DE102017120000A1 - Low-vibration multistage reciprocating compressor, in particular for rail vehicles - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Kolbenkompressor, insbesondere für Schienenfahrzeuge, mit einer Niederdruckstufe und mindestens einer darauffolgenden Hochdruckstufe zum mehrstufigen Komprimieren von angesaugter Luft, wofür eine Antriebseinheit (1) zur Erzeugung einer Drehbewegung eine nachgeschaltete Verdichtereinheit (2) antreibt, welche mehrere an einem Verdichtergehäuse (6) zur Unterbringung einer Kurbelwelle (11) angeordnete topfartige Nieder- oder Hochdruckzylinder (7a, 7b, 8a, 8b) für innenliegende Kolben (12) aufweist, wobei die über die Antriebseinheit (1) angetriebene Kurbelwelle (11) eine Drehbewegung über mehrere auf mindestens einer Kröpfung angeordnete Pleuel (13) in eine lineare Bewegung für je einen zugeordneten Kolben (11) zum Komprimieren der Luft umwandelt, wobei eine gerade Anzahl von Nieder- und Hochdruckzylindern (7a, 7b, 8a, 8b) sternförmig am Verdichtergehäuse (6) angeordnet ist, wobei jeweils ein Hochdruckzylinder (7a ; 7b) einem Niederdruckzylinder (8a ; 8b) auf derselben Längsachse (A bzw. B) gegenübersteht, und jedem mit einem Kolben (12) versehenen Pleuel (13) eine eigene Kröpfung (14a bis 14d) der Kurbelwelle (11) zugeordet ist.

Figure DE102017120000A1_0000
The invention relates to a multistage reciprocating compressor, in particular for rail vehicles, having a low-pressure stage and at least one subsequent high-pressure stage for multistage compression of sucked air, for which a drive unit (1) drives a downstream compressor unit (2) to produce a rotational movement. 6) for accommodating a crankshaft (11) arranged cup-shaped low or high pressure cylinder (7a, 7b, 8a, 8b) for internal piston (12), wherein via the drive unit (1) driven crankshaft (11) has a rotational movement over a plurality of at least one crank arranged connecting rod (13) in a linear movement for each associated piston (11) for compressing the air, wherein an even number of low and high pressure cylinders (7a, 7b, 8a, 8b) in a star shape on the compressor housing (6) is arranged, wherein in each case a high-pressure cylinder (7a, 7b) a Niederdruckz ylinder (8a; 8b) facing on the same longitudinal axis (A or B), and each with a piston (12) provided with connecting rod (13) has its own offset (14a to 14d) of the crankshaft (11) is assigned.
Figure DE102017120000A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Kolbenkompressor, insbesondere für Schienenfahrzeuge, mit einer Niederdruckstufe und mindestens einer darauffolgenden Hochdruckstufe zum mehrstufigen Komprimieren von angesaugter Luft, wobei eine Antriebseinheit zur Erzeugung einer Drehbewegung eine nachgeschaltete Verdichtereinheit antreibt, welche mehrere an einem Verdichtergehäuse zur Unterbringung einer Kurbelwelle angeordnete topfartige Zylinder für innenliegende Kolben aufweist, wobei die über die Antriebseinheit angetriebene Kurbelwelle eine Drehbewegung über mehrere auf mindestens einer Kröpfung angeordnete Pleuel in eine lineare Bewegung für je einen zugeordneten Kolben zum Komprimieren der Luft umwandelt, wobei ferner eine gerade Anzahl von Nieder- und Hochdruckzylindern sternförmig am Verdichtergehäuse angeordnet ist.The invention relates to a multi-stage piston compressor, in particular for rail vehicles, with a low-pressure stage and at least one subsequent high-pressure stage for compressing intake air in multiple stages, wherein a drive unit for generating a rotational movement drives a downstream compressor unit which comprises a plurality of cup-shaped cylinders arranged on a compressor housing for accommodating a crankshaft for internal piston, wherein the driven via the drive unit crankshaft converts a rotational movement over a plurality of arranged on at least one crank connecting rod in a linear movement for each associated piston for compressing the air, further comprising an even number of low and high pressure cylinders in a star shape on the compressor housing is arranged.

Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf den Fahrzeugbau, insbesondere den Schienenfahrzeugbau. Schienenfahrzeuge sind in der Regel mit Druckluftverbrauchern, wie insbesondere einer druckluftbetriebenen Bremse, ausgestattet, was einen Kompressor zur Erzeugung der benötigten Druckluft erforderlich macht. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung interessierenden Kolbenkompressoren sind dabei meist mehrstufig ausgeführt und besitzen insoweit eine Niederdruckstufe und mindestens eine darauffolgende Hochdruckstufe, um die aus der Umgebung angesaugte Luft durch mehrstufige Kompression auf das gewünschte Druckniveau zu bringen.The field of application of the invention extends primarily to vehicle construction, in particular rail vehicle construction. Rail vehicles are usually equipped with compressed air consumers, such as in particular a compressed air-operated brake, which makes a compressor required to generate the required compressed air. The reciprocating compressors of interest in the context of the present invention are usually designed in multiple stages and thus have a low-pressure stage and at least one subsequent high-pressure stage in order to bring the air drawn in from the environment through multistage compression to the desired pressure level.

Durch eine Fortentwicklung der elektrischen Umrichtertechnik sind vermehrt Kolbenkompressoren gebräuchlich, deren elektrische Antriebseinheit drehzahlgeregelt betrieben wird, um die Druckluft bedarfsgerecht - also mit variabler Förderleistung - zu erzeugen. So kann beispielsweise in Betriebssituationen mit niedrigem Druckluftbedarf die Drehzahl des Kompressors und damit auch dessen Schallabstrahlung auf ein Minimum reduziert werden.Due to a further development of the electrical converter technology reciprocating compressors are increasingly used, the electric drive unit is operated speed controlled in order to generate the compressed air needs - ie with variable capacity. Thus, for example, in operating situations with low compressed air demand, the speed of the compressor and thus its sound radiation can be reduced to a minimum.

Zudem bietet der Einsatz von Kolbenkompressoren im Schienenfahrzeugbau gegenüber ebenfalls gebräuchlichen Rotationsverdichtern eine Reihe von technischen Vorteilen. Durch die Einführung ölfreier Kolbenkompressoren hat sich ein Trend weg von Rotationsverdichtern und hin zu robusten Kolbenkompressoren entwickelt. Allerdings verursacht die Überschneidung dieses Trends mit dem Trend in Richtung drehzahlgeregelter Drucklufterzeugung neue Probleme hinsichtlich auftretender Vibrationen, welche den Fahrkomfort beeinträchtigen können. Denn Kolbenmaschinen erzeugen - hervorgerufen durch die oszillierenden Massen am Kurbeltrieb - bauartbedingt Massenkräfte und -momente, welche sich je nach gewählter Bauform zumindest in der 1. Ordnung gut ausgleichen lassen. Dabei sinkt die Größe der freien Massenkräfte und -momente bei sinkender Drehzahl entsprechend.In addition, the use of reciprocating compressors in rail vehicle construction also offers a number of technical advantages over conventional rotary compressors. The introduction of oil-free reciprocating compressors has developed a trend away from rotary compressors and towards robust reciprocating compressors. However, the overlap of this trend with the trend towards variable speed compressed air generation causes new problems with regard to vibrations that occur, which can affect the ride comfort. For piston engines generate - caused by the oscillating masses on the crank mechanism - due to design inertial forces and moments, which can be compensated well depending on the selected design, at least in the 1st order. The size of the free mass forces and moments decreases correspondingly as the speed decreases.

Größere Probleme treten allerdings hinsichtlich Schwingungserregungen auf, die aus den Verdichtungskräften resultieren, insbesondere beim Einsatz von zweistufigen Kolbenverdichtern der hier vorzugsweise interessierenden Art. Denn die Zweistufigkeit der Verdichtung erzeugt bei den meisten Bauformen von Kolbenkompressoren ein in besonderem Maße ungleichförmiges Drehmoment. Dieses ungleichförmige Drehmoment aus der Verdichtung wirkt als Pendelmoment um die Kompressordrehachse und erzeugt somit Vibrationen an den Befestigungsstellen des Kompressors, was zu einer Beeinträchtigung des Fahrkomforts führt. Diese verdichtungsbedingten ungleichförmigen Drehmomente sinken nicht bei fallender Drehzahl, sondern können bei entsprechender Massenverteilung sogar ansteigen und dazu führen, dass bei niedriger Drehzahl Resonanzen der elastischen Befestigungsstellen angeregt und sogar überhöht werden. Versuche haben ergeben, dass sich besonders schädlich bei diesen verdichtungsbedingten ungleichförmigen Drehmomenten die Anteile 1. Ordnung auswirken, welche durch Druckspitzen bei einer Umdrehung einmal wirken.Larger problems, however, occur with respect to vibration excitations, resulting from the compression forces, especially when using two-stage reciprocating compressors of interest here kind. Because the two-stage compaction generated in most types of reciprocating compressors a particularly uneven torque. This non-uniform torque from the compression acts as a pendulum moment about the compressor rotational axis and thus generates vibrations at the attachment points of the compressor, resulting in a deterioration of ride comfort. These compression-related nonuniform torques do not decrease with falling speed, but can even increase with appropriate mass distribution and cause resonances of the elastic attachment points are excited and even exaggerated at low speed. Experiments have shown that particularly harmful in these compression-related non-uniform torques shares 1 , Order, which act once by pressure peaks in one revolution.

Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik gehen Bauformen von Kolbenverdichtern hervor, bei denen das Schwingungsverhalten im Bereich höherer Drehzahlen stark verbessert ist, weil der Anteil der 1. Ordnung bei dem aus den Verdichtungskräften resultierenden Momenten stark reduziert wird. Allerdings ist ein Moment 1. Ordnung immer noch vorhanden und wirkt sich bei niedrigen Drehzahlen nach wie vor schädlich auf das Schwingungsverhalten aus.From the well-known state of the art, designs of reciprocating compressors emerge in which the vibration behavior is greatly improved in the region of higher rotational speeds because the fraction of the first order is greatly reduced at the moments resulting from the compression forces. However, that's a moment 1 , Order still exists and affects at low speeds still harmful to the vibration behavior.

Die DE 100 58 924 A1 offenbart einen mehrstufigen Kolbenkompressor, dessen Schwingungsverhalten kein Moment 1. Ordnung mehr beinhaltet. Hierbei sind auf jeder Kröpfung der Kurbelwelle zwei Pleuel angeordnet, welche gegenüberliegenden Kolben zugeordnet sind, wobei benachbarte Kröpfungen im Wesentlichen 180° zueinander versetzt angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich eine Reihenanordnung von Nieder- und Hochdruckzylindern, wobei die beiden einander gegenüberliegenden Zylinderreihen eine Art Boxeranordnung bilden. Durch diese boxerartige Reihenanordnung von Nieder- und Hochdruckzylindern ist eine luftgekühlte Bauweise, wie diese im Schienenfahrzeugbau üblich ist, allerdings nicht mehr effizient umsetzbar. Außerdem erfordert diese spezielle Bauform für eine mehrstufige schwingungsarme Verdichtung mindestens sechs Zylinder, was zu einem recht hohen Herstellungsaufwand führt.The DE 100 58 924 A1 discloses a multi-stage reciprocating compressor whose vibration behavior is not a moment 1 , Order includes more. In this case, two connecting rods are arranged on each crank of the crankshaft, which are assigned to opposite pistons, wherein adjacent cranks are arranged offset substantially 180 ° to each other. This results in a series arrangement of low and high pressure cylinders, the two opposite rows of cylinders form a kind of boxer arrangement. By this boxer-like arrangement of low and high pressure cylinders, however, an air-cooled construction, as is customary in rail vehicle construction, but no longer efficiently implemented. In addition, this special design for a multi-stage low-vibration compression requires at least six cylinders, which leads to a fairly high production cost.

Die WO 2015/172144 A1 offenbart eine Art Sternbauform für einen mehrstufigen Kolbenverdichter, der als besonders laufruhig beschrieben wird. Das Verdichtergehäuse ist im Grundquerschnitt fünfeckig, wobei eine untere Seitenfläche Befestigungsmittel zum Anbau an eine Trägerstruktur aufweist. Den anderen vier Seitenflächen ist je ein Hoch- oder Niederdruckzylinder zugeordnet. Hierdurch entsteht eine ungleichachsige Zylinderanordnung, da jeder Zylinder eine eigene Längsachse aufweist, welche im Winkelversatz zu den Längsachsen der übrigen Zylinder steht. The WO 2015/172144 A1 discloses a kind of star design for a multi-stage reciprocating compressor, which is described as particularly smooth running. The compressor housing is pentagonal in the basic cross section, wherein a lower side surface fastening means for attachment to a support structure. The other four side surfaces are each assigned a high or low pressure cylinder. This results in an unequal-axis cylinder arrangement, since each cylinder has its own longitudinal axis, which is at an angle offset to the longitudinal axes of the remaining cylinders.

Ferner liegen bei dieser vorbekannten Bauform alle Pleuel auf derselben umlaufenden Kröpfung der Kurbelwelle. Somit bilden alle vier Kurbeltriebe dieses mehrstufigen Kolbenkompressors eine umlaufende Unwucht, welche sich dynamisch schwer ausgleichen lässt. Außerdem ergibt sich im Drehkraftdiagramm ein verbleibender Anteil 1. Ordnung. Wie bereits vorstehend erläutert, verschlechtern insbesondere Anteile 1. Ordnung das Schwingungsverhalten und haben einen negativen Einfluss auf die elektrische Antriebseinheit in Form von Drehschwingungen und Drehungleichförmigkeiten. Dies führt bei der elektrischen Antriebseinheit zu einer erhöhten Stromaufnahme, harmonischen Anteilen im elektrischen Strom und einem reduzierten Leistungsfaktor mit hoher thermischer Belastung der elektrischen Antriebseinheit.Further, in this prior art design all connecting rods are on the same circumferential crank of the crankshaft. Thus, all four crank mechanisms of this multi-stage piston compressor form a circulating unbalance, which is difficult to compensate dynamically. In addition, results in the torque diagram, a remaining proportion 1 , Order. As already explained above, shares in particular deteriorate 1 , Order the vibration behavior and have a negative impact on the electric drive unit in the form of torsional vibrations and rotational irregularities. This results in the electric drive unit to an increased power consumption, harmonic components in the electric current and a reduced power factor with high thermal load of the electric drive unit.

Darüber hinaus weist die Sternbauform dieses vorbekannten mehrstufigen Kolbenkompressors im Vergleich zum vorstehend diskutierten Stand der Technik mit Boxerbauform eine recht große Bauhöhe auf, so dass dieser sternförmige mehrstufige Kolbenkompressor nur bedingt für einen Unterflureinbau im Schienenfahrzeug geeignet ist.In addition, the star design of this previously known multi-stage piston compressor in comparison to the prior art discussed with boxer design a fairly large height, so that this star-shaped multi-stage piston compressor is only partially suitable for underfloor installation in the rail vehicle.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen für den Schienenfahrzeugbau geeigneten mehrstufigen Kolbenkompressor zu schaffen, welcher sich durch ein minimales Schwingungsverhalten, eine geringe Bauhöhe sowie eine einfache Kühlbarkeit per Luftstrom auszeichnet.It is the object of the present invention to provide a suitable for rail vehicle multi-stage piston compressor, which is characterized by a minimal vibration behavior, low height and easy cooling by air flow.

Die Aufgabe wird ausgehend von einem mehrstufigen Kolbenkompressor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.The object is achieved on the basis of a multi-stage reciprocating compressor according to the preamble of claim 1 in conjunction with its characterizing features. The following dependent claims give advantageous developments of the invention.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass bei einem mehrstufigen Kolbenkompressor in Sternbauform jeweils ein Niederdruckzylinder einem Hochdruckzylinder auf derselben Längsachse gegenübersteht und jedem mit einem Kolben versehenen Pleuel eine eigene Kröpfung der Kurbelwelle zugeordnet ist, welche derart winkelversetzt zu zumindest einer benachbarten Kröpfung angeordnet ist, dass die Kurbelwelle in eine Position bringbar ist, in welcher einer der Hochdruckzylinder in der oberen Totpunktstellung ist, während der andere Hochdruckzylinder in der unteren Totpunktstellung ist, und wobei gleichzeitig ein Niederdruckzylinder in der oberen Totpunktstellung ist, während der andere Niederdruckzylinder in der unteren Totpunktstellung ist.The invention includes the technical teaching that in a multi-stage reciprocating compressor in star design each a low-pressure cylinder facing a high-pressure cylinder on the same longitudinal axis and each piston provided with a piston own crank of the crankshaft is assigned, which is so angularly offset to at least one adjacent Kröpfung arranged the crankshaft can be brought into a position in which one of the high pressure cylinders is in the top dead center position while the other high pressure cylinder is in the bottom dead center position and at the same time a low pressure cylinder is in the top dead center position while the other low pressure cylinder is in the bottom dead center position ,

Es verdichten also nicht alle Kolben gleichzeitig, sondern jeweils die vorzugsweise beiden Niederdruckkolben um 180° versetzt und die vorzugsweise beiden Hochdruckkolben um 180° versetzt zueinander. Durch die erfindungsgemäße Lösung entsteht eine Verdichtungsfolge, die zu dem Ergebnis führt, dass jedes Ereignis einer Verdichtung in Bezug auf eine Umdrehung der gesamten Verdichtereinheit zweimal vorkommt, das aus den Gaskräften resultierende Drehmoment ist dabei frei von Anteilen 1. und 3. Ordnung. Dies ermöglicht den Betrieb eines mehrstufigen Kolbenkompressors im Bereich niedrigster Drehzahlen ohne störende Schwingungsüberhöhungen.So not all the pistons compress at the same time, but in each case the preferably two low-pressure pistons are offset by 180 ° and the two high-pressure pistons are offset by 180 ° relative to one another. The solution according to the invention results in a compression sequence which leads to the result that each event of a compression occurs twice with respect to one revolution of the entire compressor unit, the torque resulting from the gas forces being free of portions 1 , and 3rd order. This allows the operation of a multi-stage piston compressor in the range of lowest speeds without disturbing vibration peaks.

Die demgegenüber bei herkömmlichen Kolbenkompressoren vorhandenen Drehungleichförmigkeiten werden durch die elektrische Antriebseinheit sogar noch zusätzlich verstärkt, weil die Reaktion der Antriebseinheit auf eine Lastspitze phasenversetzt zu einem Zeitpunkt erfolgt, in welchem der Momentbedarf des Kolbenkompressors niedriger ist. Die daraus resultierenden verstärkten Drehzahlschwankungen über eine Umdrehung können bei herkömmlichen zweistufigen Kolbenkompressoren bis zu ±14% betragen. Dieser Effekt kann bisher nur durch den Einsatz großer Schwungmassen reduziert werden. Durch die demgegenüber erfindungsgemäß starke Reduzierung des Anteils 1. Ordnung im Lastmoment wird dieser Effekt reduziert. Die Drehungleichförmigkeit wird verringert, so dass auch die Stromaufnahme der elektrischen Antriebseinheit sinkt. Der Leistungsfaktor erhöht sich dementsprechend beträchtlich, so dass Bedingungen erreicht werden, die einem annähernd konstanten Momentenbedarf (Nennlastbedingungen) entsprechen. Dies hat zur Folge, dass elektrische Antriebseinheiten nicht mehr überdimensioniert werden müssen, sondern entsprechend dem Leistungsbedarf des Kolbenkompressors ausgelegt werden können.The existing in conventional reciprocating compressors rotational irregularities are even further enhanced by the electric drive unit, because the reaction of the drive unit to a load peak out of phase takes place at a time in which the torque requirement of the reciprocating compressor is lower. The resulting increased speed variations over one revolution can be up to ± 14% in conventional two-stage reciprocating compressors. So far, this effect can only be reduced by using large flywheel masses. By contrast, according to the invention strong reduction of the proportion 1 , Order in the load moment this effect is reduced. The rotational nonuniformity is reduced, so that the current consumption of the electric drive unit also decreases. Accordingly, the power factor increases considerably, so that conditions are reached that correspond to an approximately constant torque requirement (rated load conditions). This has the consequence that electric drive units no longer need to be oversized, but can be designed according to the power requirement of the reciprocating compressor.

Diese Auswirkungen der erfindungsgemäßen Lösung bilden die Voraussetzung dafür, dass als elektrische Antriebseinheit vorzugsweise ein Synchronreluktanzmotor eingesetzt werden kann, bei dem der Läufer über eine recht geringe Masse verfügt. Außerdem ist ein solcher Synchronreluktanzmotor auch bei niedrigen Drehzahlen mit hohem Moment betreibbar. Eine variable Drehzahl kann mittels vorgeschaltetem Umrichter zwischen 15 Hz und 80 Hz geregelt werden.These effects of the solution according to the invention form the precondition for the fact that preferably a synchronous reluctance motor can be used as the electric drive unit, in which the rotor has a fairly low mass. In addition, such a synchronous reluctance motor is operable even at low speeds with high torque. A variable speed can be regulated between 15 Hz and 80 Hz by means of an upstream inverter.

Da bei der erfindungsgemäßen Lösung auf zusätzliche Schwungmassen weitestgehend verzichtet werden kann, außer zum Unwuchtausgleich, kann der Läufer des Synchronreluktanzmotors direkt auf dem Kurbelwellenende der Verdichtereinheit und der Stator des Motors direkt am Verdichtergehäuse befestigt werden. Hierdurch entsteht eine besonders kompakte Bauform. Since in the inventive solution can be largely dispensed with additional centrifugal masses, except for unbalance compensation, the rotor of the synchronous reluctance motor can be mounted directly on the crankshaft end of the compressor unit and the stator of the motor directly to the compressor housing. This creates a particularly compact design.

Gemäß einer weiteren die Erfindung hinsichtlich der Kompaktheit verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Längsachsen von Nieder- und Hochdruckzylindern sternförmig mit einem Winkel α zur Horizontalen H von 25° +/-10° angeordnet sind. Hierdurch ist eine platzsparende Anordnung des mehrstufigen Kolbenkompressors im Unterflurbereich eines Schienenfahrzeuges möglich, bei dem die Einbausituation insbesondere hinsichtlich der Einbauhöhe beschränkt ist. Die Anordnung der Zylinder in dem angegebenen Winkelstellungsbereich gewährleistet eine weitestgehend flache Bauweise des mehrstufigen Kolbenkompressors. Vorzugsweise sind die Hochdruckzylinder unterhalb der Horizontalen H und die Niederdruckzylinder oberhalb der Horizontalen H positioniert. Bei dieser Anordnung kann Kondensat, welches sich bei ungünstigen Verhältnissen in der Hochdruckstufe bilden kann, an der Zylinderwandung ablaufen. Außerdem kann die von den Niederdruckzylindern erzeugte Wärme nach oben hin aufsteigen und abgeführt werden. Bei einer bevorzugten vierzylindrigen Ausführungsform der Verdichtereinheit kommen zwei Hochdruckzylinder sowie zwei Niederdruckzylinder zum Einsatz.According to a further improvement of the invention in terms of compactness measure is proposed that the longitudinal axes of low and high pressure cylinders in a star shape at an angle α to the horizontal H of 25 ° +/- 10 ° are arranged. As a result, a space-saving arrangement of the multi-stage piston compressor in the underfloor area of a rail vehicle is possible, in which the installation situation is limited in particular with regard to the installation height. The arrangement of the cylinder in the specified angular range ensures a largely flat design of the multi-stage piston compressor. Preferably, the high-pressure cylinders are below the horizontal H and the low pressure cylinders above the horizontal H positioned. In this arrangement, condensate, which can form in unfavorable conditions in the high-pressure stage, run on the cylinder wall. In addition, the heat generated by the low-pressure cylinders can rise upwards and be dissipated. In a preferred four-cylinder embodiment of the compressor unit, two high-pressure cylinders and two low-pressure cylinders are used.

Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Pleuel und/oder die Kolben der Hochdruckstufe aus einem Material - vorzugsweise Metall - gefertigt sind, das gegenüber den Pleuel und/oder den Kolben der Niederdruckstufe ein höheres spezifisches Gewicht aufweist. Zusätzlich können die Pleuel der Niederdruckstufe länger als die Pleuel der Hochdruckstufe ausgebildet werden und der Schwerpunkt der Pleuel der Niederdruckseite sollte kolbennäher als der Schwerpunkt der Pleuel der Hochdruckstufe liegen. Vorzugsweise sind die Pleuel der Niederdruckstufe um mindestens den Faktor 1,1 länger als die Pleuel der Hochdruckstufe. Insgesamt ergibt sich durch diese konstruktiven Maßnahmen eine schwingungsarme Masseverteilung.According to a further measure improving the invention, it is proposed that the connecting rods and / or the pistons of the high-pressure stage are made of a material, preferably metal, which has a higher specific weight compared to the connecting rods and / or the pistons of the low-pressure stage. In addition, the connecting rods of the low-pressure stage can be made longer than the connecting rods of the high-pressure stage and the center of gravity of the connecting rod of the low-pressure side should be closer to the piston than the center of gravity of the connecting rod of the high-pressure stage. The connecting rods of the low-pressure stage are preferably at least 1.1 times longer than the connecting rods of the high-pressure stage. Overall, results from these constructive measures a low-vibration mass distribution.

Sollte dennoch ein geringfügiger Massenausgleich der Kurbeltriebe, beispielsweise zur Behebung von Unwuchten, erforderlich sein, so reicht es aus, dass an den betreffenden Pleuel Zusatzmassen angebracht werden. Hierdurch braucht der Massenausgleich nicht an der Kurbelwelle vorgenommen werden.If, however, a slight mass balance of the crank mechanisms, for example, to remedy imbalances, be required, it is sufficient that additional masses are attached to the relevant connecting rod. As a result, the mass balance does not need to be made on the crankshaft.

Durch die vorstehend erläuterten Maßnahmen lassen sich die Kurbeltriebe der zweistufigen Verdichtereinheit derart ausführen, dass der Anteil der 1. Ordnung im Drehkraftdiagramm einen Wert von kleiner 10% des Anteils der 2. Ordnung beträgt. Da der erfindungsgemäße mehrstufige Kolbenkompressor insoweit nur Schwingungen in höheren Ordnungen erzeugt, kann eine relativ steife Lagerung an einer Trägerstruktur des Fahrzeuges eingesetzt werden, die dennoch eine hinreichende Schwingungsisolation bietet.By the measures described above, the crank mechanisms of the two-stage compressor unit can be carried out such that the proportion of 1 , Order in torque chart a value of less than 10% of the proportion of 2 , Order is. Since the multi-stage reciprocating compressor according to the invention only generates vibrations in higher orders insofar, a relatively stiff bearing can be used on a support structure of the vehicle, which nevertheless offers sufficient vibration isolation.

Die sternförmige Zylinderanordnung des erfindungsgemäßen mehrstufigen Kolbenkompressors bietet die Voraussetzung dafür, dass alle Zylinder von einem Axiallüfter mit Kühlluft versorgt werden können. Eine Windschattensituation wird also vermieden. Dabei befindet sich die Ebene, durch welche jeweils zwei benachbarte Zylinder - insbesondere Hoch- und Niederdruckzylinder - gehen, senkrecht zur Strömungsrichtung der vom Axiallüfter erzeugten Kühlluft. Bei Bedarf können am Verdichtergehäuse zusätzliche Luftleitbleche angeordnet werden, welche die Kühlluft gleichmäßig in Richtung der Rippen der Zylinder leiten.The star-shaped cylinder arrangement of the multi-stage piston compressor according to the invention provides the prerequisite for the fact that all cylinders can be supplied with cooling air by an axial fan. A wind shadow situation is thus avoided. In this case, there is the plane through which two adjacent cylinders - in particular high and low pressure cylinder - go, perpendicular to the flow direction of the cooling air generated by the axial fan. If required, additional air baffles can be arranged on the compressor housing, which guide the cooling air uniformly in the direction of the ribs of the cylinders.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

  • 1 zeigt eine perspektivische Außenansicht eines mehrstufigen Kolbenkompressors in 4-Zylinderbauform,
  • 2 zeigt eine stirnseitige Ansicht des mehrstufigen Kolbenkompressors nach 1,
  • 3 zeigt eine teilweise aufgebrochene Draufsicht des mehrstufigen Kolbenkompressors nach 1,
  • 4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Kurbelwelle der Verdichtereinheit dieses Kolbenkompressors,
  • 5 zeigt eine grafische Darstellung des Momentenverlaufs an der Kurbelwelle, und
  • 6 zeigt eine Fourier-Analyse der Lastmomente aus der grafischen Darstellung gemäß 5.
Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of a preferred embodiment of the invention with reference to FIGS.
  • 1 shows an external perspective view of a multi-stage piston compressor in 4-cylinder design,
  • 2 shows an end view of the multi-stage piston compressor after 1 .
  • 3 shows a partially broken plan view of the multi-stage piston compressor after 1 .
  • 4 shows a perspective view of a crankshaft of the compressor unit of this reciprocating compressor,
  • 5 shows a graphical representation of the torque curve on the crankshaft, and
  • 6 shows a Fourier analysis of the load moments from the graph according to 5 ,

Nach 1 besteht der mehrstufige Kolbenkompressor im Wesentlichen aus einer Antriebseinheit 1, welche hier als elektrischer Synchronreluktanzmotor ausgebildet ist. Die Antriebseinheit 1 erzeugt eine Drehbewegung zum Antrieb einer direkt hieran angeflanschten Verdichtereinheit 2, welche über eine Niederdruckstufe und eine darauffolgende Hochdruckstufe zum mehrstufigen Komprimieren von aus der Umgebung angesaugter Luft verfügt. Für die Kühlung der bei der Kompressionsarbeit entstehenden Wärme sorgt eine Kühlereinheit 3 mit stirnseitig an der Verdichtereinheit 2 positioniertem Axiallüfter 4. Der mehrstufige Kolbenkompressor ist über elastische Befestigungsmittel 5a an der Verdichtereinheit 2 sowie Befestigungsmittel 5b an der elektrischen Antriebseinheit 1 an einer - nicht weiter dargestellten - Trägerstruktur eines Fahrzeugs befestigt.To 1 consists of the multi-stage piston compressor essentially of a drive unit 1 , which is designed here as a synchronous electrical reluctance motor. The drive unit 1 generates a rotational movement to drive a compressor unit directly flanged thereto 2 , which has a low-pressure stage and a subsequent high-pressure stage for multi-stage compression of air sucked from the environment. For the Cooling of the heat generated during compression work is ensured by a cooler unit 3 with end face on the compressor unit 2 positioned axial fan 4 , The multi-stage piston compressor is about elastic fasteners 5a at the compressor unit 2 as well as fasteners 5b on the electric drive unit 1 attached to a - not shown - support structure of a vehicle.

Die Verdichtereinheit 2 weist ein Verdichtergehäuse 6 auf, an welchem sternförmig mehrere topfartige größere Niederdruckzylinder 8a (exemplarisch) sowie kleinere Hochdruckzylinder 7a und 7b angeordnet sind. Es handelt sich hier um einen mehrstufigen Kolbenkompressor in 4-Zylinderbauform.The compressor unit 2 has a compressor housing 6 on which star shaped several cup-shaped larger low pressure cylinder 8a (exemplary) as well as smaller high-pressure cylinders 7a and 7b are arranged. This is a multi-stage reciprocating compressor in 4-cylinder design.

Aus der in 2 ersichtlichen Stirnseitenansicht geht die erfindungsgemäß sternförmige Anordnung der Hochdruckzylinder 7a, 7b in Kombination mit den Niederdruckzylindern 8a, 8b am Verdichtergehäuse 6 hervor. Dementsprechend steht auf einer Längsachse A ein Hochdruckzylinder 7a einem Niederdruckzylinder 8b gegenüber. Auf der anderen Längsachse B steht ein Hochdruckzylinder 7b einem Niederdruckzylinder 8a gegenüber. Die Längsachsen A und B von Nieder- und Hochdruckzylindern 7a, 7b, 8a, 8b sind sternförmig mit einem Winkel α zur Horizontalen H von hier 25° angeordnet. Die beiden Niederdruckzylinder 8a und 8b der 4-Zylinderanordnung sind oberhalb der Horizontalen H angeordnet, wogegen die beiden Hochdruckzylinder 7a und 7b unterhalb der Horizontalen H angeordnet sind.From the in 2 apparent end view is the invention star-shaped arrangement of high-pressure cylinder 7a . 7b in combination with the low-pressure cylinders 8a . 8b on the compressor housing 6 out. Accordingly stands on a longitudinal axis A a high pressure cylinder 7a a low-pressure cylinder 8b across from. On the other longitudinal axis B is a high pressure cylinder 7b a low-pressure cylinder 8a across from. The longitudinal axes A and B of low and high pressure cylinders 7a . 7b . 8a . 8b are star-shaped with an angle α to the horizontal H arranged from here 25 °. The two low pressure cylinders 8a and 8b of the 4 Cylinder arrangement are above the horizontal H arranged, whereas the two high pressure cylinder 7a and 7b below the horizontal H are arranged.

Das Verdichtergehäuse 6 weist einen hexagonalen Grundquerschnitt auf, wobei sowohl der linksseitige Niederdruckzylinder 8a und der linksseitige Hochdruckzylinder 7a an zueinander benachbarten Seitenflächen 9a und 9a' des Verdichtergehäuses 6 angeordnet sind. Gegenüberliegend sind spiegelsymmetrisch hierzu der rechtsseitige Niederdruckzylinder 8b und der rechtsseitige Hochdruckzylinder 7b an benachbarten Seitenflächen 9b sowie 9b' angeordnet. Eine hiervon verschiedene untere Seitenfläche 10 dient der Anordnung der - nicht weiter dargestellten - Befestigungsmittel 5a am hexagonalen Verdichtergehäuse 6.The compressor housing 6 has a hexagonal base cross-section, wherein both the left-side low-pressure cylinder 8a and the left-side high-pressure cylinder 7a at mutually adjacent side surfaces 9a and 9a ' of the compressor housing 6 are arranged. Opposite are mirror-symmetrical to this the right-side low pressure cylinder 8b and the right side high pressure cylinder 7b on adjacent side surfaces 9b such as 9b ' arranged. A different bottom side surface 10 serves the arrangement of - not shown - fastener 5a on the hexagonal compressor housing 6 ,

Gemäß 3 dient das Verdichtergehäuse 6 der Verdichtereinheit 2 der Unterbringung einer Kurbelwelle 11 zum Antrieb der verschiedenen jeweils aus Kolben 12, 12' und Pleuel 13, 13' (exemplarisch) bestehenden Kurbeltriebe der Hoch- bzw. Niederdruckstufe.According to 3 serves the compressor housing 6 the compressor unit 2 the accommodation of a crankshaft 11 for driving the different each from pistons 12 . 12 ' and connecting rods 13 . 13 ' (exemplary) existing crank drives the high and low pressure stage.

Nach 4 ist bei der Kurbelwelle 11 jedem Kurbeltrieb eine eigene Kröpfung 14a bis 14d zugeordnet, welche gegenüber der benachbarten Kröpfung, beispielsweise 14a zu 14b, um einen Winkel β von 30° winkelversetzt zueinander angeordnet sind. Dieser Winkelversatz besteht zwischen allen benachbarten Kröpfungen 14a bis 14d. Hierdurch ist die Kurbelwelle 11 in eine Position bringbar, in welche jeder der vier Kolben 12 (exemplarisch) gleichzeitig die untere Totpunktstellung einnimmt.To 4 is at the crankshaft 11 Each crankshaft has its own crank 14a to 14d associated, which with respect to the adjacent crank, for example 14a to 14b to an angle β are arranged at an angle of 30 ° to each other. This angular offset exists between all adjacent cranks 14a to 14d , This is the crankshaft 11 in a position, in which each of the four pistons 12 (exemplary) simultaneously assumes the bottom dead center position.

Aus dem in 5 dargestellten Momentenverlauf im Bereich des Drehwinkels γ einer Umdrehung geht das Moment MG aus Gaskräften, das Moment Mm aus Massenkräften sowie das Summenmoment MS aus Massen- und Gaskräften hervor. Die Verdichtungsfolge des zweistufigen Kolbenverdichters wird erfindungsgemäß so gewählt, dass jedes Ereignis innerhalb einer Umdrehung zweimal erfolgt, und so der Anteil 1. Ordnung im Drehkraftdiagramm gegen 0 geht.From the in 5 illustrated torque curve in the range of the angle of rotation γ one turn is the moment M G from gas forces, the moment M m from inertial forces as well as the sum moment M s from mass and gas forces. The compression sequence of the two-stage reciprocating compressor is inventively chosen so that each event occurs twice within a revolution, and so the proportion 1 , Order in torque chart against 0 goes.

Wie aus der Fourier-Analyse des Lastmoments nach 6 hervorgeht, beträgt der Anteil 1. Ordnung 0, der Anteil 2. Ordnung 27 Nm, der Anteil 3. Ordnung 0 und der Anteil 4. Ordnung 15 Nm.As from the Fourier analysis of the load torque 6 the proportion is 1 , order 0 , the amount 2 , order 27 Nm, the proportion 3 , order 0 and the share 4 , order 15 Nm.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel. Es sind auch Abwandlungen hiervon denkbar, die unter den Schutzbereich der nachfolgenen Ansprüche fallen. So ist es beispielsweise auch möglich, dass eine Bauart mit mehr als 4 Zylindern, beispielsweise mit 6 oder 8 Zylindern, zum Einsatz kommt.The invention is not limited to the embodiment described above. There are also modifications thereof are conceivable, which fall within the scope of the following claims. For example, it is also possible that a design with more than 4 cylinders, for example with 6 or 8 cylinders, is used.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Antriebseinheitdrive unit
22
Verdichtereinheitcompressor unit
33
Kühlereinheitcooler unit
44
AxiallüfterAxial
55
Befestigungsmittelfastener
66
Verdichtergehäusecompressor housing
77
HochdruckzylinderHigh pressure cylinder
88th
NiederdruckzylinderLow-pressure cylinder
99
seitliche Seitenflächelateral side surface
1010
untere Seitenflächelower side surface
1111
Kurbelwellecrankshaft
1212
Kolbenpiston
1313
Pleuelpleuel
1414
Kröpfung cranking
AA
erste Längsachsefirst longitudinal axis
BB
zweite Längsachsesecond longitudinal axis
HH
Horizontalehorizontal
αα
HorizontalwinkelHorizontal angle
ββ
Kröpfungswinkeloffset angle
γ γ
Winkelstellung KurbelwelleAngular position crankshaft
MM
Drehmomenttorque
ff
Frequenzfrequency

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (12)

Mehrstufiger Kolbenkompressor, insbesondere für Schienenfahrzeuge, mit einer Niederdruckstufe und mindestens einer darauffolgenden Hochdruckstufe zum mehrstufigen Komprimieren von angesaugter Luft, wofür eine Antriebseinheit (1) zur Erzeugung einer Drehbewegung eine nachgeschaltete Verdichtereinheit (2) antreibt, welche mehrere an einem Verdichtergehäuse (6) zur Unterbringung einer Kurbelwelle (11) angeordnete topfartige Nieder- oder Hochdruckzylinder (7a, 7b, 8a, 8b) für innenliegende Kolben (12) aufweist, wobei die über die Antriebseinheit (1) angetriebene Kurbelwelle (11) eine Drehbewegung über mehrere auf mindestens einer Kröpfung angeordnete Pleuel (13) in eine lineare Bewegung für je einen zugeordneten Kolben (11) zum Komprimieren der Luft umwandelt, wobei eine gerade Anzahl von Nieder- und Hochdruckzylindern (7a, 7b, 8a, 8b) sternförmig am Verdichtergehäuse (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass - jeweils ein Hochdruckzylinder (7a ; 7b) einem Niederdruckzylinder (8a ; 8b) auf derselben Längsachse (A bzw. B) gegenübersteht, und - jedem mit einem Kolben (12) versehenen Pleuel (13) eine eigene Kröpfung (14a bis 14d) der Kurbelwelle (11) zugeordet ist, welche derart winkelversetzt zu mindestens einer benachbarten Kröpfung (14a bis 14d) angeordnet ist, dass - die Kurbelwelle (11) in eine Position bringbar ist, in welcher einer der Hochdruckzylinder (7a ; 7b) in der oberen Totpunktstellung ist, während der andere Hochdruckzylinder (7b ; 7a) in der unteren Totpunktstellung ist, wobei gleichzeitig ein Niederdruckzylinder (8a ; 8b) in der oberen Totpunktstellung ist, während der andere Niederdruckzylinder (8b ; 8a) in der unteren Totpunktstellung ist.Multi-stage reciprocating compressor, in particular for rail vehicles, with a low-pressure stage and at least one subsequent high-pressure stage for compressing sucked air in multiple stages, for which a drive unit (1) for generating a rotary movement drives a downstream compressor unit (2), which several to a compressor housing (6) for housing a cup-shaped low or high pressure cylinder (7a, 7b, 8a, 8b) arranged for crankshaft (11) for internal pistons (12), wherein via the drive unit (1) driven crankshaft (11) arranged a rotational movement over a plurality of at least one crank Connecting rod (13) in a linear movement for each associated piston (11) for compressing the air, wherein an even number of low and high pressure cylinders (7a, 7b, 8a, 8b) is arranged in a star shape on the compressor housing (6), characterized in that - one high-pressure cylinder (7a, 7b) in each case corresponds to a low-pressure cylinder ends (8a; 8b) facing on the same longitudinal axis (A or B), and - each with a piston (12) provided connecting rod (13) own crank (14a to 14d) of the crankshaft (11) is assigned, which is so angularly offset from at least one adjacent Cranking (14a to 14d) is arranged, that - the crankshaft (11) is brought into a position in which one of the high pressure cylinder (7a, 7b) is in the top dead center position, while the other high pressure cylinder (7b, 7a) in the lower Is dead center position with a low pressure cylinder (8a; 8b) being in the top dead center position while the other low pressure cylinder (8b; 8a) is in the bottom dead center position. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen (A; B) von Nieder- und Hochdruckzylindern (7a, 7b, 8a, 8b) sternförmig mit einem Winkel (a) zur Horizontalen (H) von 25° ±10° angeordnet sind.Multi-stage piston compressor after Claim 1 , characterized in that the longitudinal axes (A; B) of low and high pressure cylinders (7a, 7b, 8a, 8b) are arranged in a star shape at an angle (a) to the horizontal (H) of 25 ° ± 10 °. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 1 oder2, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckzylinder (8a, 8b) oberhalb der Horizontalen (H) und die Hochdruckzylinder (7a, 7b) unterhalb der Horizontalen (H) angeordnet sind.Multi-stage piston compressor after Claim 1 or2, characterized in that the low pressure cylinder (8a, 8b) above the horizontal (H) and the high pressure cylinder (7a, 7b) below the horizontal (H) are arranged. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine vierzylindrige Ausführung der Verdichtereinheit (2) aus zwei Niederdruckzylindern (8a, 8b) sowie zwei Hochdruckzylindern (7a, 7b) besteht.Multi-stage piston compressor after Claim 2 or 3 , characterized in that a four-cylinder embodiment of the compressor unit (2) consists of two low-pressure cylinders (8a, 8b) and two high-pressure cylinders (7a, 7b). Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (1) als ein elektrischer Synchronreluktanzmotor ausgebildet ist.Multi-stage piston compressor after Claim 1 , characterized in that the drive unit (1) is designed as a synchronous electrical reluctance motor. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuel (13') und/oder die Kolben (12') der Hochdruckstufe aus einem Material gefertigt sind, das gegenüber den Pleuel (13) und/oder den Kolben (12) der Niederdruckstufe ein höheres spezifisches Gewicht aufweist.Multi-stage piston compressor after Claim 1 , characterized in that the connecting rods (13 ') and / or the pistons (12') of the high pressure stage are made of a material which has a higher specific gravity relative to the connecting rods (13) and / or the pistons (12) of the low pressure stage , Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuel (13) der Niederdruckstufe länger als die Pleuel (13') der Hochdruckstufe ausgebildet sind.Multi-stage piston compressor after Claim 1 , characterized in that the connecting rods (13) of the low-pressure stage are designed to be longer than the connecting rods (13 ') of the high-pressure stage. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerpunkt der Pleuel (13) der Niederdruckstufe kolbennäher als der Schwerpunkt der Pleuel (13') der Hochdruckstufe liegt.Multi-stage piston compressor after Claim 7 , characterized in that the center of gravity of the connecting rod (13) of the low-pressure stage is closer to the piston than the center of gravity of the connecting rod (13 ') of the high-pressure stage. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Massenausgleich der Kurbeltriebe über nur an mindestens einem Pleuel (13 ; 13') anbringbare Zusatzmassen erfolgt.Multi-stage piston compressor after Claim 1 , characterized in that a mass balance of the crank mechanisms via only at at least one connecting rod (13, 13 ') attachable additional masses takes place. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder aus Kolben (12) und Pleuel (13) bestehender Kurbeltrieb der zweistufigen Verdichtereinheit (2) derart ausgeführt ist, dass der Anteil der 1. Ordnung im Drehkraftdiagramm einen Wert von kleiner als 10% des Anteils der 2. Ordnung beträgt.Multi-stage reciprocating compressor according to one of the preceding claims, characterized in that each of the piston (12) and connecting rod (13) existing crank mechanism of the two-stage compressor unit (2) is designed such that the proportion of the 1st order in the torque diagram has a value of less than 10 % of the 2nd order share. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse (6) einen hexagonalen Grundquerschnitt aufweist.Multi-stage piston compressor according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor housing (6) has a hexagonal basic cross-section. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vierzylindrigen Ausführung der Verdichtereinheit (2) ein Niederdruckzylinder (8a; 8b) und ein Hochdruckzylinder (7a; 7b) an zueinander benachbarten Seitenflächen (9a, 9a' ; 9b, 9b') des hexagonalen Verdichtergehäuses (6) angeordnet sind, wobei zumindest an einer hiervon verschiedenen unteren Seitenfläche (10) Befestigungsmittel (5a) der Verdichtereinheit (2) angeordnet sind.Multi-stage piston compressor after Claim 11 characterized in that in a four-cylinder embodiment of the compressor unit (2) a low-pressure cylinder (8a; 8b) and a high-pressure cylinder (7a; 7b) on mutually adjacent side surfaces (9a, 9a ', 9b, 9b') of the hexagonal compressor housing (6) are arranged, wherein at least one of these different lower side surface (10) fastening means (5a) of the compressor unit (2) are arranged.
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