DE2324294A1

DE2324294A1 - Stufenlose regelung der foerdermenge von verdichtern

Info

Publication number: DE2324294A1
Application number: DE19732324294
Authority: DE
Inventors: Otto Josef Frommhold
Original assignee: Hoerbiger Ventilwerke GmbH and Co KG
Current assignee: Hoerbiger Ventilwerke GmbH and Co KG
Priority date: 1972-05-16
Filing date: 1973-05-14
Publication date: 1973-12-06
Also published as: FR2185305A5; ES414781A1; AT320125B; PL86179B1; IT987468B; JPS4941909A; DD106218A5; RO69101A

Description

HOERBIGER VENTILWERKE AKTIENGESELLSCHAFT Braunhubergasse 23, A-1110 Wien

Stufenlose Regelung der Fördermenge von Verdichtern

Die Erfindung bezieht sich auf eine stuffenlose Regelung der Fördermenge von Verdichtern, die durch Kraftmaschinen mit veränderbarer Drehzahl, insbesondere durch Verbrennungsmotoren, angetrieben sind.

Durch Verändern der Drehzahl eines Verdichters kann bekanntlich dessen Fördermenge auf verhältnismäßig einfache Weise geregelt werden. Dazu ist jedoch eine Antriebsmaschine notwendig, deren Drehzahl auf wirtschaftliche Weise stufenlos verändert werden kann. Die Drehzahlregelung findet daher in der Praxis meist nur beim Antrieb des Verdichters durch Kolbenmaschinen Anwendung, da der Antrieb durch drehzahlregelbare Elektromotoren oder über stufenlos regelbare Getriebe einen zu großen baulichen Aufwand erfordert. Nachteilig bei der Drehzahlregelung ist jedoch, daß zur Sicherstellung eines ausreichenden Ungleichförmigkeitsgrades bei niedrigen Drehzahlen eine große Schwungmasse verhanden sein muß, die Anlaufschwierigkeiten verursachen kann, und daß die Drehzahlerhöhung von z.B. Verbrennungsmotoren aufgrund deren verringerter Leistung bei niedrigen Drehzahlen schwierig ist, da

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der Verdichter auch bei niedrigen Drehzahlen das volle Antriebsdrehmoment verlangt. In der Praxis ist deshalb die Drehzahlregelung bei größeren Verdichtern auf einen Regelbereich von 100 bis etwa 70% der vollen Fördermenge beschränkt.

Eine andere bekannte Regelungsart, die vielfach zur stufenlosen Regelung mit Vorteil angewendet wird, ist die Rückströmregelung, bei der die Saugventile durch eine auf sie wirkende Offenhaltekraft über den Hubwechsel hinaus offengehalten werden, so daß während eines Teils des Druckhubes angesaugtes Gas wieder in die Saugleitung zurückgeschoben wird. Bei dieser Regelungsart ist keine Veränderung der Drehzahl der Antriebsmaschine erforderlich, weshalb sie in erster Linie beim Antrieb des Verdichters durch drehzahlkonstante Elektromotoren verwendet wird. Mit der Rückströmregelung kann in der Praxis die Fördermenge bis auf etwa 40% stufenlos-verringert ,werden. Im unteren Regelbereich, in welchem die geregelten Säugventile verhältnismäßig spät schließen, treten jedoch aufgrund der im Schließzeitpunkt bereits großen Gasgeschwindigkeiten im Saugventil hohe Schlagbeanspruchungen auf, die vor allem die Verschlußstücke gefährden.

Zur Erweiterung des Regelungsbereiches wurden auch schon verschiedene Regelungsarten gemeinsam angewendet. Vor allem bei der Regelung größerer Verdichteranlagen mit mehreren Zylindern wird z.B. durch Abschalten von Zylinderseiten oder Zuschalten von Schadräumen in aufeinanderfolgenden Regelstufen stufenweise und nur innerhalb dieser Regelstufen durch Verändern der Drehzahl oder durch Offenhalten der Saugventile stufenlos geregelt. Eine solche Regelung bedingt aber einen großen konstruktiven Aufwand und verursacht beim Übergang zwischen den einzelnen Regelstufen Unstetigkeiten, die zu nachteiligen Schwingungen in der gesamten Anlage führen können.

Die Erfindung bezweckt nun die Schaffung einer einfachen, mit geringem konstruktiven Aufwand zu verwirklichenden stufenlosen Regelung, die auch bei gewünschtem größeren Regelungsbereich problemlos angewendet werden kann und insbesondere für. durch Verbrennungsmotoren angetriebene Verdichter geeignet ist.

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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß in Kombination mit der Drehzahlregelung eine stufenlose RUckströmregelung mit auf das Verschlußstück der Saugventile wirkender Offenhaltekraft angewendet wird. Durch diese von der Erfindung erstmals vorgesehene funktioneile Verknüpfung der beiden je für sich bekannten Regelungsarten wird ein besonderer Effekt erzielt. In überraschender Weise wird nicht bloß eine Summierung der Wirkungen der beiden Regelungen erreicht, sondern eine gegenseitige Verstärkung des Regelungseffektes, so daß die Fördermenge z.B. erheblich rascher abnimmt, als es der Summenwirkung der beiden Regelungen entspricht. Dadurch ist es ohne weiteres möglich, auch unter rauhen Betriebsbedingungen die Fördermenge bis auf erheblich unterhalb von 40% der vollen Fördermenge liegende Werte zu verringern, ohne daß hiebei Schwierigkeiten durch ein zu geringes Drehmoment der Antriebsmaschine oder durch zu große Schlagbeanspruchungen der Verschlußstücke der Saugventile auftreten. Die erfindungsgemäße Regelung ermöglicht somit eine einfache stufenlose Regelung der Fördermenge innerhalb eines verhältnismäßig großen Regelungsbereiches, wobei die verwendeten Regelungsarten innerhalb ihres optimalen Betriebsbereiches arbeiten, ohne auch nur in die Nähe des kritischen Funktionsbereiches zu gelangen.

Vorzugsweise wird mittels der erfindungsgemäßen Regelung die Fördermenge jeweils innerhalb vorherbestimmter Fördermengenbereiche abwechselnd durch kontinuierliches Verändern der Drehzahl der Antriebsmaschine bei konstanter Offenhaltekraft oder der Offenhaltekraft bei konstanter Drehzahl geregelt. Dadurch ist die Regelung leicht überschaubar und werden Überschneidungen der beiden Regelungsarten vermieden. In Abhängigkeit von den jeweils vorhandenen Betriebsverhältnissen haben sich dabei zwei Varianten als vorteilhaft erwiesen. Wenn in der Nähe des Vollastbetriebes eine rasche Anpassung der Fördermenge an den jeweiligen Verbrauch, insbesondere eine möglichst verzögerungsfreie Vergrößerung der Fördermenge erforderlich ist, wird erfindungsgemäß innerhalb eines an den Vollastbetrieb anschließenden begrenzten Fördermengenbereiches, vor-

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zugsweise bis zu etwa 9090 der vollen Fördermenge, durch Verändern der Offenhaltekraft der Rückströmregelung bei konstanter Drehzahl geregelt. Wenn hingegen nach einem weiteren Merkmal der Erfindung an den Vollastbetrieb anschließend, vorzugsweise bis zu etwa 70% der vollen Fördermenge, allein durch Verändern der Drehzahl der Antriebsmaschine geregelt wird, ergibt sich eine Schonung der Antriebsmaschine, da diese im Regelbetrieb mit verminderter Drehzahl läuft. Diese Variante wird daher dann zweckmäßig sein, wenn die volle Fördermenge nur verhältnismäßig kurzzeitig abgegeben werden muß.

Eine weitere Möglichkeit zur Ausführung der erfindungsgemäßen Regelung besteht darin, daß die Fördermenge durch gleichzeitiges Verändern der Drehzahl der Antriebsmaschine und der Offenhaltekraft der Rückströmregelung geregelt wird. In diesem Fall ist der für die Verstellung des Drehzahlreglers der Antriebsmaschine und der Offenhaltekraft der Rückströmregelung erforderliche Geräteaufwand verhältnismäßig gering, weil für die Verstellung beider Regelungsarten nur ein einziges, diesen dauernd zugeführtes Signal erforderlich ist. In manchen Fällen kann es dabei jedoch in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig sein, die Offenhaltekraft der Rückströmregelung nach Erreichen eines vorbestimmten Grenzwertes, der vorzugsweise der bei voller Drehzahl zur Verringerung der Fördermenge um etwa 10% erforderlichen Offenhaltekraft entspricht, konstant zu halten. Durch diese Maßnahme wird verhindert, daß die Offenhaltekraft während des Regelungsbetriebs ihren kritischen Wert erreicht, bei dessen Überschreitung die Saugventile dauernd offengehalten werden. Bekanntlich ist der Regelungsbereich einer Rückströmregelung nach unten durch die bei maximaler Kolbengeschwindigkeit auf das Verschlußstück des Saugventils wirkenden maximalen Strömungskräfte bestimmt, welche von der Offenhaltekraft nicht überschritten werden dürfen. Die Begrenzung der Offenhaltekraft kann auf einfache Weise durch Einschalten eines Gerätes zur Druckbegrenzung in die zur Offenhalteeinrichtung des Saugventils führende Steuerleitung erreicht werden.

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Bei der erfindungsgemäßen Regelung ist es ferner möglich, eine der beiden Regelungsarten, zweckmäßig die Rückströmregelung, von Hand aus zu schalten und lediglich die andere Regelung in Abhängigkeit von der zu regelnden Betriebsgröße über ein Regelgerät selbsttätig zu beeinflussen. Diese Ausführung der Regelung wird beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn jeweils über längere Zeitabschnitte verschieden große Fördermengen verlangt werden, innerhalb der Zeitabschnitte jedoch nur in kleinerem Umfang eine Anpassung an den jeweiligen Verbrauch erforderlich ist.

Die erfindungsgemäße Regelung zeichnet sich somit nicht nur durch verhältnismäßig einfachen Aufbau und problemloses Arbeiten aus, sondern sie ist aufgrund der vielfältigen Variationsmöglichkeiten auch einfach an die unterschiedlichsten Betriebsverhältnisse anpaßbar, so daß sie praktisch universal angewendet werden kann.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Regelung anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt:

Fig. 1 eine mit der erfindungsgemäßen Regelung ausgestattete Verdichteranlage in schematischer Darstellung und

Fig. 2 ein Diagramm, das die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Regelung veranschaulicht.

Die in Fig. 1 gezeigte Verdichteranlage besteht aus einem Verdichter V, der durch eine Antriebsmaschine A angetrieben ist, deren Drehzahl stufenlos verändert werden kann. Der Verdichter V besitzt ein Saugventil 1, an das eine Saugleitung 2 angeschlossen ist, sowie ein Druckventil 3, von dem eine Druckleitung 4 zu einem Druckkessel K führt. Mit 5 ist eine vom Druckkessel K abgehende Verbraucherleitung bezeichnet. Vom Druckkessel K führt ferner eine Signalleitung 6 zu einem Regler R, der über eine Steuerleitung 7 mit dem Drehzahlregler der Antriebsmaschine A und über eine Steuerleitung 8 mit dem Saugventil 1 in Verbindung steht, das mit einer Einrichtung zum Offenhalten seines Verschlußstückes versehen ist. Die Fördermenge des Verdichters V, die dieser durch die Druckleitung A in den Druckkessel K liefert, kann einerseits durch

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Verändern der Drehzahl der Antriebsmaschine A (Drehzahlregelung) und anderseits durch zeitweises Offenhalten des Saugventils 1 (Rückströmregelung) geregelt werden.

Das Diagramm nach Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen der Fördermenge Q des Verdichters V und der Drehzahl η sowie der auf das Saugventil 1 wirkenden Offenhaltekraft p. Auf der Abszissenachse ist die Fördermenge Q in Prozent und auf der Ordinatenachse sind die Drehzahl η sowie die Offenhaltekraft ρ der Rückströmregelung aufgetragen. Die mit Q bezeichnete Gerade, die vom Punkt n=1 auf der Ordinatenachse ausgeht und gegen die Abszissenachse linear abfällt, welche sie außerhalb des Diagramms im Punkt Q=Q erreicht, stellt den Zusammenhang zwischen Drehzahl η und Fördermenge Q bei Regelung der in Fig. 1 gezeigten Verdichteranlage durch alleinige Veränderung der Drehzahl der Antriebsmaschine A dar. Die Drehzahlkennlinie fällt dabei mit der Geraden Q zusammen. Bei alleiniger Regelung der Fördermenge Q mittels der Rückströmregelung wird diese mit einer der Verringerung der Fördermenge entsprechend ansteigenden Offenhaltekraft ρ beaufschlagt, deren Verlauf durch die vom Ursprung O des Koordinatensystems durch den Punkt P₁ gelegte Gerade Q veranschaulicht ist. Gemäß der Erfindung erfolgt die Regelung durch Verändern sowohl der Drehzahl η als auch der Offenhaltekraft p, wobei verschiedene Möglichkeiten zur Durchführung des Regelungsverfahrens bestehen.

Mit vollen Linien ist in Fig. 2 der Verlauf der Drehzahl η und der Offenhaltekraft ρ für den Fall eingezeichnet, daß die Fördermenge Q innerhalb eines Regelungsbereiches von 100-90 % durch die Rückströmregelung und daran anschließend durch Verändern der Drehzahl der Antriebsmaschine A geregelt wird. Zu diesem Zweck wird zunächst die Offenhaltekraft ρ entlang der Geraden Q zwischen dem Ursprung O und dem Punkt P^ verändert, wobei die Drehzahl η bis zum Punkt Pp konstant gehalten wird. Im Regelungsbereich unter 90 % bis etwa 40 % der Fördermenge wird sodann die Offenhaltekraft ρ konstant gehalten, was durch die Gerade zwischen den Punkten P^ und P^, veranschaulicht ist, 'und die Drehzahl η verändert. Wie aus dem Verlauf der Drehzahl-

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kennlinie η zwischen den Punkten P~ und P^ zu erkennen ist, fällt diese weniger steil nach unten ab als die Gerade Q ,. welche den Verlauf bei alleiniger Drehzahlregelung zeigt. Einer Fördermenge Q=40% entspricht etwa eine Drehzahl von n=0,7. Durch die Kombination der beiden Regelungsarten wird somit ein wesentlich weiteres Absinken der Fördermenge Q erreicht, als dies in der Praxis durch getrennte Anwendung der beiden Regelungsarten zu erreichen ist. Die Fördermenge Q kann somit in einem verhältnismäßig großen Regelungsbereich stufenlos verändert werden, ohne daß die beiden Regelungsarten in kritische Regelbereiche gelangen.

Die strichpunktierten Linien veranschaulichen ein Regelungsverfahren, bei dem an den Vollastbetrieb anschließend zunächst die Drehzahl η verringert wird, gemäß Fig. 2 bis 70# der Fördermenge, und die weitere Regelung durch Verändern der Offenhaltekraft ρ erfolgt. Die Drehzahlkennlinie fällt dabei zwischen den Punkten n=1 und P₁- mit der Geraden Q zusammen, während die Offenhaltekraft auf dem Wert p=0 gehalten wird und ihre Kennlinie in der Abszissenachse verläuft. Bei weiterer Regelung der Fördermenge Q durch Erhöhung der Offenhaltekraft ρ erstreckt sich deren Kennlinie schräg nach oben längs der strichpunktierten Geraden zum Punkt P,, in welchem die Fördermenge Q einen Wert von 40% erreicht. Die Drehzahl bleibt dabei längs der strichpunktierten Geraden zwischen den Punkten Pc und P^ konstant. Wenn hingegen die Fördermenge Q durch gleichzeitiges Verändern der Drehzahl η der Antriebsmaschine A und der Offenhaltekraft ρ der Rückströmregelung geregelt wird, verlaufen die Kennlinien innerhalb der im Diagramm eingezeichneten Vierecke, u.zw. die Drehzahlkennlinie vom Punkt n=1 auf der Ordinatenachse zum Punkt P. und die Kennlinie der Offenhaltekraft ρ vom Ursprung 0 zum Punkt P,, beispielsweise längs der gestrichelt eingezeichneten Geraden. Auch anhand dieser beiden Beispiele des erfindüngsgemaßen Regelungsverfahrens ist zu erkennen, daß ein Über die Summenwirkung der beiden Regelungsarten hinausgehender Effekt bei der stufenlosen Regelung der Fördermenge Q erreicht wird.

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Die in Fig. 1 in die Steuerleitungen 7 und 8 eingeschalteten Regelgeräte 9 und 10 können beispielsweise Druckverstärker oder Druckbegrenzer sein und dienen zur·Erzielung des gewünschten Verlaufs der der Drehzahlregelung und der Rückströmregelung zugeführten Steuersignale. Durch geeignete Wahl und Einstellung dieser Regelgeräte wird das gewünschte Regelungsverfahren erhalten bzw. werden die Regelungsbereiche bestimmt, innerhalb welcher die Drehzahlregelung und/oder die Rückströmregelung wirksam ist..

Patentansprüche;

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Claims

Patentansprüche :

Stufenlose Regelung der Fördermenge von Verdichtern, die durch Kraftmaschinen mit veränderbarer Drehzahl, insbesondere durch Verbrennungsmotoren, angetrieben sind, dadurch gekennzeichnet, daß in Kombination mit der Drehzahlregelung eine stufenlose Rückströmregelung mit auf das Verschlußstück der Saugventile wirkender Offenhaltekraft angewendet wird.

Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die" Fördermenge (Q) jeweils innerhalb vorherbestimmter Fördermengenbereiche abwechselnd durch kontinulierliches Verändern der Drehzahl (n) der Antriebsmaschine (A) bei konstanter Offenhaltekraft (ρ) oder der Offenhaltekraft bei konstanter Drehzahl geregelt wird.

Regelung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines an den Vollastbetrieb anschließenden begrenzten Fördermengenbereichs, vorzugsweise bis zu etwa 90% der vollen Fördermenge (Q), durch Verändern der Offenhaltekraft (ρ) der Rückströmregelung bei konstanter Drehzahl (n) geregelt wird.

Regelung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines an den Vollastbetrieb anschließenden begrenzten Fördermengenbereichs, vorzugsweise bis zu etwa 70% der vollen Fördermenge (Q), allein durch Verändern der Drehzahl (n) der Antriebsmaschine (A) geregelt wird.

Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördermenge (Q) durch gleichzeitiges Verändern der Drehzahl (n) der Antriebsmaschine (A) und der Offenhaltekraft (ρ) der Rückströmregelung geregelt wird. Regelung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Offenhaltekraft (ρ) der Rückströmregelung nach Erreichen eines vorbestimmten Grenzwertes, der vorzugsweise der bei voller Drehzahl zur Verringerung der Fördermenge um etwa 10% erforderlichen Offenhaltekraft entspricht, konstant gehalten wird.

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