EP1242741A1 - Schwingungsarmer, zweistufiger tauchkolbenverdichter - Google Patents

Schwingungsarmer, zweistufiger tauchkolbenverdichter

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EP1242741A1
EP1242741A1 EP00991983A EP00991983A EP1242741A1 EP 1242741 A1 EP1242741 A1 EP 1242741A1 EP 00991983 A EP00991983 A EP 00991983A EP 00991983 A EP00991983 A EP 00991983A EP 1242741 A1 EP1242741 A1 EP 1242741A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
pressure
piston arrangement
low
cylinder
Prior art date
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Application number
EP00991983A
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English (en)
French (fr)
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EP1242741B1 (de
Inventor
Frank Meyer
Michael Hartl
Stefan Schneider
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Original Assignee
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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Publication date
Application filed by Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH filed Critical Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Publication of EP1242741A1 publication Critical patent/EP1242741A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1242741B1 publication Critical patent/EP1242741B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B27/00—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B27/02—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders arranged oppositely relative to main shaft
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B25/00—Multi-stage pumps

Definitions

  • the invention relates to a piston arrangement for a two-stage piston compressor with a crankshaft, a plurality of cylinders with pistons running therein, two or more low-pressure stages and at least one high-pressure stage being formed, and a piston compressor for rail vehicles with such a piston arrangement.
  • the arrangement according to DE-PS 765 994 is characterized in that the cylinders and the crank radii are designed in such a way that the inertial forces balance each other out as well as possible. Gas forces as vibration-inducing components are not mentioned. An assignment of the individual cylinders to a respective compression stage is not made in the document.
  • a piston compressor with a crankshaft, several cylinders and pistons running therein has become known, for example, from DE-PS 765 994.
  • the load torque of a piston compressor described above generates an excitation torque around the compressor axis of rotation in conjunction with the motor.
  • the moment of inertia of a conventional piston compressor unit is much lower around the axis of rotation of the compressor than around other axes. Since the transmission mode of an elastic bearing around the longitudinal axis of the compressor is usually closer to the rotational frequency than, for example, the vertical mode, which plays a greater role for the transmission of inertial forces, this torsional vibration is usually not isolated as well as other excitation components.
  • the object of the invention is to provide a piston compressor machine which avoids the disadvantages described above.
  • the problem is solved by a drastic reduction in the proportion of the first order in the load moment predominantly resulting from the gas forces, in that two or more low-pressure stages overlap in phase and act approximately 180 offset from the high-pressure stage due to an unusual piston arrangement.
  • This is structurally achieved in that in a piston arrangement for a two-stage piston compressor with a crankshaft a plurality of cylinders with pistons running therein, two or more low-pressure cylinders and at least one high-pressure cylinder being formed, the two or three or more low-pressure cylinders are arranged in this way with respect to the high-pressure cylinders are that the two or more low pressure cylinders compress in phase or offset by less than ⁇ 15 and offset by 180 ⁇ 20 to form one or more high pressure cylinders.
  • the inventors have recognized that the phase shift of all low-pressure cylinders to one or more high-pressure cylinders also results in a drastic reduction in the first order resulting from the torque diagram, and thus a drastic one Reduction of the vibrational moment around the compressor axis of rotation is achieved.
  • the piston arrangement is an oil-lubricated piston arrangement.
  • the piston arrangement is an "oil-free", dry-running piston arrangement.
  • the piston arrangement is designed as a 3-cylinder arrangement with two low-pressure and one high-pressure cylinders, a high-pressure cylinder being opposite another low-pressure cylinder.
  • Such an arrangement is particularly space-saving.
  • 4,5 or 6-cylinder arrangements which make use of the teaching according to the invention would also be conceivable.
  • the pressure peaks in the torque diagram can be significantly reduced by using heavy pistons, since an increased kinetic energy of the piston is converted into compression work.
  • the pistons of the cylinders should have such a high mass that the pressure peaks in the tangential force diagram are reduced, the mass forces in the pressure peak in the tangential force diagram in the
  • the tangential force diagram is understood to mean the torque curve / crank radius.
  • the masses of the low-pressure cylinder lying on the side of the high-pressure cylinder namely the piston and / or connecting rod mass, are selected such that they oppose the low-pressure piston and the high-pressure piston. balance the two that sit on the same crankshaft crank. The compensation can take place here both on the piston and on the connecting rod. Due to the Increasing the piston mass as a result of the mass balance reduces the bearing load on the connecting rod.
  • a blind piston is understood to mean a piston that does no compression work.
  • the pistons are advantageously arranged such that the low-pressure pistons suck in phase over the crankcase, the two low-pressure stages diving into the crankcase pushing the air into the compression chamber during the suction process. This reduces the suction vacuum in the low pressure stage and improves the filling.
  • this effect is reinforced by the use of a check valve on the inlet connection from the air filter housing to the crankcase.
  • the arrangement of a check valve improves the efficiency, in particular of a dry-running piston arrangement.
  • the invention also provides a piston compressor, in particular for rail vehicles, comprising such a piston arrangement, which advantageously comprises an electric motor drive.
  • the piston arrangement can also be used in compressed air generation systems in the industrial sector.
  • Figure 1 shows the tangential force curve of a conventional two-stage piston compressor in a boxer arrangement, as it has become known, for example, from DUBBEL, paperback for mechanical engineering 15th edition or 18th edition, pages P 32 - P 33
  • Figure 2 shows the tangential force curve of a piston compressor according to the invention
  • Figure 3 shows a piston compressor according to the invention in section.
  • Figures 4a-4d possible embodiments of piston assemblies according to the invention designed as a box compressor
  • FIG. 1 shows the tangential force diagram of a piston arrangement as known from the prior art, for example DUBBEL, paperback for mechanical engineering 15th edition or 18th edition pages P 32 - P 33.
  • the x-axis designates the angle of rotation in degrees
  • the y-axis the applied torque. With 1 the moment from the gas forces is designated, with 3 the total moment from mass and gas forces and with 5 the moment from the mass forces.
  • the majority of the load torque corresponds to the rotational frequency of the piston machine, which is often 20, 25 or 30 Hz. These frequencies are clearly noticeable to people, for example in the passenger compartment of a rail vehicle.
  • the natural frequency of legs with extended knees can be approx. 20 Hz.
  • the load torque of a piston compressor in cooperation with the motor, generates an excitation torque around the longitudinal axis of the compressor, the moment of inertia of a conventional piston compressor unit around the longitudinal axis of the compressor being substantially lower than around other axes.
  • the transmission mode of an elastic bearing around the longitudinal axis of the compressor is generally closer to the rotational frequency than, for example, the vertical mode, which plays a greater role for the transmission of inertial forces. This torsional vibration is usually not isolated as well as other excitation components.
  • the vibration problem of conventional piston compressors is solved by a drastic reduction in the proportion of the first order in the load moment mainly resulting from the gas forces.
  • This reduction in the first order can be achieved by means of a piston arrangement in which two or more low-pressure stages overlap in phase and act about 180 degrees apart from the high-pressure stage.
  • FIG. 2 The tangential force diagram of such an arrangement is shown in FIG. 2.
  • reference number 1 denotes the moment from gas forces, 3 the moment from mass and gas forces and 5 the moment from mass forces.
  • the proportion of the first order is drastically reduced, which is reflected in a reduced vibration excitation around the longitudinal axis of the compressor.
  • the undesirable vibrations in the passenger compartment can be considerably reduced or almost completely avoided.
  • FIG. 3 shows an example of a piston compressor with a piston arrangement according to the invention.
  • the embodiment shown in FIG. 3 is, without limitation, a 3-cylinder boxer arrangement with two low-pressure cylinders 20, 22 which form the low-pressure stage and a high-pressure cylinder 24 which is arranged upstream of one of the low-pressure stages.
  • the pistons 40, 42, 44 of the three cylinders are mounted on a common crankshaft via connecting rods 32 with the help of ball or roller bearings 34.
  • a fan wheel 36 is provided on the front side of the crankshaft 30, which ensures air cooling of the housing 38, in which the two low-pressure stages and the high-pressure stage are arranged, with the crankshaft 30 rotating.
  • the pistons 40, 42 of the low-pressure cylinders are in the uppermost position.
  • the high pressure piston 44 is located at the upper end of the cylinder. If the crankshaft 30 is moved, the two pistons 40, 42 of the low-pressure cylinders move in phase and are offset by 180 with respect to the piston 44 of the high-pressure stage.
  • FIG. 3 The embodiment shown in FIG. 3 is an oil-free piston compressor with intake air routing through the crankcase.
  • the individual pistons 40, 42, 44 are sealed off from the cylinder by means of sealing elements 50.
  • the crankshaft is driven 30 with the aid of an electric motor 60.
  • the large low-pressure pistons 40, 42 which emerge from the crankcase 38 in phase increase the air volume in the crankcase 38. Air is sucked into the crankcase. When the air is sucked into the compression chamber, the low-pressure pistons 40, 42 dip into the crankcase 38. The volume in the crankcase 38 decreases at the moment that air is sucked out of the crankcase 38 into the compression chamber of the low-pressure stages, i.e. the piston underside of the low-pressure pistons 40, 42 pushes air out of the crankcase 38 into the compression chambers of the low-pressure stages. As a result, the suction vacuum in the low pressure stages is reduced compared to the designs according to the prior art. This effect can be supported when a check valve is used at the inlet connection of the air filter housing to the crankcase 38, the efficiency in particular being improved.
  • the use of heavy pistons can significantly reduce the pressure peaks in the torque diagram, since an increased kinetic energy of the piston is converted into compression work. It is particularly preferred if the pistons of the cylinders have such a high mass that the pressure peaks in the tangential force diagram are reduced, the mass forces in the pressure peak entering the tangential force diagram in the speed range between 1000 1 / min and 2000 1 / min greater than 15 % of the gas forces are in the pressure peak.
  • FIGS. 4a-4d show arrangements according to the invention with opposing cylinders.
  • FIG. 4a shows a 3-cylinder arrangement, as previously described in detail.
  • FIG. 4b is a 6-cylinder arrangement, in FIG.
  • FIG. 4c a 4-cylinder arrangement and in FIG. 4d a 5-cylinder arrangement according to the invention.
  • the high-pressure pistons are given the reference numbers 44, 46 and the low-pressure pistons are given the reference numbers 40, 41, 42, 43.
  • 180 V piston arrangements in-line machines are also conceivable.
  • Figure 5a shows an inventive 4-cylinder in-line machine
  • Figure 5b shows a 3-cylinder in-line machine.
  • FIG. 6 shows a 3-cylinder in-line engine with an idling piston 50, which does not perform any compression work and only serves as a mass balance.
  • the high-pressure pistons are identified by 44 and the low-pressure pistons by 40, 42, the high-pressure cylinders by 24 and the low-pressure cylinders by 20, 22.
  • FIGS. 7a-7c A compressor with two low-pressure cylinders 20, 22 and a high-pressure cylinder 24 according to the invention is shown schematically in FIG. 7a. Furthermore, four possible suspensions 70, 72, 74, 76 are shown, for example, on a rail vehicle. The cylinders lie in the x-y plane, the z-axis is perpendicular to the cylinder axis in the direction of the suspensions 70, 72, 74, 76.
  • FIG. 7b shows the time course of the 1st order compressor vibration in the z direction in a compressor according to the prior art.
  • Figure 7c shows the Temporal course of the compressor vibration 1st order in the z direction in a compressor according to the invention.
  • the amplitude of the vibration of the compressor according to the invention is at least halved compared to the prior art.
  • the amplitude of a compressor according to the invention is only one third of the amplitude of a compressor according to the prior art.

Landscapes

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Description

Schwingungsarmer, zweistufiger Tauchkolbenverdichter
Die Erfindung betrifft eine Kolbenanordnung für einen zweistufigen Kolbenverdichter mit einer Kurbelwelle, mehreren Zylindern mit darin laufenden Kolben, wobei zwei oder mehrere Niederdruckstufen und wenigstens eine Hochdruckstufe ausgebildet wird sowie einen Kolbenverdichter für Schienenfahrzeuge mit einer derartigen Kolbenanordnung.
Die Anordnung gemäß der DE-PS 765 994 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder und die Kurbelradien so ausgelegt sind, daß sich die Massenkräfte möglichst gut ausgleichen.Gaskräfte als schwingungs-erregende Komponenten werden nicht genannt. Eine Zuordnung der einzelnen Zylinder zu einer jeweiligen Verdichtungsstufe wird bei der Entgegenhaltung nicht gemacht.
Ein Kolbenverdichter mit einer Kurbelwelle, mehreren Zylindern und darin laufenden Kolben ist beispielsweise aus der DE-PS 765 994 bekannt geworden.
Im Schienenfahrzeugbau kommt in zunehmenden Maße Leichtbau zur Anwendung. Moderne Leichtbau-Wagenkastenstrukturen beispielsweise aus Aluminium-Strang- preßprofilen oder Trägerstrukturen aus dünnem Blech besitzen häufig Eigenfrequenzen nahe der Drehzahl des Kompressors der Luftbeschaffungsanlage. Der Einsatz von Kolbenverdichtern ist bei derartigen Konstruktionen oftmals nicht möglich, da häufig der zulässige Körperschallpegel überschritten wird.
Dies ist darauf zurückzuführen, daß Kolbenmaschinen bauartbedingt Massenkräfte und Momente hervorgerufen durch die oszillierenden Massen am Kurbeltrieb sowie Momente aus den Gaskräften erzeugen. Insbesondere bei den im Schienenfahrzeugbereich häufig eingesetzten zweistufigen Kolbenverdichtern tritt ein sehr ungleichförmiges Drehmoment auf. Wie die Analyse eines typischen Lastmomentes eines solchen Verdichters zeigt, entspricht der überwiegende Anteil des Lastmomentes der Drehfrequenz der Kolbenmaschine, die häufig im Bereich von 20 bis 30 Hz liegt. Diese Frequenzen wiederum sind für den im Fahrgastraum befindlichen Menschen sehr gut spürbar, da beispielsweise die Eigenfrequenz von Beinen mit durchgestreckten Knien bei ca. 20 Hz liegen kann.
Das oben beschriebene Lastmoment eines Kolbenverdichters erzeugt in dem Zu- sammenspiel mit dem Motor ein Erregermoment um die Kompressordrehachse. Das Trägheitsmoment eines herkömmlichen Kolbenkompressoraggregates ist um die Kompressordrehachse wesentlich geringer als um andere Achsen. Da der Übertragungsmode einer elastischen Lagerung um die Kompressorlängsachse in der Regel näher an der Drehfrequenz liegt als beispielsweise der Vertikalmode, der für die Übertragung von Massenkräften eine größere Rolle spielt, wird diese Drehschwingung in der Regel nicht so gut isoliert wie andere Erregerkomponenten.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kolbenkompressormaschine anzugeben, die die zuvor beschriebenen Nachteile vermeidet.
Erfindungsgemäß wird das Problem durch eine drastische Reduzierung des Anteils der ersten Ordnung in dem vorwiegend aus den Gaskräften resultierenden Lastmoment gelöst, indem durch eine unübliche Kolbenanordnung zwei oder mehrere Niederdruckstufen sich phasengleich überlagern und ca. 180 versetzt zur Hoch- druckstufe wirken. Dies wird konstruktiv dadurch erreicht, daß bei einer Kolbenanordnung für einen zweistufigen Kolbenverdichter mit einer Kurbelwelle mehreren Zylindern mit darin laufenden Kolben , wobei zwei oder mehrere Niederdruckzylinder und wenigstens ein Hochdruckzylinder ausgebildet wird, die zwei oder drei oder mehreren Niederdruckzylinder in bezug auf die Hochdruckzylinder derart angeordnet sind, daß die zwei oder mehrere Niederdruckzylinder phasengleich oder um weniger als ± 15 versetzt und um 180 ± 20 versetzt zu einem oder mehreren Hochdruckzylindern verdichten.
Die Erfinder haben erkannt, daß auch den Phasenversatz aller Niederdruckzylinder zu einem oder mehreren Hochdruckzylindern eine drastische Reduzierung der 1. Ordnung resultierend aus dem Drehkraftdiagrammm und damit eine drastische Reduzierung des schwingungserregenden Momentes um die Kompressordrehachse erreicht wird.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Kolbenanord- nung um eine ölgeschmierte Kolbenanordnung.
Besonders bevorzugt ist es aber, wenn die Kolbenanordnung eine "ölfreie", trockenlaufende Kolbenanordnung ist. In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist die Kolbenanordnung als 3-Zylinder-Anordnung mit zwei Nieder- und einem Hoch- druckzylinder ausgeführt, wobei einem Hochdruckzylinder ein weiterer Niederdruckzylinder gegenüberliegt. Eine derartige Anordnung ist besonders bauraumsparend. Selbstverständlich wären auch 4,5 oder 6-Zylinderanordnungen, die von der erfindungsgemäßen Lehre Gebrauch machen, denkbar.
Durch den Einsatz schwerer Kolben können gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform die Druckspitzen im Drehkraftdiagramm deutlich reduziert werden, da eine erhöhte kinetische Energie des Kolbens in Verdichtungs-arbeit umgesetzt wird. Insbesondere sollen die Kolben der Zylinder eine derart hohe Masse aufweisen, daß die Druckspitzen im Tangentialkraft-diagramm reduziert werden, wobei die in das Tangentialkraftdiagramm angehenden Massenkräfte in der Druckspitze im für
Kolbenverdichter typischen Drehzahlbereich von 1000 1/min bis 2000 1/min, insbesondere 1500 1/min größer als 15% der Gaskräfte in der Druckspitze sind. Als Tangentialkraftdiagramm wird in vorliegender Anmeldung der Drehmomentenverlauf/Kurbelradius verstanden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß beispielsweise bei einer 3-Zylinder-Anordnung die Massen des auf der Seite des Hochdruckzylinders liegenden Niederdruckzylinders, und zwar die Kolben- und/oder Pleuelmasse, so gewählt sind, daß sie den gegenüberliegenden Niederdruckkolben sowie den Hochdruckkol- ben die beide auf derselben Kurbelwellenkröpfung sitzen, ausgleichen. Der Ausgleich kann hierbei sowohl am Kolben als auch am Pleuel erfolgen. Durch die Er- höhung der Kolbenmasse resultierend aus dem Masseausgleich verringert sich die Lagerbelastung am Pleuel.
Neben dem Massenausgleich mit Hilfe von Zusatzmassen ist es auch möglich, die oszillierende Masse mit Hilfe von mitlaufenden Blindkolben auszugleichen. Unter einem Blindkolben wird in vorliegender Anmeldung ein Kolben verstanden, der keine Verdichtungsarbeit leistet.
Vorteilhafterweise sind die Kolben derart angeordnet, daß die Niederdruckkolben gleichphasig über das Kurbelgehäuse ansaugen, wobei beim Ansaugvorgang die beiden ins Kurbelgehäuse tauchenden Niederdruckstufen die Luft in den Verdichtungsraum stoßen. Dadurch wird der Ansaugunterdruck in der Niederdruckstufe verkleinert und die Füllung verbessert. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird dieser Effekt durch den Einsatz eines Rückschlagventiles am Ein- laßstutzen von Luftfiltergehäuse zu Kurbelgehäuse verstärkt. Durch die Anordnung eines Rückschlagventiles wird der Wirkungsgrad insbesondere einer trockenlaufenden Kolbenanordnung verbessert.
Neben der Kolbenanordnung stellt die Erfindung auch einen Kolbenverdichter, insbesondere für Schienenfahrzeuge umfassend eine derartige Kolbenanordnung zur Verfügung, der vorteilhafterweise einen elektromotorischen Antrieb umfaßt. Die Kolbenanordnung kann auch bei Drucklufterzeugungsanlagen im industriellen Bereich eingesetzt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert werden.
Es zeigen:
Figur 1 den Tangentialkraftverlauf eines herkömmlichen zweistufigen Kolbenverdichters in Boxer-Anordnung, wie er beispielsweise aus DUBBEL, Taschenbuch für den Maschinenbau 15. Auflage bzw. 18. Auflage, Seiten P 32 - P 33 bekannt geworden ist Figur 2 den Tangentialkraftverlauf eines erfindungsgemäßen Kolbenverdichters
Figur 3 ein erfindungsgemäßen Kolbenverdichter im Schnitt.
Figuren 4a-4d mögliche Ausführungsbeispiele von Kolbenan-ordnungen gemäß der Erfindung ausgeführt als Boxerverdichter
Figuren 5a-5b Ausführungsbeispiel von Kolbenanordnungen gemäß der
Erfindung ausgeführt als Reihenmaschine
Figur 6 Ausführungsbeispiel einer Kolbenanordnung mit einem Blindkolben
Figur 7 Amplituden der Kompressorschwingung in vertikaler Richtung für eine Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik und der Erfindung
In Figur 1 ist das Tangentialkraftdiagramm einer Kolbenanordnung wie aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise DUBBEL, Taschenbuch für den Maschinenbau 15. Auflage bzw. 18. Auflage Seiten P 32 - P 33, dargestellt. Die x-Achse bezeichnet hierbei den Drehwinkel in Grad, die y-Achse das anliegende Moment. Mit 1 ist das Moment aus den Gaskräften bezeichnet, mit 3 das Gesamtmoment aus Massen- und Gaskräften und mit 5 das Moment aus den Massekräften.
Die Fourieranalyse des in Figur 1 dargestellten Lastmomentes aus Massen- und Gaskräften eines Verdichters gemäß dem Stand der Technik läßt sich in folgende Anteile aufspalten:
1. Ordnung: 40 Nm
2. Ordnung: 20 Nm 3. Ordnung: 7 Nm
Der überwiegende Anteil des Lastmomentes entspricht der Drehfrequenz der Kolbenmaschine, die häufig bei 20, 25 oder 30 Hz liegt. Diese Frequenzen sind für den Menschen, zum Beispiel im Fahrgastraum eines Schienenfahrzeuges, gut spürbar. So kann die Eigenfrequenz von Beinen mit durchgestreckten Knien ca. 20 Hz betragen.
Das Lastmoment eines Kolbenverdichters erzeugt in Zusammenspiel mit dem Motor ein Erregermoment um die Kompressorlängsachse, wobei das Trägheitsmoment eines herkömmlichen Kolbenkompressoraggregates um die Kompressorlängsachse wesentlich geringer als um andere Achsen ist. Der Übertragungsmode einer elastischen Lagerung um die Kompressorlängsachse ist in der Regel näher an der Drehfrequenz als beispielsweise der Vertikalmode, der für die Übertragung von Massen- kräften eine größere Rolle spielt. Diese Drehschwingung wird in der Regel nicht so gut isoliert wie andere Erregerkomponenten.
Erfindungsgemäß wird das Schwingungsproblem herkömmlicher Kolbenverdichter durch eine drastische Reduzierung des Anteiles der ersten Ordnung in dem vorwie- gend aus den Gaskräften resultierendem Lastmoment gelöst. Diese Reduzierung der ersten Ordnung kann durch eine Kolbenanordnung erreicht werden, bei der zwei oder mehrere Niederdruckstufen sich phasengleich überlagern und um ca. 180 versetzt zur Hochdruckstufe wirken.
Das Tangentialkraftdiagramm einer derartigen Anordnung ist in Figur 2 gezeigt. Wie in Figur 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 das Moment aus Gaskräften, 3 das Moment aus Massen- und Gaskräften sowie 5 das Moment aus Massenkräften.
Die Fourieranalyse der Kurve gemäß Figur 2 führt zu folgendem Ergebnis:
1. Ordnung: 19 Nm
2. Ordnung: 28 Nm 3. Ordnung: 7 Nm
Der Anteil der ersten Ordnung ist drastisch reduziert, was sich in einer reduzierten Schwingungserregung um die Kompressorlängsachse niederschlägt. Die uner- wünschten Schwingungen im Fahrgastraum können so beträchtlich verringert bzw. fast ganz vermieden werden.
In Figur 3 ist ein Kolbenverdichter mit einer erfindungsgemäßen Kolbenanordnung beispielhaft dargestellt. Bei der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform handelt es sich ohne Beschränkung hierauf um eine 3-Zylinder-Boxeranordnung mit zwei Niederdruckzylindern 20, 22, die die Niederdruckstufe bilden sowie einem Hochdruckzylinder 24 der einer der Niederdruckstufen vorgeordnet ist.
Die Kolben 40, 42, 44 der drei Zylinder sind auf einer gemeinsamen Kurbelwelle über Pleuelstangen 32 mit Hilfe von Kugel- oder Rollenlagern 34 gelagert.
Zur Kühlung der Anordnung ist an der Stirnseite der Kurbelwelle 30 ein Lüfterrad 36 vorgesehen, das für eine Luftkühlung des Gehäuses 38, in dem die beiden Niederdruckstufen sowie die Hochdruckstufe angeordnet sind, bei umlaufender Kurbelwelle 30 sorgt.
In der in Figur 3 gezeigten Stellung befinden sich die Kolben 40, 42 der Niederdruckzylinder in der obersten Stellung. Der Hochdruckkolben 44 befindet sich am oberen Ende des Zylinders. Wird die Kurbelwelle 30 bewegt, so bewegen sich die beiden Kolben 40, 42 der Niederdruckzylinder gleichphasig und um 180 versetzt gegenüber dem Kolben 44 der Hochdruckstufe.
Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform handelt es sich um einen ölfrei verdichtenden Kolbenverdichter mit Ansaugluftführung über das Kurbelgehäuse. Die einzelnen Kolben 40, 42, 44 sind gegenüber dem Zylinder mittels Dichtelementen 50 abgedichtet. Der Antrieb der Kurbelwelle erfolgt 30 mit Hilfe eines Elektromo- tores 60.
Nachfolgend soll die Arbeitsweise des in Figur 3 dargestellten Kolbenverdichters näher beschrieben werden:
Beim Verdichtungsvorgang in den Niederdruckstufen vergrößert sich durch die gleichphasig aus dem Kurbelgehäuse 38 tauchenden großen Niederdruckkolben 40, 42 das Luftvolumen im Kurbelgehäuse 38. Luft wird ins Kurbelgehäuse gesaugt. Beim Ansaugen der Luft in den Verdichtungsraum tauchen die Niederdruckkolben 40, 42 ins Kurbelgehäuse 38. Das Volumen im Kurbelgehäuse 38 verringert sich in dem Moment, in dem Luft aus dem Kurbelgehäuse 38 in den Verdichtungsraum der Niederdruckstufen gesaugt wird, d.h. die Kolbenunterseite der Niederdruckkolben 40, 42 schiebt Luft aus dem Kurbelgehäuse 38 in die Verdichtungsräume der Niederdruckstufen. Dadurch wird der Ansaugunterdruck in den Niederdruckstufen gegenüber den Ausführungen gemäß dem Stand der Technik verkleinert. Unterstützt kann dieser Effekt bei Einsatz eines Rückschlagventiles am Einlaßstutzen von Luftfiltergehäuse zum Kurbelgehäuse 38 werden, wobei insbesondere der Wir- kungsgrad verbessert wird.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters besteht in folgendem:
Bedingt durch das stark schwankende Lastmoment des Kolbenverdichters wird Drehungleichförmigkeit erzeugt. Diese wird durch den E-Motor 60 verstärkt, weil der Motor 60 auf die Lastspitze phasenversetzt reagiert und zwar dann, wenn der Momentenbedarf des Kompressors niedrig ist. Die daraus resultierende Drehzahlschwankung über eine Umdrehung kann bei Kolbenverdichtern gemäß dem Stand der Technik beispielsweise ± 14 % betragen. Dieser Effekt konnte bislang nur durch den Einsatz großer Schwungmassen reduziert werden, was aber schon aus Gewichtsgründen nicht erwünscht war. Des weiteren weist der E-Motor 60 eine deutlich erhöhte Stromaufnahme und eine drastische Reduzierung des Leistungsfaktors - bis auf 0,6 - auf und muß daher bei Ausführungsformen gemäß dem Stand der Technik überdimensioniert werden. Durch die erfindungsgemäße starke Reduzierung der ersten Ordnung im Lastmoment wird dieser Effekt reduziert. Die Drehunggleichförmigkeit wird geringer, sie wird gemäß der Erfindung von zum Beispiel 0,15 auf 0,08 reduziert. Die Stromaufnahme des Motors sinkt. Der Leistungsfaktor erhöht sich beträchtlich beispielsweise von Lf = 0,7 auf 0,8 bei einer Anordnung gemäß der Erfindung.
Durch den Einsatz schwerer Kolben können in einer weitergebildeteten Ausfüh- rungsform die Druckspitzen im Drehkraftdiagramm deutlich reduziert werden, da eine erhöhte kinetische Energie des Kolbens in Verdichtungs-arbeit umgesetzt wird. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Kolben der Zylinder eine derart hohe Masse aufweisen, daß die Druckspitzen im Tangentialkraftdiagramm reduziert werden wobei die in das Tangentialkraftdiagramm eingehenden Massenkräfte in der Druck- spitze im Drehzahlbereich zwischen 1000 1/min und 2000 1/min größer als 15% der Gaskräfte in der Druckspitze sind.
Auf diese Art und Weise ist es möglich die Erregermomente in allen Ordnungen noch weiter zu reduzieren.
Um einen Masseausgleich der oszillierenden und der rotierenden Massen zu erreichen, sind die Massen des auf der Seite des Hochdruckzylinder liegenden Niederdruckzylinders so gewählt, daß sie den gegenüberliegenden Niederdruckkolben sowie den Hochdruckkolben ausgleichen. Der Ausgleich kann sowohl am Kolben als auch am Pleuel erfolgen. Durch die Erhöhung der Kolbenmasse resultierend aus dem Massenausgleich verringert sich die Lagerbelastung am Pleuel. Dies ist günstig für die Belastung am Kolbenbolzenlager der auf der Seite des Hochdruckzylinders liegenden Niederdruckstufe, weil diese verursacht durch die benachbarte Hochdruckstufe schlechter gekühlt wird. In den Figuren 4a - 4d sind erfindungsgemäße Anordnungen mit gegenüberliegenden Zylindern gezeigt. Figur 4a zeigt eine 3-Zylinder-Anordnung, wie eingehend zuvor beschrieben. Figur 4b ist eine 6-Zylinder-Anordnung, in Figur 4c eine 4- Zylinder-Anordnung und in Figur 4d eine 5-Zylinder-Anordnung gemäß der Erfindung dargestellt. Die Hochdruckkolben sind mit den Bezugsziffern 44, 46 und die Niederdruckkolben mit den Bezugsziffern 40, 41, 42, 43 belegt. Die Hochdruckzylinder mit den Bezugsziffem 24, 26 und die Niederdruckzylinder mit den Bezugsziffern 20, 21, 22, 23. Neben 180 V-Kolbenanordnungen sind auch Reihenmaschinen denkbar.
Figur 5a zeigt eine erfindungsgemäße 4-Zyliner-Reihenmaschine, Figur 5b eine 3- Zylinder-Reihenmaschine.
In Figur 6 ist eine 3-Zylinder-Reihenmaschine mit einem , mitlaufenden Blindkolben 50, der keine Verdichtungsarbeit leistet und nur als Masseausgleich dient, gezeigt. Wie in den Figuren 4a-4d sind die Hochdruckkolben mit 44 und die Niederdruckkolben mit 40, 42, die Hochdruckzylinder mit 24 und die Niederdruckzylinder mit 20, 22 gekennzeichnet.
Mit der Erfindung wird somit erstmals eine Kolbenanordnung und ein Kolbenver- dichter zur Verfügung gestellt, mit dem die unerwünschten Schwingungen erster Ordnung, wie sie bei Kolbenverdichtern gemäß dem Stand der Technik aus den Verdichtungskräften resultieren, reduziert werden können.
Besonders gut ist dies den Figuren 7a - 7c zu entnehmen. In Figur 7a ist schema- tisch ein Kompressor mit zwei Niederdruckzylindern 20, 22 und einem Hochdruckzylinder 24 gemäß der Erfindung dargestellt. Desweiteren sind vier mögliche Aufhängungen 70, 72, 74, 76 beipielsweise an einem Schienenfahrzeug gezeigt. Die Zylinder liegen in der x-y-Ebene, die z-Achse steht senkrecht auf der Zylinderachse in Richtung der Aufhängungen 70, 72, 74, 76.
Figur 7b zeigt den zeitlichen Verlauf der Kompressorschwingung 1.Ordnung in z- Richtung bei einem Kompressor gemäß dem Stand der Technik. Figur 7c zeigt den zeitlichen Verlauf der Kompressorschwingung I.Ordnung in z-Richtung bei einem Kompressor gemäß der Erfindung. Wie aus dem Vergleich der Amplituden der Schwingungen in den Figuren 7b und 7c hervorgeht, ist die Amplitude der Schwingung des Kompressors gemäß der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik mindestens halbiert. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Amplitude eines erfindunggemäßen Kompressors nur ein Drittel der Amplitude eines Kompressors gemäß dem Stand der Technik.
Bezugszeichenliste
1 Moment aus Gaskräften
3 Moment aus Massen- und Gaskräften
5 Moment aus Massenkräften
20, 22, 23 Niederdruckzylinder
24, 26, 28 Hochdruckzylinder
30 Kurbelwelle
32 Pleuelstange
34 Kugellager
36 Lüfterrad
38 Gehäuse
40, 42, 43 Niederdruckkolben
44, 46, 48 Hochdruckkolben
49 Dichtelement
50 Blindkolben
60 Elektromotor
70, 72, 74,
76 Aufhängungen

Claims

Patentansprüche
1. Kolbenanordnung für einen zweistufigen Kolbenverdichter mit
1.1 einer Kurbelwelle (30) 1.2 mehreren Zylindern (20, 22, 24) mit darin laufenden Kolben (40, 42, 43, 44, 46, 48), wobei
1.3 zwei oder mehrere Niederdruckzylinder und wenigstens ein Hochdruckzylinder ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei oder drei oder mehreren Niederdruckzylinder (20, 22, 23) in bezug auf die Hochdruckstufe derart angeordnet sind, daß die zwei oder mehrere
Niederdruckzylinder (20, 22, 23) phasengleich oder um weniger als ± 15 versetzt und um 180 ± 20 versetzt zu einem oder mehreren Hochdruckzylindern (24, 26, 28) verdichten.
2. Kolbenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenanordnung eine ölgeschmierte Kolbenanordnung ist.
3. Kolbenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenanordnung eine trockenlaufende Kolbenanordnung ist.
Kolbenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenanordnung als 6-Zylinder-, 5-Zylinder-,
4-Zylinder- o- der 3-Zylinder-Anordnung mit zwei oder mehreren Niederdruckzylindern ( 40, 42, 43) und ein oder mehreren Hochdruckzylindern (44, 46, 48) ist.
5. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenanordnung als 3-Zylinder-Anordnung ausgeführt ist, die zwei Nieder- (20, 22) und einen Hochdruckzylinder (24) umfaßt, wobei einem Hoch- (24) und einem Niederdruckzylinder (22) ein weiterer Niederdruckzylin- der (20) gegenüberliegt.
6. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (40, 42, 43, 44, 46, 48) der Zylinder (20, 22, 23, 24, 26, 28) eine derart hohe Masse aufweisen, daß die in das Druckspitzen im Tangentialkraftdiagramm reduziert werden, wobei die in das Tangentialkraftdia- gramm eingehenden Massenkräfte in der Druckspitze im Drehzahlbereich zwischen 1500 1/min und 2000 1/min größer als 15 % der Gaskräfte in der Druckspitze sind.
7. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich- net, daß ein Masseausgleich der oszillierenden Massen (Kolben, Pleuel) mit
Hilfe von Zusatzmassen an wenigstens einem der Kolben (20, 22, 23, 24, 26, 28) und/oder an einem Pleuel vorgenommen wird.
8. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich- net, daß der Masseausgleich der oszillierenden Masse mit Hilfe von mitlaufenden Blindkolben (50) vorgenommen wird.
9. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurchgekennzeich- net, daß der Masseausgleich mit Hilfe von Zusatzmassen auf der Kurbelwelle (30) erfolgt.
10. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenanordnung derart aufgebaut ist, daß die Kolben der Niederdruckstufe gleichphasig über das Kurbelgehäuse (38) ansaugen, wobei beim Ansaugvorgang die beiden ins Kurbelgehäuse (38) tauchenden Niederdruckkolben (40, 42, 43) die Luft in den Verdichtungsraum drängen.
11. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückschlagventil an der Einlaßöffnung zum Kurbelgehäuse (38) angeordnet ist.
12. Kolbenverdichter insbesondere für Schienenfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenanordnung eine Kolbenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 umfaßt.
13. Kolbenverdichter gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenverdichter einen elektromotorischen Antrieb (60) umfaßt.
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