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Die Erfindung betrifft einen Kompressor mit einem Auslassventil, wobei das Ventil ein Ventilgehäuse aufweist, das im Gehäuse des Kompressors eingebaut ist, und einen Ventilkolben, der mindestens eine Feder enthält und beweglich im Ventilgehäuse gelagert ist, sowie einen Ventilsitz.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kompressors mit einem Ventil.
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Stand der Technik
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Bei Kompressoren in Fahrzeugen wird oft eine Riemenscheibe zum Antrieb genutzt, die sich auch dann weiterdreht, wenn der Kompressor ausgeschaltet ist. Durch die Einsparung einer Kupplung wird dadurch in einem Taumelscheibenverdichter bei einem sehr kleinen Kippwinkel des Schwenkringes oder der Schrägscheibe immer noch ein kleiner Kältemittelmassenstrom, sowie Öl gefördert. Dieser Massenstrom soll intern im Kreis gefördert werden und nicht in den Kältekreislauf gelangen. Dies ist notwendig, um bei ausgeschaltetem Verdichter ungewollte Kälteleistung und Ölaustrag zu verhindern. Dadurch wird gewährleistet, dass der Verdampfer nicht vereist und das Öl im Kompressor verbleibt.
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Diese Aufgaben des Abdichtens übernimmt das sogenannte Discharge Check-Valve (DCV), indem es bei abgeschaltetem Kompressor den Auslasskanal zuverlässig schließt. Zum anderen muss das Ventil bei Kälteleistungsanforderung an den Kompressor zuverlässig öffnen und den Kältemittelmassenstrom durchlassen.
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Aus der
DE2211415A1 ist bekannt, dass ein Ventil in den Einlass- oder Auslasskanal eines Kompressors eingebaut wird, wobei eine kegelstumpfförmige Dichtfläche, die einen vom Ventilkörper weg gerichtete Schrägung aufweist. Zusätzlich wird die Dichtfläche von einer Lippe unterstützt, so dass der Ventilsitz sicher und dichtend anliegt.
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Allerdings lässt der Aufbau des Kompressors es nicht zu, dass ein geringer Massenstrom bei abgeschaltetem Kompressor intern im Kreis geführt wird.
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Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch, dass das Ventil im Betrieb auch bei geringen Massenströmen nicht intermittierend schließt und öffnet. Dies führt zu unerwünschter Geräuschentwicklung, was in dieser Ausführung nicht unterdrückt ist.
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Einen Kompressor mit einem DCV wird in der
EP1059446A2 beschrieben. Das Ventil besitzt eine ringförmige Flächendichtung mit einer Auslassöffnung, die als dreieckige Aussparung ausgestaltet ist, um einen positiven Einfluss auf das Strömungsverhalten des Gases und die Druckunterschiede zu erzielen. Allerdings ist die Flächendichtung nicht optimal.
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US 6354811 B1 zeigt ein Ventil bestehend aus einem Sitzventilteil V1 ausgangsseitig, einem daran angeschlossenen Eingangsventil V2 und einer elektrisch aktivierbaren Einheit V3, die einen Kolben bewegt. Der gesamte Aufbau ist als Steuerung für einen Kompressor ausgelegt, wobei alle Ventilanteile zusammen als Sitzventil und als Schieberventil agieren, aber nicht nur hydraulisch gesteuert sind, sondern einen elektrischen Aktuator aufweisen.
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Aus der
US6668801 B2 ist ein elektrisch kontrolliertes Einspritzventil bekannt, bei dem ein Einlass-Ventil mit einer Feder vorgespannt ist und Öffnungen aufweist, die mit dem Einlass verbunden sind. Dieses Ventil hat keinerlei dichtende Wirkung und keine kegelige Kolbenspitze. Zudem ist das Schiebeventil kein Sitzventil und in Kombination mit weiteren Ventilen sowie dem elektrischen Aktuator zu sehen.
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Aus der
US 6074175 A ist ein Sitzventil mit kegeligem Ventilkörper bekannt, der auf einer parallelen Dichtfläche dichtend aufsitzt, wobei eine Flächendichtung erzielt wird.
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Es ist daher Aufgabe Erfindung eine Anordnung mit einem Ventil für den Auslass oder Einlass eines Kompressors herzustellen, das eine optimierte Abdichtung ermöglicht und kontrolliert geöffnet und geschlossen werden kann, sodass Geräusche minimiert sind.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einem Kompressor mit einem Auslassventil, wobei das Ventil ein Ventilgehäuse aufweist, das im Gehäuse des Kompressors eingebaut ist, und einen Ventilkolben, der mindestens eine Feder enthält und beweglich im Ventilgehäuse gelagert ist, sowie einen Ventilsitz, wobei der Ventilkolben an seiner Kolbenspitze außen kegelig geformt ist und gegen eine ebenfalls kegelig geformte Fläche des Ventilsitzes anpressbar ist.
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Die Funktion eines Sitzventils wird durch die beiden kegeligen Flächen optimiert.
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Es ist dabei besonders vorteilhaft, dass die Flanken der jeweiligen kegeligen Flächen unterschiedliche Steigungen aufweisen und so eine ringförmige Dichtkante, bevorzugt am inneren Durchmesser dichtend, entsteht.
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Vorteilhafterweise weist das Ventil sowohl die Funktion eines Sitzventiles als auch eines Schieberventil auf.
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Um die Funktion des Schieberventils darzustellen und ein schlagartiges Öffnen des Ventils zu erreichen, sind die Auslässe des Ventils in axialer Richtung versetzt eingebracht, so dass zunächst ein Druckpolster auf einem größeren als dem Dichtdurchmesser des Sitzventils entsteht und somit den Ventilkolben schlagartig in den Endanschlag bewegt. Zur Findung eines stabilen Arbeitspunktes sind kreisrunde oder ovale Öffnungen versetzt im Ventilgehäuse eingebracht wobei die Öffnungen unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Dadurch ist ein sehr gezieltes und kontrolliertes Anfahren eines dem geförderten Massenstrom angemessenen Öffnungsquerschnitts möglich, so dass sich keine Schwingung ergibt.
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Es ist von Vorteil, dass die Öffnungen radial in einem Winkelbereich von 90 bis 180 Grad zueinander angeordnet sind.
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Um eine saubere definierte Offenstellung des Ventils zu gewährleisten wird ein Druckabfall über das Ventil eingestellt.
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Dabei ist der Druckabfall im Ventil von einem Federweg bei geöffnetem Ventil und der Federsteifigkeit der Feder, sowie eventuellen Strömungsverlusten im Ventil bestimmt.
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Beim Betrieb mit kleiner Leistung werden nur die Öffnungen mit dem kleinen Durchmesser vom Ventilkolben freigegeben.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung des beispielhaften Ventils geschlossen, mit einer Ausschnittsvergrößerung der Dichtkante,
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2 zeigt das Ventil geöffnet und als dreidimensionale Darstellung von außen,
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3 zeigt ein Detail des Ventilraums
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1 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ventil
1. Ein solches Ventil, beispielsweise wie in der
EP1059446A2 1 beschrieben, ist auslassseitig des Kompressors in einer Ausnehmung des Kompressorgehäuses eingebaut. Das Ventil verschließt den Kompressorausgang.
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Ein Ventilgehäuse 4 ist als Zylinder ausgestaltet, in dem ein Ventilkolben 2 geführt ist. Innerhalb des Ventilkolbens 2 ist eine Feder 3, beispielsweise in der Form einer Spiralfeder angebracht, die sich endseitig an einer Kolbenspitze innen 8a und an einer Ventilführung 5 abstützt. Die Ventilführung 5 weist eine Öffnung 6 auf und kann auch Teil des Ventilgehäuses sein. Die Öffnung 6 in der Ventilführung 5 hat zunächst nur die Aufgabe, den Zusammenbau des Ventiles zu vereinfachen. Sie kann auch wegfallen und die Ventilführung wird als geschlossener Zylinder ausgebildet. Eine Kolbenspitze außen 8 befindet sich in der Schließstellung des Ventils nach 1 in Kontakt mit einem Ventilsitz 9, der auch vom Ventilgehäuse 4 gebildet ist.
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Der Ventilkolben 2 wird durch die Federkraft der Feder 3 in den Ventilsitz 9 gedrückt. Der Ventilsitz 9 ist in der Detaildarstellung vergrößert dargestellt und ist ebenfalls konisch ausgebildet. Der Ventilkolben 2 besitzt dabei eine kegelige Kolbenspitze außen 8, deren Steigung S2 größer ist als die Steigung S1 der konischen Anlage im Ventilsitz 9. Durch den Kegelsitz mit zwei unterschiedlichen Steigungen wird nicht eine Dichtfläche sondern eine definierte Dichtkante geschaffen. Dadurch entsteht eine wesentlich bessere Abdichtung.
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Am Einlass 7 des Ventils herrscht ein Druck pAuslass intern, der dem Ausgangsdruck des Kompressors entspricht. Am Ventilkörper außen und über Bohrungen auch im zylindrischen Innenraum des Ventils herrscht ein Druck pSystem vor.
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Bei drehender Welle fördert der Kompressor im ausgeschalteten Zustand einen kleinen Volumenstrom in einem internen Kreislauf. Da dieser Volumenstrom über mehrere interne Drosseln geführt wird, liegt der interne Auslassdruck des Kompressors pAuslass intern minimal über dem Systemdruck pSystem. Durch die klar definierte Dichtkante gilt im ausgeschalteten Zustand die einfache Gleichung: FAuslass intern = pAuslass intern·A1 < FFeder 1 + Ak·pSystem (1) mit
- FAuslass intern
- als Kraft auf die Dichtkante
- A1
- Querschnitt des Auslasskanals 7
- FFeder
- Federkraft
- Ak
- Querschnitt des Ventilkolbens 2
- pSystem
- Systemdruck
- pAuslass intern
- interner Auslassdruck.
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Obwohl der Systemdruck pSystem kleiner als der interne Auslassdruck pAuslass intern ist, wird das Ventil 1 aufgrund der zusätzlichen Federkraft FFeder und aufgrund der größeren Fläche Ak, auf die der Systemdruck pSystem wirkt zuverlässig geschlossen. Das Ventil erfüllt die Aufgabe eines Sitzventils, bei dem die Anschlüsse durch Aufsetzen oder Abheben eines abdichtenden Elements verbunden oder getrennt werden.
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Beim Einschalten des Kompressors soll das Ventil 1 zuverlässig geöffnet werden und offen bleiben. Das Ventil 1 sorgt durch eine seine Bauweise für einen größeren Kolbenhub des Kompressors und infolgedessen für einen höheren Massenstrom. Da dieser Massenstrom beim internen Umlauf einen größeren Druckabfall erzeugt, entsteht vor dem geschlossenen Ventil 1 im Bereich des Einlasses 7 ein Staudruck. Solange das Ventil noch durch die Federkraft geschlossen ist, erhöht sich dieser Staudruck und trägt dazu bei, den Schwenkwinkel und damit den Kolbenhub im eigentlichen Kompressor weiter zu vergrößern.
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Somit steigt der interne Auslassdruck des Kompressors weiter an, bis folgende Gleichung erfüllt ist: FAuslass intern = pAuslass intern·A1 > FFeder 1 + Ak·pSystem (2)
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In 2 ist das Ventil 1 in einem geöffneten Zustand dargestellt. Auf der rechten Seite ist der Ventilkörper 2 mit Auslassöffnungen 11 dargestellt. Die Auslassöffnungen 11 sind kreisrunde Ausnehmungen unterschiedlichen Durchmessers.
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Im Ausführungsbeispiel ist eine erste Öffnung mit einem kleinen Durchmesser im Abstand h von einer zweiten Öffnung mit größerem Durchmesser angeordnet. Auf dem Umfang des zylindrischen Ventilkörpers sind die beiden Öffnungen 11 unter einem Winkelabstand von 90 bis 180 Grad angeordnet.
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Unmittelbar nachdem sich der Ventilkolben 2 minimal vom Ventilsitz 9 abgehoben hat, greift der interne Auslassdruck pAuslass intern unter der gesamten Kolbenfläche im Inneren des Ventilkolbens an, siehe 3. Es gilt: FAuslass intern = pAuslass intern·Ak > FFeder 2 + Ak·pSystem (3)
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Dadurch dass unmittelbar nach dem Abheben des Ventilkolbens 2 vom Ventilsitz 9 noch keine Öffnung 11 für den Volumenstrom durchströmbar ist und diese erst später während des Öffnungsvorgangs als Abstrom dienen, ist ein sehr gut definierter Öffnungsvorgang und ein höherer Verstärkungseffekt, der das Ventil sicher öffnet, hergestellt, ohne dass zu viel bleibender Druckabfall entsteht. Damit wird der Verstärkungseffekt gegenüber einem Ventil mit ringförmiger Flächendichtung wesentlich verbessert. Für den Verstärkungseffekt gilt: FZusatz = (pAuslass intern – pSystem)·ARing (3) Mit ARing Ringfläche als Dichtfläche im Falle eines flächigen Dichtsitzes
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Die beschrieben Vorgänge laufen vor dem Öffnen des Ventils und unmittelbar nach dem Öffnen des Ventils 1 ab. Nach dem Öffnungsvorgang stellt sich ein bleibender Druckabfall über das Ventil ein, der deutlich unter dem Öffnungsdruck liegt.
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Für das geöffnete Ventil 1 wie in 2 dargestellt, ergibt sich dann folgender Zusammenhang zwischen dem Auslassdruck und dem hochdruckseitigen Systemdruck: pAuslass intern = pSystem + ΔpDruckabfall (4)
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Der bleibender Druckabfall ergibt sich durch reibungsbehaftete Strömung des Mediums durch Einlass- und Auslassbohrungen, dem Einlass 7 und den Öffnungen 11 des Ventils. Für einen „Schwebezustand” des Ventilkolbens gilt: pAuslass = pSystem + cFeder·s2 Feder (5) oder mit (4) ΔpDruckabfall = cFeder·s2 Feder (6) wobei
S1feder der Federweg bei geschlossenen Ventil und s2 Feder der Federweg bei geöffnetem Ventil darstellt. C ist die Federsteifigkeit.
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Dieser Druckabfall ist zwar energetisch nicht sinnvoll, muss aber ausreichend hoch sein, um das Ventil zuverlässig im geöffneten Zustand zu halten. Um dies zu gewährleisten muss folgende Gleichung erfüllt werden: 0 < Fsitz = ΔpDruckabfall – cFeder·s2 Feder (7)
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Um also den Druckabfall möglichst niedrig zu halten, muss eine Feder 3 mit möglichst niedriger Federsteifigkeit c gewählt werden.
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Damit erfüllt das Ventil die Funktion eines Schieberventils, bei dem die Anschlüsse durch ein gleitendes Element miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventil
- 2
- Ventilkolben
- 3
- Feder
- 4
- Ventilgehäuse
- 5
- Ventilführung
- 6
- Öffnung
- 7
- Einlass
- 8
- Kolbenspitze aussen
- 8a
- Kolbenspitze innen
- 9
- Ventilsitz
- 10
- Dichtkante
- 11
- Öffnungen
- S1, S2
- Steigungen
- h
- Abstand
- D1, D2
- Durchmesser
