上升至在压力的时间平均值之上的值，在压缩阶段中，中间腔中的压力下降至在压力的时间平均值之下的值。依据本发明地提出：对空气压缩机的中间腔施加附加压力，从而使得在中间腔中的压力按时间平均来看在大气压之上。
本发明具有以下优点，即，利用简单的、价格低廉的手段使得用于驱动空气压缩机所必需的最大扭矩得以显著地降低，也就是说降低至在类似的空气压缩机中通常所需要的扭矩的一半左右。有利的是，本发明也可以在现有的压缩结构中无需很大开支地使用。因此，为了实现本发明，不需要压缩机完全的新型结构。仅需要在压缩机上设置用于将附加压力输送至中间腔的可行方案，例如设置附加的压缩空气连接部，该压缩空气连接部与中间腔连接，并且允许从压缩空气设备馈入压力。如果空气压缩机的曲柄箱不是压力密封的，曲柄箱就需要压力密封地构造，以作为补充的措施。
附加压力可以基本上在压缩空气设备的任意部位上分支出来(abzweigen)，例如在压缩机输出端处，在压缩空气存储件处或者在压缩空气准备设备处分支出来。
借助于本发明，空气压缩机的所需的驱动力矩的扭矩变化曲线在曲轴转圈的过程上得到均衡化。在此出现的峰值扭矩，也就是说用于驱动压缩机的扭矩的最大值可以被大概对半分。由此，用于压缩机的驱动马达，例如电动马达，可以选择得更小并且具有更小的可提供的扭矩。这使得成本和重量得到节约，成本和重量节约尤其在乘用车中，还有在商用车中，是非常有利的。
本发明的另一个优点在于，通过峰值扭矩的显著降低，在空气压缩机内部所产生的力也得到降低，例如作用在曲轴轴承和连杆轴承上的力的最大值得到降低。此外，从活塞到气缸壁上的横向力同样得以降低。由此，空气压缩机更加稳定耐用并且使用寿命更长，这尤其在无油的应用中是有利的。
有利的是，本发明可被用于各种结构类型的呈活塞/气缸结构形式的压缩机，例如单缸压缩机、双缸压缩机或者任意的多缸压缩机。本发明也可以有利地在按照双曲轴原理工作的压缩机中使用，也就是说，具有每气缸两个摇杆和两个曲轴的压缩机，例如由DE 10 2006 060 660A1所公知的。
依据本发明的有利的改进方案，中间腔可以与用于产生稳定化的附加压力的压缩空气稳定装置连接。该压力稳定装置可以有利地以输出侧与中间腔连接，例如通过空气压缩机的与中间腔连接的压缩空气连接部来进行连接。该压力稳定装置有如下优点，即，可以在中间腔中提供稳定化的、进而基本在时间上恒定的附加压力，该附加压力在相应的压缩空气稳定装置的设计方案中可以处于特别合适的压力水平上，例如大致为在由空气压缩机在压缩机输出端处输出的压力水平的50％。已表明的是，由此，可以实现对所出现的峰值扭矩的特别有效率的均衡化。
依据有利的改进方案，压缩空气稳定装置布置在空气压缩机上。可以将该压缩空气稳定装置例如拧合到空气压缩机上或者以法兰连接到该空气压缩机上。同样有利的是，将压缩空气稳定装置整合到压缩机中的实施方案。
为了将附加压力输送到中间腔，压缩机可以有利地具有自有的压缩空气连接部。于是，所述压缩空气稳定装置可以连接到该压缩空气连接部上。在有利的设计方案中，通向中间腔的附加压力输送件也能够以整合在空气压缩机中或者整合在空气压缩机上的方式来设置。例如有利的是，在空气压缩机的壳体中设置有压缩空气通道，该压缩空气通道从压缩机输出端经由以弹簧加载的止回阀引导至中间腔。所述以弹簧加载的止回阀在此处这样来设定，即，基于弹簧力与有效的阀门加载面积的相互协调，在中间腔中提供附加压力的期望的压力水平，例如大致为空气压缩机的输出压力的50％。
依据本发明的有利的改进方案，压缩空气稳定装置在输入连接部处与压缩空气设备的压缩空气存储件连接，并且在第一输出连接部处与中间腔连接。这具有如下的优点，即，在压缩空气稳定装置的输入侧处，提供具有较高的可支配性和恒定性的压缩空气可供支配，从而使得在压缩空气稳定装置的输出侧上，也可以提供具有高度的可支配性和恒定性的附加压力给中间腔使用。有利的是，压缩空气稳定装置可以构造为限压阀或者构造为压力调节器。这类的压缩空气稳定装置在市面上可以买到。
此外，实验表明，有利的是，附加压力处在空气压缩机的输出压力的40％-60％的范围内。最佳的附加压力的精确值在此不仅需按照具体压缩机来确定，还需考虑到空气压缩机在压缩空气设备中相应的应用来确定。
依据本发明的有利的改进方案，将压缩空气稳定装置与压缩空气准备设备整合式地实施。由此，本发明可以紧凑地并且价格低廉地实现。
依据本发明的有利的改进方案，附加压力是能够可变地调整的或者说是能够可变地调节的。由此，可将附加压力在空气压缩机的运行中例如依赖于当前的运行条件而调整到期望的值上。
依据本发明的有利的改进方案，压缩空气稳定装置具有至少2巴的输入迟滞(Eigangshysterese)。由此，由于通过压缩空气稳定装置进行的压力调节而引起的压缩空气损耗可以被最小化，由此，通过空气压缩机产生压缩空气的总体效率再次得到优化。
依据本发明的有利的改进方案，空气压缩机具有曲柄箱，该曲柄箱与中间腔连接，或者形成该中间腔的至少一部分。曲柄箱有利地具有中间腔的压力水平。这同样允许使用和稍加匹配现有的、市面上常见的空气压缩机来应用本发明。
依据本发明的目标，即：使得用于驱动空气压缩机的最大扭矩降低，可以通过附加的、支持性的措施得到进一步地优化。这样的措施例如是，将作用到活塞上的弹簧设置在气缸中。在这种情况下，活塞向压缩腔的方向被以弹簧力来支持，从而使得由于空气的压缩而自压缩腔作用到活塞上的力也至少部分地通过弹簧力来补偿。弹簧可以分别根据空气压缩机的设计方案而定地构造为拉力弹簧或者压力弹簧，例如在曲柄箱中构造为压力弹簧。另一用于使最大扭矩最小化的措施是将飞轮设置在曲轴上。该飞轮同样引起空气压缩机的驱动扭矩的扭矩变化曲线的均衡化，结果是，扭矩的峰值同样得以降低。
此外有利的是，用于车辆的、带有至少一个压缩空气存储件和如上介绍类型的空气压缩机的压缩空气设备。
此外，本发明还涉及一种用于使用来产生车辆压缩空气设备所用压缩空气的空气压缩机运行的方法，其中，空气压缩机具有气缸和布置在气缸中的活塞，该活塞将气缸的内腔划分成压缩腔和中间腔，压缩腔为了输送压缩空气而可以连接在车辆的所述压缩空气设备中。有利的是，对中间腔加载附加压力，从而在该中间腔中的压力按时间平均来看处于大气压之上。有利的是，附加压力可以从压缩空气设备中导出。同样有利的是，对中间腔施加稳定化的附加压力，例如通过压缩空气稳定化装置。
附图说明
下面，结合实施例应用附图对本发明加以详细阐释。
其中：
图1以示意图示出用于车辆的压缩空气设备；以及
图2示出单气缸空气压缩机的原理性的扭矩变化曲线，以及
图3示出单气缸空气压缩机的另一原理性的扭矩变化曲线。
具体实施方式
图1示出用于车辆的、带有空气压缩机1和压缩空气存储件12的压缩空气设备，压缩空气存储件12通过压缩空气管路15与空气压缩机1连接。压缩空气设备的其他元件，例如在商用车的制动设备中的空气干燥器和多回路保护阀，还可以连至压缩空气管路15上。压缩空气设备的这些已知的元件在图1中为了简化而并未示出，并且通过压缩空气管路15来象征性地表现。
空气压缩机1构造为活塞式压缩机。该空气压缩机1具有气缸2，带有布置于其中的活塞3。如同在活塞式压缩机中公知的那样，活塞3通过连杆11与构造为曲轴的驱动轴连接。
活塞3将气缸2的内腔划分为压缩腔4和中间腔5。在依据图1的图示中，该压缩腔4布置在活塞3的上方，中间腔5布置在活塞3的下方。为了将压缩腔与中间腔气动地分隔开，活塞3具有环绕式密封件。通过驱动轴的转动，活塞3借助连杆11向上或向下运动。向下的运动相应于空气压缩机1的吸取阶段，在吸取阶段中，压缩腔4扩大。在吸取阶段期间，由于在压缩腔4中产生低压，进气阀16打开。因此，环境空气通过空气压缩机1的与大气相连的进气连接部13流入压缩腔4中。在活塞3向下运动时，该向下运动相应于压缩阶段，活塞3减小压缩腔4的容积。处于压缩腔4中的空气被压缩，这导致压缩腔4中的压力提高。由此，进气阀16关闭。压缩腔4中的压力进一步提高，直至：要么排气阀17打开，要么活塞3达到活塞3的上止点。当压缩腔4中的压力超过空气压缩机1的形成压缩机输出端的第二输出连接部14的区域中的压力时，该排气阀17打开。空气压缩机的第二输出连接部14通过已提到的压缩空气管路15与该压缩空气设备的其他元件相连接，尤其是与压缩空气存储件12相连接。
除了中间腔5，空气压缩机1的曲柄箱10也处在活塞3的背向压缩腔4的一侧。曲柄箱10的内部与中间腔5连接，也就是说，中间腔5处在曲柄箱10内部的压力水平上。该中间腔5也可以是曲柄箱10内部的一部分。
依据图1，在曲柄箱10上设置有压缩空气连接部6。通过该压缩空气连接部6向中间腔5输入附加压力，也就是说通过压缩空气稳定化装置7来输入附加压力，该压缩空气稳定化装置7依据图1构造为压力调节器。该压力调节器7具有输入连接部8和第一输出连接部9。第一输出连接部9通过压缩空气管路与压缩空气连接部6连接。压力调节器7的输入连接部8与压缩空气管路15相连接，并且由此与压缩空气存储件12保持连接。
图2示出用于驱动空气压缩机1所需的、必须施加在空气压缩机的曲轴上的扭矩M的原理性的变化曲线。在图2中，在空气压缩机的驱动轴的转动角度上绘制扭矩M。转动角度
Figure BSA00000435396200082
在0°到360°的范围内示出，也就是对应曲轴旋转完整的一圈。图2示出：当不对中间腔施加附加压力时，在依据现有技术的空气压缩机中或者说在依据图1的空气压缩机中的扭矩变化曲线。
如可见的那样，扭矩M依据图2在转动角度处在0°与180°之间时达到最大值Mmax。在开始时，扭矩M陡峭地升高。在越过最大值Mmax之后，扭矩M迅速地下降。在一圈旋转的第二半部中(转动角度
Figure BSA00000435396200083
)，所必需的扭矩M基本上等于零。该变化曲线随每圈曲轴旋转而重复。
图3示出在依据图2的同样的压缩机中的扭矩M的变化曲线，其中，依据图3，中间腔5被施加以高度大约为由空气压缩机1产生的输出压力一半的附加压力。如可见的那样，扭矩M的最大值大致为值Mmax的一半，其中，该最大值现在在每圈曲轴旋转中两次达到，也就是说在小于180°的转动位置及在180°-360°之间的转动位置达到。

Claims (11)

1.空气压缩机(1)，用于产生车辆的压缩空气设备(12、15)所用的压缩空气，所述空气压缩机具有：气缸(2)和布置在所述气缸(2)中的活塞(3)，所述活塞(3)将所述气缸(2)的内腔划分成压缩腔(4)和中间腔(5)，所述压缩腔(4)为了输送压缩空气而能与所述车辆的所述压缩空气设备(12、15)连接，其特征在于，对所述中间腔(5)施加附加压力，从而使得所述中间腔(5)中的压力按时间平均来看处在大气压之上。
2.按照权利要求1所述的空气压缩机，其特征在于，所述中间腔(5)能与用于产生稳定化附加压力的压缩空气稳定装置(7)连接。
3.按照权利要求2所述的空气压缩机，其特征在于，所述压缩空气稳定装置(7)布置在所述空气压缩机(1)上，例如以法兰连接在所述空气压缩机(1)上，或者与所述空气压缩机(1)整合式地构造。
4.按照权利要求2或3所述的空气压缩机，其特征在于，所述压缩空气稳定装置(7)在输入连接部(8)处能够与所述压缩空气设备的压缩空气存储件(12)连接，并且在第一输出连接部(9)处能够与所述中间腔(5)连接。
5.按照权利要求2至4至少之一所述的空气压缩机，其特征在于，所述压缩空气稳定装置(7)构造为限压阀或者构造为压力调节器。
6.按照前述权利要求中的至少一个所述的空气压缩机，其特征在于，所述附加压力处于所述空气压缩机的输出压力的40％至60％的范围中。
7.按照前述权利要求中的至少一个所述的空气压缩机，其特征在于，所述压缩空气稳定装置(7)具有至少2巴的输入迟滞。
8.按照前述权利要求中的至少一个所述的空气压缩机，其特征在于，所述空气压缩机(1)具有曲柄箱(10)，所述曲柄箱(10)与所述中间腔(5)连接，或者形成所述中间腔(5)的至少一部分，其中，所述曲柄箱(10)具有所述中间腔(5)的压力水平。
9.用于车辆的压缩空气设备，所述压缩空气设备具有至少一个压缩空气存储件(12)和按照前述权利要求中的至少一个所述的空气压缩机(1)。
10.用于使用来产生车辆的压缩空气设备(12、15)所用的压缩空气的空气压缩机运行的方法，其中，所述空气压缩机(1)具有气缸(2)和布置在所述气缸(2)中的活塞(3)，所述活塞(3)将所述气缸(2)的内腔划分成压缩腔(4)和中间腔(5)，所述压缩腔(4)为了输送压缩空气而能与所述车辆的所述压缩空气设备(12、15)连接，其特征在于，对所述中间腔(5)施加附加压力，从而使得所述中间腔(5)中的压力按时间平均来看处于大气压之上。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，所述附加压力是稳定化的压力。
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