DE10321771A1

DE10321771A1 - Verfahren zur Leistungsbegrenzung eines mehrstufigen Kompressor und Kompressor zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10321771A1
Application number: DE10321771A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr. Folchert
Original assignee: Continental AG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2023-05-16
Also published as: US20040228737A1; DE10321771B4; DE10321771C5; FR2854932A1

Abstract

Bekannte Kompressoren sind auf einen vorbestimmten Leistungsbereich abgestimmt und somit nicht in der Lage, sowohl Verbraucher einer geschlossenen Luftversorgungsanlage als auch einen externen Verbraucher mit einer ausreichenden Luftmenge zu versorgen. DOLLAR A Es wird daher ein neues Verfahren für eine Leistungsbegrenzung eines mehrstufigen Kompressors vorgestellt, bei dem bei Erreichen einer vorbestimmten Leistungsgrenze mindestens eine Verdichtungsstufe abgeschalten wird. Damit kann die unterste Verdichtungsstufe so groß gewählt werden, dass der externe Verbraucher einen ausreichenden Volumenstrom erhält. DOLLAR A Der entsprechende Kompressor besitzt eine Bypassleitung (22), die das Einlassventil (19) einer Niederdruckkammer (11) umgeht und die damit die Niederdruckkammer (11) mit ihrem vorgelagerten Saugraum (16) verbindet. In der Bypassleitung (22) ist ein steuerbares Regelventil (23) eingesetzt, das die Verbindung der Niederdruckkammer (11) mit dem Saugraum (16) bei einem vorbestimmten Öffnungsdruck realisiert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf einen mehrstufigen Kompressor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5. Solche mehrstufigen Kompressoren werden zur Luftversorgung von pneumatischen Verbrauchern insbesondere eines Kraftfahrzeuges eingesetzt.
Eine entsprechende Luftversorgungsanlage wird in der Regel als geschlossener Kreislauf ausgelegt und besteht in der Hauptsache aus mehreren Luftfeder-Dämpfereinheiten zum Beispiel für die Abstützung des Fahrzeugaufbaus, aus einem oder mehreren Luftdruckspeichern, aus mehreren meist zu einem Ventilblock zusammengestellten Steuereinheiten sowie aus dem mehrstufigen Kompressor mit einer Lufttrockeneinheit.
Dabei hat der mehrstufige Kompressor die Aufgabe, komprimierte Luft aus einzelnen Luftfeder-Dämpfereinheiten in andere Luftfeder-Dämpfereinheiten umzufördern, Luft aus den Luftfeder-Dämpfereinheiten in den Luftdruckspeicher oder in entgegengesetzter Richtung vom Luftdruckspeicher zu den Luftfeder-Dämpfereinheiten zu fördern oder aber den Luftdruckspeicher mit frischer Luft aus der Atmosphäre aufzufüllen.
Dieser mehrstufige Kompressor wird oftmals auch dazu eingesetzt, um einen oder mehrere, außerhalb des geschlossenen Kreislauf liegende Verbraucher mit Druckluft zu versorgen. Beispielsweise können so Reifen mit Luft aufgefüllt oder Fahrersitze verstellt werden. Dazu verwendet man frische Luft aus der Atmosphäre und nicht die bereits verdichtete und getrocknete Luft aus dem Luftdruckspeicher.

Ein solcher mehrstufiger Kompressor mit zwei Verdichterstufen ist beispielsweise in der DE 197 15 291 A1 beschrieben. Dieser Kompressor besteht aus einem Kompressorgehäuse, in dem eine zylindrische Niederdruckkammer mit einem größeren Durchmesser und eine Hochdruckkammer mit einem kleineren Durchmesser ausgebildet sind. In dem Kompressorgehäuse ist eine Kolbeneinheit mit einem größeren Niederdruckkolben und einem kleineren Hochdruckkolben eingesetzt, wobei der Niederdruckkolben und der Hochdruckkolben über eine Kolbenstange einstückig ausgeführt sind. Die Niederdruckkammer besitzt ein Einlassventil, die Hochdruckkammer besitzt ein Auslassventil und beide Druckkammern sind über einen Überströmkanal miteinander verbunden, wobei in dem Überströmkanal ein in Richtung der Hochdruckkammer öffnendes Verschlussventil angeordnet ist. Das Kompressorgehäuse ist im Bereich der Kolbenstange als Kurbelgehäuse ausgebildet, in der sich ein elektrisch betriebenes Kurbelgetriebe befindet, dass in die Kolbeneinheit eingreift. Das Kurbelgehäuse ist aber auch mit einem Saugraum ausgestattet, der eingangsseitig mit einem Zulaufanschluss zur Verbindung mit dem Luftdruckspeicher der Luftversorgungsanlage oder mit der Atmosphäre verbunden ist und der andererseits über das Einlassventil mit der Niederdruckkammer Verbindung hat.

Der zweistufige Kompressor ist nun so ausgeführt, dass die Leistungsaufnahme beider Verdichterstufen auf die Leistungsabgabe der elektrischen Antriebseinheit abgestimmt ist, sodass der zweistufige Kompressor nur ein begrenztes Hubvolumen aufweist. Dieses begrenzte Hubvolumen führt aber dazu, dass der zweistufige Kompressor bei einem geringen Vordruck, und das ist immer dann der Fall, wenn der Kompressor seine Luft aus der Atmosphäre ansaugt, nur einen geringen Verdichterstrom produziert, der zur Versorgung eines externen Verbrauchers in der Regel nicht ausreicht. Das grenzt den Einsatzbereich des Kompressors stark ein.

Der Erfindung liegt verfahrensseitig daher die Aufgabe zu Grunde, die Leistung eines mehrstufigen Kompressors in seinem oberen Leistungsbereich auf eine vorbestimmte Leistungsgrenze zu begrenzen sowie vorrichtungsseitig einen entsprechenden mehrstufigen Kompressor zu entwickeln, der zur Versorgung unterschiedlicher Verbraucher geeignet ist.

Die verfahrensseitige Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 und die vorrichtungsseitige Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 5 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 4 und 6 bis 9.

Das neue Verfahren und der neue Kompressor beseitigen die genannten Nachteile des Standes der Technik.

Dabei liegt der besondere Vorteil des neuen Verfahrens und des neuen Kompressors darin, dass jetzt ein Kompressor mit einem beliebigen Leistungsvermögen eingesetzt werden kann, ohne dass dabei die Leistungsgrenze des elektrischen Antriebs überschritten wird. Das erspart eine aufwendige Abstimmung der Leistungsbereiche des elektrischen Antriebs und des Kompressors.

Jetzt besteht auch die Möglichkeit, mit Absicht einen zum Beispiel gegenüber der Leistungsgrenze eines elektrischen Antriebs überdimensionierten Kompressor auszuwählen, damit im unteren Leistungsbereich des Kompressors ein für die Versorgung eines externen Verbrauchers ausreichender Volumenstrom erzeugt werden kann und ohne dass dabei die Gefahr der Leistungsüberschreitung besteht. Das erweitert den Einsatzbereich des Kompressors, weil jetzt mit demselben Kompressor alle Verbraucher einer geschlossenen Luftversorgungsanlage als auch außerhalb des geschlossenen Luftkreislaufes liegende Verbraucher versorgt werden können.

Diese Vorteile werden mit einem relativ geringen technischen Aufwand realisiert. So ist nur eine Bypassleitung zwischen der abzuschaltenden Verdichtungsstufe und der vorgelagerten Niederdruckkammer erforderlich, in der ein einfaches steuerbares Druckventil eingesetzt ist.

Es ist auch von Vorteil, dass das Druckventil in Abhängigkeit von unterschiedlichen Parametern steuerbar ist, weil dadurch der Anwendungsbereich erweitert wird.

Von Vorteil ist auch, wenn das Druckventil als ein Regelventil ausgelegt ist, dann öffnet das Druckventil stetig und der Übergang von der zwei- oder mehrstufigen zu einer einstufigen Arbeitsweise vollzieht sich kontinuierlich.

Es ist auch vorteilhaft, dass der mehrstufige Kompressor zwei und mehr Verdichtungsstufen haben kann, was wiederum einen breiten Einsatzbereich ermöglicht.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Dazu zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines zweistufigen Kompressors sowie

2: eine schematische Darstellung eines in den Kompressor eingesetztes Regelventils.

Der zweistufige Kompressor besteht aus einem Kompressorgehäuse 1, das an seinen Enden mit einem größeren Gehäusedeckel 2 und einem kleineren Gehäusedeckel 3 druckdicht verschlossen ist. Innerhalb des Kompressorgehäuses 1 ist ein durchgehender Innenraum 4 ausgebildet, der im Durchmesser abgestuft ist und der so einen im Durchmesser größeren zylindrischen Hohlraum 5 und einen im Durchmesser kleineren zylindrischen Hohlraum 6 aufweist. Beide zylindrischen Hohlräume 5 und 6 sind auf einer gemeinsamen Achse angeordnet. In den durchgehenden Innenraum 4 des Kompressorgehäuses 1 ist ein Stufenkolben 7 mit einem größeren Niederdruckkolben 8, einem kleineren Hochdruckkolben 9 und einer gemeinsamen Kolbenstange 10 eingepasst. Dabei bilden der größere zylindrische Hohlraum 5 und der Niederdruckkolben 8 eine Niederdruckkammer 11 mit einem größeren Hubvolumen und der kleinere zylindrische Hohlraum 6 und der Hochdruckkolben 9 eine Hochdruckkammer 12 mit einem kleineren Hubvolumen aus. Die Niederdruckkammer 11 ist dabei als eine erste Verdichterstufe und die Hochdruckkammer 12 als eine zweite Verdichterstufe ausgeführt. Beide Druck kammern 11 und 12 sind funktionell über einen axialen Überströmkanal 13 verbunden, der sich im Stufenkolben 7 befindet und der die Kolbenstange 10 vollständig durchdringt.

Zwischen dem Niederdruckkolben 8 und dem Hochdruckkolben 9 bildet der Stufenkolben 7 in Verbindung mit dem Innenraum 4 des Kompressorgehäuses 1 einen Freiraum aus, der ein Kurbelgetriebe 14 aufnimmt. Über dieses Kurbelgetriebe 14 ist der Stufenkolben 7 mit einer elektrischen Antriebseinheit 15 verbunden, sodass der Stufenkolben 7 in der Niederdruckkammer 11 und gleichermaßen in der Hochdruckkammer 12 axial verschiebbar ausgeführt ist. Damit stellen sich die Niederdruckkammer 11 und die Hochdruckkammer 12 in ihren Volumina veränderlich dar.

Der zwischen dem Niederdruckkolben 9 und dem Hochdruckkolben 10 befindliche Freiraum ist als ein nach außen druckdicht abschließbarer Saugraum 16 ausgebildet, der eingangsseitig über ein nicht dargestelltes Wegeventil entweder mit einem Luftdruckspeicher oder mit der Atmosphäre verbindbar ist.

Der Saugraum 16, die Niederdruckkammer 11 und die Hochdruckkammer 12 sind nun in besonderer Weise miteinander verbunden. Dazu besitzt der Kompressor zunächst einen Einlassanschluss 17, der zum Saugraum 16 führt. Der Saugraum 16 ist über ein Einlassventil 19 mit der Niederdruckkammer 11 verbunden, wobei das Einlassventil 19 im Niederdruckkolben 8 angeordnet ist und in Strömungsrichtung zur Niederdruckkammer 11 öffnet und in der entgegengesetzten Strömungsrichtung druckdicht schließt. Dabei ist das Einlassventil 19 so ausgelegt, dass es bereits bei einem geringen Öffnungsdruck öffnet.

In dem zwischen der Niederdruckkammer 11 und der Hochdruckkammer 12 befindlichen Überströmkanal 15 ist weiterhin ein Überströmventil 20 angeordnet, das in Strömungsrichtung zur Hochdruckkammer 12 bei einer geringen Druckdifferenz öffnet und das in der Gegenrichtung druckdicht schließt. Weiterhin befindet sich in der Hochdruckkammer 12 ein federbelastetes Auslassventil 21, dass im kleineren Gehäusedeckel 3 eingebracht ist und das die Hochdruckkammer 12 und damit die zweite Verdichterstufe mit dem zum Verbraucher führenden Auslassanschluss 18 verbindet. Das Auslass ventil 21 öffnet bei einem vorbestimmten Öffnungsdruck in Strömungsrichtung zum Auslassanschluss 18 und schließt in der Gegenrichtung druckdicht ab. Erfindungsgemäß sind die Niederdruckkammer 11 und der Saugraum 16 über eine, das Einlassventil 19 der Niederdruckkammer 11 umgehende Bypassleitung 22 miteinander verbunden. In dieser Bypassleitung 22 befindet sich ein Druckventil 23, das vom Druck im Saugraum 16 gesteuert wird. Dementsprechend besitzt das Druckventil 23 ein federbelastetes Ventilelement 24 und eine Druckfeder 25, wobei die Druckfeder 25 so vorgespannt ist, dass das Ventilelement 24 bei einem vorbestimmten Druck im Saugraum 16 stetig oder unstetig einen Öffnungsquerschnitt freigibt und damit die Niederdruckkammer 11 und den Saugraum 16 miteinander verbindet und zu einem Druckausgleich führt. Zur Druckentlastung des Druckventils 23 ist das Ventilelement 24 auf seiner federbelasteten Seite über einen Leckageanschluss 26 mit der Atmosphäre verbunden. Der Kompressor ist nun leistungsmäßig so ausgelegt, dass die erste Verdichterstufe mit ihrer Niederdruckkammer 11 ein größtmögliches Hubvolumen aufweist, das ausreichend zum Beispiel für die Befüllung eines Reifens ist. Die zweite Verdichterstufe besitzt dagegen ein Hubvolumen, das allein ausreichend ist, mit einer einstufigen Verdichtung die Verbraucher einer geschlossenen Luftversorgungsanlage mit Druckluft zu versorgen. Mit dieser Leistungsverteilung beider Verdichterstufen liegt das Leistungsaufnahmevermögen des Kompressors über der maximalen Leistungsgrenze des elektrischen Antriebs 15.

Zum Zwecke der Verdichtung eines Luftstromes wird die drehende Bewegung der elektrischen Antriebseinheit 15 durch das Kurbelgetriebe 14 in eine oszillierende Bewegung des Stufenkolbens 7 umgewandelt. Dadurch kommt es zu Volumenänderungen in der Niederdruckkammer 11 und der Hochdruckkammer 12, die dazu führen, dass sich zunächst bei einer Vergrößerung der Niederdruckkammer 11 in der Niederdruckkammer 11 ein gegenüber dem Saugraum 16 niederer Druck einstellt. Dieser Unterdruck lässt das Einlassventil 19 öffnen und Luft aus dem Saugraum 16 in die Niederdruckkammer 11 einströmen. Durch die nachfolgende Umkehrung der Bewegungsrichtung des Stufenkolbens 7 kommt es zu einer Verringerung des Volumens in der Niederdruckkammer 11 und damit zu einer Druckerhöhung der dort befindlichen Luft. Diese Druckerhöhung lässt das Einlassventil 19 der Niederdruckkammer 11 schließen, sodass es zu einer ersten Stufe der Verdichtung der eingeschlossenen Luft kommt. Bei einem vorbestimmten Druck öffnet das zur Hochdruckkammer 12 führende Überströmventil 20 und die komprimierte Druckluft wird in der weitergehende Bewegung des Stufenkolbens 7 aus der Niederdruckkammer 11 in die Hochdruckkammer 112 verschoben. Mit der Umkehrung der Bewegungsrichtung des Stufenkolbens 7 kommt es zu einer Druckerhöhung in der Hochdruckkammer 12, bei der das Überströmventil 20 schließt und eine zweite Stufe der Verdichtung der Druckluft einleitet. Bei einem vorbestimmten Druck in der Hochdruckkammer 12 öffnet das Auslassventil 21 und die verdichtete Druckluft gelangt über den Auslassanschluss 18 zum Verbraucher.

Bei der Versorgung eines externen Verbrauchers, zum Beispiel eines Reifens mit Luft aus der Atmosphäre oder aus einem druckschwachen Luftdruckspeicher bleibt das Druckventil 23 in der Bypassleitung 22 geschlossen, weil die vom Druck im Saugraum 16 ausgehende und einerseits am Ventilelement 24 angreifende Kraft geringer ist als die andererseits auf das Ventilelement 24 wirkende Kraft der vorgespannten Druckfeder 25. Die Verdichtung der angesaugten Luft erfolgt dann in der eben beschriebenen Weise in zwei Verdichtungsstufen. Das relativ große Hubvolumen in der ersten Verdichterstufe ermöglicht einen für die Reifenbefüllung ausreichenden Volumenstrom und die geringen Drücke in beiden Verdichterstufen halten die Leistungsaufnahme des Kompressors innerhalb des Leistungsbereiches des elektrischen Antriebs.

Zur Versorgung der Verbraucher mit Druckluft aus einem Luftdruckspeicher stellt sich im Saugraum 16 ein Saugdruck ein, der dem Druck im Luftdruckspeicher entspricht und der höher ist als der atmosphärische Druck. Dieser Saugdruck pflanzt sich ebenfalls über die Bypassleitung 22 fort und belastet das Ventilelement 24 des Druckventils 23 entgegen der Kraft der Druckfeder 25. Dabei ist das Druckventil 23 mit einem vorbe stimmten Öffnungsdruck eingestellt. Bleibt der Saugdruck in der Saugkammer 16 unterhalb des am Druckventil 23 eingestellten Öffnungsdruckes, dann bleibt das Druckventil 23 geschlossen und der Kompressor arbeitet in der oben beschriebenen Weise mit beiden Verdichterstufen. Erreicht der Saugdruck den am Druckventil 23 eingestellten Öffnungsdruck, dann öffnet das Druckventil 23 stetig oder unstetig und verbindet somit beide Leitungsanschlüsse am Druckventil 23 und damit die Niederdruckkammer 11 und den Saugraum 16. Es kommt daher zu einem steten oder unsteten Druckausgleich zwischen beiden Kammern, der über die gesamte Bewegung des Stufenkolbens 7 erhalten bleibt. Damit wird auch die Verdichtungsleistung in der Niederdruckkammer 11 stetig oder unstetig verringert, bis die erste Verdichtungsstufe nicht mehr an der Verdichtungsleistung des Kompressors beteiligt ist. Bei einem voll geöffneten Druckventil 23 wird die eingeschlossene Luftmenge ohne eine weitere Druckanhebung von der Niederdruckkammer 11 in die Hochdruckkammer 12 verschoben, sodass der Kompressor jetzt ausschließlich mit der zweiten Verdichtungsstufe arbeitet. Mit dem Übergang von der mehrstufigen zu einer einstufigen Verdichtung wird das Leistungsvermögen des Kompressors auf einen Leistungswert gedrosselt, der die Leistungsgrenze des elektrischen Antriebs 15 nicht übersteigt.

1: Kompressorgehäuse
2: größerer Gehäusedeckel
3: kleinerer Gehäusedeckel
4: Innenraum
5: größerer zylindrischer Hohlraum
6: kleinerer zylindrischer Hohlraum
7: Stufenkolben
8: Niederdruckkolben
9: Hochdruckkolben
10: Kolbenstange
11: Niederdruckkammer
12: Hochdruckkammer
13: Überströmkanal
14: Kurbelgetriebe
15: elektrischer Antrieb
16: Saugraum
17: Einlassanschluss
18: Auslassanschluss
19: Einlassventil
20: Überströmventil
21: Auslassventil
22: Bypassleitung
23: Druckventil
24: Ventilelement
25: Druckfeder
26: Leckageanschluss

Claims

Verfahren zur Leistungsbegrenzung eines Kompressors, der einen Luftstrom in mindestens zwei Verdichtungsstufen verdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erreichen einer vorbestimmten Leistungsgrenze des Kompressors der Druck mindestens einer der Verdichtungsstufen, die der letzten Verdichtungsstufe vorgelagert ist, dem Druck ihrer jeweils vorgelagerten Verdichtungsstufe angeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Angleichung der Drücke von zwei benachbarten Verdichterstufen pneumatisch vom Druck im Saugraum (16) oder vom Belastungsdruck des Verbrauchers oder elektrisch von der Belastbarkeit des elektrischen Bordnetzes oder vom Bedarf der Regelgeschwindigkeit eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drücke von zwei benachbarten Verdichterstufen stetig angeglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hubvolumen der ersten Verdichtungsstufe auf einen erforderlichen Volumenstrom eines Verbrauchers ausgelegt ist und die Leistungen aller nicht druckausgeglichenen Verdichterstufen auf die Leistungsgrenze des elektrischen Antriebs abgestimmt sind.
Mehrstufiger Kompressors, bestehend aus einem Kompressorgehäuse (1) und einem oszillierend angetriebenen Stufenkolben (7), die beide mindestens eine Niederdruckkammer (11) und eine Hochdruckkammer (12) ausbilden, wobei die Niederdruckkammer (11) über ein Einlassventil (19) mit einem Saugraum (16), die Hochdruckkam mer (12) über ein Auslassventil (21) mit einem Verbraucher und die Niederdruckkammer (11) und die Hochdruckkammer (12) über ein Überströmventil (20) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Niederdruckkammern (11) über eine das Einlassventil (19) dieser Niederdruckkammer (11) umgehende Bypassleitung (22) mit der vorgelagerten Niederdruckkammer (11) verbunden ist, wobei sich in der Bypassleitung (22) ein steuerbares und in Richtung dieser Niederdruckkammer (11) öffnendes Regelventil (23) befindet.
Mehrstufiger Kompressor, bestehend aus einer ersten Verdichterstufe mit einer Niederdruckkammer (11) und einer zweiten Verdichterstufe mit einer Hochdruckkammer (12), nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vargelagerte Niederdruckkammer (11) ein Saugraum (16) ist.
Mehrstufiger Kompressor nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil (23) in der Bypassleitung (22) mit einem Öffnungsdruck eingestellt ist, der das Leistungsvermögen des Kompressors auf die maximale Leistungsgrenze des elektrischen Antriebes einstellt.
Mehrstufiger Kompressor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil (23) in der Bypassleitung (22) eine pneumatische Steuereinheit besitzt, die mit der vorgelagerten Niederdruckkammer (11) oder mit der zum Verbraucher führenden Auslassanschluss (18) verbunden ist.
Mehrstufiger Kompressor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil (23) eine elektrische Stelleinheit besitzt, die mit der Leistungskontrolle des elektrischen Antriebs verbunden ist.