DE102010036742A1

DE102010036742A1 - Lufttrockner einer Luftversorgungsanlage

Info

Publication number: DE102010036742A1
Application number: DE102010036742A
Authority: DE
Inventors: Dr. Witala Christian; Dr. Engelhardt Marek; Holger Behrends
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2030-07-30
Also published as: DE102010036742B4

Abstract

Lufttrockner einer Luftversorgungsanlage, der ein Trockenmittel enthält und im Betrieb der Luftversorgungsanlage sowohl im Trocknungsbetrieb als auch periodisch im Regenerationsbetrieb betrieben wird, wobei der Lufttrockner als Teil des Elektromotors und/oder des Kompressors der Luftversorgungsanlage ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lufttrockner einer Luftversorgungsanlage, die einen durch einen Elektromotor angetriebenen Kompressor, Leitungselemente, Ventile, eine Steuerung und gegebenenfalls einen Speicher aufweist und der Lufttrockner ein Trockenmittel, in aller Regel ein Adsorptionstrockenmittel enthält und im Betrieb der Luftversorgungsanlage sowohl im Trocknungsbetrieb als auch im Regenerationsbetrieb betrieben wird.
Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Lufttrockners innerhalb einer Luftversorgungsanlage sowie eine Kraftfahrzeugluftfederung mit einer Luftversorgungsanlage und einem solchen Lufttrockner.
In üblichen Luftversorgungsanlagen für z. B. in Niveauregelsysteme auf Luftfeder Basis stellen vorzugsweise trocken laufende Kompressoren die für den Betrieb erforderlichen Druckdifferenzen bereit. Um das Einfrieren von Systemkomponenten wie Ventilen zu verhindern, muss der Taupunkt der von außen in das System gefüllten Luft abgesenkt werden, die Luft also entfeuchtet werden, d. h. getrocknet werden. Hierfür werden zumeist molekulare Trockner/Trockenmittel eingesetzt.
Zur Trocknung wird der aus der Umgebung in die Luftversorgungsanlage eingefüllten Luft bzw. eingesaugten Luft oder der zur Trocknung der in der Luftversorgungsanlage vorhandenen Luft durch Adsorption die Feuchtigkeit entzogen. Die von außen angesaugte Luft wird durch den Trockner gefördert und gibt dabei einen großen Teil ihrer Feuchtigkeit an das Trockenmittel ab.
Mit der Zeit wird das Trockenmittel mit Wasser gesättigt und kann die beschriebene Trocknungsfunktion nicht mehr oder nur noch bedingt erfüllen. Deshalb muss der Trockner ”regeneriert” werden.
In diesem so genannten „Regenerationsbetrieb” erfolgt durch Desorption eine Regeneration des Trockenmittels, d. h. die Entfeuchtung des Trockenmittels/Trocknungsmittels, bei der der Trockner von trockener Luft aus Luftversorgungsanlage durchströmt wird, die Luft einen Teil der vorher in dem Trocknungsmittel aufgenommen Feuchtigkeit aufnimmt und danach in die Atmosphäre abgelassen wird. Ein solcher Regenerationsbetrieb zur Entfeuchtung des Trockenmittels wird periodisch betrieben.
Damit das Trockenmittel Wasser aufnehmen und abgeben kann müssen beim Ablassen im Trockner geeignete physikalische Randbedingungen vorherrschen. Die wichtigsten Regenerationsarten für Trockenmittel sind die „kalte” Druckregeneration und die Warmregeneration oder Wärmeregeneration.
Heute wird in Luftversorgungsanlagen für PKW im wesentlichen die Druckregeneration eingesetzt: Hierbei wird das Wasser der angesaugten Umgebungsluft bei hohem Luftdruck entzogen, bei der Regeneration herrscht im Trockenmittel ein wesentlich geringerer Druck vor. So kann dieselbe Luft, die vom Trockner bei Systembefüllung getrocknet wurde das Trocknungsmittel beim Ablassen wieder trocknen. Bei Niveauregelsystemen mit geschlossener Luftversorgung muss allerdings ein Teil der von außen angesaugten Luft gleich wieder zwecks Trocknerregeneration entlüftet werden, dies ist der sogenannte Regenerationsanteil.
Bei der Wärmeregeneration wird der Feuchtigkeitsgehalt eines Trockenmittels reduziert, indem dieses einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird.
Ein Einsatz der Wärmeregeneration in Luftversorgungssystemen für Luftfederungsanlagen in Fahrzeugen ist ebenfalls bereits bekannt. Hierzu offenbart die US 3,784,220 ein Luftfedersystem für ein Fahrzeug, bei der die Luftversorgung u. a. einen Trockner aufweist, der im Wesentlichen aus einer Trocknerpatrone mit eingeschlossenem Trocknungsmittel besteht.
Das Trocknungsmittel wird zur Trocknung und zur Regeneration der Luft im System im Vor- und Gegenstrom durchströmt. Die Adsorption, d. h. die Trocknung der aus der Umgebung in das System eingesaugten Luft erfolgt dabei bei einer niedrigen Temperatur, während die Desorption, d. h. die Regeneration des Trocknungsmittels bei einer erhöhten Temperatur des Trocknungsmittels durchgeführt wird.
Hierzu ist die Trocknerpatrone in der Nähe einer Fahrzeugkomponente angeordnet, die beim Start des Fahrzeugs eine niedrige Temperatur ausweist und sich während des Betriebs erwärmt. Sinnvollerweise ist der Fahrzeugmotor eine solche Fahrzeugkomponente. Dadurch erwärmt sich auch die Trocknerpatrone mit dem eingeschlossenem Trocknungsmittel.
Das Luftfedersystem ist dabei so ausgelegt, dass beim Start des Fahrzeugs die Trocknung der Systemluft bei niedriger Temperatur erfolgt, während des nachfolgenden Betriebs der Trockner nicht mehr durchströmt wird und nach Ausschalten des Fahrzeugs die Regeneration des nun durch die Motorwärme aufgeheizten Trocknungsmittels erfolgt.
Nachteilig hierbei ist es zum einen, dass keine Trocknung während des Betriebes erfolgt und dass die Konstruktion des Luftfedersystem kompliziert wird, da bei Anordnung des Trockners in Motornähe längere Zuleitungen erforderlich sind, zusätzliche Möglichkeiten von Leckagen entstehen und sich die Luftmenge im System vergrößert.
Für die Erfindung bestand daher die Aufgabe, einen Lufttrockner bereitzustellen, bei dem ein periodischer Regenerationsbetrieb mit einem durch Wärme zusätzlich aktivierten Trocknungsmittel erfolgen kann, wobei der Trockner in der Luftversorgungsanlage integriert ist, keine aufwendige Konstruktion erfordert und einfach in jeder Anwendung genutzt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
Dabei ist der Lufttrockner als Teil des Elektromotors und/oder des Kompressors der Luftversorgungsanlage ausgebildet.
In einer Luftversorgungsanlage entsteht Wärme im Wesentlichen als Verdichtungswärme oder in Form von Abwärme des elektrischen Antriebsmotors. Diese Wärmearten werden erfindungsgemäß zur Unterstützung der Trocknerregeneration genutzt, indem eine direkte Wärmekopplung zwischen dem Trockner bzw. dem Trockenmittel und den Wärmequellen in der Luftversorgungsanlage hergestellt wird. Das dadurch erwärmte Trockenmittel gibt das aufgenommene Wasser besser ab als bei Umgebungstemperatur und die Effektivität der Trocknerregeneration steigt. In der Folge wird weniger Regenerationsluftmenge für Systeme mit geschlossener Luftversorgung benötigt und der Trockner offener Systeme wird besser regeneriert.
Die Erfindung verbessert die Trocknerregeneration also dadurch, dass eine besonders tiefe Absenkung des Taupunktes erreicht wird und damit eine besonders geringe Neigung zum Einfrieren, dass eine Verringerung der Regenerationsluftmenge und damit einer Erhöhung der Systemverfügbarkeit für Regelungen erreicht wird und dass durch eine Verringerung der Kompressorlaufzeit eine Erhöhung der Energieeffizienz/Lebensdauer des Systems ermöglicht wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass der Lufttrockner als Gehäuse oder Gehäuseteil des Elektromotors und/oder des Kompressors ausgebildet ist, wobei eine besonders vorteilhafte Ausbildung im Hinblick auf eine kompakte und einfache Bauweise darin besteht, dass der Lufttrockner den Elektromotor und/oder den Kompressor der Luftversorgungsanlage mindestens teilweise als hohlzylinderförmiges Gehäuse oder Gehäuseteil umgibt. Damit wird die Abwärme des Motors und oder des Kompressors bestmöglich genutzt und das Gehäuse auf das Trocknungsmittel übertragen.
Beim Elektromotor wird hier am besten das Rohr für das Trocknungsmittel konzentrisch um das Gehäuse-Rohr des Motors angeordnet. Eine entsprechende vorteilhafte Ausbildung für einen Kompressor besteht darin, dass der Lufttrockner als doppelwandiger Zylinder eines Hubkolbenkompressor ausgebildet ist. Auch hier wird das Rohr für das Trocknungsmittel konzentrisch um das Zylinder-Rohr des Kompressors angeordnet und der entstehende Zwischenraum mit Trocknungsmittel gefüllt.
Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Steuerung eines erfindungsgemäßen Lufttrockners innerhalb einer Luftversorgungsanlage, welche mit einer Steuerung versehen ist, in der die Temperaturen des Elektromotors und/oder des Kompressors mit Temperaturmodellen berechnet werden, besteht darin, dass die Temperatur des Trockenmittels ebenfalls durch ein Temperaturmodell berechnet wird, welches den Wärmeübergang zwischen Elektromotor und/oder Kompressor und dem Trockner berücksichtigt. Bei dem Begriff „Temperaturmodell” im Sinne der Anmeldung handelt es sich um ein Rechenmodell, mit dem unter Verwendung von Parametern wie Vor- und Gegendruck am Kompressor, Geometrie- und Bauteilausbildungen, Kühlung durch Fahrtwind, Batteriespannung, Umgebungsdruck etc. der Temperaturanstieg bzw. die Temperaturabnahme der Luft im Kompressor oder die Temperatur des Elektromotors berechnet werden kann, ohne einen Sensor oder Temperaturfühler an den Aggregaten anzubringen. Dehnt man erfindungsgemäß dieses Verfahren auf die Bestimmung/Berechnung der Temperatur des Trocknungsmittels/Trockenmittels aus, so können die Parameter für einen anstehenden Regenerationszyklus, wie z. B. die Regenerationsluftmenge, auf einfachste Weise und sicher festgelegt werden.
Dabei wird je nach Ausführung entweder die Motorabwärme mit einem geeigneten Motor-Temperaturmodell ermittelt oder die Verdichter-Abwärme/Kompressor-Abwärme mit einem geeigneten Verdichter-Temperaturmodell. Diese Temperaturmodelle werden, wie dargestellt, ergänzt um den Wärmeübergang auf das Trockenmittel. So ist eine gute Abschätzung der Temperatur des Trockenmittels möglich.
Besonders geeignet ist eine Luftversorgungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Lufttrockner, insbesondere bei eine erfindungsgemäßen Steuerung über Temperaturmodelle, für eine Kraftfahrzeugluftfederung, da hier eine kompakte Bauweise und eine sicherer wartungsfreier Betrieb einen besonders hohen Stellenwert haben.
Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
1 einen erfindungsgemäßen Lufttrockner in Form eines den Elektromotor einer Luftversorgungsanlage umgebenden hohlzylinderförmigen Gehäuses
2 einen erfindungsgemäßen Lufttrockner, der als doppelwandiger Zylinder eines Hubkolbenkompressor ausgebildet ist.
Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Lufttrockner 1, bei dem die Abwärme des Elektromotors 2 einer im weiteren u. a. aus Kompressor 3, Kurbelgehäuse 4 und Ventileinheit 5 bestehenden kompakten Luftversorgungseinheit 6 genutzt und über ein den Elektromotor 2 der Luftversorgungsanlage umgebendes hohlzylinderförmiges Gehäuse 7 auf das in dem hohlzylindrischen Gehäuse befindliche Trocknungsmittel übertragen. Das hohlzylindrischen Gehäuse 7 für das Trocknungsmittel ist konzentrisch um das den Motor umschließende „Motorrohr” angeordnet und das Trockenmittel zwischen Motorrohr und Trockenmittel Rohr eingefüllt. Der Weg der Luft durch den Trockner/Lufttrockner ist mit einem Pfeil 8 grob skizzert.
Die Abwärme des Motors erwärmt das Trockenmittel, da dieses direkten Kontakt zum Motorrohr hat. Das Ablassen der Luft zwecks Trocknerregeneration wird bevorzugt bei warmem Motor durchgeführt. Dann gibt das Trockenmittel die in ihm gelöste Feuchtigkeit besonders gut ab und wird besonders gut getrocknet. Auch hier wird das Ansaugen von Außenluft bevorzugt bei hohem Druck im Trockenmittel und niedriger Temperatur durchgeführt und das Ablassen aus System bevorzugt bei niedrigem Druck im Trockenmittel und hoher Temperatur.
Die meiste im Luftversorgungsaggregat anfallende Abwärme ist Verdichtungswärme. Deshalb ist eine thermische Kopplung zwischen Kolbenkopf bzw. Zylinder eines Hubkolbenkompressor und Trockenmittel besonders wünschenswert.
2 zeigt daher ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem ein erfindungsgemäßer Lufttrockner 9 als doppelwandiges zylindrisches Gehäuse 10 eines Hubkolbenkompressor 11 ausgebildet ist und für thermische Kopplung zwischen Verdichterkopf und Trocknungsmittel sorgt.
Der Weg der Luft ist mit 12 eingezeichnet. Das Trockenmittel ist um den Verdichterkopf im zylindrischen Gehäuse enthalten. Zur Regeneration des Trockenmittels wird abzulassende Luft entlang des Weges 12 durch das erwärmte Trockenmittel geführt.
Weitere Möglichkeiten der Kopplung des Trockenmittels an die Motorabwärmebestehen darin, dass das Trockenmittel innerhalb des Motorrohrs in die radialen Lücken zwischen die Motormagnete gefüllt wird. Das Trockenmittel in Schüttgutform wird dann durch eine Wandung vom rotierenden Anker getrennt. Mit dieser Anordnung wird die Wärme des Motors besonders gut auf das Trockenmittel übertragen.
Auch eine Verrippung der Bereiche mit Trockenmittel optimiert die Übertragung sowohl von Motor- wie auch von Verdichterwärme auf das Trockenmittel.
Bezugszeichenliste

1: Lufttrockner
2: Elektromotor
3: Kompressor
4: Kurbelgehäuse
5: Ventileinheit
6: Luftversorgungseinheit
7: Hohlzylinderförmiges Gehäuse
8: Weg der Regenerationsluft
9: Lufttrockner
10: Doppelwandiges zylindrisches Gehäuse
11: Hubkolbenkompressor
12: Weg der Regenerationsluft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 3784220 [0010]

Claims

Lufttrockner (1, 9) einer Luftversorgungsanlage, die einen durch einen Elektromotor (2) angetriebenen Kompressor (3, 11), Leitungselemente, Ventile, eine Steuerung und gegebenenfalls einen Speicher aufweist, wobei der Lufttrockner ein Trockenmittel enthält und im Betrieb der Luftversorgungsanlage – sowohl im Trocknungsbetrieb zur Trocknung der aus der Umgebung in die Luftversorgungsanlage eingefüllten Luft oder zur Trocknung der in der Luftversorgungsanlage vorhandenen Luft betrieben wird, – als auch periodisch im Regenerationsbetrieb zur Entfeuchtung des Trockenmittels betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Lufttrockner (1, 9) als Teil des Elektromotors (2) und/oder des Kompressors (3, 11) der Luftversorgungsanlage ausgebildet ist.
Lufttrockner nach Anspruch 1, ausgebildet als Gehäuse oder Gehäuseteil des Elektromotors (2) und/oder des Kompressors (3, 11).
Lufttrockner nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Lufttrockner (1) den Elektromotor (2) und/oder den Kompressor (3, 11) der Luftversorgungsanlage mindestens teilweise als hohlzylinderförmiges Gehäuse oder Gehäuseteil (7, 10) umgibt.
Lufttrockner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Lufttrockner (9) als doppelwandiger Zylinder (10) eines Hubkolbenkompressor (11) ausgebildet ist.
Verfahren zur Steuerung eines Lufttrockners nach einem der Ansprüche 1 bis 4 innerhalb einer Luftversorgungsanlage, welche mit einer Steuerung versehen ist, in der die Temperaturen des Elektromotors und/oder des Kompressors mit Temperaturmodellen berechnet werden, wobei die Temperatur des Trockenmittels ebenfalls durch ein Temperaturmodell berechnet wird, welches den Wärmeübergang zwischen Elektromotor und/oder Kompressor und dem Trockner berücksichtigt.
Kraftfahrzeugluftfederung mit einer Luftversorgungsanlage und einem Lufttrockner nach einem der Ansprüche 1 bis 4.