DE10104405A1 - Piston machine control process involves making opening of induction valve dependent on pressure difference - Google Patents
Piston machine control process involves making opening of induction valve dependent on pressure differenceInfo
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Abstract
Description
In Kolbenkompressoren werden überwiegend selbsttätig arbeitende, durch Gasdruckdifferenzen gesteuerte Ventile eingesetzt.Piston compressors are mostly self-sufficient Valves controlled by gas pressure differences are used.
Hauptbestandteile dieser Ventile sind grundsätzlich Ventilsitz und Fänger, ein oder meh rere Schließorgane, üblicherweise eine Platte oder Ringe, sowie Dämpfer- und Feder organe. Bei geregelten Saugventilen wird das Ventil weiterhin durch einen Abhebe greifer betätigt.The main components of these valves are basically the valve seat and catcher, one or more Other locking elements, usually a plate or rings, and damper and spring organs. With regulated suction valves, the valve continues to be lifted off operated gripper.
Diese nicht unerhebliche Anzahl von Teilen werden einer periodischen Hubbewegung unterzogen, und je nach Hub der Schließorgane sowie der Dichte und dem Druck des Gases dynamisch stark belastet, was zu Beeinschränkungen der Lebensdauer durch Brüche der Schließ-, Dämpfer und Federorgane führt.This not inconsiderable number of parts becomes a periodic lifting movement subjected, and depending on the stroke of the closing elements and the density and pressure of the Gases are dynamically heavily loaded, which leads to restrictions in service life Breaks in the closing, damper and spring elements.
Weiterhin muß die Auslegung der Federorgane optimal auf einen Arbeitspunkt abgestimmt sein, was aber bei schwankenden Betriebsbedingungen, oder durch Dreh zahlregelung zu Anpassungsproblemen führt, da es keine Möglichkeit zur Beein flussung der Federkräfte in den Ventilen gibt.Furthermore, the design of the spring elements must be optimal on one working point be coordinated, but what with fluctuating operating conditions, or by rotation Payment scheme leads to adjustment problems, since there is no way to leg flow of the spring forces in the valves.
Darüber hinaus werden die Ventile bei der Liefermengenregelung durch Staudruck oder Rückströmung über einen Abhebegreifer stark belastet.In addition, the valves in the delivery quantity control by dynamic pressure or Reverse flow heavily loaded via a lifting gripper.
Nachteilig sind die durch den Hub begrenzten Querschnitte, durch die Geometrie des Ventils großen Schadräume, die Massen der bewegten Teile, die vorhandenen Feder kräfte, sowie das Umlenken des Gases bei selbsttätig arbeitenden Ventilen, was letztendlich zu nicht unerheblichen Druckverlusten führt.Disadvantages are the cross sections limited by the stroke, by the geometry of the Valve large damaged areas, the masses of the moving parts, the existing spring forces, as well as the deflection of the gas with automatically operating valves, what ultimately leads to considerable pressure losses.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Kolbenmaschine, insbesondere eines Kompressors oder einer Vacuumpumpe zu schaffen, welches unabhängig von schwankenden Betriebsbedin gungen und Drehzahländerungen betrieben werden kann, sowie die Beeinflußung der Liefermenge so zu verbessern, daß die zuvor erwähnten Nachteile vermieden werden.The invention is therefore based on the object of a device and a method for Control of a piston machine, in particular a compressor or a To create a vacuum pump, which is independent of fluctuating operating conditions conditions and speed changes can be operated, as well as influencing the To improve the delivery quantity so that the aforementioned disadvantages are avoided.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen aus den Patentansprüchen 1 und 2 gelöst.According to the invention, this object is achieved by a device and a method with the Features solved from claims 1 and 2.
Zum Stand der Technik sind Verfahren nach
Methods according to the prior art are
- 1. EP 0 694 693 B1 bekannt, wobei es sich aber um ein Saugventil, welches druckabhängig selbsttätig arbeitet und nur zur Liefermengenregelung über eine Hubbe wegung eines Steuerkolbens auf einen Abhebegreifer beeinflußt wird.1. EP 0 694 693 B1 known, but it is a suction valve which works automatically depending on the pressure and only for delivery quantity control via a stroke movement of a control piston is influenced on a lifting claw.
- 2. DE 40 02 856 A1 bekannt, wobei das Gaswechselventil in eine Hubbewegung versetzt, und nicht gedreht wird.2. DE 40 02 856 A1 known, the gas exchange valve in a lifting movement offset, and not rotated.
- 3. DE 34 00 970 A1 bekannt, wobei die Ventilschlitzscheibe in Abhängigkeit zur Kurbelwelle betrieben wird.3. DE 34 00 970 A1 known, the valve slotted disc depending on Crankshaft is operated.
- 4. DE-OS 19 11 617 bekannt, wobei dieses Verfahren in Abhängigkeit zur Kurbelwelle betrieben wird.4. DE-OS 19 11 617 known, this method depending on Crankshaft is operated.
- 5. DE 37 10 824 A1 bekannt, wobei die Steuerscheibe in Abhängigkeit zur Kurbelwelle betrieben wird.5. DE 37 10 824 A1 known, the control disc depending on Crankshaft is operated.
- 6. DE 198 27 301 A1 bekannt, wobei die Rotationsscheibe in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors durch eine elektrische Antriebsvorrichtung gedreht wird.6. DE 198 27 301 A1 known, the rotary disc in a combustion chamber of an internal combustion engine is rotated by an electric drive device.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Kolbenmaschine mit einem Drehschieberventil, welches unabhängig von der Stellung der Kurbelwelle durch einen Stellantrieb betätigt wird.The invention relates to a device and a method for controlling a Piston machine with a rotary slide valve, which is independent of the position the crankshaft is actuated by an actuator.
Das Drehschieberventil beinhaltet nur ein Schließorgan, was drehbar angeordnet ist, und deshalb keiner Hubbewegung bedarf. Weiterhin ist eine Befederung durch die Zwangssteuerung nicht erforderlich. Dadurch kann das Ventil unabhängig von der Dichte und dem Druck des Gases, wechselnden Betriebsbedingungen sowie variablen Drehzahlen betrieben werden.The rotary slide valve contains only one closing element, which is rotatably arranged, and therefore does not require any lifting movement. In addition, the suspension is provided by the Forced control not required. This allows the valve to be operated independently of the Density and the pressure of the gas, changing operating conditions as well as variable Speeds are operated.
Durch die Zwangssteuerung, die großen Strömungsquerschnitte und dem Geradestrom des Gases durch das Ventil ergeben sich kleine Druckverluste, was letztendlich zur Reduzierung der Ventildurchmesser und damit auch zu einer Reduzierung der Massen beitragen kann.Due to the forced control, the large flow cross-sections and the straight flow the gas through the valve results in small pressure drops, which ultimately leads to Reduction of the valve diameter and thus also a reduction in mass can contribute.
Vorteilhaft ist im Gegensatz zu EP 0 694 693 B1, daß bei geregelten Saugventilen kein Abhebegreifer verwendet wird, und die hohen Stellkräfte zur Überwindung der Strö mungskraft nicht erforderlich sind, weil das Öffnen und Schließen der Ventile bei einem Druckgleichgewicht vollzogen wird.In contrast to EP 0 694 693 B1, it is advantageous that there is none in the case of regulated suction valves Lifting gripper is used, and the high actuating forces to overcome the currents force are not required because the opening and closing of the valves at one Pressure equilibrium is carried out.
Dieser Vorteil des Öffnens und Schließens bei einem Druckgleichgewicht überträgt sich auch auf ungeregelte Saugventile und Druckventile, was sich letztendlich in einem geringen energetischen Aufwand widerspiegelt.This advantage of opening and closing with a pressure balance is transferred also on uncontrolled suction valves and pressure valves, which is ultimately in one reflects low energy expenditure.
Durch die Zwangssteuerung der Ventile bei einem aus dem Prozeß abgeleiteten Druckgleichgewicht, ist das System durch Regelung über die Erfassung des Dreh moments der anzusteuernden Ventile adaptiv, was immer zu optimalen Wirkungsgraden auch bei schwankenden Betriebsbedingungen der Kolbenmaschine führt.By positively controlling the valves on one derived from the process Pressure equilibrium, the system is governed by the detection of the rotation moments of the valves to be controlled adaptively, whatever to optimal efficiencies leads even with fluctuating operating conditions of the piston machine.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschrei bung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles anhand der beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigt:Further features and advantages of the invention result from the following description Exercise of a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings. It shows:
Fig. I einen 2d Schnitt der erfindungsgemäßen Einrichtung Fig. I shows a 2d section of the device according to the invention
Fig. II Bild 1 ein p-V Diagramm mit den Druckverläufen zur Erfassung der Differenzdrücke zwischen Stufensaug- und Zylinderinnendruck, sowie Stufenend- und Zylinderinnendruck. Fig. II Frame 1 pV diagram showing the pressure curves for the acquisition of the differential pressures between Stufensaug- and cylinder pressure, as well as Stufenend- and cylinder pressure.
Fig. II Bild 2 ist der Druckverlauf für den Teillastbereich aufgezeichnet, wobei das Volumen reduziert dargestellt ist. Fig. II Image 2 is recorded, the pressure curve for the part-load range, wherein the volume is shown reduced.
Fig. III einen 3d Schnitt der erfindungsgemäßen Einrichtung Fig. 3d III a section of the device according to the invention
Dabei handelt es sich um ein neuartiges Ventil und ein Verfahren zur Zwangssteuerung desselben, bestehend aus einem Ventilsitz (1), der mit Kanälen zur Durchströmung des Gases versehen ist, und einem drehbaren Schließorgan (2). An der zu dichtenden Seite des Ventilsitzes (1) sind die Kanäle mit Sitzleisten versehen, die einerseits durch eine höhere Flächenpressung zwischen dem Sitz und dem Schließelement zu einer besseren Dichtigkeit führen, und zum anderen dazu beitragen, daß bei der Drehbewegung des Schließorgans (2) Rückstände aus dem Gas an den Sitzleisten abgestreift werden können. Hierzu ist es möglich, das Schließorgan (2), welches keiner Hubbewegung im Sinne eines klassischen Kompressorventils unterliegt, sowie die Sitzleisten keramisch zu behandeln, um gegenüber abbrasiven und agressiven Gasen eine hohe Verschleißfestigkeit und chemische Resistenz zu erhalten.This is a new type of valve and a method for the positive control thereof, consisting of a valve seat ( 1 ) which is provided with channels for the gas to flow through, and a rotatable closing member ( 2 ). On the side of the valve seat ( 1 ) to be sealed, the channels are provided with seat strips which, on the one hand, result in better tightness due to a higher surface pressure between the seat and the closing element, and on the other hand contribute to the fact that the closing element ( 2 ) rotates Residues from the gas can be wiped off the seat rails. For this purpose, it is possible to treat the closing element ( 2 ), which is not subject to a lifting movement in the sense of a classic compressor valve, and the seat strips to give a high degree of wear resistance and chemical resistance to abrasive and aggressive gases.
Weiterhin sind die Kanäle konisch ausgeformt, welche sich zu den Sitzleisten verengen. Dadurch kann das Gas ohne Umlenkung am Schließelement den Kanal durchströmen, was bei einer zylindrischen Ausformung des Kanals nicht möglich wäre.Furthermore, the channels are conical, which narrow to the seat strips. As a result, the gas can flow through the channel without deflection at the closing element, which would not be possible with a cylindrical shape of the channel.
Eine Antriebswelle (11), die im Zentrum des Schließorgans (2) über eine Gleitbuchse (4) angebracht und durch ein Keramiklager (5) im Ventilsitz (1) geführt ist, wird über eine Untere Elastomerkupplung (10) zur Dämpfung der schritt- oder schwenkweisen Bewegung, durch einen Stellantrieb (13) betätigt.A drive shaft ( 11 ), which is attached in the center of the closing element ( 2 ) via a sliding bush ( 4 ) and is guided through a ceramic bearing ( 5 ) in the valve seat ( 1 ), is via a lower elastomer coupling ( 10 ) to damp the stepwise or pivoting movement, actuated by an actuator ( 13 ).
Der Stellantrieb (13), bestehend aus wenigstens einem Steuerzylinder (14) zur Erzeu gung der Drehbewegung, wird vorzugsweise durch ein 2/2 piezoelektisches- oder 3/2 Wegeventil gesteuert, um eine hohe Taktfrequenz und kurze Schaltzeiten in Verbindung mit dem Antrieb zu realisieren.The actuator ( 13 ), consisting of at least one control cylinder ( 14 ) for generating the rotary movement, is preferably controlled by a 2/2 piezoelectric or 3/2 way valve to achieve a high clock frequency and short switching times in connection with the drive ,
Über Meßsensoren wird der Stufensaug- und Stufenenddruck sowie der Zylinderinnen druck, der in eine Ansaugphase und Verdichtungsphase aufgeteilt wird, kontinuierlich erfaßt.The stage suction and stage end pressure as well as the cylinder interior are measured pressure, which is divided into a suction phase and a compression phase, continuously detected.
Durch einen Controller wird der Zeitpunkt für das Saugventil errechnet, wo sich erstmalig ein Druckgleichgewicht zwischen dem Stufensaug- und Zylinderinnendruck einstellt.The point in time for the suction valve is calculated by a controller for the first time a pressure equilibrium between the stage suction and cylinder pressure established.
Dieser Zeitpunkt wird zum Öffnen des Saugventils benutzt, wobei gleichzeitig das Drehmoment des zu betätigenden Schließorgans (2) über einen Sensor ermittelt wird. Durch die Trägheit des Ventils wird dieses aber verzögert geöffnet, wobei durch den zeitlichen Ablauf sich die Druckdifferenz erhöht, und damit das Drehmoment vergrößert wird. Daher wird bei den nächsten Umdrehungen der Kurbelwelle der Öffnungszeitpunkt des Saugventils um eine vorgegebene Zeitspanne Δt solange vor- oder nachverlegt, bis das Drehmoment sein Minimum erreicht.This point in time is used to open the suction valve, the torque of the closing element ( 2 ) to be actuated being determined simultaneously by a sensor. Due to the inertia of the valve, however, it is opened with a delay, the pressure difference increasing due to the passage of time, and thus the torque being increased. For the next revolutions of the crankshaft, therefore, the opening time of the suction valve is advanced or postponed by a predetermined time period Δt until the torque reaches its minimum.
Zum Ende der Ansaugphase wird durch einen Controller der Zeitpunkt errechnet, wo sich letztmalig ein Druckgleichgewicht zwischen dem Stufensaug- und Zylinder innendruck einstellt. Dieser Zeitpunkt wird zum Schließen des Saugventils benutzt, wobei gleichzeitig das Drehmoment des zu betätigenden Schließorgans (2) über einen Sensor ermittelt und weiter wie zuvor verfahren wird.At the end of the suction phase, a controller calculates the point in time at which a pressure equilibrium is finally established between the step suction and cylinder pressure. This point in time is used to close the suction valve, at the same time the torque of the closing element ( 2 ) to be actuated is determined by a sensor and the procedure is continued as before.
Für das Druckventil gilt hierbei das gleiche Verfahren in der Verdichtungsphase, wobei zwischen dem Stufenend- und dem Zylinderinnendruck das Druckgleichgewicht erst- und letztmalig ermittelt, und zum Öffnen und Schließen der Druckventile das gleiche Verfahren wie bei den Saugventilen angewandt wird.The same procedure applies to the pressure valve in the compression phase, whereby the pressure equilibrium between the stage end pressure and the internal cylinder pressure and last determined, and the same for opening and closing the pressure valves Procedure as used for the suction valves.
Zum Schließen der Ventile kann auch der untere Totpunkt des Kolbens (180° Kurbel winkel für das Saugventil) und der obere Totpunkt des Kolbens (360° Kurbelwinkel für das Druckventil) Verwendung finden.The bottom dead center of the piston (180 ° crank angle for the suction valve) and the top dead center of the piston (360 ° crank angle for the pressure valve) are used.
Weiterhin können die Ventile über die Stellantriebe (13) durch ein Druckmittel vorgespannt werden, um vor Erreichen des Druckgleichgewichts mit einem vorge gebenen Drehmoment zu öffnen oder zu schließen.Furthermore, the valves can be prestressed by a pressure medium via the actuators ( 13 ) in order to open or close with a predetermined torque before reaching the pressure equilibrium.
Zur Liefermengenregelung wird nach letztmaligem Erreichen des Druckgleichgewichts das Saugventil nicht geschlossen, sondern über zumindest einen Teilbereich des Ver dichtungshubes offengehalten, wobei die Ansaugmenge wieder ausgeschoben wird, die nicht dem zu verdichtenden Fördervolumen entspricht.The delivery quantity control is achieved after the pressure equilibrium has been reached for the last time the suction valve is not closed, but over at least a portion of the ver sealing stroke kept open, the intake quantity being pushed out again does not correspond to the delivery volume to be compressed.
Erst danach wird das Saugventil geschlossen, und die Verdichtungsphase kann mit einem reduzierten Gasvolumen einsetzen.Only then is the suction valve closed and the compression phase can start with use a reduced gas volume.
Um eine definierte Ausgangsposition des Stellantriebs (13) zu erreichen, ist vorzugsweise der Steuerkolben (15) mit einer Rückholfeder (16) ausgestattet. Dadurch kann bei ausgeschaltetem System durch die Rückholfeder (16) der Stellantrieb (13) in eine Endlage verfahren werden, wodurch das Saugventil in eine Offenposition dreht. In order to achieve a defined starting position of the actuator ( 13 ), the control piston ( 15 ) is preferably equipped with a return spring ( 16 ). As a result, the actuator ( 13 ) can be moved into an end position by the return spring ( 16 ) when the system is switched off, as a result of which the suction valve rotates into an open position.
Aus Out
Fig.FIG.
I:
I:
11
Ventilsitz
valve seat
22
Schließorgan
closing member
33
Mittelschraube
center screw
44
Gleitbuchse
bush
55
Keramiklager
ceramic bearings
66
Untere Scheibe
Lower pane
77
Obere Scheibe
Upper disc
88th
Feder
feather
99
Führungsmutter
lead nut
1010
Untere Elastomerkupplung
Lower elastomer coupling
1111
Antriebswelle
drive shaft
1212
Obere Elastomerkupplung
Upper elastomer coupling
1313
Stellantrieb
actuator
1414
Steuerzylinder
control cylinder
1515
Steuerkolben
spool
1616
Rücksetzfeder
Aus Reset spring
Out
Fig.FIG.
II:
ps II:
p s
Stufensaugdruck
pd Stufensaugdruck
p d
Stufenenddruck
ps-zyl Stufenenddruck
p s-cyl
Zylinderinnendruck (Saugseite)
pd-zyl Cylinder internal pressure (suction side)
p d-cyl
Zylinderinnendruck (Druckseite)
Δps1-zyl In-cylinder pressure (pressure side)
Δp s1-cyl
erstmaliges Druckgleichgewicht zwischen Zylinderinnendruck
(Saugseite) und Stufensaugdruck
Δps2-zyl first pressure equilibrium between internal cylinder pressure (suction side) and step suction pressure
Δp s2-cyl
letztmaliges Druckgleichgewicht zwischen Zylinderinnendruck
(Saugseite) und Stufensaugdruck
Δpd1-zyl last pressure equilibrium between cylinder pressure (suction side) and step suction pressure
Δp d1-cyl
erstmaliges Druckgleichgewicht zwischen Zylinderinnendruck
(Druckseite) und Stufenenddruck
Δpd2-zyl first pressure equilibrium between internal cylinder pressure (pressure side) and final stage pressure
Δp d2-cyl
letztmaliges Druckgleichgewicht zwischen Zylinderinnendruck
(Druckseite) und Stufenenddruck
last pressure equilibrium between internal cylinder pressure (pressure side) and final stage pressure
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2001104405 DE10104405A1 (en) | 2001-02-01 | 2001-02-01 | Piston machine control process involves making opening of induction valve dependent on pressure difference |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE2001104405 DE10104405A1 (en) | 2001-02-01 | 2001-02-01 | Piston machine control process involves making opening of induction valve dependent on pressure difference |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10104405A1 true DE10104405A1 (en) | 2002-08-08 |
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Family Applications (1)
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DE2001104405 Withdrawn DE10104405A1 (en) | 2001-02-01 | 2001-02-01 | Piston machine control process involves making opening of induction valve dependent on pressure difference |
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DE (1) | DE10104405A1 (en) |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |