DE102018129747A1

DE102018129747A1 - Hubkolbenkompressor einer Druckluftversorgungsanlage

Info

Publication number: DE102018129747A1
Application number: DE102018129747.5A
Authority: DE
Inventors: Eugen Kloos
Original assignee: Wabco Europe BVBA
Current assignee: ZF CV Systems Europe BV
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2018-11-26
Publication date: 2020-05-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenkompressor (2) einer Druckluftversorgungsanlage eines Fahrzeugs, mit mehreren sternförmig angeordneten Zylindern (Z1- Z6), von denen die meisten Zylinder (Z1 - Z5) hinsichtlich deren Fördertätigkeit parallel geschaltet sind sowie eine erste Druckstufe (S1) bilden, und von denen mindestens ein Zylinder (Z6) den Zylindern (Z1 - Z5) der ersten Druckstufe (S1) seriell nachgeschaltet ist sowie ein zweite Druckstufe (S2) bildet. Der Hubkolbenkompressor (2) weist mindestens sechs sternförmig angeordnete Zylinder (Z1 - Z6) auf, von denen ein einziger Zylinder (Z6) den anderen Zylindern (Z1 - Z5), welche parallel geschaltet sind sowie die erste Druckstufe (S1) bilden, seriell nachgeschaltet ist und die zweite Druckstufe (S2) bildet. Zur Reduzierung der Lärmemissionen und zur Erzielung einer höheren Laufruhe des Hubkolbenkompressors (2) sind die in Drehrichtung (16) der Antriebswelle (4) auf den Zylinder (Z6) der zweiten Druckstufe (S2) folgenden Zylinder (Z1 - Z5) um einen stufenweise abnehmenden Versatzwinkel (Δα) gegenüber der Winkellage (α) bei symmetrischer Anordnung der Zylinder (Z1 - Z6) versetzt angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenkompressor einer Druckluftversorgungsanlage eines Fahrzeugs, mit mehreren sternförmig angeordneten Zylindern, von denen die meisten Zylinder hinsichtlich deren Fördertätigkeit parallel geschaltet sind sowie eine erste Druckstufe bilden, und von denen mindestens ein Zylinder den Zylindern der ersten Druckstufe seriell nachgeschaltet ist sowie ein zweite Druckstufe bildet.
Hubkolbenkompressoren der Druckluftversorgungsanlagen von Fahrzeugen, wie schweren Nutzfahrzeugen oder Schienenfahrzeugen, die von Verbrennungsmotoren angetrieben werden, sind bislang meistens als Einzylinderkompressoren, Zweizylinderkompressoren oder Dreizylinderkompressoren mit einer Reihenanordnung der Zylinder ausgeführt. Derartige Hubkolbenkompressoren werden entweder permanent oder mittels einer ein- und ausrückbaren Trennkupplung bedarfsweise von dem jeweiligen Verbrennungsmotor angetrieben. Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen sind die Zylinderköpfe dieser Hubkolbenkompressoren üblicherweise an den Flüssigkeitskühlkreislauf des jeweiligen Verbrennungsmotors angeschlossen, und die Hubkolben laufen ölgeschmiert in den Zylindern. Derartige Hubkolbenkompressoren weisen nachteilig eine hohe Lärmentwicklung auf, die im Wesentlichen durch hohe Druckschwankungen im Ansaugbereich erzeugt werden. Ebenso ist die Laufruhe derartiger Hubkolbenkompressoren relativ gering, weil durch stark schwankende Widerstands- bzw. Antriebsmomente Vibrationen erzeugt werden, welche einen Antrieb über einen zugeordneten Elektromotor unmöglich machen.
Zur Veranschaulichung dieser Problematik ist in 5a für einen Einzylinderkompressor mit einem Hubraum von 393 ccm, der derzeit bei schweren Lastkraftwagen zum Einsatz kommt, der Druckverlauf p(t) in dem Ansaugkanal bei einer Drehzahl von 1600 U/min dargestellt. Dem Diagramm der 5a ist zu entnehmen, dass der Ansaugdruck p zwischen -1250 Pa und 100 Pa schwankt. Der entsprechende Verlauf des Antriebsmomentes M(t) ist für diesen Hubkolbenkompressor in 5b abgebildet. Dem Diagramm der 5b ist zu entnehmen, dass das Antriebsmoment M zwischen -65 Nm und 240 Nm schwankt. Die Diagramme der 5a und 5b sind mit der Simulationssoftware AMESim erzeugt worden.
Mit der zunehmenden Hybridisierung und Elektrifizierung insbesondere von Straßenfahrzeugen rücken aber die von den Hubkolbenkompressoren ausgehenden Lärmentwicklung und Vibrationen in den Fokus des Interesses, da diese im Elektrofahrbetrieb sowie bei einer antriebslosen Vorwärtsfahrt besonders hervortreten und sowohl von den Fahrzeuginsassen als auch von externen Passanten als deutlich störend wahrgenommen werden. Zur Reduzierung der Lärmemissionen und Vibrationen werden nun Hubkolbenkompressoren mit mehreren sternförmig angeordneten Zylindern favorisiert.
Kompressoren mit einer Sternanordnung der Zylinder sind bereits aus anderen Anwendungsbereichen bekannt. So offenbart die EP 0 378 967 B1 beispielsweise einen für den stationären Betrieb vorgesehenen vierstufigen Gaskompressor, der vier sternförmig angeordnete und seriell miteinander geschaltete Zylinder aufweist. In der DE 10 2005 047 284 A1 ist dagegen ein einstufiger Kältemittelverdichter beschrieben, der drei sternförmig angeordnete, parallel miteinander geschaltete Zylinder aufweist.
In der DE 10 2014 213 391 A1 wird in allgemeiner Form ein Hubkolbenkompressor mit einer Sternanordnung von vorzugsweise sechs Zylindern vorgeschlagen, die in unterschiedlicher Art miteinander verbunden sein können. In einer ersten Ausführung ist der Hubkolbenkompressor einstufig ausgebildet, wobei alle sechs Zylinder parallel geschaltet sind. In einer zweiten Ausführung ist der Hubkolbenkompressor zweistufig ausgebildet, wobei vier Zylinder parallel geschaltet sind sowie eine erste Druckstufe bilden, und wobei zwei weitere Zylinder parallel geschaltet und den anderen vier Zylindern seriell nachgeordnet sind sowie eine zweite Druckstufe bilden. In einer dritten Ausführung ist der Hubkolbenkompressor dreistufig ausgebildet, wobei drei Zylinder parallel geschaltet sind und eine erste Druckstufe bilden. Zwei weitere Zylinder sind parallel geschaltet, den anderen drei Zylindern seriell nachgeordnet und bilden eine zweite Druckstufe. Ein sechster Zylinder ist den zwei Zylindern der zweiten Druckstufe seriell nachgeordnet und bildet die dritte Druckstufe.
Aufgrund der Verteilung der Ansaug-, Kompressions- und Ausschiebevorgänge auf mehrere entsprechend kleinere Zylinder weisen Hubkolbenkompressoren mit mehreren sternförmig angeordneten Zylindern deutlich geringere Lärmemissionen und Vibrationen als Einzylinderkompressoren auf. Dies geht zum Beispiel auch aus dem Diagramm der 6 hervor, in dem der Druckverlauf p(t) in dem Ansaugkanal für einen zweistufigen Hubkolbenkompressor mit sechs sternförmig angeordneten Zylindern bei einer Drehzahl von 1600 U/min dargestellt ist. Fünf Zylinder sind parallel geschaltet und bilden die erste Druckstufe. Ein Zylinder ist den anderen fünf Zylindern seriell nachgeschaltet und bildet die zweite Druckstufe. Der Durchmesser der fünf Hubkolben der ersten Druckstufe beträgt jeweils 49 mm und derjenige des Hubkolbens der zweiten Druckstufe beträgt 34 mm. Der Kurbelradius aller Hubkolben ist identisch und beträgt 9,2 mm. Dem Diagramm der 6 ist zu entnehmen, dass der Ansaugdruck p nun zwischen -500 Pa sowie -50 Pa schwankt und damit einen deutlich kleineren Schwankungsbereich als bei dem Einzylinderkompressor gemäß 5a aufweist. Dieser Sechszylinderkompressor kann aufgrund der geringen Drehmomentschwankungen von einem zugeordneten Elektromotor angetrieben werden. Aufgrund ihrer externen Lage können die Zylinder luftgekühlt ausgeführt werden. Zudem können die Hubkolben aufgrund ihrer geringen Abmessungen trockenlaufend in den Zylindern geführt werden. Auch das Diagramm der 6 ist mit der Simulationssoftware AMESim erzeugt worden.
Trotz der Vorteile von mehrstufigen Hubkolbenkompressoren mit mehreren sternförmig angeordneten Zylindern weist diese Kompressorbauart weiteres Verbesserungspotential auf. Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, einen zweistufigen Hubkolbenkompressor einer Druckluftversorgungsanlage der eingangs genannten Bauart im Hinblick auf eine geringere Lärmemissionen und eine höhere Laufruhe weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe ist durch einen Hubkolbenkompressor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die Erfindung geht demnach aus von einem an sich bekannten Hubkolbenkompressor einer Druckluftversorgungsanlage eines Fahrzeugs, mit mehreren sternförmig angeordneten Zylindern, von denen die meisten Zylinder hinsichtlich deren Fördertätigkeit parallel geschaltet sind sowie eine erste Druckstufe bilden, und von denen mindestens ein Zylinder den Zylindern der ersten Druckstufe seriell nachgeschaltet ist sowie ein zweite Druckstufe bildet.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist außerdem vorgesehen, dass der Hubkolbenkompressor mindestens vier sternförmig angeordnete Zylinder aufweist, von denen ein einziger Zylinder den anderen Zylindern, welche parallel geschaltet sind und die erste Druckstufe bilden, seriell nachgeschaltet ist sowie die zweite Druckstufe bildet, und dass die in Drehrichtung der Antriebswelle auf den Zylinder der zweiten Druckstufe folgenden Zylinder um einen stufenweise abnehmenden Versatzwinkel Δα_{V_i} im Vergleich zu einer Winkellage α_i bei symmetrischer Anordnung der Zylinder versetzt angeordnet sind.
Durch den Versatzwinkel des dem Zylinder der zweiten Druckstufe in der Drehrichtung der Antriebswelle nachfolgenden Zylinders werden die Druck- und Drehmomentspitzen dieser beiden Zylinder zeitlich beziehungsweise in Drehrichtung entzerrt und somit in deren Überlagerung eine niedrigere Drehmomentspitze und ein geringeres Antriebsmoment erzielt. Dadurch wird im Vergleich zu einer symmetrischen Anordnung der Zylinder die Lärmemissionen des Hubkolbenkompressors nochmals reduziert und eine höhere Laufruhe erzielt. Die stufenweise Reduzierung des Versatzwinkels der übrigen Zylinder dient im Wesentlichen zur Erhöhung der Laufruhe des Hubkolbenkompressors.
Die Winkellage α_i der Zylinder kann bei einer Bezeichnung des Zylinders der zweiten Druckstufe mit dem höchsten Index und dessen Anordnung in der 0°-Position sowie der Reihenfolge der Bezeichnung der übrigen Zylinder in der Drehrichtung der Antriebswelle nach der Formel α_i = 360° / n * i + Δα_{V_1} * (1 - (i -1) / (n - 2)) mit (i = 1, n - 1) berechnet werden, wobei mit n die Anzahl der Zylinder, mit i der Index des jeweiligen Zylinders und mit Δα_{V_1} der Versatzwinkel des ersten Zylinders Z1 bezeichnet sind.
Bei durchgeführten Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass der Versatzwinkel Δα_{V_1} des ersten Zylinders Z1 bei sechs sternförmig angeordneten Zylindern Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 mit n = 6 im Bereich zwischen +12° und +48° liegen kann. Die Bereichsgrenzen sind hierbei eingeschlossen.
Als besonders vorteilhaft hat sich dabei eine Anordnung der Zylinder ergeben, bei welcher der Versatzwinkel Δα_{V_1} des ersten Zylinders Z1 bei sechs sternförmig angeordneten Zylindern (Z1 bis Z6, n = 6) bei +32° liegt, und der Versatzwinkel Δα_{V_i} der nachfolgenden Zylinder (Z2 bis Z5) jeweils um 8° reduziert ist.
Bei den durchgeführten Untersuchungen hat sich auch herausgestellt, dass der Versatzwinkel Δα_{V_1} des ersten Zylinders Z1 bei acht sternförmig angeordneten Zylindern (Z1 bis Z8, n = 8) im Bereich zwischen +9° und +36° liegen kann.
Als besonders vorteilhaft hat sich dabei eine Anordnung der Zylinder ergeben, bei welcher der Versatzwinkel Δα_{V_1} des ersten Zylinders Z1 bei acht sternförmig angeordneten Zylindern (Z1 bis Z8, n = 8) bei +24° liegt, und der Versatzwinkel Δα_{V_i} der nachfolgenden Zylinder (Z2 bis Z7) jeweils um 4° reduziert ist.
Die vorgestellte Erfindung ist insbesondere bei sechszylindrigen oder achtzylindrigen Hubkolbenkompressoren mit sternförmiger Zylinderanordnung anwendbar. Unabhängig davon kann das erfindungsgemäße Konstruktionsprinzip auch bei vierzylindrigen, fünfzylindrigen oder siebenzylindrigen Hubkolbenkompressoren mit sternförmiger Zylinderanordnung oder mit noch größerer Zylinderanzahl mit den beschrieben Vorteilen genutzt werden.
Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung mit zwei Ausführungsbeispielen beigefügt. In dieser zeigt

1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors mit sechs sternförmig asymmetrisch angeordneten Zylindern in einer schematischen Axialansicht,
1a das Schaltschema des Hubkolbenkompressors gemäß 1 in einer schematischen Ansicht,
1b Druckverläufe im Kolbenraum des Hubkolbenkompressors gemäß 1 in Form eines Zeitdiagramms,
1c Antriebsmomentenverläufe des Hubkolbenkompressors gemäß 1 in Form eines Zeitdiagramms,
2 eine Ausführung eines Hubkolbenkompressors mit sechs sternförmig symmetrisch angeordneten Zylindern in einer schematischen Axialansicht,
2a das Schaltschema des Hubkolbenkompressors gemäß 2 in einer schematischen Ansicht,
2b Druckverläufe im Kolbenraum des Hubkolbenkompressors gemäß 2 in Form eines Zeitdiagramms,
2c Antriebsmomentenverläufe des Hubkolbenkompressors gemäß 2 in Form eines Zeitdiagramms,
3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors mit acht sternförmig asymmetrisch angeordneten Zylindern in einer schematischen Axialansicht,
3a das Schaltschema des Hubkolbenkompressors gemäß 3 in einer schematischen Ansicht,
4 eine Ausführung eines Hubkolbenkompressors mit acht sternförmig symmetrisch angeordneten Zylindern in einer schematischen Axialansicht,
4a das Schaltschema des Hubkolbenkompressors gemäß 4 in einer schematischen Ansicht,
5a ein Ansaugdruckverlauf eines Einzylinderkompressors in Form eines Zeitdiagramms,
5b ein Antriebsmomentenverlauf des Einzylinderkompressors wie bei 5a in Form eines Zeitdiagramms, und
6 ein Ansaugdruckverlauf eines Hubkolbenkompressors mit sechs symmetrisch sternförmig angeordneten Zylindern in Form eines Zeitdiagramms.

Die Ausgangskonfiguration der in 1 abgebildeten ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors 2 ist der in 2 dargestellte Hubkolbenkompressor 2', der daher zuerst erläutert wird.
Der Hubkolbenkompressor 2' gemäß 2 ist zweistufig ausgebildet und weist sechs sternförmig angeordnete Zylinder Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 auf. Diese Zylinder Z1 - Z6 sind in einer Radialebene angeordnet, die senkrecht zu der Drehachse 14 einer Antriebswelle beziehungsweise Kurbelwelle 4 ausgerichtet ist. Die Zylinder Z1 - Z6 sind symmetrisch um die Antriebswelle 4 angeordnet, also umfangsseitig um jeweils 60° versetzt. Der sechste Zylinder Z6 ist in einer hier definierten 0°-Position angeordnet. Die übrigen Zylinder Z1 - Z5 sind in der im Uhrzeigersinn verlaufenden Drehrichtung 16 der Antriebswelle 4 angeordnet und nummeriert. Der erste Zylinder Z1 ist somit in der 60°-Position angeordnet, der zweite Zylinder Z2 in der 120°-Position und so weiter angeordnet. In den vorzugsweise luftgekühlten Zylindern Z1 - Z6 sind Hubkolben 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6 bevorzugt trockenlaufend geführt, die jeweils mit einer Kolbenstange 8.1, 8.2, 8.3, 8.4, 8.5, 8.6 verbunden sind. Die Kolbenstangen 8.1 - 8.6 sind gelenkig auf einem exzentrisch an der Antriebswelle 4 befestigten Kurbelzapfen 6 gelagert, so dass die Hubkolben 10.1 - 10.6 bei einer Drehung der Antriebswelle 4 wechselweise eine Auf- und Abwärtsbewegung in den Zylindern Z1 - Z6 durchführen und über Membranventile wechselweise Luft aus einem Ansaugkanal ansaugen, verdichten und als Druckluft in einen Ausgangskanal ausschieben. Die Membranventile, der Ansaugkanal und der Ausgangskanal sind nicht abgebildet.
Wie dem in 2a abgebildeten Schaltschema zu entnehmen ist, sind die ersten fünf Zylinder Z1 - Z5 hinsichtlich deren Fördertätigkeit parallel geschaltet und bilden die erste Druckstufe S1 des Hubkolbenkompressors 2'. Der sechste Zylinder Z6 ist den ersten fünf Zylindern Z1 - Z5 seriell nachgeschaltet und bildet die zweite Druckstufe S2 des Hubkolbenkompressors 2'.
In dem Diagramm der 2b sind die Druckverläufe im Kolbenraum p(t) des Hubkolbenkompressors 2' in Form von Einzeldruckverläufen p(t) für jeden der sechs Zylinder Z1 - Z6 dargestellt. In dem Diagramm der 2b ist erkennbar, dass sich die Druckspitzen des sechsten Zylinders Z6, also der zweiten Druckstufe, jeweils über einen längeren Zeitraum beziehungsweise Drehwinkelbereich erstrecken als die Druckspitzen der ersten fünf Zylinder Z1 - Z5 der erste Druckstufe. Zudem ist dem Diagramm von 2b zu entnehmen, dass die Druckspitzen des ersten Zylinders Z1 (erste Druckstufe) und des sechsten Zylinders Z6 (zweite Druckstufe) zeitlich beziehungsweise umfangsseitig überlagert sind, was tendenziell zu erhöhten Ansauggeräuschen führt.
In dem Diagramm der 2c sind die Antriebsmomentenverläufe M(t) des Hubkolbenkompressors 2' in Form von Einzelmomentenverläufen M(t) für jeden der Zylinder Z1 - Z6 sowie die durch Überlagerung der Einzelmomente entstandene Summenmomentenkurve M(t) dargestellt. Letztere ist in der 2c auch als Verlauf des gesamten Drehmoments bezeichnet. Zudem ist die Antriebsmomentenkurve M(t) des als Antriebsmotor genutzten Elektromotors in das Diagramm der 2c eingezeichnet. Dem Diagramm von 2c ist zu entnehmen, dass die Drehmomentspitzen des ersten Zylinders Z1 (erste Druckstufe) und des sechsten Zylinders Z6 (zweite Druckstufe) zeitlich beziehungsweise umfangsseitig überlagert sind, was in der Summenmomentenkurve M(t) zu erhöhten Drehmomentspitzen und einer vergleichsweise schlechten Laufruhe führt.
Die Druckverläufe p(t) gemäß 2b und die Antriebsmomentenverläufe M(t) gemäß 2c wie auch die nachfolgend erläuterten Druckverläufe p(t) von 1b und die Antriebsmomentenverläufe M(t) gemäß 1c sind in einer Computersimulation mit dem Simulationsprogramm AMESim erzeugt worden, wobei der Durchmesser der Hubkolben 10.1 - 10.5 der ersten fünf Zylinder Z1 - Z5 (erste Druckstufe) mit 49 mm, der Durchmesser des Hubkolbens 10.6 des sechsten Zylinders Z6 (zweite Druckstufe) mit 34 mm und der Kurbelradius (radialer Abstand des Kurbelzapfens 6 von der Drehachse 14 der Antriebswelle 4) aller Hubkolben 10.1 - 10.6 identisch mit 9,2 mm angenommen wurde. Die Berechnung der Druckverläufe p(t) und der Antriebsmomentenverläufe M(t) wurde für eine Drehzahl der Antriebswelle 4 von 2100 U/min durchgeführt.
Zur Reduzierung der Lärmemissionen und zur Erzielung einer höheren Laufruhe sind die sechs Zylinder Z1 - Z6 bei der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors 2 gemäß 1 im Unterschied zu dem gerade beschriebenen Hubkolbenkompressor 2' gemäß 2 asymmetrisch angeordnet. Während der fünfte Zylinder Z5 und der sechste Zylinder Z6 in ihren ursprünglichen Winkelpositionen α₅ = 300°, α₆ = 0° verblieben sind, sind die ersten vier Zylinder Z1 - Z4, die in Drehrichtung 16 der Antriebswelle 4 auf den Zylinder Z6 (zweite Druckstufe S2) folgen, um einen stufenweise abnehmenden Versatzwinkel Δα_{V_i} gegenüber den Winkelpositionen α_i bei einer symmetrischen Anordnung der Zylinder Z1 - Z6 versetzt angeordnet. Vorliegend beträgt der Versatzwinkel des ersten Zylinders Z1 Δα_{V_1} = 32° (α₁ = 92°), der Versatzwinkel des zweiten Zylinders Z2 Δα_{V_2} = 24° (α₂ = 144°), der Versatzwinkel des dritten Zylinders Z3 Δα_{V_3} = 16° (α₃ = 196°) und der Versatzwinkel des vierten Zylinders Z4 Δα_{V_4} = 8° (α₄ = 248°).
Wie das in 1a abgebildeten Schaltschema veranschaulicht, sind die ersten fünf Zylinder Z1 - Z5 wie zuvor parallel geschaltet und bilden die erste Druckstufe S1 des Hubkolbenkompressors 2, und der sechste Zylinder Z6 ist den ersten fünf Zylindern Z1 - Z5 wie zuvor seriell nachgeschaltet und bildet die zweite Druckstufe S2 des Hubkolbenkompressors 2.
In dem Diagramm der 1b sind die Druckverläufe im Kolbenraum p(t) des Hubkolbenkompressors 2 in Form von Einzeldruckverläufen p(t) für jeden der Zylinder Z1 - Z6 enthalten. Durch einen Vergleich der Druckverläufe im Kolbenraum p(t) des Hubkolbenkompressors 2 (mit asymmetrischer Anordnung der Zylinder Z1 - Z6) gemäß 1b mit den entsprechenden Druckverläufe im Kolbenraum p(t) des Hubkolbenkompressors 2' (mit symmetrischer Anordnung der Zylinder Z1 - Z6) gemäß 2b ist erkennbar, dass die Druckspitzen des ersten Zylinders Z1 (erste Druckstufe) und des sechsten Zylinders Z6 (zweite Druckstufe) nun zeitlich beziehungsweise umfangsseitig entzerrt sind, welches geringere Ansauggeräusche und somit niedrigere Lärmemissionen zur Folge hat.
In dem Diagramm der 1c sind die Antriebsmomentenverläufe M(t) des Hubkolbenkompressors 2 in Form von Einzelmomentenverläufen M(t) für jeden der Zylinder Z1 - Z6 sowie die durch Überlagerung der Einzelmomente entstandene Summenmomentenkurve M(t) enthalten, welche in 1c auch als gesamtes Drehmoment bezeichnet ist. Zudem ist die Antriebsmomentenkurve M(t) des als Antriebsmotor genutzten Elektromotors in das Diagramm der 1c eingezeichnet.
Durch einen Vergleich der Antriebsmomentenverläufe M(t) des Hubkolbenkompressors 2 (mit asymmetrischer Anordnung der Zylinder Z1 - Z6) gemäß 1c mit den entsprechenden Antriebsmomentenverläufen M(t) des Hubkolbenkompressors 2' (mit symmetrischer Anordnung der Zylinder Z1 - Z6) gemäß 2c ist erkennbar, dass die Drehmomentspitzen des ersten Zylinders Z1 (erste Druckstufe) und des sechsten Zylinders Z6 (zweite Druckstufe) nun zeitlich beziehungsweise umfangsseitig entzerrt sind, welches in der Summenmomentenkurve M(t) zu deutlich verringerten Drehmomentspitzen und infolgedessen zu einer höheren Laufruhe führt. Die Summenmomentenkurve M(t) wird in den 1c und 2c als Kurve des gesamten Drehmoments bezeichnet. Die stufenweise Reduzierung des Versatzwinkels Δα_{V_i} der übrigen Zylinder (Z2 - Z4) dient im Wesentlichen auch zur Erhöhung der Laufruhe des Hubkolbenkompressors 2.
Die Ausgangskonfiguration der in 3 abgebildeten zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors 12 ist der in 4 schematisch abgebildete Hubkolbenkompressor 12', der daher zuerst erläutert wird.
Der Hubkolbenkompressor 12' gemäß 4 ist zweistufig ausgebildet und weist acht sternförmig angeordnete Zylinder Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, Z7, Z8 auf. Diese Zylinder Z1 - Z8 sind in einer Radialebene angeordnet, sie senkrecht zu der Drehachse 14 einer Antriebswelle beziehungsweise Kurbelwelle 4 ausgerichtet ist. Die Zylinder Z1 - Z8 sind symmetrisch um die Antriebswelle 4, also umfangsseitig um jeweils 45° versetzt angeordnet. Der achte Zylinder Z8 ist in einer hier definierten 0°-Position angeordnet. Die übrigen Zylinder Z1 - Z7 sind in der hier im Uhrzeigersinn verlaufenden Drehrichtung 16 der Antriebswelle 4 angeordnet und nummeriert. Der erste Zylinder Z1 ist somit in der 45°-Position angeordnet, der zweite Zylinder Z2 in der 90°-Position und so weiter. In den vorzugsweise luftgekühlten Zylindern Z1 - Z8 sind acht Hubkolben 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8 bevorzugt trockenlaufend geführt, die jeweils mit einer Kolbenstange 8.1, 8.2, 8.3, 8.4, 8.5, 8.6, 8.7, 8.8 verbunden sind. Die Kolbenstangen 8.1 - 8.8 sind gelenkig auf einem exzentrisch an der Antriebswelle befestigten Kurbelzapfen 6 gelagert, so dass die Hubkolben 10.1 - 10.8 bei einer Drehung der Antriebswelle 4 wechselweise eine Auf- und Abwärtsbewegung in den zugeordneten Zylindern Z1 - Z8 durchführen und über Membranventile wechselweise Luft aus einem Ansaugkanal ansaugen, verdichten und als Druckluft in einen Ausgangskanal ausschieben. Auch hier sind die Membranventile, der Ansaugkanal und der Ausgangskanal nicht dargestellt.
Wie dem in 4a abgebildeten Schaltschema zu entnehmen ist, sind die ersten sieben Zylinder Z1 - Z7 hinsichtlich deren Fördertätigkeit parallel geschaltet und bilden die erste Druckstufe S1' des Hubkolbenkompressors 12'. Der achte Zylinder Z8 ist den ersten sieben Zylindern Z1 - Z7 seriell nachgeschaltet und bildet die zweite Druckstufe S2' des Hubkolbenkompressors 12'.
Die Druckverläufe p(t) und die Antriebsmomentenverläufe M(t) wurden für diesen achtzylindrigen Hubkolbenkompressor 12' nicht berechnet. Es ist aber davon auszugehen, dass analog zu dem Hubkolbenkompressor 2' gemäß 2 auch hier eine zeitliche beziehungsweise umfangsseitige Überlagerung der Druckspitzen und Drehmomentspitzen des ersten Zylinders Z1 (erste Druckstufe) und des achten Zylinders Z8 (zweite Druckstufe) vorliegt, welche im Ergebnis zu erhöhten Lärmemissionen und einer schlechten Laufruhe führt.
Zur Reduzierung der Lärmemissionen und zur Erzielung einer höheren Laufruhe sind die acht Zylinder Z1 - Z8 bei der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors 12 gemäß 3 im Unterschied zu dem oben beschriebenen Hubkolbenkompressor 12' gemäß 4 asymmetrisch angeordnet. Während der siebte Zylinder Z7 und der achte Zylinder Z8 in ihren ursprünglichen Winkellagen α₇ = 315°, α₈ = 0° verblieben sind, sind die ersten sechs Zylinder Z1 - Z6, die in Drehrichtung 16 der Antriebswelle 4 auf den Zylinder Z8 (zweite Druckstufe S2') folgen, um einen stufenweise abnehmenden Versatzwinkel Δα_{V_i} gegenüber der Winkelposition α_i bei symmetrischer Anordnung der Zylinder Z1 - Z8 versetzt angeordnet. Vorliegend beträgt der Versatzwinkel des ersten Zylinders Z1 Δα_{V_1} = 24° (α₁ = 69°), der Versatzwinkel des zweiten Zylinders Z2 Δα_{V_2} = 20° (α₂ = 110°), der Versatzwinkel des dritten Zylinders Z3 Δα_{V_3} = 16° (α₃ = 151°), der Versatzwinkel des vierten Zylinders Z4 Δα_{V_4} = 12° (α₄ = 192°), der Versatzwinkel des fünften Zylinders Z5 Δα_{V_5} = 8° (α₅ = 233°) und der Versatzwinkel des sechsten Zylinders Z6 Δα_{V_e} = 4° (α₆ = 274°).
Wie dem in 3a abgebildeten Schaltschema zu entnehmen ist, sind die ersten sieben Zylinder Z1 - Z7 hinsichtlich deren Fördertätigkeit wie zuvor parallel geschaltet und bilden die erste Druckstufe S1' des Hubkolbenkompressors 12, und der achte Zylinder Z8 ist den ersten sieben Zylindern Z1 - Z7 wie zuvor seriell nachgeschaltet und bildet die zweite Druckstufe S2' des Hubkolbenkompressors 12.
Druckverläufe p(t) und Antriebsmomentenverläufe M(t) wurden für diesen Hubkolbenkompressor 12 zwar nicht berechnet. Es ist aber ebenfalls davon auszugehen, dass analog zu dem Hubkolbenkompressor 2 gemäß 1 auch hier eine zeitliche beziehungsweise umfangsseitige Entzerrung der Druckspitzen und Drehmomentspitzen des ersten Zylinders Z1 (erste Druckstufe) und des achten Zylinders Z8 (zweite Druckstufe) vorliegt, welche zu verringerten Lärmemissionen und einer erhöhten Laufruhe führt. Die stufenweise Reduzierung des Versatzwinkels Δα_{V_i} der übrigen Zylinder (Z2 - Z6) dient im Wesentlichen auch zur Erhöhung der Laufruhe des Hubkolbenkompressors 12.
Bezugszeichenliste

2, 2': Hubkolbenkompressor
4: Antriebswelle, Kurbelwelle
6: Kurbelzapfen
8.1 - 8.6: Kolbenstange
8.1 - 8.8: Kolbenstange
10.1 -10.6: Hubkolben
10.1 -10.8: Hubkolben
12, 12': Hubkolbenkompressor
14: Drehachse
16: Drehrichtung
i: Index
M: Drehmoment, Antriebsmoment
n: Anzahl der Zylinder
p: Druck, Ansaugdruck
S1, S1': Erste Druckstufe
S2, S2': Zweite Druckstufe
t: Zeit
Z1 - Z5: Zylinder von Druckstufe S1
Z1 - Z7: Zylinder von Druckstufe S1'
Z8: Zylinder von Druckstufe S2'
α_i: Winkelposition des i-ten Zylinders
Δα_{V_i}: Versatzwinkel des i-ten Zylinders
Δα_{V_1}: Versatzwinkel des ersten Zylinders

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0378967 B1 [0005]
DE 102005047284 A1 [0005]
DE 102014213391 A1 [0006]

Claims

Hubkolbenkompressor (2; 12) einer Druckluftversorgungsanlage eines Fahrzeugs, mit mehreren sternförmig angeordneten Zylindern (Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6; Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, Z7, Z8), von denen die meisten Zylinder (Z1 bis Z5; Z1 bis Z7) hinsichtlich deren Fördertätigkeit parallel geschaltet sind sowie eine erste Druckstufe (S1; S1') bilden, und von denen mindestens ein Zylinder (Z6; Z8) den Zylindern (Z1 bis Z5; Z1 bis Z7) der ersten Druckstufe (S1; S1') seriell nachgeschaltet ist sowie ein zweite Druckstufe (S2; S2') bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolbenkompressor (2; 12) mindestens vier sternförmig angeordnete Zylinder (Z1 bis Z6, Z1 bis Z8) aufweist, von denen ein einziger Zylinder (Z6; Z8) den anderen Zylindern (Z1 bis Z5; Z1 bis Z7), welche parallel geschaltet sind und die erste Druckstufe (S1; S1') bilden, seriell nachgeschaltet ist sowie die zweite Druckstufe (S2; S2') bildet, und dass die in Drehrichtung (16) der Antriebswelle (4) auf den Zylinder (Z6; Z8) der zweiten Druckstufe (S2; S2') folgenden Zylinder (Z1 bis Z5; Z1 bis Z7) um einen stufenweise abnehmenden Versatzwinkel (Δα_{V_i},) im Vergleich zu einer Winkellage (α_i) bei symmetrischer Anordnung der Zylinder (Z1 bis Z6, Z1 bis Z8) versetzt angeordnet sind.
Hubkolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkellage α_i der Zylinder (Z1 bis Z6, Z1 bis Z8) bei einer Bezeichnung des Zylinders (Z6; Z8) der zweiten Druckstufe (S2; S2') mit dem höchsten Index (i = 6; i = 8) und dessen Anordnung in der 0°-Position sowie der Reihenfolge der Bezeichnung der übrigen Zylinder (Z1 bis Z5; Z1 bis Z7) in der Drehrichtung (16) der Antriebswelle (4) nach der Formel α_i = 360° / n * i + Δα_{V_1} * (1 - (i -1) / (n - 2)) mit (i = 1, n - 1) berechnet wird, wobei mit n die Anzahl der Zylinder (Z1 bis Z6, Z1 bis Z8), mit i der Index des jeweiligen Zylinders (Z1 bis Z5; Z1 bis Z7) und mit Δα_{V_1} der Versatzwinkel des ersten Zylinders (Z1) bezeichnet sind.
Hubkolbenkompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatzwinkel Δα_{V_1} des ersten Zylinders (Z1) bei sechs sternförmig angeordneten Zylindern (Z1 bis Z6, n = 6) im Bereich zwischen +12° und +48° liegt, einschließlich der Bereichsgrenzen.
Hubkolbenkompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatzwinkel Δα_{V_1} des ersten Zylinders (Z1) bei sechs sternförmig angeordneten Zylindern (Z1 bis Z6, n = 6) bei +32° liegt, und dass der Versatzwinkel Δα_{V_i} der nachfolgenden Zylinder (Z2 bis Z5) jeweils um 8° reduziert ist.
Hubkolbenkompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatzwinkel Δα_{V_1} des ersten Zylinders (Z1) bei acht sternförmig angeordneten Zylindern (Z1 bis Z8, n = 8) im Bereich zwischen +9° und +36° liegt, einschließlich der Bereichsgrenzen.
Hubkolbenkompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatzwinkel Δα_{V_1} des ersten Zylinders (Z1) bei acht sternförmig angeordneten Zylindern (Z1 bis Z8, n = 8) bei +24° liegt, und der Versatzwinkel Δα_{V_i} der nachfolgenden Zylinder (Z2 bis Z7) jeweils um 4° reduziert ist.