EP1662143B1 - Startverfahren für einen Kolbenverdichter - Google Patents

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EP1662143B1
EP1662143B1 EP05025299A EP05025299A EP1662143B1 EP 1662143 B1 EP1662143 B1 EP 1662143B1 EP 05025299 A EP05025299 A EP 05025299A EP 05025299 A EP05025299 A EP 05025299A EP 1662143 B1 EP1662143 B1 EP 1662143B1
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EP
European Patent Office
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piston
starting
drive moment
compression
phase
Prior art date
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EP05025299A
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EP1662143A3 (de
EP1662143A2 (de
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Stefan Zeh
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Diehl AKO Stiftung and Co KG
Original Assignee
Diehl AKO Stiftung and Co KG
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/02—Stopping, starting, unloading or idling control
    • 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
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    • F04B2201/02—Piston parameters
    • F04B2201/0201—Position of the piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B2201/1208—Angular position of the 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
    • F04B2203/00—Motor parameters
    • F04B2203/02—Motor parameters of rotating electric motors
    • F04B2203/0207—Torque
    • 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
    • F04B2203/00—Motor parameters
    • F04B2203/02—Motor parameters of rotating electric motors
    • F04B2203/0209—Rotational speed

Definitions

  • the invention relates to a method for starting a reciprocating compressor.
  • the invention further relates to a piston compressor operating according to the said method.
  • a piston compressor usually has at least one piston which is movable by means of a motor in a pressure cylinder such that the volume of a compression space formed between the pressure cylinder and the piston is periodically expanded and compressed in the course of the piston movement.
  • a compressible fluid in particular a refrigerant such. R600a
  • R600a refrigerant
  • the piston position which marks the transition from a compression phase to a subsequent expansion phase is referred to below as the compression point.
  • the piston position which marks the transition between an expansion phase and a subsequent compression phase is analogously referred to as expansion point.
  • reciprocating compressor refers both to a reciprocating compressor and to a rotary or rotary compressor.
  • the piston In a reciprocating compressor, the piston is linearly movable in the pressure cylinder.
  • the piston of such a reciprocating compressor is usually driven by a rotating eccentric.
  • a rotary piston cylinder In contrast, the piston is rotationally driven directly via a drive shaft and rotates relative to the pressure cylinder. Without limiting to one of these two designs is subsequently used as a measure of the piston position, the rotational position of the drive shaft and the eccentric, so that the reference to a specific piston position of a reciprocating compressor takes the form of an angle.
  • the course of an expansion phase and a subsequent compression phase which generally corresponds to a full rotation of the drive shaft or the eccentric by 360 °, is referred to as the duty cycle of the reciprocating compressor.
  • load peak a load torque that fluctuates periodically with the working cycle occurs, which as a rule goes through a pronounced maximum during the course of the compression phase (hereinafter referred to as load peak). It is customary to design an electronically controlled reciprocating compressor in such a way that the maximum drive torque of the motor falls below the maximum value of the load torque occurring during the load peak.
  • the peak load is determined by the inertia of the reciprocating compressor, i. overcome by the kinetic energy stored in a flywheel.
  • the invention has for its object to provide a method by means of which in a reciprocating compressor in a simple manner an improved starting behavior is achieved.
  • the invention is further based on the object of specifying a piston compressor suitable for carrying out said method.
  • the object is achieved according to the invention by the features of claim 1.
  • it is provided to initially drive in a reset phase, the piston of a reciprocating compressor under application of a reset torque in the direction of a compression point of the piston position, and to maintain the reset drive torque until the piston has reached a starting position when a steady-state point is exceeded.
  • at least one leak of the reciprocating compressor is specifically exploited, through which the compressed in the course of the reset phase fluid escapes from the compression chamber, so that the piston position over the steady point addition, the start position approaches successively.
  • an acceleration phase following reaching the start position the piston is then accelerated from the start position with a starting drive torque in an operating direction of rotation.
  • a leak in particular, the construction of a piston compressor always used existing piston-cylinder clearance exploited.
  • the reset drive torque is preferably opposite to the operating direction of rotation, so that the reciprocating compressor is turned back against the operating direction of rotation during the reset phase. This is particularly useful if, due to the design of the reciprocating compressor in reverse rotation, a lower load torque and / or a higher leakage rate occurs than with corresponding forward rotation.
  • the leakage rate and the course of the load torque usually behave symmetrically with respect to a reversal of the direction of rotation. In this case, during the reset phase, equivalently, the piston can also be driven in the operating direction of rotation.
  • the starting position is preferably chosen such that it lies in the vicinity of the compression point or is slightly upstream of the latter when viewed in the operating direction of rotation.
  • the starting position is in particular in an angular range of +/- 30 ° to the compression point.
  • the reciprocating compressor then comprises a piston movable in a pressure cylinder by means of a drive system.
  • the drive system comprises an electric motor acting on the piston via a drive shaft and an electronic control unit controlling this.
  • the control unit is in this case designed to control the motor according to the method described above.
  • the control unit is in particular designed to control the motor during the reset phase in such a way that the piston is driven in the direction of the compression point under the effect of the reset drive torque and the reset drive torque is maintained until the piston has reached a start position.
  • the control unit is further configured to control the engine during the acceleration phase such that the piston is accelerated out of the starting position under the action of the starting drive torque in the operating direction of rotation.
  • the in the Fig. 1 to 4 schematically illustrated piston compressor 1 is designed as a reciprocating compressor.
  • the piston compressor 1 comprises a piston 2, which in a pressure cylinder 3 linearly (in accordance with Fig. 1 vertical direction) is displaceable.
  • an electric motor 4 is provided, which is designed in particular as a permanent magnet synchronous motor and driven by an electronic control unit 5.
  • the motor 4 acts via an only indicated drive shaft 6 on a drive eccentric 7, which in turn is connected via a connecting rod 8 articulated to the piston 2, so that in a known manner, a rotational movement of the drive eccentric 7 is converted into a linear oscillatory movement of the piston 2.
  • a compression space 9 is limited, in which on an end facing away from the piston 2 cylinder bottom 10 of the pressure cylinder 3, an inlet 11 and an outlet 12 for a fluid to be compressed F.
  • the fluid F is preferably a refrigerant, e.g. R600a.
  • an inlet valve 13 or outlet valve 14 is provided which, depending on the valve position, blocks or releases the inlet 11 or outlet 12 in a fluid-tight manner.
  • Each valve 13 or 14 is designed as a flap, which is biased by an elastic force, in particular a spring, or by elastic design of the flap itself in a closed rest position.
  • Each valve 13 or 14 opens and closes automatically in the manner of a check valve under the action of a corresponding pressure gradient of the fluid F.
  • the inlet valve 13 opens in this case when in the compression chamber 9 with respect to the inlet 11, a sufficient negative pressure prevails.
  • Analog opens the exhaust valve 14 when in the compression chamber 9 relative to the outlet 12, a sufficient pressure prevails.
  • the volume of the compression chamber 9 varies as a function of the piston position S.
  • the piston position S is in this case the rotational or angular position of the drive shaft 6 and of this rotatably connected drive eccentric 7 used.
  • a piston position S 0 °
  • the piston 2 is maximally moved into the pressure cylinder 3, and thus minimizes the volume of the compression chamber 9.
  • a piston position S 180 °
  • the piston 2 is correspondingly pulled out of the pressure cylinder 3 at the maximum, and thus maximizes the volume of the compression space 9.
  • Under rotation of the drive eccentric 7 in an in Fig. 1 indicated operating direction B corresponds to a change in the piston position S from 0 ° to 180 ° of an expansion phase E ( Fig.
  • a complete rotation of the drive eccentric 7, ie a change in the piston position S from 0 ° to 360 ° is referred to as a duty cycle of the reciprocating compressor 1.
  • the duty cycle thus comprises the expansion phase E and the subsequent compression phase K.
  • Fig. 5 varies the load torque L as a function of the piston position S periodically.
  • the magnitude of the load torque L occurring during the expansion phase E is low, while the load moment L undergoes a pronounced maximum during the compression phase K, which is referred to below as the load peak P.
  • a maximum load moment L max is achieved in the region of the load peak P approximately at a piston position of S ⁇ 270 °.
  • the motor 4 is designed in such a way that a maximum drive torque A max that can be exerted on the drive eccentric 7 is smaller than the maximum load torque L max . Consequently, there is a piston position S, at which the load torque L exceeds the maximum drive torque A max straight, so that the engine power is no longer sufficient for further compression.
  • This so-called steady point S b occurs in the vicinity of the load peak P, ie, when the piston 2 is driven in the operating direction B at a piston position S that slightly exceeds 270 °.
  • the starting process of the reciprocating compressor 1 is then subdivided into a reset phase 15 (FIG. Fig. 6 ) and a subsequent acceleration phase 16 ( Fig. 6 ).
  • the piston 2 is rotated back out of the initial piston position S I , counter to the operating direction of rotation B, with a low drive torque until, with regard to the piston position S, a starting position S IV (FIG. Fig. 4 ) is reached.
  • the reciprocating compressor 1 passes through the in the Fig. 2 and 3 illustrated piston positions S II and S III .
  • Characteristic of the method according to the invention is that the starting position S IV in the vicinity of the compression point S k , and here in particular between the persistence points S b and S ' b is selected so that during the Reset phase 15 when turning back the piston 2 of the steady point S ' b must be overcome. Likewise, if the piston 2 should be moved by a forward rotation in the starting position S IV , the steady-state point S b would have to be overcome.
  • a leak which optionally connects the compression space 9 to the inlet 11.
  • an artificial leak e.g. be provided in the form of a thin, the inlet valve 13 bypassing bypass line. This is particularly useful if an escape of the fluid F to the environment should be avoided.
  • the exact position of the starting position S IV is slightly dependent on the initial piston position S I.
  • the motor control during the reset phase 15 is in this case designed such that the starting position S IV is always in an angular range of +/- 30 ° to the compression point S k and at an initial Piston position S I of approximately 180 ° substantially coincides with the compression point S k .
  • a motor control has proven, in which the stator of the motor 4 for a predetermined period of time between 3 and 30 seconds with an angular velocity between 1 and 10 revolutions per minute, in particular for about 20 seconds with approx 4 revolutions per minute, turned back.
  • the piston position S passes through an acceleration range 18 of over 240 ° during the acceleration phase 16, in the course of which no increased load torque L occurs, whereby the reciprocating compressor 1 can absorb sufficient momentum to overcome the peak load P.
  • the long acceleration range 18 thus allows a particularly low design of the motor 4 with respect to the maximum drive torque A max , without affecting the starting behavior of the reciprocating compressor 1.
  • the reset phase 15 and the acceleration phase 16 can be carried out in chronological succession. However, the reset phase 15 and the acceleration phase 16 can also be carried out separately in time. In particular, it is optionally provided that the reset phase 15 is performed at the end of an operating phase of the reciprocating compressor 1, so that the reciprocating compressor 1 is already in the starting position S IV in a subsequent operating phase and can be started immediately by execution of the acceleration phase 16. Optionally, as an alternative to this, it is provided that the above-described method is not executed until a previously performed instant start attempt due to an unfavorable initial piston position S I has failed.
  • a reciprocating drive torque A R acting in the operating direction of rotation B can also be exerted.
  • the starting method described is also applicable to a rotary piston compressor in an equivalent manner.
  • the method described is equivalently also in a piston compressor with a different kind electronically controlled motor, in particular a brushless DC motor (BLDC), an asynchronous motor, a reluctance motor, etc. can be used.
  • BLDC brushless DC motor
  • asynchronous motor a reluctance motor, etc.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Starten eines Kolbenverdichters. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf einen nach dem genannten Verfahren arbeitenden Kolbenverdichter.
  • Ein Kolbenverdichter weist üblicherweise mindestens einen Kolben auf, der mittels eines Motors in einem Druckzylinder derart bewegbar ist, dass das Volumen eines zwischen dem Druckzylinder und dem Kolben gebildeten Kompressionsraums im Zuge der Kolbenbewegung periodisch expandiert und komprimiert wird. Während der Expansionsphase wird hierbei ein komprimierbares Fluid, insbesondere ein Kältemittel wie z.B. R600a, durch ein in dem Druckzylinder vorgesehenes Einlassventil in den Kompressionsraum angesaugt. Das angesaugte Fluid wird während der anschließenden Kompressionsphase komprimiert und unter erhöhtem Druck durch ein Auslassventil des Druckzylinders ausgestoßen. Diejenige Kolbenstellung, die den Übergang von einer Kompressionsphase in eine nachfolgende Expansionsphase kennzeichnet, ist nachfolgend als Kompressionspunkt bezeichnet. Diejenige Kolbenstellung, die den Übergang zwischen einer Expansionsphase und einer nachfolgenden Kompressionsphase kennzeichnet, ist analog hierzu als Expansionspunkt bezeichnet.
  • Die Bezeichnung Kolbenverdichter bezieht sich sowohl auf einen Hubkolbenverdichter als auch auf einen Rotations- oder Rollkolbenverdichter. Bei einem Hubkolbenverdichter ist der Kolben in dem Druckzylinder linear beweglich. Der Kolben eines solchen Hubkolbenverdichters wird üblicherweise über einen rotierenden Exzenter angetrieben. Bei einem Rotationskolbenzylinder ist der Kolben dagegen direkt über eine Antriebswelle drehangetrieben und rotiert bezüglich des Druckzylinders. Ohne Beschränkung auf eine dieser beiden Bauformen wird nachfolgend als Maß für die Kolbenstellung die Drehstellung der Antriebswelle bzw. des Exzenters herangezogen, so dass auch die Bezugnahme auf eine bestimmte Kolbenstellung eines Hubkolbenverdichters in Form einer Winkelangabe erfolgt. Der Ablauf einer Expansionsphase und einer anschließenden Kompressionsphase, der in der Regel einer Volldrehung der Antriebswelle bzw. des Exzenters um 360° entspricht, wird als Arbeitszyklus des Kolbenverdichters bezeichnet.
  • Im Betrieb eines Kolbenverdichters tritt ein mit dem Arbeitszyklus periodisch schwankendes Lastmoment auf, das in der Regel im Verlauf der Kompressionsphase ein ausgeprägtes Maximum (nachfolgend als Lastspitze bezeichnet) durchläuft. Es ist üblich, einen elektronisch geregelten Kolbenverdichter derart auszulegen, dass das Maximalantriebsmoment des Motors den während der Lastspitze auftretenden Maximalwert des Lastmoments unterschreitet. Im Betrieb wird die Lastspitze durch die Trägheit des Kolbenverdichters, d.h. durch die in einer Schwungmasse gespeicherte kinetische Energie, überwunden.
  • Beim Start eines Kolbenverdichters ist der hierfür nötige Schwung nicht vorhanden, so dass ein gewöhnlicher Kolbenverdichter aus eigener Kraft häufig nicht, oder zumindest nicht aus jeder Kolbenstellung, gestartet werden kann. Um den Schwungweg zu erhöhen und somit den Selbststart zu erleichtern, wird bisweilen der Kolben eines Kolbenverdichters vor dem eigentlichen Startvorgang entgegen einer Betriebsdrehrichtung zurückgedreht. Bei einem herkömmlichen Kolbenverdichter wird dieses Zurückdrehen des Kolbens spätestens bei einer Kolbenstellung beendet, bei welcher das Maximalantriebsmoment des Motors dem einer weiteren Kompression entgegenstehenden Lastmoment entspricht. Entsprechendes ist z.B. aus der Patentschrift DE 100 23 523 C1 bekannt, die die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 6 offenbart. Diese Kolbenstellung wird nachfolgend als Beharrungspunkt bezeichnet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mittels welchem bei einem Kolbenverdichter auf einfache Weise ein verbessertes Startverhalten erzielt wird. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen zur Durchführung des genannten Verfahrens geeigneten Kolbenverdichter anzugeben.
  • Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach ist vorgesehen, zunächst in einer Rücksetzphase den Kolben eines Kolbenverdichters unter Aufbringung eines Rücksetzantriebsmoments in Richtung auf einen Kompressionspunkt der Kolbenstellung anzutreiben, und das Rücksetzantriebsmoment so lange aufrechtzuerhalten, bis der Kolben unter Überschreitung eines Beharrungspunktes eine Startposition erreicht hat. Hierbei wird gezielt mindestens eine Leckstelle des Kolbenverdichters ausgenützt, durch welche das im Zuge der Rücksetzphase komprimierte Fluid aus dem Kompressionsraum entweicht, so dass sich die Kolbenstellung über den Beharrungspunkt hinaus der Startposition sukzessive annähert. In einer auf das Erreichen der Startposition folgenden Beschleunigungsphase wird der Kolben dann aus der Startposition mit einem Startantriebsmoment in eine Betriebsdrehrichtung beschleunigt. Als Leckstelle wird insbesondere das bei einem Kolbenverdichter baubedingt stets vorhandene Kolben-Zylinder-Spiel ausgenützt.
  • Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren wird bei einem Kolbenverdichter auf einfache Weise ein besonders langer Beschleunigungsweg zur Aufnahme der zur Überwindung der Lastspitze erforderlichen kinetischen Energie erzielt. Das Antriebssystem des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Kolbenverdichters kann hierdurch auf ein vergleichsweise kleines Maximalantriebsmoment ausgelegt werden. Hierdurch werden in entscheidendem Maße Herstellungskosten eingespart.
  • Das Rücksetzantriebsmoment ist bevorzugt der Betriebsdrehrichtung entgegengerichtet, so dass der Kolbenverdichter während der Rücksetzphase entgegen der Betriebsdrehrichtung zurückgedreht wird. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn infolge der Bauart des Kolbenverdichters bei Rückwärtsdrehung ein geringeres Lastmoment und/oder eine höhere Leckrate auftritt als bei entsprechender Vorwärtsdrehung. Insbesondere bei einem Hubkolbenverdichter verhalten sich die Leckrate und der Verlauf des Lastmoments in der Regel symmetrisch bezüglich einer Umkehr der Drehrichtung. In diesem Fall kann der Kolben während der Rücksetzphase äquivalenterweise auch in Betriebsdrehrichtung angetrieben werden.
  • Um während der Beschleunigungsphase einen möglichst langen Beschleunigungsweg zu erzielen, ist die Startposition bevorzugt derart gewählt, dass sie in der Umgebung des Kompressionspunkts liegt oder diesem in Betriebsdrehrichtung gesehen geringfügig vorgelagert ist. Zweckmäßigerweise liegt die Startposition insbesondere in einem Winkelbereich von +/- 30° um den Kompressionspunkt.
  • Bezüglich des Kolbenverdichters wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 6. Der Kolbenverdichter umfasst danach einen mittels eines Antriebssystems in einem Druckzylinder bewegbaren Kolben. Das Antriebssystem umfasst einen über eine Antriebswelle auf den Kolben wirkenden elektrischen Motor und eine diesen ansteuernde elektronische Steuereinheit. Die Steuereinheit ist hierbei zur Ansteuerung des Motors gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren ausgebildet. Die Steuereinheit ist dabei insbesondere dazu ausgebildet, während der Rücksetzphase den Motor derart anzusteuern, dass der Kolben unter Wirkung des Rücksetzantriebsmoments in Richtung auf den Kompressionspunkt angetrieben wird und das Rücksetzantriebsmoment so lange aufrechtzuerhalten, bis der Kolben eine Startposition erreicht hat. Die Steuereinheit ist weiterhin dazu ausgebildet, den Motor während der Beschleunigungsphase derart anzusteuern, dass der Kolben aus der Startposition heraus unter Wirkung des Startantriebsmoments in Betriebsdrehrichtung beschleunigt wird.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    • Fig. 1 bis 4
    jeweils in schematischer Schnittdarstellung einen Kolbenverdichter in vier aufeinander folgenden Kolbenstellungen während des Startvorgangs des Kolbenverdichters,
    Fig. 5
    in einem schematischen Diagramm einen charakteristischen Verlauf des im Betrieb des Kolbenverdichters gemäß Fig. 1 auftretenden Lastmoments in Abhängigkeit der Kolbenstellung und
    Fig. 6
    in Darstellung gemäß Fig. 5 den Verlauf des Lastmoments während des Startvorgangs.
  • Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Der in den Fig. 1 bis 4 schematisch dargestellte Kolbenverdichter 1 ist als Hubkolbenverdichter ausgebildet. Der Kolbenverdichter 1 umfasst einen Kolben 2, der in einem Druckzylinder 3 linear (in gemäß Fig. 1 senkrechter Richtung) verschiebbar ist. Zum Antrieb des Kolbens 2 ist ein elektrischer Motor 4 vorgesehen, der insbesondere als Permanentmagnet-Synchronmotor ausgebildet und mittels einer elektronischen Steuereinheit 5 angesteuert ist. Der Motor 4 wirkt über eine lediglich angedeutete Antriebswelle 6 auf einen Antriebsexzenter 7, der wiederum über eine Pleuelstange 8 gelenkig mit dem Kolben 2 verbunden ist, so dass in bekannter Weise eine Drehbewegung des Antriebsexzenters 7 in eine lineare Schwingungsbewegung des Kolbens 2 umgesetzt wird.
  • Durch den Druckzylinder 3 und den Kolben 2 wird ein Kompressionsraum 9 begrenzt, in welchen an einem von dem Kolben 2 abgewandten Zylinderboden 10 des Druckzylinders 3 ein Einlass 11 und ein Auslass 12 für ein zu komprimierendes Fluid F münden. Bei dem Fluid F handelt es sich bevorzugt um ein Kältemittel, z.B. R600a.
  • An der jeweiligen Mündung des Einlasses 11 bzw. Auslasses 12 in den Kompressionsraum 9 ist ein Einlassventil 13 bzw. Auslassventil 14 vorgesehen, das, je nach Ventilstellung den Einlass 11 bzw. Auslass 12 fluiddicht sperrt oder freigibt. Jedes Ventil 13 bzw. 14 ist als Klappe ausgebildet, die durch eine elastische Kraft, insbesondere eine Feder, oder durch elastische Ausbildung der Klappe selbst in einer geschlossenen Ruhestellung vorgespannt ist. Jedes Ventil 13 bzw. 14 öffnet und schließt nach Art eines Rückschlagventils selbsttätig unter Wirkung eines entsprechenden Druckgradienten des Fluids F. Das Einlassventil 13 öffnet hierbei, wenn im Kompressionsraum 9 gegenüber dem Einlass 11 ein hinreichender Unterdruck herrscht. Analog öffnet das Auslassventil 14, wenn in dem Kompressionsraum 9 gegenüber dem Auslass 12 ein hinreichender Überdruck herrscht.
  • Das Volumen des Kompressionsraums 9 variiert in Abhängigkeit der Kolbenstellung S. Als Maß für die Kolbenstellung S wird hierbei die Dreh- oder Winkelstellung der Antriebswelle 6 und des mit dieser drehfest verbundenen Antriebsexzenters 7 herangezogen. Bei einer Kolbenstellung S = 0° ist der Kolben 2 maximal in den Druckzylinder 3 hineingefahren, und das Volumen des Kompressionsraums 9 somit minimiert. Bei einer Kolbenstellung S = 180° ist der Kolben 2 entsprechend maximal aus dem Druckzylinder 3 herausgezogen, und das Volumen des Kompressionsraums 9 somit maximiert. Unter Drehung des Antriebsexzenters 7 in einer in Fig. 1 angedeuteten Betriebsdrehrichtung B entspricht eine Änderung der Kolbenstellung S von 0° auf 180° einer Expansionsphase E (Fig. 5), im Zuge derer der Kompressionsraum 9 expandiert, und somit Fluid aus dem Einlass 11 angesaugt wird. Eine Änderung der Kolbenstellung S von 180° auf 360° = 0° entspricht einer Kompressionsphase K (Fig. 5), während derer das in dem Kompressionsraum 9 enthaltene Fluid F verdichtet und durch den Auslass 12 ausgestoßen wird. Der einer Kolbenstellung S = 0° entsprechende Beginn der Expansionsphase E wird als Kompressionspunkt Sk bezeichnet, der einer Kolbenstellung S = 180° entsprechende Beginn der Kompressionsphase K wird als Expansionspunkt Se bezeichnet. Eine Volldrehung des Antriebsexzenters 7, d.h. eine Änderung der Kolbenstellung S von 0° auf 360° wird als Arbeitszyklus des Kolbenverdichters 1 bezeichnet. Der Arbeitszyklus umfasst somit die Expansionsphase E und die darauf folgende Kompressionsphase K.
  • Während des Betriebs des Kolbenverdichters 1 tritt - im Wesentlichen bedingt durch den veränderlichen Fluiddruck im Kompressionsraum 9 - ein von dem Kolben 2 auf den Antriebsexzenter 7 ausgeübtes Lastdrehmoment (im Folgenden kurz als Lastmoment L bezeichnet) auf, das einem von dem Motor 4 auf den Antriebsexzenter 7 ausgeübten Antriebsdrehmoment (im Folgenden kurz als Antriebsmoment A bezeichnet) entgegenwirkt.
  • Wie in Fig. 5 exemplarisch dargestellt ist, variiert das Lastmoment L in Abhängigkeit der Kolbenstellung S periodisch. Unter gewöhnlichen Betriebsbedingungen ist der Betrag des während der Expansionsphase E auftretenden Lastmoments L gering, während das Lastmoment L im Verlauf der Kompressionsphase K ein ausgeprägtes Maximum durchläuft, das nachfolgend als Lastspitze P bezeichnet ist. Ein Maximallastmoment Lmax wird im Bereich der Lastspitze P etwa bei einer Kolbenstellung von S ≈ 270° erreicht.
  • Der Motor 4 ist derart ausgelegt, dass ein auf den Antriebsexzenter 7 ausübbares Maximalantriebsmoment Amax kleiner als das Maximallastmoment Lmax ist. Demzufolge existiert eine Kolbenstellung S, an welcher das Lastmoment L das Maximalantriebsmoment Amax gerade überschreitet, so dass die Motorleistung zu einer weiteren Kompression nicht mehr ausreicht. Dieser so genannte Beharrungspunkt Sb tritt in der Umgebung der Lastspitze P, d.h. bei einem Antrieb des Kolbens 2 in Betriebsrichtung B bei einer 270° geringfügig unterschreitenden Kolbenstellung S auf.
  • Bei einem Antrieb des Kolbens 2 entgegen der Betriebsdrehrichtung B tritt bei dem Kolbenverdichter 1 ein im Wesentlichen bezüglich des Kompressionspunktes Sk symmetrisch gespiegeltes Lastmoment L' (in Fig. 3 als gepunktete Linie angedeutet) mit einer zugehörigen Lastspitze P' auf. Bei Rückwärtsdrehung wird ein entsprechender Beharrungspunkt S'b bei einer 90° geringfügig übersteigenden Kolbenstellung S erreicht.
  • Im Betrieb des Kolbenverdichters 1 wird der Beharrungspunkt Sb, und damit die Lastspitze P unter Ausnutzung der kinetischen Energie des Kolbenverdichters 1 überwunden. Diese kinetische Energie steht beim Start des Kolbenverdichters 1 jedoch noch nicht zur Verfügung, so dass der Kolbenverdichter 1 aus einer exemplarisch in Fig. 1 dargestellten initialen Kolbenstellung SI aus eigener Kraft nicht direkt gestartet werden kann. Zur Verbesserung des Startverhaltens des Kolbenverdichters 1 dient das nachfolgend anhand der Fig. 2 bis 4 sowie 6 näher beschriebene Verfahren.
  • Der Startvorgang des Kolbenverdichters 1 ist danach gegliedert in eine Rücksetzphase 15 (Fig. 6) sowie eine anschließende Beschleunigungsphase 16 (Fig. 6). Während der Rücksetzphase 15 wird der Kolben 2 aus der initialen Kolbenstellung SI, entgegen der Betriebsdrehrichtung B mit geringem Antriebsmoment zurückgedreht, bis hinsichtlich der Kolbenstellung S eine Startposition SIV (Fig. 4) erreicht ist. Der Kolbenverdichter 1 durchläuft hierbei die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Kolbenstellungen SII bzw. SIII.
  • Kennzeichen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Startposition SIV in der Umgebung des Kompressionspunktes Sk, und hierbei insbesondere zwischen den Beharrungspunkten Sb und S'b gewählt ist, so dass während der Rücksetzphase 15 bei Zurückdrehung des Kolbens 2 der Beharrungspunkt S'b überwunden werden muss. Ebenso müsste, wenn der Kolben 2 durch eine Vorwärtsdrehung in die Startposition SIV bewegt werden sollte, der Beharrungspunkt Sb überwunden werden.
  • Die Überwindung des Beharrungspunktes S'b gelingt, indem durch den Motor 4 während der Rücksetzphase 15 ein Rücksetzantriebsmoment AR ausgeübt wird, das auch und gerade dann aufrecht erhalten wird, wenn der Beharrungspunkt S'b erreicht bzw. überschritten ist. Dies wird technisch realisiert, indem das Statorfeld des Motors 4 für eine vorgegebene Zeitspanne mit einer geringen Winkelgeschwindigkeit zurückgedreht wird.
  • Hierbei werden gezielt Leckstellen des Kompressionsraums 9 ausgenützt, die baubedingt, insbesondere durch das stets in gewissem Umfang vorhandene Kolben-Zylinder-Spiel gegeben sind. Bei Aufrechterhaltung des Rücksetzantriebsmoments AR entweicht, entgegen dem gewöhnlichen Betriebsverhalten des Kolbenverdichters 1, durch diese Leckstellen 17 in nennenswertem Umfang Fluid F (Fig. 3), so dass bei stationären Lastverhältnissen das Volumen des Kompressionsraums 9 weiter verringert wird und sich hierdurch die Kolbenstellung S über den Beharrungspunkt S'b hinweg an den Kompressionspunkt Sk annähert. Die Lastspitze P' wird auf diese Weise quasi "durchtunnelt".
  • Je nach Bauart des Kolbenverdichters 1 können zusätzlich oder alternativ zu den durch das Kolben-Zylinder-Spiel gegebenen Leckstellen 17 auch eine gegebenenfalls den Kompressionsraum 9 mit dem Einlass 11 verbindende Leckstelle herangezogen werden. Zusätzlich oder alternativ zu baubedingten Leckstellen 17 kann auch eine künstliche Leckstelle, z.B. in Form einer dünnen, das Einlassventil 13 umgehenden Bypassleitung vorgesehen sein. Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn ein Entweichen des Fluids F an die Umwelt vermieden werden soll.
  • Die genaue Lage der Startposition SIV hängt geringfügig von der initialen Kolbenstellung SI ab. Die Motoransteuerung während der Rücksetzphase 15 ist hierbei derart ausgelegt, dass die Startposition SIV stets in einem Winkelbereich von +/-30° um den Kompressionspunkt Sk liegt und bei einer initialen Kolbenstellung SI von ca. 180° im Wesentlichen mit dem Kompressionspunkt Sk übereinstimmt. Als zweckmäßig zur geeigneten Dimensionierung des Rücksetzantriebsmoments AR hat sich eine Motoransteuerung erwiesen, bei der das Statorfeld des Motors 4 für eine vorgegebene Zeitspanne zwischen 3 und 30 Sekunden mit einer Winkelgeschwindigkeit zwischen 1 und 10 Umdrehungen pro Minute, insbesondere für ca. 20 Sekunden mit ca. 4 Umdrehungen pro Minute, zurückgedreht wird.
  • Nach Erreichen der Startposition SIV wird im Zuge der Beschleunigungsphase 16 ein Startantriebsmoment AS auf den Antriebsexzenter 7, und somit auf den Kolben 2, ausgeübt, das in Betriebsdrehrichtung B wirkt und hinsichtlich seines Betrags dem Maximalantriebsmoment Amax entspricht.
  • Wie insbesondere aus Fig. 6 erkennbar ist, durchläuft die Kolbenstellung S während der Beschleunigungsphase 16 einen Beschleunigungsbereich 18 von über 240°, in dessen Verlauf kein erhöhtes Lastmoment L auftritt, wodurch der Kolbenverdichter 1 hinreichend Schwung aufnehmen kann, um die Lastspitze P zu überwinden. Der lange Beschleunigungsbereich 18 ermöglicht somit eine besonders niedrige Auslegung des Motors 4 hinsichtlich des Maximalantriebsmoments Amax, ohne das Startverhalten des Kolbenverdichters 1 zu beeinträchtigen.
  • Die Rücksetzphase 15 und die Beschleunigungsphase 16 können zeitlich unmittelbar nacheinander ausgeführt werden. Die Rücksetzphase 15 und die Beschleunigungsphase 16 können aber auch zeitlich getrennt voneinander ausgeführt werden. Insbesondere ist optional vorgesehen, dass die Rücksetzphase 15 am Ende einer Betriebsphase des Kolbenverdichters 1 vorgenommen wird, so dass sich der Kolbenverdichter 1 bei einer anschließenden Betriebsphase bereits von Anfang an in der Startposition SIV befindet und durch Ausführung der Beschleunigungsphase 16 sofort gestartet werden kann. Optional ist alternativ hierzu vorgesehen, dass das vorstehend beschriebene Verfahren erst dann ausgeführt wird, wenn ein zuvor durchgeführter Sofortstartversuch aufgrund einer ungünstigen initialen Kolbenstellung SI missglückt ist.
  • Bei dem in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Kolbenverdichter kann in einer Variante des beschriebenen Startverfahrens des Weiteren auch ein in Betriebsdrehrichtung B wirkendes Rücksetzantriebsmoment AR ausgeübt werden. Des Weiteren ist das beschriebene Startverfahren auch bei einem Rotationskolbenverdichter in äquivalenter Weise anwendbar.
  • Das beschriebene Verfahren ist äquivalenterweise auch bei einem Kolbenverdichter mit einem anders gearteten elektronisch geregelten Motor, insbesondere einem bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC), einem Asynchronmotor, einem Reluktanzmotor, etc. einsetzbar.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Starten eines Kolbenverdichters (1), bei welchem ein Kolben (2) des Kolbenverdichters (1) in einer Rücksetzphase (15) unter Aufbringung eines Rücksetzantriebsmoments (AR) in Richtung auf einen Kompressionspunkt (Sk) der Kolbenstellung (S) angetrieben wird, wobei das Rücksetzantriebsmoment (AR) solange aufrechterhalten wird, bis der Kolbenverdichter (1) infolge von Fluidverdrängung aus dem zwischen dem Kolben (2) und einem korrespondierenden Druckzylinder (3) gebildeten Kompressionsraum (9) durch mindestens eine Leckstelle (17) unter Überschreitung eines Beharrungspunktes (Sb,S'b) eine Startposition (SIV) erreicht hat, und bei welchem der Kolben (2) in einer Beschleunigungsphase (16) aus der Startposition (SIV) mit einem Startantriebsmoment (AS) in einer Betriebsdrehrichtung (B) beschleunigt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Rücksetzantriebsmoment (AR) der Betriebsdrehrichtung (B) entgegen gerichtet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Startposition (SIV) in einem Winkelbereich der Kolbenstellung (S) von +/- 30° bezüglich des Kompressionspunktes (Sk) ausgewählt ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zur Erzeugung des Rücksetzantriebsmoments (AR) ein Statorfeld eines den Kolbenverdichter (1) antreibenden Motors (4) für eine vorgegebene Zeitspanne zwischen 3 und 30 Sekunden mit einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit zwischen 1 und 10 Umdrehungen pro Minute angeregt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Startantriebsmoment (AS) einem vorgegebenen Maximalantriebsmoment (Amax) entspricht.
  6. Kolbenverdichter (1) mit einem Kolben (2), der mittels einer durch einen Motor (4) angetriebenen Antriebswelle (6) in einem Druckzylinder (3) bewegbar ist, sowie mit einer Steuereinheit (5) zur Ansteuerung des Motors (4), wobei die Steuereinheit (5) dazu ausgebildet ist,
    - in einer Rücksetzphase (15) ein Rücksetzantriebsmoment (AR) vorzugeben, durch welches der Kolben (2) in Richtung auf einen Kompressionspunkt (Sk) der Kolbenstellung (S) angetrieben wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) dazu ausgebildet ist,
    - das Rücksetzantriebsmoment (AR) solange aufrechtzuerhalten, bis der Kolben (2) infolge von Fluidverdrängung aus einem zwischen dem Kolben (2) und dem Druckzylinder (3) gebildeten Kompressionsraum (9) durch eine Leckstelle (17) unter Überschreitung eines Beharrungspunktes (Sb,S'b) eine Startposition (SIV) erreicht hat, und
    in einer Beschleunigungsphase (16) ein Startantriebsmoment (AS) vorzugeben, durch welches der Kolben (2) aus der Startposition (SIV) in eine Betriebsdrehrichtung (B) beschleunigt wird.
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