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Verfahren und Vorrichtung zum Schmieren eines Kompressors mit sternförmig
angeordneten Zylindern Die erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schmieren
eines Kompressors mit sternförmig angeordneten Zylindern, insbesondere mit mehreren
Verdichterstufen, wobei ein oben angeordneter Zylinder, vorzugsweise die Endstufe
des Verdichter durch Ölzufuhr mit gesteuertem Druck im Bereich der Kolbenlaufbahn
geschmiert wird und die übrigen Zylinder sowie das Kurbelgetriebe durch das aus
dem oberen Zylinder abtropfende c"l geschmiert werden. Ferner betrifft die Erfindung
eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens0 Es ist eine Schmieranordnung
für einen Kompressor mit sternförmig angeordneten Zylindern bekannt, welche nach
dem vor
stehend beschriebenen Prinzip arbeitet. ks hat sich Jedoch
gezeigt, daß bei dieser bekannten Schmieranordnung die Vorzüge des eingangs umrissenen
Schmierprinsips noch nicht voll ausgenutzt werden. Insbesondere zeigte die Praxis,
daß bei der bekannten bchmieranordnung immer noch das Vorsehen von Kolbenringen
am oben angeordneten Kolben erforderlich war um dort eine ausreichende Abdichtung
zwischen Kolben und Zylinder zu erhalten. Ferner war bei den in der Praxis ausgeführten
Beispielen der bekannten Schmieranordnung immer noch eine größere als unbedingt
benötigte molmenge erforderlich, um bei dem oben angeordneten Verdichter ein Hindurchtreten
von verdichtetem Gas vom Zylinderraum in den Surbelraum mit sicherheit zu verhindern.
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Der vorliegenden erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches
und wirksames Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Schmieren eines Lompressors mit
sternförmig angeordneten Zylindern, insbesondere mit mehreren Verdichterstufen,
wobei ein oben angeordneter Zylinder, vorzugsweise die Endstufe des Verdichters,
durch Ölzufuhr mit gesteuertem Druck im Bereich der Kolbenlaufbahn geschmiert wird
und die übrigen Zylinder sowie das Kurbelgetriebe durch das aus dem oberen Zylinder
abtropfende Öl geschmiert werden, zu schafen, durch welche eine ausreichende Schmierung
des Verdichters sowie ohne das Vorsehen von Kolbenringen ein sicheres Verhindern
eines Leckgasstromes in den hurbelraum bei Zuführung einer möglichst geringen Schmierölmenge
erreicht wird.
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Diese iiufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Einspritzdruck
des Lls mindestens 10% des Druckes des zu verdichtenden Gases vor Eintritt in den
oben angeordneten Zylinder beträgt. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungform
des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dabei das
Öl während eines
Winkelbereichs der kurbelwellendrehung von γ = 150 his 2700, vorzugsweise
d s 1200 bis 1500, ab der unteren Totpunktstellung des oben angeordneten Kolbens
in den Kolbenspalt eingespritzt.
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Dadurch, daß das Öl erfindungsgemäß mit einem Mindestdruck in den
Kolbenspalt des oberen Zylinders eingespritzt wird, welcher zum Gasdruck vor dem
oben angeordneten Verdichter in einem bestimmten Verhältnis steht, entfallen bei
der erfindungsgemäßen Schmieranordnung Kolbenringe beim oben angeordneten Verdichter
vollends. X;enn überdies gemäß der besonders vorteilhaften Ausführungsform das Öl
nur während eines bestimmten Winkelbereichs α der Rotorwellendrehung, also
zu einem ganz bestimmten Einspritzzeitp'iflkt, in den Kolbenspalt eingespritzt wird,
ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine optimale Abstimmung zwischen Öleinspritzung
und Gasverdichtungsablauf möglich, zumal dabei die Einspritzung des ochmier- und
Abdichtöls in den Verdichter ebenso wie die Gasverdichtung stoßweise erfolgt. Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt gemäß seiner bevorzugten Ausfuehrung die
Öleinspritzung über dem Drehwinkel der Kurbelwelle vor allem jeweils dann, wenn
das Öl am dringendsten gebraucht wird.
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Andererseits erfolgt im übrigen Winkelbereich der Rurbelwellendrehung
keine Öleinspritzung, wobei jedoch das aus der Einspritzperiode im Kolbenspalt noch
vorhandene £1 in diesem übrigen Winkelbereich sur Abdichtung und Schmierung ausreicht.
Die Erfindung ermöglicht somit vor allem bei Wahl des bevorzugten Einspritzwinkelbereichs
α1 bei minimalem Ölverbrauch eine sichere und optimale Schmierung und Abdichtung
des Verdichters.
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Mit Vorteil beträgt der Einspritzdruck des Üls mindestens 3 atü und
bleibt wenigstens 10 atü unterhalb des Drucks des komprimierten Gases. Vorteilhafterweise
wird zur optimalen
Ausnutzung des Öls der Einspritzdruck des Öls
in bestimmtem Verhältnis zum Verdichterdruck gehalten. Dies kann sweckmäßigerweise
mittels eines Druckregelventils erfolgen. Bei stoßweiser Öleinspritzung ergibt sich
der Einspritzdruck im maximalen Förderpunkt der Ölpumpe demnach daraus, daß der
Druck des verdichteten Gases jeweils wenigstens 10 atü über dem Öldruck liegen soll.
Auf diese gise wird unter anderem ausgeschlossen, daß, chmieröl in den Zilinderraum
gelangt.
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Bei einer vorteilhaften Schmieranordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist zur stoßweisen Öleinspritzung in den Kolbenspalt eine Zahnradpumpe
mit Zuteilventil vorgesehen. bei einer anderen Ausführungsform kann anstelle der
Zahnradpumpe auch eine Stöbelpumpe vorgesehen sein. Derartige Pumpen ermöglichen
mit einfachen Mitteln die erfindungsgemäße stoßweise Öleinspritzung, wobei der gewünschte
winkelbereich für die Einspritzung auf einfache weise einstellbar ist. Für die von
der Kurbelwellendrehung abhängige Steuerung dieser Pumpen stehen in der Technik
die verschiedensten Ausführungsformen zur Verfügung.
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Vorteilhafterweise ist an der Einspritzstelle in den Kolben spalt
im Zylinder ein nach innen offener Ringkanal angeordnet, welcher vorzugsweise um
den gesamten inneren Zylinderumfang umläuft. Der Ringkanal ermöglicht dabei eine
besonders gleichmäßige Verteilung des eingespritzten £ls und somit eine gleichmäßige
schmierung und Abdichtung über den gesamten Umfang des Kolbenspalts.
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Bei einer besonders vorteilhaften asiterbildung des Erfindungsgedankens
ißt der oben angeordnete Kolben in seinem unterhalb der Einspritzstelle bleibenden
Endabschnitt konisch ausgebil det. Eine derartige nach unten verlaufende Verjüngung
des Kolbens ermöglicht wie leicht einsusehen ist eine bessere Ölabtropfung, d.h.
ein leichteres Abfliaßen des eingespritzten
Öls durch den Kolbenspalt
in das Kurbelgehäuse, wo das Öl noch zur Schmierung und Abdichtung der übrigen Zylinder
sowie des Kurbelgetriebes benötigt wird. Die Ölabtropfmenge richtet sich nach dem
Jeweiligen Bedarf, auf welchen die konstruktiven und verfahrensmäßigen größen bei
der Öleinbringung abgestimmt sind.
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Im übrigen wird durch die erfindungsgemäße konische Ausbildung des
unteren Kolbenabschnitts mit Sicherheit auch verhindert, daß sich an der Einspritzstelle
ein Ölstau bildet, infolgedessen das Öl möglicherweise in das im Zylinderraum befindliche
Gas einströmen könnte. Bei Jer durch die Kolbenverjüngung bewirkten Kolbenspalterweiterung
unterhalb der Einspritzstelle fließt nämlich das eingespritze Öl lieber in das Kurbelgehäuse
b als daß es seinen Weg nach oben durch den konstant engen Kolbenspalt nahme.
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Die erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten, in der Zeichnung
schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Fir 1
einen erfindungsgemäß ölgeschmierten vierstufigen Buftverdichter mit sternförmig
angeordneten Zylindern, Figur 2 eine schematische Prinzipskizze zur Darstellung
des erfindungsgemäßen Einspritzwinkelbereichs für das Öl und Figur 3 im Detail die
Ausbildung des oberen Zylinders und Kolbens mit Öleinspritzung.
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Bei der in Figur 1 dargestellten mehrstufigen Luftverdicbteranlage
sind die einzelnen Zylinder sternförmig angeordnet. Die einzelnen Zylinder 1 (erste
Verdichterstufe), 2 (zweite Verdichterstufe
), 3 (dritte Verdichterstufe)
und 4 (Verdichterendstufe) sind um ein gemeinsames Kurbelgehäuse 5 herum befestigt,
in dessen mitte eine ifurbelwelle 6 zum Antrieb der Zylinder 1 bis 4 vorgesehen
ist.
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Der oben angeordnete Zylinder 4, also die Endstufe des Verdichters,
wird durch Glzufuhr mit gesteuertem Druck im Bereich der Kolbenlaufbahn geschmiert
und die übrigen Zylinder 1 bis 3 sowie das Kurbelgetriebe 6 werden durch das aus
dem oberen Zylinder 4 abtropfende ül sowie den daraus entstehenden Ölnebel geschmiert.
Dabei wird das Ül erfindungsgemäß während eines ganz bestimmten winkelbereichs der
Rotorwellendrehung in den Kolbenspalt des oberen Zylinders 4 eingespritzt, was anhand
der Darstellung in Figur 2 weiter unten noch näher erläutert wird. Der im Zylinder
4 befindliche Kolben 4a weist keine Kolbenringe auf.
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Zur stoßweisen öleinspritzung ist eine Zahnradpumpe 7 mit Zuteilventil
vorgesehen, an deren Stelle beispielsweise auch eine Stößelpumpe treten kann. Das
Schmieröl wird von der Zahnradpumpe aus einem separaten Ölbehälter 8 entnommen und
durch eine Druckleitung 9 in den Kolbenspalt des Zylinders 4 eingespritzt. Zur Druckregelung
dient ein in der Druckleitung 9 schematisch eingezeichnetes Druckregelventil 10.
Der Einspritzdruck des puls beträgt mindestens 3 atü und wird durch das Druckregelventil
10 in einem bestimmten Verhältnis zum Verdichterdrück gehalten, d.h. bei höherem
Verdichtungsenddruck wird mit entsprechend höherem Öldruck geschmiert.
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Der ßinspritzdruck zum maximalen Förderpunkt der Ölpumpe ergibt sich
daraus, daß der Luftdruck wenigstens 10 atü über dem Öldruck liegen soll. Hierdurch
wird unter anderem verhindert, daß Öl nach oben in den Zylinder 4 tritt, wenn es
infolge niedrigen Luftdrucks nicht stark genug nach unten in das Kurbelgehäuse 5
gedrückt -ird.
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Die dem Druckregelventil 10 zugeordneten weiteren Anordnungen zur
Druckregelung sind der besseren Übersichtlichkeit halber in der Zeichnung nicht
dargestellt. Das gleiche gilt auch für die Anordnungen zur Steuerun; der Zahnradpumpe
7, durch welche das erfindungsgemäße Einspritzen des Öls während eines ganz bestimmten
Drehwinkelbereichs der Kurbelwelle 6 erreicht wird.
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Im übrigen ist das Kurbelgehäuse 5 mit einer Rohrleitung 11 an den
Saugstutzen 12 des Kompressors angeschlossen. Hierdurch wird die Leckluft der übrigen
Zylinder und der darin enthaltene Ülnebel dem Kompressor wieder zugefiihrt und eine
zusätzliche Schmierung bewirkt, welche insbesondere für die Lebensdauer und Kühlung
der Ventile von Bedeutung ist. Ferner ist noch darauf hinzuweisen, daß die erfindungsgemäße
Luftverdichteranlage im Gegensatz zu Maschinen mit geschlossenem Schmierölkreislauf
den Vorteil bietet, daß stets mit frischem unverbrauchten Öl geschmiert wird.
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Anhand der in Figur 2 dargestellten Prinzipskizze soll erläutert werden,
daß das Öl erfindungsgemäß während eines Winkelbereichs der Kurbelwellenddrehung
von α= 15° bis 270°, vorzugsweise α1= 120° bis 150°, ab der unteren
Totpunktstellung des Kolbens 4a des oben angeordneten Zylinders 4 in den Kolbenspalt
eingespritzt wird. Dabei ist mit 13 die - vertikal verlaufende - Achse des oben
angeordneten Zylinderen 4 und Kolbens 4a bezeichnet, während der strichpunktierte
Kreis 14 der Drehkreis des der Eurbelwelle 6 zugeordneten Kurbelzapfens 15 ist,
an welchen der zum Antrieb des Kolbens 4a dienende Pleuel 16 angelenkt ist. In der
unteren otpunktstellung des kolbens 4a befindet sich der Kurbelzapfen 15 gerade
unten auf der vertikalen Achse 13. Der Drehwinkel der Kurbelwelle 6 beträgt zu diesem
Zeitpunkt 0° und wächst in Richtung des Drehpfeils 17 an.
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Erfolgt die Cleinspritzung in den Kolbenspalt wahrend des Kurbelwellendrehwinkels
α, vorzugsweise α1, so ergibt sich eine optimale Abstimmun zwischen
der Öleinspritzung und dem Luftverdichtungsverlauf im Zylinder 4. Das auf diese
Weise in den ringförmigen Kolbenspalt zwischen Zylinder 4 und Kolben 4a eingedrückte
Gl bewirkt dort bei minimalem Ölverbrauch eine besonders gute Schmier-ung sowie
auch Kühlung und gleichzeitig die Abdichtung des kolbens 4a gegen Luftdurchtritt
von oben in den Kurbelraum 5. Durch den Luftüberdruck wird laufend Ül nach unten
in das Kurbelgehäuse 5 gedrückt, welches dort zu Ölnebel verwirbelt wird und so
alle übrigen Teile schmiert.
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In Figur 3 ist die Ausbildung von Zylinder 4 und Kolben 4a detaillierter
dargestellt. Insbesondere ist an der Einspritzstelle in den Kolbenspalt im Zylinder
4 ein nach innen offener Ringkanal 18 angeordnet, welcher um den gesamten inneren
Zylinderumfang umläuft. Der Ringspalt 18 ermöglicht eine besonder schnelle und gleichmäBige
Verteilung des eingespritz ten Öls über den gesamten Umfang des Kolbenspalts. Daraus
ergibt sich eine umfangsmäßig gleichmäßige Schmierung, Abdichtung und Kühlung im
Kolbenspalt. Der Ringspalt 18 verhindert ferner einen eventuellen Ölstau an der
Einspritzstelle.
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Aus dieser Zeichnungsfigur ist ferner zu ersehen, daß der Kolben 4a
in seinem unterhalb der Einspritzstelle bleibenden Endabschnitt 19 konisch ausgebildet
ist. Die nach unten verlaufende Verjüngung des Kolbens 4a bewirkt, daß sich dort
der Kolbenspalt nach unten hin erweitert. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Ülabtropfung,
also ein leichteres Abfließen des eingespritzten Gls nach unten in den Kurbelraum
5, wo das Öl zur Schmierung der übrigen Zylinder 1 bis 3 sowie des Kurbelgetriebes
6 benötigt wird. Die Ölabtropfmenge richtet
sich nach Bedarf, bei
mittleren Anlagen beträgt sie beispielsweise 10 cm³/min., Die zur Schmierung und
Abdichtung verwendete Ölmenge wird durch den kldr-uck sowie auch die eite des Kolbenspalts
bestimmt. Somit läßt sie sich bis zu einem gewissen Grade auch durch entsprechende
.ahl des Neigungswinkels des Endabschnitts 19 des Kolbens 4a variieren.
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Werner bewirkt auch die konische Ausbildung des Endabschnitts 19
des Kolbens 4a wie leicht einzusehen die Verhinderung eines Ölzustaus an der Einspritzstelle.
Im ührigen verhindert die konische Ausbildung des Kolbens 4a bei besonders niedrigem
Luftdrück ein Einströmen von Öl in den Zylinder 4, da das t-1 von der Einspritzstelle
aus lieber durch den sich erweiternden Kolbenspalt nach unten in das Kurbelgehäuse
5 abfließt als durch den in seiner )eite im wesentlichen konstant bleibenden Kolbenspalt
nach oben zu strömen.
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Die erfindungsgemäße Schmieranordnung ist einfach aufgebaut und läßt
sich mit einfachen Mitteln nicht nur in neue, sondern grundsätzlich auch in entsprechende
ältere auch gebrauchte Verdichteranlagen nachträglich einbauen.
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Zur Klarstellung sei noch folgendes gesagt: Das Erfindungsmerkmal,
daß der Einspritzdrick des öls wenigstens 10 atü der Drucks unterhalb des komprimierten
Gases bleiben soll, gilt für den gesamten Verdichtungsvorgang im oben angeordneten
Zylinder, d. h. während der vollen Umdrehung der Kurbelwelle.