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Die
Erfindung betrifft einen zweistufigen Luftverdichter gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1, insbesondere einen solchermaßen
ausgebildeten Bremsluftverdichter für ein Fahrzeug.
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Luftverdichter
zur Bereitstellung von Druckluft werden in vielfältigen
industriellen Anwendungen eingesetzt. Für Schienenfahrzeuge
und Nutzfahrzeuge dienen sie zur Druckluftversorgung pneumatischer
Bremsen. Für diese Verwendung wird mittels des Luftverdichters
eine Hauptluftleitung druckbeaufschlagt, aus der Druckluftbehälter
befüllt werden, die in Verbindung mit Druckluftbremsen
stehen. Einen weiteren Anwendungsfall eines Druckluftsystems für Fahrzeuge
stellen pneumatische Federungssysteme dar.
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Für
Luftdruckverdichter bestehen unterschiedliche Ausgestaltungsmöglichkeiten,
beispielsweise in der Form von Rotationskolbenmaschinen oder Hubkolbenmaschinen.
Letztere sind bevorzugte Bauformen von Bremsluftverdichtern, welche
im Fall von Nutzfahrzeugen vielfach einstufig ausgebildet sind.
Dies führt zu einer konstruktiv einfachen und platzsparenden
Ausführung. Allerdings ist die Kompression mit einem mehrstufigen
Verdichter effizienter, wobei für eine zweistufige Ausbildung
beispielhaft auf die
DE 1 006
112 verwiesen wird. Der Vorteil einer Aufteilung auf zwei
Kompressionsstufen mit Zwischenkühlung besteht in einem
verringerten Leistungsbedarf und niedrigen Lufttemperaturen in den Zylindern.
Typische ölgeschmierte Hochdruck-Kolbenverdichter weisen
ein Stufendruckverhältnis von 1,5 bis 3,5 auf. Höhere
Druckverhältnisse wurden bisher nur für kleine
Bremsluftverdichter unter der Voraussetzung einer intensiven Zwischenkühlung
in Betracht gezogen.
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Nachfolgend
wird unter „Stufendruckverhältnis" ΠStufe das mittlere druck- zu saugseitige
Druckverhältnis einer mittels eines Hubkolbens realisierten Kompressionsstufe
verstanden. Dabei wird insbesondere im Überströmbereich
zwischen den Kompressionsstufen ein zeitlich schwankender Zwischendruck vorliegen.
Eine typische Größenordnung dieser Druckschwankung
liegt bei etwa 1 bar, sodass die nachfolgenden Angaben zu den Stufendruckverhältnissen
zeitgemittelte Größen darstellen.
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Die
fachübliche Auslegung sieht zur Minimierung der isentropen
Verdichtungsarbeit für alle Kompressionsstufen ein übereinstimmendes
Stufendruckverhältnis vor. Ausgehend von einem vorgegebenen
Gesamtdruckverhältnis Πges und
bei der Wahl von n Kompressionsstufen werden die Stufendruckverhältnisse ΠStufe n einheitlich als n-te Wurzel des Gesamtdruckverhältnisses
festgelegt.
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Ein
Ausführungsbeispiel für einen zweistufigen Luftverdichter
ist durch die
DE 197
15 291 A1 bekanntgeworden. Offenbart ist eine Anordnung
umfassend einen Niederdruckzylinder und einen Hochdruckzylinder,
die über eine gemeinsame Kolbenstange angetrieben werden
und mittels eines Überströmkanals in Verbindung
stehen, in dem ein Rückschlagventil angeordnet ist. Das Überströmen
erfolgt bei einem Zwischendruck, der dem Druck auf der Druckseite
des Niederdruckzylinders und der Saugseite des Hochdruckzylinders
entspricht. Angetrieben wird die gemeinsame Kolbenstange des Niederdruckzylinders
und des Hochdruckzylinders mittels einer rechtwinklig zur Kolbenstange
verlaufenden Kurbelwelle. Für die voranstehend dargestellte
Ausgestaltung eines zweistufigen Luftverdichters werden keine besonderen
Maßnahmen zur Kühlung getroffen, da die Vorrichtung
für einen kurzzeitigen Betrieb vorgesehen ist und das Wandungsmaterial
der Druckzylinder beziehungsweise des Überströmkanals
für diesen Fall eine hinreichende Kühlwirkung
sicherstellt.
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Zur
Leistungssteigerung und zur Verringerung der Drucklufttemperatur
wurde die Verwendung einer effizienten Zwischenkühlung
vorgeschlagen. Eine solche wird beispielsweise durch die
DE 10 2005 012 202
A1 offenbart, bei der eine Zwischenkammer zwischen einer
vorausgehenden Kompressionsstufe und einer nachfolgenden Kompressionsstufe
eines mehrstufigen Kolbenverdichters eine Wasserkühlung
umfasst. Zur Kühlung der auf dem Zwischendruck befindlichen Luft
werden mit einem Kühlmedium durchströmte Kühlkanäle
in einem Gussteil verwendet, beziehungsweise die zur Kühlung
des Kühlmediums notwendigen Strukturen werden mittels eines
Blechformteils ausgebildet. Dabei sind die Kolben-Zylinderpaare
aufeinander folgender Kompressionsstufen in einer Reihenanordnung
angelegt, sodass die mit einem Kühlwasseranschluss versehene
Zwischenkammer in einem gemeinsamen Zylinderkopfdeckel des Nieder-
und des Hochdruckzylinders ausgebildet werden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen
Kolbenluftverdichter insbesondere für ein Fahrzeug und
besonders bevorzugt für ein Nutzfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine
anzugeben, der sich durch konstruktive Einfachheit, einen hohen
Wirkungsgrad und eine Verringerung der bei der Kompression maximal
auftretenden Drucklufttemperaturen auszeichnet. Zur Verwendung eines
Luftverdichters für ein Schienenfahrzeug ist dieser auf
einen Überdruck von 8 bar auszulegen. Für Straßenfahrzeuge,
insbesondere Nutzfahrzeuge, soll der Luftverdichter einen Überdruck
von 10,5 bar bis 12,5 bar für die gegenwärtig
verwendeten Systeme bereitstellen. Darüber hinaus ist es
wünschenswert, auch für zukünftige Fahrzeugentwicklungen
höhere Überdrücke in der Größenordnung
von wenigstens 15 bar bis maximal 20 bar erzeugen zu können.
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Ausgangspunkt
der Erfindung ist ein zweistufiger Kolbenluftverdichter mit einer
in den Kühlkreislauf eines Fahrzeugs eingebundenen Zwischenkühlung.
Die Erfindung weicht von der voranstehend dargelegten, dem Stand
der Technik entsprechenden Auslegung für mehrstufige Kolbenluftverdichter
ab, indem die mittleren Stufendruckverhältnisse aufeinander
folgender Kompressionsstufen derart ungleich gewählt sind,
dass ein Niederdruckzylinder einem Hochdruckzylinder vorausgeht,
dessen Stufendruckverhältnis dem 1,3- bis 1,7-fachen des
Stufendruckverhältnisses des nachfolgenden Hochdruckzylinders
entspricht. Besonders bevorzugt wird zur Druckentlastung des Hochdruckzylinders
dieser Wert im Bereich von 1,4 bis 1,6 und besonders bevorzugt bei etwa
1,5 gewählt. Dies hat zur Folge, dass der mittlere Zwischendruck,
der im Verbindungselement zwischen dem Niederdruckzylinder einer
ersten Kompressionsstufe und dem Hochdruckzylinder einer zweiten,
nachfolgenden Kompressionsstufe vorliegt, auf einen Wert festgesetzt
wird, der im Wesentlichen zu einer Übereinstimmung der
Kompressions-Endtemperaturen TD,St1 der
ersten Kompressionsstufe und TD,St2 nach
der zweiten Kompressionsstufe führt. Dabei wird für
die Zwischenkühlung von Folgendem ausgegangen:
Für
Nutzfahrzeuganwendungen wird die Zwischenkühlung im erfindungsgemäßen,
zweistufigen Luftverdichter bevorzugt mittels einer Wasserkühlung realisiert,
die in den Kühlwasserstrom der Verbrennungskraftmaschine
eingebunden ist. Typische Temperaturwerte des Kühlwassers
beim Betrieb des Fahrzeugs liegen zwischen 80°C und 100°C,
sodass für eine übliche Dimensionierung der Wärmeüberträgerstruktur
zur Zwischenkühlung im Verbindungselement zwischen dem
Niederdruckzylinder und dem Hochdruckzylinder eine zweite, saugseitige
Temperatur TS,St2 der Hochdruckstufe von
etwa 110°C–130°C resultiert und damit
die erste saugseitige Temperatur TS,St1 auf
der Saugseite der Niederdruckstufe deutlich übersteigt,
die im Wesentlichen auf Umgebungstemperatur liegt. Eine solchermaßen ausgebildete
Zwischenkühlung ist konstruktiv einfach und bauraumsparend,
sodass sie bevorzugt für Nutzfahrzeuge für die
Straße Anwendung findet.
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Ein
erfindungsgemäßer Luftverdichter für
einen Überdruck von 10,5 bar bis 12,5 bar umfasst eine Niederdruckstufe
mit einem Stufendruckverhältnis von 4,5 bis 5 und eine
Hochdruckstufe mit einem Stufendruckverhältnis von 3 bis
3,5. Demnach nehmen die Stufendruckverhältnisse sowohl
der Niederdruckstufe als auch der Hochdruckstufe eines erfindungsgemäßen
Luftverdichters hohe Werte an. Dabei liegt erfindungsgemäß der
Quotient der Stufendruckverhältnisse von Niederdruck- zur
Hochdruckstufe bei einem Wert von 1,3 bis 1,7, bevorzugt 1,4 bis
1,6 und besonders bevorzugt bei etwa 1,5. Folglich kann aufgrund
der Entlastung der Hochdruckstufe auch bei einer begrenzten Zwischenkühlung
die maximale, bei der Kompression auftretende Temperatur erniedrigt werden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Figuren genauer erläutert,
in denen im Einzelnen Folgendes dargestellt ist:
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1 zeigt
den schematischen Aufbau eines zweistufigen Drucklufterzeugers mit
Zwischenkühlung.
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2 zeigt
im p, V-Diagramm einen Vergleich einer einstufigen Komprimierung
im Verhältnis zu einer zweistufigen Komprimierung mit einem
erfindungsgemäß vorteilhaft gewählten
Zwischendruckniveau.
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1 zeigt
symbolisch einen gattungsgemäßen, zweistufig ausgebildeten
Luftverdichter, insbesondere zur Verwendung als Bremsluftverdichter
in einem Fahrzeug. Auf einer ersten Kompressionsstufe 1 wird
mittels eines Niederdruckzylinders 3, umfassend eine erste
Saugseite 4 und eine erste Druckseite 5, Luft
mit der ersten saugseitigen Temperatur TS,St1 und
einem Eingangsdruck von ps auf der ersten Saugseite 4 auf
den mittleren Zwischendruck pz auf der ersten
Druckseite 5 gebracht. Diese Zustandsänderung
erfolgt annähernd isentrop, sodass im p, V-Diagramm die
in 2 gezeigte erste Isentrope 11 bis zur
Temperatur TD,St1 durchlaufen wird. Mit
Abschluss der ersten Kompressionsstufe 1 liegt demnach
bei Ventilöffnung im Niederdruckzylinder 3 die
erste Kompressions-Endtemperatur TD,St1 vor.
Mittels des Zwischenkühlers 9, bevorzugt realisiert
als Teil des Kühlmittelkreislaufs einer separaten Verbrennungskraftmaschine
zum Antrieb des Fahrzeugs, erfolgt im Verbindungselement 10 zwischen
der ersten Kompressionsstufe 1 und der zweiten Kompressionsstufe 2 eine
Temperaturabsenkung auf die zweite, saugseitige Temperatur TS,St2 bei einem annähernd konstant
bleibenden mittleren Zwischendruck pz. Hierzu ist
in 2 eine Isobare 12 auf dem Zwischendruckniveau
pz gezeigt. Davon ausgehend wird auf der zweiten
Kompressionsstufe 2 mittels des Hochdruckzylinders 6 eine
weitere Druckerhöhung auf den Enddruck pD vorgenommen.
Diese Zustandsänderung erfolgt annähernd isentrop
und folgt damit der im p, V-Diagramm gezeigten zweiten Isentrope 13 bis
zur zweiten Kompressions-Endtemperatur TD,St2,
die erfindungsgemäß im Wesentlichen der ersten
Kompressions-Endtemperatur TD,St1 entspricht.
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2 zeigt
schematisch zusätzlich zur voranstehend beschriebenen zweistufigen
Kompression eine einstufige Drucklufterzeugung entlang der ersten
Isentrope 11. Am Ende der Komprimierung wird ebenfalls
der Enddruck pD erreicht, allerdings auf
einem höheren Temperaturniveau TD,1st und
mit einem entsprechend größerem Luftvolumen. Die
in 2 dargestellte Flächendifferenz entspricht
der Ersparnis an technischer Arbeit wt durch
eine zweistufige Kompression mit Zwischenkühlung im Vergleich
zur einstufigen Kompression.
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Zur
Realisierung eines erfindungsgemäßen, zweistufigen
Luftverdichters mit dem Quotienten der mittleren Stufendruckverhältnisse
der Niederdruckstufe pz/ps (erste
Kompressionsstufe 1) und der Hochdruckstufe pD/pz (zweite Kompressionsstufe 2) mit einem
Wert im Bereich von 1,3 bis 1,7, bevorzugt 1,4 bis 1,6 und besonders
bevorzugt bei etwa 1,5 wird als bevorzugtes Intervall für
pz/ps ein Bereich
von 4,5 bis 5 und für pD/pz ein Bereich von 3 bis 3,5 gewählt.
Hieraus folgt, dass die auf der ersten und der zweiten Kompressionsstufe
jeweils entstehenden Kompressions-Endtemperaturen TD,st1 und
TD,st2 möglichst klein sind und
im Wesentlichen miteinander übereinstimmen. Zur Ausführung
der voranstehend genannten, mittleren Stufendruckverhältnisse
werden die Hubräume des Niederdruckzylinders 2 und des
Hochdruckzylinders 6 bevorzugt durch die Wahl unterschiedlicher
Kolbendurchmesser festgelegt.
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- 1
- erste
Kompressionsstufe
- 2
- zweite
Kompressionsstufe
- 3
- Niederdruckzylinder
- 4
- erste
Saugseite
- 5
- erste
Druckseite
- 6
- Hochdruckzylinder
- 7
- zweite
Saugseite
- 8
- zweite
Druckseite
- 9
- Zwischenkühler
- 10
- Verbindungselement
- 11
- erste
Isentrope
- 12
- Isobare
- 13
- zweite
Isentrope
- pD
- Enddruck
- pS
- Eingangsdruck
- pZ
- Zwischendruck
- TD,1st
- Endtemperatur
bei einstufiger Verdichtung
- TD,St1
- erste
Kompressions-Endtemperatur
- TD,St2
- zweite
Kompressions-Endtemperatur
- TS,St1
- erste
saugseitige Temperatur
- TS,St2
- zweite
saugseitige Temperatur
- wt
- Ersparnis
an technischer Arbeit durch zweistufige Verdichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1006112 [0003]
- - DE 19715291 A1 [0006]
- - DE 102005012202 A1 [0007]