DE3514119A1

DE3514119A1 - Verfahren zum betrieb eines kompressors mit wenigstens zwei zylindern sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3514119A1
Application number: DE19853514119
Authority: DE
Inventors: Albert Dr. 5060 Bergisch Gladbach Flotho
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1985-04-19
Filing date: 1985-04-19
Publication date: 1986-10-23

Description

Verfahren zum Betrieb eines Kompressors mit wenigstens
zwei Zylindern sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kompressors mit wenigstens zwei Zylindern gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
Der Arbeitszyklus eines Hubkolben-Luftkompressors verläuft im wesentlichen in vier Takten. Im Ansaugtakt wird der von OT nach UT zurückfahrende Kolben die zu komprimierende Luft ansaugen, und beim Zurückfahren zum OT bis zum Öffnungsdruck eines selbsttätigen Auslaßventils verdichten.
Sobald das Auslaßventil geöffnet ist, wird die komprimierte Luft bis zum OT des Kolbens ausgeschoben. In dem zwischen dem Kolbenboden in OT und dem Zylinderkopf bestehenden Schadraum verbleibt eine Restmenge an komprimierter Luft, die beim Zurückfahren des Kolbens zum UT wieder expandiert. Aufgrund dieser Expansion ist einerseits ein verschlechterter Liefergrad des Kompressors gegeben, andererseits tritt durch die bis ca. 300 Kurbelwellenwinkel nach OT auftretende Expansion der Restluft eine in Antriebsrichtung der Kurbelwelle auftretende Beschleunigung deren Drehbewegung ein. Dies führt in dem antreibenden Rädertrieb der Kurbelwelle zu einem Anlagewechsel zwischen den Zahnflanken. Dieser durch die Expansion entstehende Beschleunigungsimpuls bewirkt eine hohe mechanische Beanspruchung der Zahnflanken und verursacht ferner eine starke Geräuschanregung aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Belastung des die Kurbelwelle antreibenden Rädertriebs und die durch den Expansionsimpuls auftretende Geräuschanregung zu vermindern.
Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch das zwangsgesteuerte Abblasen des komprimierten Restmediums in den anderen Zylinder tritt eine Vorverdichtung der in dem anderen Zylinder aT:-gesaugten Luft sowie eine Entlastung des sich in OT leu in denden Kolbens auf. Es hat sich überraschend herausgestellt, daß durch das Abblasen der im Schadraum befindlichen komprimierten Restluft in den anderen Zylinder neben einer Liefergraderhöhung von bis zu 20 % auch eine geringe mechanische Beanspruchung des Rädertriebs sowie eine deutliche Gerauschverminderung erzielbar ist. Vorzugsweise erfolgt die Entlastung genau in OT-Stellung des einen Kolbens und kann sich bis zu 300 Kurbelwellenwinkel nach OT erstrecken, da bis zu diesem Zeitpunkt der um 1800 Kurbelwellenwinkel versetzt arbeitende andere Kolben im wesentlichen keine Verdichtungsarbeit zugeleistet hat.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Erfahrens ist in den Ansprüchen 4 ff angegeben. Vorzugsweise ist der Uberströnkanal durch einen von der Kurbelwelle synchron angetriebenen Drehschieber zwangsgesteuert, wobei der Drehschieber insbesondere über einen Rädertrieb von der fremdgetriebenen Kurbelwelle synchron antreibbar ist. Es kann auch zweckmäßig sein, den Uberströnkanal durch ein vom Kolben betätigtes Ventil zu steuern, wodurch der zusätzliche Rädertrieb für den Drehschieber entfallen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf zwei wie auf mehrzylindrige Kompressoren sowie Stufenkolbenkompressoren für beliebige kompressible Medien anwendbar.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, was nachfolgend näher erläutert ist. Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Kompressor, Fig. 2 einen Zylinder eines mehrzylindrigen Kompressors mit vom Kolben gesteuerten Uberströmkanal, Fig. 3 ein p/v-Diagramm eines Zylinders, Fig. 4 ein Tangentialkraftdiagramm eines Zweizylinderkompressors.
Der in Fig. 1 dargestellte Kompressor 1 hat zwei Zylinder 3 und 4, die über einen Uberströmkanal 2 miteinander in Verbindung stehen. In den Zylindern 3 und 4 arbeitet je ein Kolben 5 und 6, der über Pleuelstangen 7 und 8 mit einer fremdgetriebenen Kurbelwelle 9 verbunden ist. Die Kurbelwelle ist um 1800 versetzt gekröpft, so daß sich in OT-Stellung des einen Kolbens der andere Kolben 5 in UT-stellung befindet. Die Kurbelwelle 9 ist über ein an einem ihrer Enden angeordneten Rädertrieb 10 von einem Motor, z.B. einer Brennkraftmaschine angetrieben.
Jedem Zylinder 3 und 4 ist je ein Einlaß 12 und 13 mit je einem Einlaßventil und je ein Auslaß 11 und 14 mit je einem Auslaßventil zugeordnet.
Der Uberströmkanal 2 ist von einem Drehschieber 15 gesteuert, der über einen weiteren Rädertrieb 16 von der Kurbelwelle synchron angetrieben ist.
Der Arbeitszyklus eines Hubkolben-Luftkompressors gemäß der Fig. 1 ist anhand des p/v-Diagramms aus Fig. 3 erläutert: Bei geschlossenem Uberstronkanal 2 saugt ein Kolben 5 bzw.
6 ein Luftvolumen bis zum Punkt A an. Im nachfolgenden Takt wird gemäß der durchgezogenen Linie dieses Luftvolumen bis zum Punkt B auf einen Druck p, verdichtet, um dann vom Punkt B bis zum Punkt C nach selbsttätigem Öffnen des Auslaßventils durch den Auslaß 13 bzw. 14 ausgeschoben zu werden. Im Punkt C befindet sich der Kolben in OT. Die im Zylinder verbliebende, komprimierte Restluft expandiert beim nachfolgende Kolbenweg in Richtung UT, was im Diagramm gemäß Fig. 3 durch den Zweig zum Punkt D (durchgezogene Linie) dargestellt ist. Im nachfolgenden Ansaugtakt kann nunmehr lediglich das bei Durchlaufen der durchgezogenen Kurve vom Punkt D bis zum Punkt A angegebene Luftvolumen angesaugt werden. Dieses Luftvolumen, das aus der im Zylinder verbliebenen Restluft und der frisch angesaugten Luftmenge besteht, wird wiederum bis zum Punkt B verdichtet, beim Durchlaufen der Kurve zum Punkt C ausgeschoben, wonach wiederum die verbliebene Restluft beim Durchlaufen der Kurve zum Punkt D expandiert.
Bei dem erfindungsgema..ßen Verfahren wird zu Beginn des Ansaugtaktes (Punkt A) das im anderen Zylinder verbliebene, verdichtete Restmedium durch den geöffneten Uberströmkanal entlastet, wodurch in dem einen Zylinder eine Druckerhöhung bis zum Punkt A' erfolgt. Bei dem folgenden Verdichtungstakt (gestrichelte Kurve von A' bis B') wird das Luftvolumen des einen Zylinders verdichtet und beim Durchlaufen der Kurve nach Punkt C ausgestoßen. Im Punkt C wird nun wiederum der Uberströmkanal 2 geöffnet, um das in diesem Zylinder noch befindliche, komprimierte Restmedium in den anderen Zylinder zu entlasten, wodurch sich ein fest senkrechter Druckabfall von C nach D' ergibt (gestrichelter Kurvenzweig). Wie aus dem Diagramm gemäß Fig. 3 ersichtlich, wird das im Zylinder verbliebene Restmedium abgelassen, so daß nunmehr in dem folgenden Ansaugtakt das der Strecke D' bis A entsprechende Luftvolumen angesaugt wird. Am Ende des Ansaugtaktes wird wiederum der Uberströmkanal durch den Drehschieber 15 geöffnet, um das inzwischen in dem anderen Zylinder befindliche komprimierte Restmedium in diesen Zylinder abströmen zu lassen.
Wie aus dem p/v-Daigramm gemäß Fig. 3 leicht ersichtlich ist, weist das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der gestrichelten Kurve einen höheren Liefergrad auf, da jeweils das der Strecke D' - D entsprechende Mehrvolumen angesaugt werden kann. Es hat sich gezeigt, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebene Kompressoren eine Liefergradsteigerung von ca. 20 % bei idealen Uberströmverhältnissen (verlustlos) erwarten lassen.
Das zwangsgesteuerte Öffnen des Uberströmkanals kann auch unmittelbar von dem in OT einfahrenden Kolben erfolgen.
Hierzu ist gemäß Fig. 2 vorgesehen, auf dem Kolben 5' eine Nase 17 vorzusehen, die ein Ventil zum Uberströmkanal 2 aufstößt. In Strömungsrichtung zu dem anderen Kolben ist ferner ein zum anderen Zylinder öffnendes Rückschlagventil vorgesehen, so daß ein Abströmen vom Zylinder 3 in den anderen Zylinder erfolgen kann. In Gegenrichtung ist eine identische Anordnung vorgesehen, wobei hierbei als Bypaß zum Ventilweg des Ventils 18 ein zum Zylinder 3 öffnendes Rückschlagventil angeordnet ist.
Bei geschlossenem Uberströmkanal 2 wird die während der Expansionsphase (Zweig C - D der durchgezogenen Kurve in Fig. 3) des komprimierten Restmediums geleistete Arbeit in eine beschleunigende Drehbewegung der Kurbelwelle umgesetzt, was nach OT des Kolbens zu einem Anlagewechsel der Zahnflanken im Rädertrieb 10 führt. Dieser Anlagewechsel ist in der Darstellung der Tangentialkraft über dem Kurbelwellenwinkel gemäß Fig. 4 verdeutlicht. Ausgehend vom Nulldurchgang 20 steigt die vom Rädertrieb 10 aufzubringende Tangentialkraft bis zum bffnen des Auslaßventils im Punkt 21 ständig an. Während dieser Phase wird die angesaugte Luft komprimiert und beim Durchlaufen des Kurve zweiges von Punkt 21 zum folgenden Nulldurchgang 22 ausgestoßen, bis der Kolben im Punkt 22 in OT steht. Nach Durchfahren des OT expandiert die im Schadraum verbliebene, komprimierte Restluft, wodurch die Kurbelwelle für etwa 300 Kurbewellenwinkel beschleunigt wird, was bis zum Punkt 20 zu einem Anlagewechsel der Zahnflanken im Rädertrieb 10 führt und sich in einer negativen Tangentialkraft gemäß dem Kurvenzug 23 in Fig. 4 niederschlägt. Dieses Uberfahren der Nullinie 24 in den negativen Bereich tritt bei geöffnetem Uberströnkanal nicht bzw. erheblich vermindert auf, da sich die Menge an verdichteter Restluft in den anderen Zylinder entlasten kann. Der Kurvenzweig 23 wird daher bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden bzw. fällt erheblich flach aus. Es hat überraschend gezeigt, daß ein mit dem erfindungsgemäße Verfahren betriebener Luftkompressor erheblich geräuschärmer läuft als bekannte Kompressoren.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum Betrieb eines Kompressors (1) mit wenigstens zwei Zylindern (3, 4), wobei zu den Takten der anderen Zylinder versetzt jeder Zylinder das zu komprimierende Medium ansaugt, verdichtet und bis zum oberen Totpunkt (OT) des Kolbens (5, 6) ausstößt, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ausstoßen des verdichteten Mediums aus dem einen Zylinder (3) das im Zylinder (3) verbliebene, verdichtete Restmediurn etwa in OT-Stellung seines Kolbens (5) in den anderen Zylinder (4) entlastet wird, dessen Kolben (6) sich etwa in UT-Stellung befindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastung des einen Zylinders (3) genau in OT-Stellung seines Kolbens (5, 6) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastung des einen Zylinders (3) etwa im Bereich von 300 Kurbelwellenwinkel nach OT seines Kolbens (5, 6) erfolgt.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüche 1 bis 3, bestehend aus einem Kompressor (1) mit mindestens zwei Zylindern (3, 4), die mit Ein- und Auslaßventilen (11, 12, 13, 14) zum Ansaugen und Ausstoßen des zu komprimierenden Mediums versehen sind, wobei die Kolben (5, 6) von einer fremdgetriebenen Kurbelwellen (9) zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Zylinder (3, 4) über einen kurzzeitig öffnenden Uberströmkanal (2) miteinander verbindbar sind, wobei etwa in OT einer oder der Kolben (5, 6) der miteinander verbundenen Zylinder (3, 4) der Uberströmkanal (2) für einige Kurbelwinkelgrade geöffnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Uberströmkanal (2) genau in OT einer der Kolben (5, 6) der miteinander verbundenen Zylinder (3, 4) geöffnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Uberströmkanal (2) bis etwa 30° Kurbelwellenwinkel nach OT geöffnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Uberströnkanal (2) durch einen von der Kurbelwelle synchron getriebenen Drehschieber (16) gesteuert ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (15) über einen Rädertrieb (16) von der Kurbelwelle (9) synchron angetrieben ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Uberströmkanal (2) durch ein vom Kolben (5') betätigtes Ventil (18) gesteuert ist.