EP1242741B1 - Dual-stage, plunger-type piston compressor with minimal vibration - Google Patents
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- EP1242741B1 EP1242741B1 EP00991983A EP00991983A EP1242741B1 EP 1242741 B1 EP1242741 B1 EP 1242741B1 EP 00991983 A EP00991983 A EP 00991983A EP 00991983 A EP00991983 A EP 00991983A EP 1242741 B1 EP1242741 B1 EP 1242741B1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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-
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Definitions
- the invention relates to a piston arrangement for a two-stage Piston compressor with a crankshaft, several cylinders with it running Piston, wherein two or more low pressure stages and at least one High-pressure stage is formed and a reciprocating compressor for Rail vehicles with such a piston assembly.
- the arrangement according to DE-PS 765 994 is characterized in that the Cylinder and the crank radii are designed so that the mass forces Balancing as well as possible.Gas as vibration-inducing components are not named. An assignment of the individual cylinders to a respective one Compaction level is not made in the citation.
- a piston compressor with a crankshaft, several cylinders and in it running piston is for example from CH-A-200769 and DE-PS 765 994 and a 3-cylinder piston assembly with a high pressure cylinder and two low pressure cylinders from FR 1 239 385 become known.
- the load torque described above of a reciprocating compressor generates in the Interaction with the engine an excitation torque about the compressor rotation axis.
- the moment of inertia of a conventional reciprocating compressor unit is around the compressor rotation axis much lower than other axes. Since the Transmission mode of an elastic bearing around the compressor longitudinal axis in the rule is closer to the rotational frequency than, for example, the vertical mode, which plays a more important role in the transmission of inertia forces, this becomes Torsional vibration usually not as well insulated as others Pathogen components.
- the reciprocating compressor works however, with relatively high intake pressures in the low pressure stages to ensure appropriate fillings.
- the object of the invention is to provide a reciprocating compressor machine, the avoids the disadvantages described above.
- the problem is a drastic reduction of Part of the first order in the resulting mainly from the gas forces Lastmoment solved by two or by an unusual piston assembly several low-pressure stages are superimposed in phase and offset by about 180 ° to the high pressure stage act.
- the inventors have recognized that also the phase offset of all Low pressure cylinder to one or more high pressure cylinders a drastic Reduction of the 1st order as a result of the torque diagram m and thus a drastic Reduction of the vibration-inducing moment about the compressor rotation axis is reached.
- the piston assembly is around an oil-lubricated piston assembly.
- the piston arrangement is an "oil-free", dry-running Piston assembly is.
- the piston assembly as a 3-cylinder arrangement with two low and one high-pressure cylinder executed, wherein a high-pressure cylinder, another low-pressure cylinder opposite.
- Such an arrangement is particularly space-saving.
- the pressure peaks in the torque diagram are significantly reduced, as a increased kinetic energy of the piston is converted into compression work.
- the piston of the cylinder should have such a high mass that the pressure peaks are reduced in the tangential force diagram, with the in the Tangential force diagram of budding mass forces in the pressure peak in the for Piston compressor typical speed range from 1000 1 / min to 2000 1 / min, in particular 1500 1 / min are greater than 15% of the gas forces in the pressure peak.
- Tangential force diagram is in the present application, the torque curve / crank radius Understood.
- the masses of lying on the side of the high-pressure cylinder Low-pressure cylinder, namely the piston and / or connecting rod, so selected are that they are the opposite low-pressure piston and the high-pressure piston who are both sitting on the same crank sidewalk, compensate.
- the compensation This can be done both on the piston and on the connecting rod.
- the pistons are arranged such that the low-pressure pistons suck in the same phase on the crankcase, wherein during the intake process the both low-pressure stages submerged in the crankcase, the air in the compression chamber bump.
- the intake vacuum in the low-pressure stage reduced and the filling improved.
- This effect is achieved by the use of a check valve on the inlet port reinforced from air filter housing to crankcase. By the arrangement a check valve, the efficiency of a particular dry running Piston arrangement improved.
- the invention also provides a piston compressor, in particular for rail vehicles comprising such a piston assembly available, which advantageously comprises an electric motor drive.
- the Piston assembly can also be used in compressed air generation systems in the industrial Be used area.
- FIG 1 the Tangentialkraftdiagramm a piston assembly as known from the prior art, for example DUBBEL, paperback for engineering 15th edition and 18th edition pages P 32 - P 33, shown.
- the x-axis indicates the rotation angle in degrees
- the y-axis the applied moment. 1 denotes the moment from the gas forces
- 3 the total momentum from mass and gas forces
- 5 the moment from the mass forces.
- the majority of the load torque corresponds to the rotational frequency of the piston engine, which is often 20, 25 or 30 Hz. These frequencies are for the People, for example, in the passenger compartment of a rail vehicle, easy to feel. Thus, the natural frequency of legs with straight knees about 20 Hz be.
- the load torque of a reciprocating compressor generates in interaction with the engine an excitation torque about the compressor longitudinal axis, wherein the moment of inertia a conventional piston compressor unit around the compressor longitudinal axis is much lower than other axes.
- the transmission mode of an elastic Storage around the compressor's longitudinal axis is usually closer to the rotational frequency as, for example, the vertical mode used for the transmission of inertial forces plays a bigger role. This torsional vibration is usually not like that well isolated like other exciter components.
- the vibration problem of conventional reciprocating compressor by drastically reducing the proportion of the first order in the predominantly released from the gas forces resulting load moment.
- This reduction of first order can be achieved by a piston assembly in which two or several low-pressure stages are superimposed in phase and about 180 offset to the high-pressure stage act.
- FIG. 1 denotes the moment of gas forces, 3 the moment from mass and gas forces and 5 the moment of inertial forces.
- the proportion of the first order is drastically reduced, resulting in a reduced Vibration excitation around the compressor longitudinal axis precipitates.
- the unwanted Vibration in the passenger compartment can be significantly reduced or almost completely avoided.
- FIG. 3 shows a reciprocating compressor with a piston arrangement according to the invention exemplified.
- the embodiment shown in FIG. 3 is without limitation, to a 3-cylinder boxer arrangement with two low-pressure cylinders 20, 22, which form the low pressure stage and a high pressure cylinder 24 upstream of one of the low pressure stages.
- the pistons 40, 42, 44 of the three cylinders are on a common crankshaft via connecting rods 32 by means of ball or roller bearings 34 stored.
- a fan 36th provided for air cooling of the housing 38 in which the two low pressure stages and the high-pressure stage are arranged, with rotating crankshaft 30 provides.
- the pistons 40, 42 are the low-pressure cylinder in the highest position.
- the high pressure piston 44 is located on upper end of the cylinder. If the crankshaft 30 is moved, so move the two pistons 40, 42 of the low-pressure cylinder in-phase and offset by 180 opposite the piston 44 of the high-pressure stage.
- the individual pistons 40, 42, 44 are relative to the cylinder by means of sealing elements 50 sealed.
- the drive of the crankshaft is 30 by means of an electric motor 60th
- the pressure peaks in the torque diagram are significantly reduced, as a increased kinetic energy of the piston is converted into compaction work, It is particularly preferred if the pistons of the cylinder have such a high mass have that the pressure peaks are reduced in Tangentialkraftdiagramm wherein the incoming in the tangential force mass forces in the pressure peak in the speed range between 1000 1 / min and 2000 1 / min greater than 15% of Gas forces are in the pressure peak.
- FIGS. 4a-4d show arrangements according to the invention with opposite ones Cylinders shown.
- Figure 4a shows a 3-cylinder arrangement, as detailed previously described.
- FIG. 4b is a 6-cylinder arrangement, in FIG. 4c a 4-cylinder arrangement and in Figure 4d, a 5-cylinder arrangement according to the invention shown.
- the high-pressure pistons are designated by the reference numerals 44, 46 and the low-pressure pistons with the hostssziffem 40, 41, 42, 43 occupied.
- 180 V piston arrangements and series machines are conceivable.
- FIG. 5a shows a 4-cylinder in-line machine according to the invention
- FIG. 5b shows a 3-cylinder inline engine.
- Figure 6 is a 3-cylinder inline engine with a, running dummy piston 50, which does no compression work and serves only as a mass balance shown.
- the high pressure pistons are 44 and the low pressure pistons with 40, 42, the high pressure cylinder with 24 and the low pressure cylinder with 20, 22 characterized.
- the invention thus becomes the first time a piston assembly and a reciprocating compressor provided with the unwanted vibrations first Order, as in piston compressors according to the prior art from the Compressive forces result, can be reduced.
- FIGS. 7a-7c This can be seen particularly well in FIGS. 7a-7c.
- Figure 7a is schematic a compressor with two low pressure cylinders 20, 22 and a high pressure cylinder 24 shown according to the invention.
- suspensions 70, 72, 74, 76 for example, shown on a rail vehicle.
- the Cylinders are in the x-y plane, the z-axis is perpendicular to the cylinder axis in the direction of the suspensions 70, 72, 74, 76.
- Figure 7b shows the time course of the compressor vibration 1st order in the z direction in a compressor according to the prior art.
- FIG. 7c shows the temporal course of the compressor oscillation 1st order in z-direction at a Compressor according to the invention.
- the amplitude of the oscillation the compressor according to the invention over the prior art at least halved.
- the amplitude of a compressor according to the invention is only one third of the Amplitude of a compressor according to the prior art.
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Abstract
Description
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.The invention relates to a piston arrangement for a two-stage Piston compressor with a crankshaft, several cylinders with it running Piston, wherein two or more low pressure stages and at least one High-pressure stage is formed and a reciprocating compressor for Rail vehicles with such a piston assembly.
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.The arrangement according to DE-PS 765 994 is characterized in that the Cylinder and the crank radii are designed so that the mass forces Balancing as well as possible.Gas as vibration-inducing components are not named. An assignment of the individual cylinders to a respective one Compaction level is not made in the citation.
Ein Kolbenverdichter mit einer Kurbelwelle, mehreren Zylindern und darin
laufenden Kolben ist beispielsweise aus der CH-A-200769 und der DE-PS 765 994 und eine 3-Zylinder-Kolbenanordnung
mit einem Hochdruckzylinder und zwei Niederdruckzylindern ist
aus FR 1 239 385 bekannt geworden.A piston compressor with a crankshaft, several cylinders and in it
running piston is for example from CH-A-200769 and DE-PS 765 994 and a 3-cylinder piston assembly
with a high pressure cylinder and two low pressure cylinders
from
Im Schienenfahrzeugbau kommt in zunehmenden Maße Leichtbau zur Anwendung. Moderne Leichtbau-Wagenkastenstrukturen beispielsweise aus Aluminium-Strangpreßprofilen 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.In rail vehicle construction, lightweight construction is becoming increasingly popular Application. For example, modern lightweight car body structures Aluminum extrusion or support structures made of thin sheet metal Frequencies often close to the speed of the compressor Air system. The use of reciprocating compressors is such Constructions are often not possible, as often the permissible body noise level is exceeded.
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.This is due to the fact that piston engines design Massive forces and moments caused by the oscillating masses on the Crank drive and generate moments from the gas forces. Especially with the In the rail vehicle sector commonly used two-stage reciprocating compressors occurs a very non-uniform torque. Like the analysis of a typical Lastmomentes of such a compressor, corresponds to the overwhelming Proportion of the load torque of the rotational frequency of the reciprocating engine, often in the Range of 20 to 30 Hz. These frequencies are in turn for the im Passenger compartment very well felt, as for example the Natural frequency of legs with straight knees at about 20 Hz can be.
Das oben beschriebene Lastmoment eines Kolbenverdichters erzeugt in dem Zusammenspiel 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.The load torque described above of a reciprocating compressor generates in the Interaction with the engine an excitation torque about the compressor rotation axis. The moment of inertia of a conventional reciprocating compressor unit is around the compressor rotation axis much lower than other axes. Since the Transmission mode of an elastic bearing around the compressor longitudinal axis in the rule is closer to the rotational frequency than, for example, the vertical mode, which plays a more important role in the transmission of inertia forces, this becomes Torsional vibration usually not as well insulated as others Pathogen components.
Ein gattungsgemäßer Kolbenverdichter mit einer Kolbenanordnung, einer Kurbelwelle und mehreren Zylindern mit darin laufenden Kolben, wobei zwei oder mehrere Niederdruckzylinder und wenigstens ein Hochdruckzylinder ausgebildet wird und die zwei oder drei oder mehreren Niederdruckzylinder in bezug auf die Hochdruckstufe derart angeordnet sind, daß die zwei oder mehreren Niederdruckzylinder phasengleich oder um weniger als ± 15° versetzt und um 180° ± 20° versetzt zu einem oder mehreren Hochdruckzylindern verdichten ist aus CH-A-200 769 vorbekannt. Bei dieser Lösung arbeitet der Kolbenverdichter jedoch mit relativ hohen Ansaugunterdrücken in den Niederdruckstufen um entsprechende Füllungen zu gewährleisten.A generic reciprocating compressor with a piston assembly, a Crankshaft and a plurality of cylinders with pistons running therein, wherein two or formed a plurality of low pressure cylinder and at least one high pressure cylinder and the two or three or more low pressure cylinders with respect to High-pressure stage are arranged such that the two or more Low-pressure cylinder in phase or offset by less than ± 15 ° and around 180 ° ± 20 ° offset to one or more high pressure cylinders from CH-A-200 769 previously known. In this solution, the reciprocating compressor works however, with relatively high intake pressures in the low pressure stages to ensure appropriate fillings.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kolbenkompressormaschine anzugeben, die die zuvor beschriebenen Nachteile vermeidet.The object of the invention is to provide a reciprocating compressor machine, the avoids the disadvantages described above.
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 Hochdruckstufe 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.According to the invention, the problem is a drastic reduction of Part of the first order in the resulting mainly from the gas forces Lastmoment solved by two or by an unusual piston assembly several low-pressure stages are superimposed in phase and offset by about 180 ° to the high pressure stage act. This is achieved constructively in that at a Piston assembly for a two-stage reciprocating compressor with a crankshaft a plurality of cylinders having pistons therein, two or more Low-pressure cylinder and at least one high-pressure cylinder is formed, the two or three or more low pressure cylinders with respect to High-pressure cylinders are arranged such that the two or more Low-pressure cylinder in phase or offset by less than ± 15 ° and around 180 ° ± 20 ° offset to one or more high pressure cylinders.
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.The inventors have recognized that also the phase offset of all Low pressure cylinder to one or more high pressure cylinders a drastic Reduction of the 1st order as a result of the torque diagram m and thus a drastic Reduction of the vibration-inducing moment about the compressor rotation axis is reached.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Kolbenanordnung um eine ölgeschmierte Kolbenanordnung.In a first embodiment of the invention, the piston assembly is around an oil-lubricated piston assembly.
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 Hochdruckzylinder 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.However, it is particularly preferred if the piston arrangement is an "oil-free", dry-running Piston assembly is. In a specific embodiment of the invention the piston assembly as a 3-cylinder arrangement with two low and one high-pressure cylinder executed, wherein a high-pressure cylinder, another low-pressure cylinder opposite. Such an arrangement is particularly space-saving. Of course, would be 4.5 or 6-cylinder arrangements, of the inventive Doctrine make use, conceivable.
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.By using heavy pistons, according to an advantageous embodiment the pressure peaks in the torque diagram are significantly reduced, as a increased kinetic energy of the piston is converted into compression work. In particular, the piston of the cylinder should have such a high mass that the pressure peaks are reduced in the tangential force diagram, with the in the Tangential force diagram of budding mass forces in the pressure peak in the for Piston compressor typical speed range from 1000 1 / min to 2000 1 / min, in particular 1500 1 / min are greater than 15% of the gas forces in the pressure peak. When Tangential force diagram is in the present application, the torque curve / crank radius Understood.
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 Hochdruckkolben die beide auf derselben Kurbetweitenkröpfung sitzen, ausgleichen. Der Ausgleich kann hierbei sowohl am Kolben als auch am Pleuel erfolgen. Durch die Erhöhung der Kolbenmasse resultierend aus dem Masseausgleich verringert sich die Lagerbelastung am Pleuel.In an advantageous embodiment it is provided that, for example, in a 3-cylinder arrangement the masses of lying on the side of the high-pressure cylinder Low-pressure cylinder, namely the piston and / or connecting rod, so selected are that they are the opposite low-pressure piston and the high-pressure piston who are both sitting on the same crank sidewalk, compensate. The compensation This can be done both on the piston and on the connecting rod. By the increase the piston mass resulting from the mass balance decreases the Bearing load on the connecting rod.
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.In addition to the mass balance with the help of additional masses, it is also possible, the To balance oscillating mass with the help of moving dummy piston. Under a blind piston is understood in the present application, a piston that no Compacting work.
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 Einlaßstutzen von Luftfiltergehäuse zu Kurbelgehäuse verstärkt. Durch die Anordnung eines Rückschlagventiles wird der Wirkungsgrad insbesondere einer trockenlaufenden Kolbenanordnung verbessert.Advantageously, the pistons are arranged such that the low-pressure pistons suck in the same phase on the crankcase, wherein during the intake process the both low-pressure stages submerged in the crankcase, the air in the compression chamber bump. As a result, the intake vacuum in the low-pressure stage reduced and the filling improved. In a particularly advantageous embodiment This effect is achieved by the use of a check valve on the inlet port reinforced from air filter housing to crankcase. By the arrangement a check valve, the efficiency of a particular dry running Piston arrangement improved.
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.In addition to the piston arrangement, the invention also provides a piston compressor, in particular for rail vehicles comprising such a piston assembly available, which advantageously comprises an electric motor drive. The Piston assembly can also be used in compressed air generation systems in the industrial Be used area.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert werden.The invention will be explained with reference to the drawings.
- Figur 1FIG. 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 the Tangentialkraftverlauf a conventional two-stage Piston compressor in boxer arrangement, such as DUBBEL, paperback for mechanical engineering 15th edition and 18th edition, pages P 32 - P 33 has become known
- Figur 2FIG. 2
- den Tangentialkraftverlauf eines erfindungsgemäßen Kolbenverdichtersthe Tangentialkraftverlauf a piston compressor according to the invention
- Figur 3FIG. 3
- ein erfindungsgemäßen Kolbenverdichter im Schnitt.a piston compressor according to the invention in section.
- Figuren 4a-4dFIGS. 4a-4d
- mögliche Ausführungsbeispiele von Kolbenan-ordnungen gemäß der Erfindung ausgeführt als Boxerverdichterpossible embodiments of Kolbenan orders carried out according to the invention as a boxer compactor
- Figuren 5a-5bFigures 5a-5b
- Ausführungsbeispiel von Kolbenanordnungen gemäß der Erfindung ausgeführt als ReihenmaschineEmbodiment of piston assemblies according to the Invention carried out as a series machine
- Figur 6FIG. 6
- Ausführungsbeispiel einer Kolbenanordnung mit einem BlindkolbenEmbodiment of a piston assembly with a dummy piston
- Figur 7FIG. 7
- Amplituden der Kompressorschwingung in vertikaler Richtung für eine Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik und der ErfindungAmplitudes of compressor vibration in vertical Direction for an embodiment according to the State of the art and the invention
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.In Figure 1, the Tangentialkraftdiagramm a piston assembly as known from the prior art, for example DUBBEL, paperback for engineering 15th edition and 18th edition pages P 32 - P 33, shown. The x-axis indicates the rotation angle in degrees, the y-axis the applied moment.
1 denotes the moment from the gas forces, 3 the total momentum from mass and gas forces, and 5 the moment from the mass forces.
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:
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.The majority of the load torque corresponds to the rotational frequency of the piston engine, which is often 20, 25 or 30 Hz. These frequencies are for the People, for example, in the passenger compartment of a rail vehicle, easy to feel. Thus, the natural frequency of legs with straight knees about 20 Hz be.
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 Massenkräften eine größere Rolle spielt. Diese Drehschwingung wird in der Regel nicht so gut isoliert wie andere Erregerkomponenten.The load torque of a reciprocating compressor generates in interaction with the engine an excitation torque about the compressor longitudinal axis, wherein the moment of inertia a conventional piston compressor unit around the compressor longitudinal axis is much lower than other axes. The transmission mode of an elastic Storage around the compressor's longitudinal axis is usually closer to the rotational frequency as, for example, the vertical mode used for the transmission of inertial forces plays a bigger role. This torsional vibration is usually not like that well isolated like other exciter components.
Erfindungsgemäß wird das Schwingungsproblem herkömmlicher Kolbenverdichter durch eine drastische Reduzierung des Anteiles der ersten Ordnung in dem vorwiegend 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 überlagem und um ca. 180 versetzt zur Hochdruckstufe wirken.According to the invention, the vibration problem of conventional reciprocating compressor by drastically reducing the proportion of the first order in the predominantly released from the gas forces resulting load moment. This reduction of first order can be achieved by a piston assembly in which two or several low-pressure stages are superimposed in phase and about 180 offset to the high-pressure stage act.
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.The tangential force diagram of such an arrangement is shown in FIG. As
In Fig. 1,
Die Fourieranalyse der Kurve gemäß Figur 2 führt zu folgendem Ergebnis:
Der Anteil der ersten Ordnung ist drastisch reduziert, was sich in einer reduzierten Schwingungserregung um die Kompressorlängsachse niederschlägt. Die unerwünschten Schwingungen im Fahrgastraum können so beträchtlich verringert bzw. fast ganz vermieden werden.The proportion of the first order is drastically reduced, resulting in a reduced Vibration excitation around the compressor longitudinal axis precipitates. The unwanted Vibration in the passenger compartment can be significantly reduced or almost completely avoided.
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.FIG. 3 shows a reciprocating compressor with a piston arrangement according to the invention
exemplified. The embodiment shown in FIG. 3 is
without limitation, to a 3-cylinder boxer arrangement with two low-
Die Kolben 40, 42, 44 der drei Zylinder sind auf einer gemeinsamen Kurbelwelle
über Pleuelstangen 32 mit Hilfe von Kugel- oder Rollenlagem 34 gelagert.The
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 Nieder
druckstufen sowie die Hochdruckstufe angeordnet sind, bei umlaufender Kurbelwelle
30 sorgt.For cooling the arrangement is on the front side of the
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.In the position shown in Figure 3, the
Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform handelt es sich um einen ölfrei verdichtenden Kolbenverdichter mit Ansaugluftführung über das Kurbelgehäuse. In the embodiment shown in Figure 3 is an oil-free Compressive piston compressor with intake air duct over the crankcase.
Die einzelnen Kolben 40, 42, 44 sind gegenüber dem Zylinder mittels Dichtelementen
50 abgedichtet. Der Antrieb der Kurbelwelle erfolgt 30 mit Hilfe eines Elektromotores
60.The
Nachfolgend soll die Arbeitsweise des in Figur 3 dargestellten Kolbenverdichters näher beschrieben werden:The following is the operation of the piston compressor shown in Figure 3 be described in more detail:
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 Wirkungsgrad
verbessert wird.During the compression process in the low pressure stages increases through the
in phase from the
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters besteht in folgendem:Another advantage of the piston compressor according to the invention consists in the following:
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.Due to the strongly fluctuating load torque of the reciprocating compressor
Rotational irregularity generated. This is amplified by the
Durch den Einsatz schwerer Kolben können in einer weitergebildeteten Ausführungsform 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 Druckspitze im Drehzahlbereich zwischen 1000 1/min und 2000 1/min größer als 15% der Gaskräfte in der Druckspitze sind.By using heavy pistons, in a further developed embodiment the pressure peaks in the torque diagram are significantly reduced, as a increased kinetic energy of the piston is converted into compaction work, It is particularly preferred if the pistons of the cylinder have such a high mass have that the pressure peaks are reduced in Tangentialkraftdiagramm wherein the incoming in the tangential force mass forces in the pressure peak in the speed range between 1000 1 / min and 2000 1 / min greater than 15% of Gas forces are in the pressure peak.
Auf diese Art und Weise ist es möglich die Erregermomente in allen Ordnungen noch weiter zu reduzieren.In this way it is possible the excitation moments in all orders still continue to reduce.
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 order to achieve a mass balance of the oscillating and rotating masses, are the masses of lying on the side of the high pressure cylinder low pressure cylinder chosen so that they are the opposite low-pressure piston and equalize the high pressure piston. The compensation can be both on the piston as also done on the connecting rod. By increasing the piston mass resulting from The mass balance reduces the bearing load on the connecting rod. This is cheap for the load on the piston pin bearing on the side of the high-pressure cylinder lying low pressure stage, because this caused by the adjacent high-pressure stage is cooled worse.
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 Bezugsziffem 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.FIGS. 4a-4d show arrangements according to the invention with opposite ones
Cylinders shown. Figure 4a shows a 3-cylinder arrangement, as detailed
previously described. FIG. 4b is a 6-cylinder arrangement, in FIG. 4c a 4-cylinder arrangement
and in Figure 4d, a 5-cylinder arrangement according to the invention
shown. The high-pressure pistons are designated by the
Figur 5a zeigt eine erfindungsgemäße 4-Zyliner-Reihenmaschine, Figur 5b eine 3-Zylinder-Reihenmaschine.FIG. 5a shows a 4-cylinder in-line machine according to the invention, and FIG. 5b shows a 3-cylinder inline engine.
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.In Figure 6 is a 3-cylinder inline engine with a, running
Mit der Erfindung wird somit erstmals eine Kolbenanordnung und ein Kolbenverdichter 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.The invention thus becomes the first time a piston assembly and a reciprocating compressor provided with the unwanted vibrations first Order, as in piston compressors according to the prior art from the Compressive forces result, can be reduced.
Besonders gut ist dies den Figuren 7a - 7c zu entnehmen. In Figur 7a ist schematisch
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.This can be seen particularly well in FIGS. 7a-7c. In Figure 7a is schematic
a compressor with two
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 1.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. Figure 7b shows the time course of the compressor vibration 1st order in the z direction in a compressor according to the prior art. FIG. 7c shows the temporal course of the compressor oscillation 1st order in z-direction at a Compressor according to the invention. As from the comparison of the amplitudes of Vibrations in Figures 7b and 7c, is the amplitude of the oscillation the compressor according to the invention over the prior art at least halved. In a particularly preferred embodiment of the invention the amplitude of a compressor according to the invention is only one third of the Amplitude of a compressor according to the prior art.
- 11
- Moment aus GaskräftenMoment from gas forces
- 33
- Moment aus Massen- und GaskräftenMoment of mass and gas forces
- 55
- Moment aus MassenkräftenMoment of mass forces
- 20, 22, 2320, 22, 23
- NiederdruckzylinderLow-pressure cylinder
- 24, 26, 2824, 26, 28
- HochdruckzylinderHigh pressure cylinder
- 3030
- Kurbelwellecrankshaft
- 3232
- Pleuelstangeconnecting rod
- 3434
- Kugellagerball-bearing
- 3636
- Lüfterradfan
- 3838
- Gehäusecasing
- 40, 42, 4340, 42, 43
- NiederdruckkolbenLow-pressure piston
- 44, 46, 4844, 46, 48
- HochdruckkolbenHigh pressure piston
- 4949
- Dichtelementsealing element
- 5050
- Blindkolbenblind piston
- 6060
- Elektromotorelectric motor
- 70, 72, 74, 7670, 72, 74, 76
- Aufhängungensuspensions
Claims (11)
- Piston compressor, in particular for rail vehicles comprising a piston arrangement for a dual-stage piston compressor, comprising a crankshaft (30) in a crankshaft case (38), a plurality of cylinders (20, 22, 24) with pistons (40, 42, 43, 44, 46, 48) operating therein, wherein two or more low-pressure cylinders (20, 22, 23) of a low-pressure stage and at least one high-pressure cylinder (24, 26, 28) of a high-pressure stage are formed, and the two or three or more low-pressure cylinders (20, 22, 23) are arranged with respect to the high-pressure stage such that the two or more low-pressure cylinders (20, 22, 23) compress co-phasally or offset by less than ± 15° and offset by 180° ± 20° with respect to one or more high-pressure cylinders (24, 26, 28), characterised in that the piston-cylinder arrangement of the low-pressure stage is constructed such that, in an intake process, the pistons of the low-pressure stage move in the direction of the crankshaft (30) and in the process compress the air in the interior of the crankshaft case (38), and the air is taken in the process into the piston displacement of the low-pressure cylinders (20, 22, 23) from the interior of the crankshaft case (38).
- Piston compressor according to claim 1, characterised in that the piston arrangement is an oil-lubricated piston arrangement.
- Piston compressor according to claim 1, characterised in that the piston arrangement is a dry-running piston arrangement.
- Piston compressor according to any one of claims 1 to 3, characterised in that the piston arrangement is constructed as a 6-cylinder, 5-cylinder, 4-cylinder or 3-cylinder arrangement with two or more low-pressure cylinders (40, 42, 43) and one or more high-pressure cylinders (44, 46, 48).
- Piston compressor according to any one of claims 1 to 4, characterised in that the piston arrangement is constructed as a 3-cylinder arrangement, comprising two low-pressure cylinders (20, 22) and one high-pressure cylinder (24), a further low-pressure cylinder (20) being situated opposite a high-pressure (24) and a low-pressure cylinder (22).
- Piston compressor according to any one of claims 1 to 5, characterised in that the pistons (40, 42, 43, 44, 46, 48) of the cylinders (20, 22, 23, 24, 26, 28) have such a large mass that the inertial forces in the pressure peak of a compression process, in the rotational speed range between 1,500 1/min and 2,000 1/min are greater than 15% of the gas forces in the pressure peak.
- Piston compressor according to any one of claims 1 to 6, characterised in that a balancing of the oscillating masses (piston, connecting rod) is carried out with the aid of additional masses at at least one of the pistons (20, 22, 23, 24, 26, 28) and/or at a connecting rod.
- Piston compressor according to any one of claims 1 to 7, characterised in that the balancing of the oscillating mass is carried out with the aid of a dummy piston (50) also running along.
- Piston compressor according to any one of claims 1 to 8, characterised in that the balancing of masses is carried out with the aid of additional masses on the crankshaft (30).
- Piston compressor according to any one of claims 1 to 9, characterised in that a return valve is arranged at the inlet opening to the crankcase (38).
- Piston compressor according to any one of claims 1 to 10, characterised in that the piston compressor comprises an electric motor drive (60).
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