EP3601797A1 - Kolbenkompressor mit erweitertem regelbereich - Google Patents

Kolbenkompressor mit erweitertem regelbereich

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EP3601797A1
EP3601797A1 EP17712994.7A EP17712994A EP3601797A1 EP 3601797 A1 EP3601797 A1 EP 3601797A1 EP 17712994 A EP17712994 A EP 17712994A EP 3601797 A1 EP3601797 A1 EP 3601797A1
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EP
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air
piston
inlet
cylinder
compressor according
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EP17712994.7A
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Thomas Kipp
Fedor Assonov
Michael Winkler
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Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Original Assignee
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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Publication date
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    • B61—RAILWAYS
    • B61C—LOCOMOTIVES; MOTOR RAILCARS
    • B61C17/00—Arrangement or disposition of parts; Details or accessories not otherwise provided for; Use of control gear and control systems

Definitions

  • the invention relates to a piston compressor with at least one cylinder for compressing air with a piston arranged therein movable in a above the piston in the cylinder compression space arranged with a
  • Inlet assembly for air to be compressed and connected to a compressed air outlet arrangement.
  • Piston compressors such as in particular oil-free piston compressors for
  • Rail vehicles are used for filling compressed air tanks, which compressed air is removed in particular at irregular intervals.
  • the reciprocating compressors are usually sized for the replenishment, in which a
  • Pressure vessel is to be filled quickly, which is why a maximum flow is provided.
  • the compressor is operated rather briefly after longer exposure times and only for topping up removed compressed air, operation at maximum means
  • Volume flow a rather unfavorable operating condition, which could be avoided in a demand-based control of the delivery of such reciprocating compressors.
  • Piston compressor which also reduces the lower speed when operating a
  • Piston compressor is limited. This results in only a small amount
  • a reciprocating compressor intermittent operation is realized with different predefined speeds, for example via a
  • German patent applications DE 10 2013 1 13 555 and DE 10 2013 1 13 556 each disclose a compressor system and a method for operating the compressor system as a function of the operating state of a
  • Piston compressor is arranged, wherein the actuation of the actuator takes place via a control device.
  • the actuator allows the operation of the
  • the invention is therefore based on the object to provide an improved piston compressor with a larger control range of delivery performance with improvement of energy efficiency and power density available.
  • a piston compressor is proposed with at least one cylinder for compressing air with a piston arranged therein movable in a compression space arranged above the piston in the cylinder.
  • the compression chamber has an air inlet and an air outlet and is on
  • Air inlet connected to an inlet assembly for compressed air and is connected at the air outlet with a compressed air outlet arrangement.
  • Piston compressor can be driven by a first drive device.
  • Inlet assembly has a pre-compression device drivable by a second variable-power drive device for increasing the intake pressure and a cooling device for cooling the air to be compressed.
  • the proposed solution makes it possible, by the increased intake pressure and the reduced intake temperature of the intake air, the flow of a
  • the reciprocating compressor is a reciprocating compressor of a known type having a cylinder in which a piston arranged therein is axially movable and sucks air to be compressed in a reciprocating motion, in particular via an inlet valve arranged at the air inlet from an inlet arrangement, and in particular via an air outlet disposed exhaust valve against a pressure in an exhaust assembly ejects.
  • the piston compressor is of a first Drive device drivable.
  • Piston compressor is the first drive means an internal combustion engine, an electric drive device or other suitable drive means.
  • a piston compressor according to the invention may be both a dry-running, that is to say oil-free piston compressor and a piston compressor which is not oil-free.
  • the inlet arrangement has a variable power driven by a second drive means
  • Inlet pressure can be increased in particular at the air inlet by the variable power variably from an output pressure p 0 up to a maximum pressure p max . Due to the higher intake pressure of the first cylinder in multi-stage
  • Piston compressors or the single cylinder in single-stage reciprocating compressors an increase in the volume flow is achieved by AV, since the compression chamber of the cylinder is filled with a higher pressure to be compressed air.
  • the second drive means which for driving the
  • Pre-compression device may be an electric drive device or other suitable drive device depending on the application situation.
  • the drive power of the second drive device can also be transmitted to it by the first drive device or another available drive device, for example by means of a variable-speed transmission
  • power transmitted by the second drive device can be variably adjusted.
  • the inlet arrangement comprises a cooling device, which through the air to be compressed, which flows through the inlet assembly through appropriate measures cools.
  • the cooling device is arranged in particular in the flow direction of the intake air after the pre-compression device, since the air is heated by the pre-compression. But it is also possible, one
  • Air temperature increased again by the pre-compression can also be provided to cool the intake air before and after the pre-compression.
  • the inlet arrangement also has at least one conduit device which directs the intake air to the at least one cooling device and to the at least one compression device and to connect these with one another and / or with the
  • a cooling device can also be arranged on the outside of a conduit device.
  • Cooling means of the inlet arrangement can, for example
  • the proposed solution makes it possible to increase the volume flow of a reciprocating compressor by the factor of Vorverdichtungs thanks.
  • the variable power of the precompression device in conjunction with the increase in power of the reciprocating compressor, allows for a wider control spectrum of the reciprocating compressor.
  • the proposed solution allows a regulated compressor operation with briefly very high performance during refilling operation (large volume flow of the reciprocating compressor) and a constant operation with low power (lower volume flow of the reciprocating compressor) in normal operation.
  • the overall temperature level of a reciprocating compressor can be lowered.
  • the proposed solution thus increases the control range of the volume flow and thus the delivery performance of a compressor, leading to the reduction of relevant
  • the reciprocating compressor is driven by a crankshaft, which in one
  • the crankcase is rotatably mounted.
  • One or more connecting rods each connected to a piston are rotatably mounted on an eccentric position of the crankshaft such that its rotational movement is transmitted as a lifting movement to the piston which moves axially in a cylinder.
  • the reciprocating compressor has at least one cylinder for compressing air, but may also have two or more cylinders arranged in succession or in parallel, which are provided for compressing air by means of a respective piston arranged movably therein, so that the reciprocating compressor is designed in one or more stages can.
  • the latter has a crankcase, in which a crankshaft is arranged, on which at least one connecting rod connected to a piston is rotatably mounted, wherein the intake air of the at least one cylinder is guided through the crankcase.
  • the intake air of the at least one cylinder is guided through the crankcase, wherein it over the elements of the crank mechanism, in
  • crankshaft Essentially the crankshaft, the connecting rods, the underside of the piston or pistons and the interposed bearing elements flows and cools them.
  • Intake air is essentially the air that is later sucked into the at least one cylinder of the reciprocating compressor and compressed there.
  • the inlet arrangement has an air discharge device. This embodiment makes it possible to guide a larger volume flow through the crankcase than is later taken up as intake air in the at least one cylinder of the reciprocating compressor and compressed there.
  • the cooling air volume flow in the crankcase can be increased and at the same time the heating of the intake air when flowing through the crankcase can be reduced.
  • the Heilableit Vietnamese senor may be formed, for example in the form of a check valve or pressure relief valve, which opens from a predetermined pressure of the intake air.
  • the Heilableit Vietnamese senor can also be designed so that it can be opened and closed depending on predetermined parameter values, in particular by a control device.
  • a control device In one embodiment of a
  • Intake arrangement discharged into the environment in another embodiment of a Heilableit Vietnamese, for example, a predetermined proportion of the cooled volume flow of the intake air can be returned to the crankcase.
  • Aftercooling arranged for cooling the compressed air after passing through the at least one cylinder of the reciprocating compressor.
  • the outlet arrangement has a post-cooling device for cooling the compressed air.
  • Air outlet from the compression space ejected compressed air has an elevated temperature. Cooling of the compressed air after passing through the at least one cylinder by means of at least one Nachkühls Rhein of
  • outlet arrangement simplifies subsequent storage of the air or further processing such.
  • B. a dehumidification of the air.
  • Embodiment of the reciprocating compressor is the Nachkühl coupled the
  • Outlet assembly formed by a partition of the cooling device for cooling the intake air of the inlet assembly.
  • the reciprocating compressor has a
  • Control device with which the power of the pre-compression device and thus the suction pressure at the air inlet is in particular continuously adjustable.
  • Control device is operatively connected to the second drive means which drives the pre-compression device with variable power.
  • Control device receives signals and / or measured values, which are in particular associated with the required delivery of the reciprocating compressor and by means of which the control device, the power of the second
  • the pre-compression adjusts.
  • the degree of precompression of the air flowing through the inlet arrangement into the cylinder is regulated by means of the precompression device.
  • Regulation means the performance of the pre-compression between a maximum value corresponding to a maximum suction pressure (p ma x) at the air inlet and a minimum value which corresponds to the suction pressure generated by the piston stroke movement in the cylinder (p 0 ) at the air inlet controls. This is the
  • the regulating device is signal-connected to at least one signal generator and / or at least one sensor, wherein the regulating device controls the power of the
  • Pre-compression device in response to at least one value and / or signal from this at least one signal generator and / or sensor controls.
  • Control device are transmitted for each of the currently required delivery performance of the reciprocating compressor of at least one sensor and / or at least one signal generator relevant values or signals, from which the control device determines the currently required volume flow and the power of Pre-compression device governs according to this need. In this way, by means of the control device, the volume flow of the reciprocating compressor
  • the operating state or the current situation of the compressor having system such as a rail vehicle, adapted.
  • the control device receives values from at least one sensor.
  • the at least one sensor is selected from a group which, in particular, pressure sensors,
  • Temperature sensors, flow sensors, speed sensors or other suitable sensors detect relevant parameter values, in particular for the regulation of the pre-compression device.
  • a suitable pressure sensor senses the pressure in the pressure system supplied by the piston compressor. This can, for example, at the outlet before or after a
  • after-cooling device optionally arranged there after-cooling device or be positioned in the compressed air tank.
  • rapid filling may be required, with a high delivery rate of the
  • Piston compressor is required, or replenishment of smaller amounts of extracted compressed air, which can be done more economically with a lower delivery performance.
  • volumetric flow sensor By means of a volumetric flow sensor, the volumetric flow taken from the compressed air system can be detected directly. This value also influences, for example, the required amount of compressed air during refilling operation of the reciprocating compressor.
  • speed sensor By means of a speed sensor, the speed of the crankshaft to the
  • Control device transmitted can in the process of controlling the
  • Control device can be adjusted.
  • the regulating device is signal-connected to at least one signal generator, which is selected from the group consisting of operating management systems,
  • Control means such as a controller of the first drive means or other suitable means which process information relevant to the control of the delivery performance of the reciprocating compressor. From a vehicle management system receives a control device for a
  • Piston compressor for example, values relating to the current operating state of a vehicle, such as the driving speed, braking operation or track operation and the like, from which the current compressed air consumption and the currently required level of the compressed air system can be derived. Also due to signals from the controller of the first drive means, the
  • Control device to derive information regarding the current operating situation and the operating state of the system in which the piston compressor is currently used and from this can determine and apply control values for the required volume flow of the reciprocating compressor.
  • the regulating device regulates the power of the cooling device independently of the power of the precompression device.
  • Cooling device can be transferred directly to the control device.
  • the control device can determine the setpoint to be adjusted in particular depending on sensor or signal transmitter values, which, for example, the temperature of the environment, in the crankcase or in the
  • Compressed air tank included.
  • a greater or lesser cooling capacity of the cooling device can be independent of the power of the pre-compression device
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of an exemplary piston compressor according to the invention
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of an exemplary piston compressor according to the invention
  • Fig. 3 shows a diagram in which the volume flow change is represented by the increase of the inlet pressure.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of an exemplary piston compressor according to the invention 10.
  • the oil-free in the exemplary embodiment, ie dry-running piston compressor 10 has a crankcase 20 and a crankshaft 21 disposed therein, which with a first
  • Embodiment single-stage piston compressor 10 has a cylinder 1 1 with a compression chamber 14 for compressing air by means of a cylinder 1 1 arranged in the piston 12, which is driven via an eccentrically rotatably mounted on the crankshaft 21 connecting rod 13.
  • the cylinder 1 1 has an air inlet 30, which is connected to an inlet arrangement 31, which leads to compressed air to the air inlet 30 of the compression space 14. Furthermore, the cylinder 1 1 an air outlet 33, which with a
  • Outlet assembly 34 is connected, which compressed air from the
  • Compression chamber 14 receives.
  • the crankshaft 21 forms, with the connecting rod 13 and the bearings arranged thereon and between these, the crank mechanism 15, which heats up within the crankcase 20 during operation of the piston compressor 10.
  • crankcase 20 of the exemplary embodiment is above a
  • Air supply line 25 is connected to an air filter 26, via which
  • the inlet assembly 31 is arranged so that the from the air supply line 25 into the crankcase 20 guided air after flowing through the crankcase 20 this can leave through the inlet assembly 31 again.
  • the thereby formed air stream flows over in particular the
  • the inlet arrangement 31 has a pre-compression device 28 in the form of an external high-performance blower, which is driven by a supercharger drive (second drive device) 29.
  • Pre-compression device 28 is ambient air through the air filter 26 in the
  • Inlet assembly 31 this compresses and builds depending on the current performance of the supercharger drive 29 at the air inlet 30 in front of the cylinder 1 1 a relative to the ambient pressure increased pressure. This increased pressure at the air inlet 30 allows more air to flow into the compression space 14 during a suction stroke of the piston 12, thereby increasing the delivery performance and efficiency of the reciprocating compressor 10.
  • the inlet assembly 31 between the pre-compression device 28 and the cylinder 11 has a cooling device 32 which cools the air flowing through the inlet assembly 31. Both when flowing through the crankcase 20 as well as by the pre-compression in the pre-compression device 28, the intake air heats up, resulting in a
  • volume enlargement leads, which causes a reduction in the intake chamber during an intake stroke in the compression chamber 14 amount of air. To counteract this effect, the inlet assembly 31 in the flow direction of
  • the supercharger drive 29 is connected in the exemplary embodiment of the reciprocating compressor 10 with a control device 40, which regulates the power of the pre-compression device 28 and thus the suction pressure at the air inlet 31.
  • a control device 40 which regulates the power of the pre-compression device 28 and thus the suction pressure at the air inlet 31.
  • Piston compressor 10 are arranged at suitable locations a plurality of pressure sensors 41 a, 41 b, 41 c and a plurality of temperature sensors 42 a, 42 b, 42 c, which are each signal-connected to the control device 40 (not shown).
  • the control device 40 not shown.
  • Pressure sensors 41 a, 41 b, 41 c and the temperature sensors 42 a, 42 b, 42 c transmit the respectively prevailing air temperature or the pressure at their respective position on the inlet arrangement 31 and on the outlet arrangement 34 to the
  • control device 40 is signal-connected to a device management system 45, which transmits further data relevant to the compressed-air supply of the reciprocating compressor 10 to the control device 40. From the data, which receives the control device 40 in particular from the pressure sensors 41 a, 41 b, 41 c, the temperature sensors 42 a, 42 b, 42 c and the device management system 45, the control device 40 determines the current needs of
  • Control device 40 by a suitable control of the supercharger drive 29, the degree of pre-compression of the intake air at the air inlet 31 by means of
  • Pre-compression device 28 accordingly.
  • Pre-compression device 28 accordingly.
  • the piston compressor according to the invention 10 is also a power control of the cooling device 32 and the Nachkühl Surprise 35 connected to the control device 40. In this case, then, the cooling capacity of the two cooling devices 32, 35 by means of the control device 40 to a particular determined in each case
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of an exemplary piston compressor 10 according to the invention.
  • the piston compressor 10 from Fig. 2 corresponds largely to the piston compressor 10 shown in FIG. 1 and described for this purpose, so that the same elements of the reciprocating compressors 10 are denoted by the same reference numerals. In the following, only the
  • the piston compressor 10 shown in FIG. 2 has, relative to the piston compressor 10 from FIG. 1, an air discharge device 36 in the form of a pressure relief valve arranged on the inlet arrangement 31.
  • the pressure relief valve of the Lucasableit Rhein 36 opens as soon as the pressure in the inlet assembly
  • Inlet assembly 31 to the environment of the reciprocating compressor 10 from.
  • the volume flow of air for cooling the crankcase 20 may be greater than the delivery capacity of the reciprocating compressor 10, since the excess air after flowing through the crankcase 20 and after the precompression of the inlet assembly 31 can be removed.
  • Increased volume flow is designed to be larger.
  • Piston compressor 10 of FIG. 1 same delivery performance also increases the amount of air sucked through the air filter 26.
  • Fig. 3 shows a diagram showing the change of the piston compressor 10th
  • Volume flow 51 is shown by a dashed curve.
  • the one by one piston compressor according to the invention 10 funded flow 52 is illustrated by a continuous curve.

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Abstract

Kolbenkompressor mit wenigstens einem Zylinder zum Verdichten von Luft mit einem darin bewegbar angeordneten Kolben in einem oberhalb des Kolbens im Zylinder angeordneten Verdichtungsraum. Der Verdichtungsraum ist mit einer Einlassanordnung für zu verdichtende Luft und mit einer Auslassanordnung für verdichtete Luft verbunden, wobei der Kolbenkompressor von einer ersten Antriebseinrichtung antreibbar ist. Die Einlassanordnung weist eine von einer zweiten Antriebseinrichtung mit veränderbarer Leistung antreibbare Vorverdichtungseinrichtung auf, welche zum Erhöhen des Ansaugdrucks am Lufteinlass dient.

Description

BESCHREIBUNG
KOLBENKOMPRESSOR MIT ERWEITERTEM REGELBEREICH Die Erfindung betrifft einen Kolbenkompressor mit wenigstens einem Zylinder zum Verdichten von Luft mit einem darin bewegbar angeordneten Kolben in einem oberhalb des Kolbens im Zylinder angeordneten Verdichtungsraum, der mit einer
Einlassanordnung für zu verdichtende Luft und mit einer Auslassanordnung für verdichtete Luft verbunden ist.
Kolbenkompressoren wie insbesondere ölfreie Kolbenkompressoren für
Schienenfahrzeuge dienen zum Befüllen von Druckluftbehältern, welchen insbesondere in unregelmäßigen Intervallen Druckluft entnommen wird. Die Kolbenkompressoren werden üblicherweise für den Auffüll betrieb dimensioniert, in welchem ein
Druckbehälter schnell aufgefüllt werden soll, weshalb ein maximaler Volumenstrom zur Verfügung gestellt wird. Für den Regelbetrieb, in welchem unter Umständen nach längeren Aussetzzeiten und nur zum Nachfüllen von entnommener Druckluft der Kompressor eher kurzzeitig betrieben wird, bedeutet ein Betrieb mit maximalem
Volumenstrom einen eher ungünstigen Betriebszustand, der bei einer bedarfsgerechten Regelung der Lieferleistung solcher Kolbenkompressoren vermieden werden könnte.
Die Regelbarkeit bekannter Kolbenkompressoren wird durch bauartbedingte maximale und minimale Drehzahlen begrenzt. So ist die obere Drehzahlgrenze von insbesondere ölfreien, trockenlaufendenden Kolbenkompressoren durch die maximale
Relativgeschwindigkeit trockenlaufender Gleitpaarungen begrenzt. Bei niedrigen Drehzahlen entstehen dagegen Vibrationen durch freie Massen kräfte im
Kolbenkompressor, wodurch auch die untere Drehzahl beim Betrieb eines
Kolbenkompressors begrenzt ist. Hieraus ergibt sich eine nur geringe
Drehzahlvariabilität von Kolbenkompressoren, die bei den meisten Anwendungsfällen eine Druckluftförderung im Aussetzbetrieb erfordert.
Bei bekannten Kolbenkompressoren ist die Aussetzregelung der Druckluftförderung dadurch realisiert, dass der Kompressor in den Stillstand geschaltet wird, sobald der Systemdruck den Ausschaltdruck erreicht. Fällt der Systemdruck dann insbesondere durch eine Entnahme von Druckluft auf den Einschaltdruck, wird der Kolbenkompressor in den Lastlauf geschaltet, in welchem dieser bei Nenndrehzahl einen maximalen Volumenstrom liefert. Sofern dem Druckluftbehälter bzw. dem Druckluftsystem nicht gleichzeitig größere Mengen von Druckluft entnommen werden, füllt sich der
Druckluftbehälter relativ schnell, so dass der Kolbenkompressor nach einer kurzen Einschaltzeit wieder für längere Zeit ausgeschaltet wird. Das Regelspektrum dieser bekannten Lösung ist damit auf Stillstand und Lastlauf limitiert und aufgrund des damit verbundenen jeweiligen Kaltstarts sowie des höheren Verschleißes und der längeren Standzeiten des Kolbenkompressors ungünstig und für bestimmte Einsatzbedingungen sogar ungeeignet.
Bei einer alternativen Ausführung eines Kolbenkompressors wird der Aussetzbetrieb mit verschiedenen vordefinierten Drehzahlen realisiert, beispielsweise über eine
Umschaltung des Motors zwischen vier und sechs Pole oder über einen Inverter, der zwischen 50 Hz und 60 Hz schaltbar ist. Allerdings kann durch die dabei festgelegten Motordrehzahlen beim jeweiligen Kompressor auch nur ein relativ eingeschränkter Regelungsbereich realisiert werden. Hohe Motordrehzahlen bewirken auch hier eine starke thermische Belastung insbesondere von ölfreien Gleitpaarungen, wodurch die Lebensdauer eines Kolbenkompressors signifikant sinkt. Die Lösung ist zwar ein einfacher Ansatz, den Volumenstrom zu regeln, jedoch ist das Regelspektrum durch die festen Motordrehzahlen limitiert und bei bestimmten Einsatzbedingungen kann durch die Umschaltung kein ausreichender Volumenstrom erzeugt werden. Aus den Offenlegungsschriften der deutschen Patentanmeldungen DE 10 2013 1 13 555 und DE 10 2013 1 13 556 ist jeweils ein Kompressorsystem und ein Verfahren zum Betrieb des Kompressorsystems in Abhängigkeit vom Betriebszustand eines
Schienenfahrzeugs bzw. in Abhängigkeit von der aktuellen Situation eines
Schienenfahrzeugs bekannt, bei welchen ein Stellglied zur kontinuierlichen
Beeinflussung der Drehzahl der elektrischen Antriebseinrichtung des
Kolbenkompressors angeordnet ist, wobei die Ansteuerung des Stellglieds über eine Regelungseinrichtung erfolgt. Das Stellglied erlaubt es, den Betrieb der
Antriebseinrichtung und damit des Kolbenkompressors durch unterschiedliche Drehzahlen an den aktuellen Betriebszustand bzw. an die aktuelle Situation des
Schienenfahrzeugs anzupassen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Kolbenkompressor mit größerem Regelbereich der Lieferleistung unter Verbesserung der Energieeffizienz und Leistungsdichte zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Kolbenkompressor gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Steuern eines solchen Kolbenkompressors gemäß Anspruch 6 vorgeschlagen. Weiterbildungen der vorgeschlagenen Lösungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Kolbenkompressor mit wenigstens einem Zylinder zum Verdichten von Luft mit einem darin bewegbar angeordneten Kolben in einem oberhalb des Kolbens im Zylinder angeordneten Verdichtungsraum vorgeschlagen. Der Verdichtungsraum weist einen Lufteinlass und einen Luftauslass auf und ist am
Lufteinlass mit einer Einlassanordnung für zu verdichtende Luft verbunden und ist am Luftauslass mit einer Auslassanordnung für verdichtete Luft verbunden. Der
Kolbenkompressor ist von einer ersten Antriebseinrichtung antreibbar. Die
Einlassanordnung weist eine von einer zweiten Antriebseinrichtung mit veränderbarer Leistung antreibbare Vorverdichtungseinrichtung zum Erhöhen des Ansaugdrucks sowie und eine Kühleinrichtung zum Kühlen der zu verdichtenden Luft auf.
Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht es, durch den erhöhten Ansaugdruck und die reduzierte Ansaugtemperatur der Ansaugluft den Volumenstrom eines
Kolbenkompressors zu erhöhen, wodurch dessen Lieferleistung steigt.
Bei dem Kolbenkompressor handelt es sich um einen Kolbenkompressor bekannter Bauart mit einem Zylinder, in welchem ein darin angeordneter Kolben axial bewegbar ist und in einer Hubbewegung zu verdichtende Luft insbesondere über ein am Lufteinlass angeordnetes Einlassventil aus einer Einlassanordnung ansaugt, komprimiert und insbesondere über ein am Luftauslass angeordnetes Auslassventil gegen einen Druck in einer Auslassanordnung ausstößt. Der Kolbenkompressor ist dabei von einer ersten Antriebseinrichtung antreibbar. Abhängig von der Einsatzsituation des
Kolbenkompressors ist die erste Antriebseinrichtung ein Verbrennungsmotor, eine elektrischen Antriebseinrichtung oder eine andere geeignete Antriebseinrichtung. Bei einem erfindungsgemäßen Kolbenkompressor kann es sich sowohl um einen trockenlaufenden, also ölfreien Kolbenkompressor als auch um einen nicht ölfrei ausgeführten Kolbenkompressor handeln. Obwohl im Rahmen der Erfindung auch Vorteile oder Ausführungsformen beschrieben werden, welche für andere als trockenlaufende Kolbenkompressoren nicht anwendbar sind, so sind wiederum andere Vorteile und Ausführungsformen unabhängig davon auch für Kolbenkompressoren anwendbar, welche nicht trockenlaufend ausgeführt sind.
Beim vorgeschlagenen Kolbenkompressor weist die Einlassanordnung eine von einer zweiten Antriebseinrichtung mit veränderbarer Leistung antreibbare
Vorverdichtungseinrichtung auf. Mit dieser Vorverdichtungseinrichtung kann der
Ansaugdruck insbesondere am Lufteinlass durch die veränderbare Leistung variabel von einem Ausgangsdruck p0 auf bis zu einem Maximaldruck pmax erhöht werden. Durch den höheren Ansaugdruck des ersten Zylinders bei mehrstufigen
Kolbenkompressoren bzw. dem einzigen Zylinder bei einstufigen Kolbenkompressoren wird eine Steigerung des Volumenstroms um AV erzielt, da der Verdichtungsraum des Zylinders mit einer unter höherem Druck stehenden zu verdichtenden Luft gefüllt wird.
Auch die zweite Antriebseinrichtung, welche zum Antrieb der
Vorverdichtungseinrichtung dient, kann abhängig von der Einsatzsituation eine elektrische Antriebseinrichtung oder eine andere geeignete Antriebseinrichtung sein. Ebenso kann die Antriebsleistung der zweiten Antriebseinrichtung auch von der ersten Antriebseinrichtung oder einer anderen verfügbaren Antriebseinrichtung auf diese übertragen werden, beispielsweise mittels eines Getriebes mit veränderbarer
Übersetzung. Insbesondere ist von der zweiten Antriebseinrichtung übertragene Leistung variabel einstellbar.
Bei der vorgeschlagenen Lösung weist die Einlassanordnung eine Kühleinrichtung auf, welche die zu verdichtende Luft, die durch die Einlassanordnung strömt, durch geeignete Maßnahmen kühlt. Dabei ist die Kühleinrichtung insbesondere in Strömungsrichtung der Ansaugluft nach der Vorverdichtungseinrichtung angeordnet, da sich die Luft durch die Vorverdichtung erwärmt. Es ist aber auch möglich, eine
Kühleinrichtung in Strömungsrichtung vor der Vorverdichtungseinrichtung anzuordnen, insbesondere wenn dies aufgrund baulicher Gegebenheiten vorteilhaft ist. Bei dieser Anordnung ist eine größere Absenkung der Temperatur erforderlich, da sich die
Lufttemperatur durch die Vorverdichtung wieder erhöht. Bei einer Ausführungsform des Kolbenkompressors kann auch vorgesehen sein, die Ansaugluft vor und nach der Vorverdichtung zu kühlen.
Die Einlassanordnung weist insbesondere auch wenigstens eine Leitungseinrichtung auf, welche die Ansaugluft zur wenigstens einen Kühleinrichtung und zur wenigstens einen Verdichtungseinrichtung leiten und diese miteinander und/ oder mit dem
Lufteinlass des Verdichtungsraums verbinden. Insbesondere kann eine Kühleinrichtung auch außen an einer Leitungseinrichtung angeordnet sein. Als geeignete
Kühleinrichtungen der Einlassanordnung können beispielsweise
Kühlmittelwärmetauscher oder Einrichtungen zur Vergrößerung der Außenfläche der Einlassanordnung bzw. einer Leitungseinrichtung wie Leitungsschleifen oder Kühlrippen sein, die beispielsweise in Verbindung mit Gebläsen eingesetzt werden, oder jede andere geeignete Art von Einrichtungen, mittels welcher der in der Einlassanordnung strömenden Ansaugluft Wärmeenergie entziehbar ist.
Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht es, den Volumenstrom eines Kolbenkompressors um den Faktor der Vorverdichtungseinrichtung zu erhöhen.
Po
Durch den erhöhten Ansaugdruck und die reduzierte Ansaugtemperatur der Ansaugluft steigt die Lieferleistung des Kolbenkompressors. Die veränderbare Leistung der Vorverdichtungseinrichtung ermöglicht in Verbindung mit der Leistungssteigerung des Kolbenkompressors ein nach oben hin breiteres Regelspektrum des Kolbenkompressors. So wird auch die Verwendung von Kolbenkompressoren mit insgesamt kleinerer Baugröße möglich, da durch den erhöhten Ansaugdruck höhere Volumenströme realisiert werden. Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht einen geregelten Kompressorbetrieb mit kurzzeitig sehr hoher Leistung beim Auffüll betrieb (großer Volumenstrom des Kolbenkompressors) und einen konstanter Betrieb mit niedriger Leistung (geringerer Volumenstrom des Kolbenkompressors) im Regelbetrieb. Damit besteht keine Gefahr von Vibrationen durch freie Massen kräfte bei niedrigen Drehzahlen und die maximalen Relativgeschwindigkeiten von insbesondere ölfreien Gleitpaarungen können eingehalten werden. Zudem kann durch die vorgeschlagene Lösung das Gesamttemperaturniveau eines Kolbenkompressors gesenkt werden.
Die vorgeschlagene Lösung erhöht somit den Regelbereich des Volumenstroms und damit der Lieferleistung eines Kompressors, führt zur Senkung relevanter
Temperaturniveaus und steigert gleichzeitig die Energieeffizienz und Leistungsdichte des Kolbenkompressors.
Der Kolbenkompressor wird über eine Kurbelwelle angetrieben, welche in einem
Kurbelgehäuse drehbar gelagert ist. Ein oder mehrere jeweils mit einem Kolben verbundene Pleuel sind derart drehbar an einer exzentrischen Position der Kurbelwelle gelagert, dass deren Drehbewegung als Hubbewegung auf den sich in einem Zylinder axial bewegenden Kolben übertragen wird. Der Kolbenkompressor weist wenigstens einen Zylinder zum Komprimieren von Luft auf, kann aber auch zwei oder mehr, nacheinander oder parallel angeordnete Zylinder aufweisen, welche zum Komprimieren von Luft mittels jeweils eines darin bewegbar angeordneten Kolbens vorgesehen sind, so dass der Kolbenkompressor einstufig oder mehrstufig ausgebildet sein kann.
Bei einer Ausführungsform des Kolbenkompressors weist dieser ein Kurbelgehäuse auf, in welchem eine Kurbelwelle angeordnet ist, an der wenigstens ein mit einem Kolben verbundener Pleuel drehbar gelagert ist, wobei die Ansaugluft des wenigstens einen Zylinders durch das Kurbelgehäuse geführt wird.
Bei dieser Ausführungsform wird die Ansaugluft des wenigstens einen Zylinders durch das Kurbelgehäuse geführt, wobei es über die Elemente des Kurbeltriebs, im
Wesentlichen die Kurbelwelle, die Pleuel, die Unterseite des oder der Kolben sowie die dazwischen angeordneten Lagerelemente strömt und diese dabei kühlt. Bei der
Ansaugluft handelt es sich im Wesentlichen um die Luft, die später in den wenigstens einen Zylinder des Kolbenkompressors gesaugt und dort verdichtet wird. Bei einer Ausführungsform des Kolbenkompressors weist die Einlassanordnung eine Luftableiteinrichtung auf. Diese Ausführungsform ermöglicht es, einen größeren Volumenstrom durch das Kurbelgehäuse zu führen, als später als Ansaugluft in dem wenigstens einen Zylinder des Kolbenkompressors aufgenommen und dort verdichtet wird. So kann der Kühlluftvolumenstrom im Kurbelgehäuse erhöht werden und gleichzeitig die Erwärmung der Ansaugluft beim Durchströmen des Kurbelgehäuses vermindert werden.
Die Luftableiteinrichtung kann beispielsweise in Form eines Rückschlagventils bzw. Überdruckventils ausgebildet sein, welches sich ab einem vorbestimmten Druck der Ansaugluft öffnet. Die Luftableiteinrichtung kann aber auch so ausgebildet sein, dass diese abhängig von vorbestimmten Parameterwerten offen- und schließbar ist, insbesondere durch eine Steuereinrichtung. Bei einer Ausführungsform einer
Luftableiteinrichtung wird insbesondere überschüssige Ansaugluft aus der
Einlassanordnung in die Umgebung abgeführt, bei einer anderen Ausführungsform einer Luftableiteinrichtung kann beispielsweise ein vorbestimmter Anteil des gekühlten Volumenstroms der Ansaugluft in das Kurbelgehäuse zurückgeführt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Kolbenkompressors ist eine
Nachkühleinrichtung zum Kühlen der verdichteten Luft nach dem Durchlaufen des wenigstens einen Zylinders des Kolbenkompressors angeordnet. Insbesondere weist die Auslassanordnung eine Nachkühleinrichtung zum Kühlen der verdichteten Luft auf. Durch das Verdichten erwärmt sich die Luft im Zylinder, so dass die durch den
Luftauslass aus dem Verdichtungsraum ausgestoßene verdichtete Luft eine erhöhte Temperatur aufweist. Ein Kühlen der verdichteten Luft nach dem Durchlaufen des wenigstens einen Zylinders mittels wenigstens einer Nachkühleinrichtung der
Auslassanordnung vereinfacht beispielsweise ein nachfolgendes Speichern der Luft oder eine Weiterverarbeitung wie z. B. eine Entfeuchtung der Luft. Bei einer
Ausführungsform des Kolbenkompressors wird die Nachkühleinrichtung der
Auslassanordnung von einer Partition der Kühleinrichtung zum Kühlen der Ansaugluft der Einlassanordnung gebildet. Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Kolbenkompressor eine
Regelungseinrichtung auf, mit welcher die Leistung der Vorverdichtungseinrichtung und damit der Ansaugdruck am Lufteinlass insbesondere stufenlos regelbar ist. Die
Regelungseinrichtung ist dabei mit der zweiten Antriebseinrichtung wirkverbunden, welche die Vorverdichtungseinrichtung mit veränderbarer Leistung antreibt. Die
Regelungseinrichtung erhält dabei Signale und/ oder Messwerte, welche insbesondere mit der erforderlichen Lieferleistung des Kolbenkompressors im Zusammenhang stehen und mittels welcher die Regelungseinrichtung die Leistung der zweiten
Antriebseinrichtung und damit der Vorverdichtungseinrichtung einstellt. Auf diese Weise wird der Vorverdichtungsgrad der durch die Einlassanordnung in den Zylinder strömenden Luft mittels der Vorverdichtungseinrichtung geregelt.
Zur Lösung der Aufgabe wird ferner ein Verfahren zum Steuern eines
Kolbenkompressors der oben beschriebenen Art vorgeschlagen, wobei die
Regelungseinrichtung die Leistung der Vorverdichtungseinrichtung zwischen einem maximalen Wert, der einem maximalen Ansaugdruck (pmax) am Lufteinlass entspricht und einem minimalen Wert, der dem durch die Kolbenhubbewegung im Zylinder erzeugten Ansaugdruck (p0) am Lufteinlass entspricht, regelt. Damit ist die
Lieferleistung des Kolbenkompressors durch das erfindungsgemäße Verfahren in einem erweiterten Regelbereich zwischen einem maximalen Ansaugdruck und einem minimalen Ansaugdruck am Lufteinlass insbesondere stufenlos einstellbar. Auf diese Weise erweitert sich der Regelbereich des Volumenstroms des Kompressors, wobei die Energieeffizienz und die Leistungsdichte gesteigert werden. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Steuern des Kolbenkompressors ist die Regelungseinrichtung mit wenigstens einem Signalgeber und/ oder wenigstens einem Sensor signalverbunden, wobei die Regelungseinrichtung die Leistung der
Vorverdichtungseinrichtung in Abhängigkeit von wenigstens einem Wert und/oder Signal von diesem wenigstens einen Signalgeber und/ oder Sensor regelt. Der
Regelungseinrichtung werden dabei für die jeweils aktuell erforderliche Lieferleistung des Kolbenkompressors von wenigstens einem Sensor und/ oder wenigstens einem Signalgeber relevante Werte bzw. Signale übermittelt, woraus die Regelungseinrichtung den aktuell erforderlichen Volumenstrom ermittelt und die Leistung der Vorverdichtungseinrichtung entsprechend diesem Bedarf regelt. Auf diese Weise kann mittels der Regelungseinrichtung der Volumenstrom des Kolbenkompressors
beispielsweise in Abhängigkeit von einer aktuellen Anforderung, vom Betriebszustand oder von der aktuellen Situation des den Kompressor aufweisenden Systems, wie beispielsweise eines Schienenfahrzeugs, angepasst werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erhält die Regelungseinrichtung Werte von wenigstens einem Sensor. Für diesen Zweck ist der wenigstens eine Sensor aus einer Gruppe ausgewählt, welche insbesondere Drucksensoren,
Temperatursensoren, Volumenstromsensoren, Drehzahlsensoren oder andere geeignete Sensoren aufweist. Diese Sensoren erfassen insbesondere für die Regelung der Vorverdichtungseinrichtung relevante Parameterwerte. Ein geeigneter Drucksensor erfasst beispielsweise den Druck im vom Kolbenkompressor belieferten Drucksystem. Dieser kann beispielsweise an der Auslassanordnung vor oder nach einer
gegebenenfalls dort angeordneten Nachkühleinrichtung oder im Druckluftbehälter positioniert sein. Abhängig vom erfassten Druckwert im Druckluftsystem kann ein schnelles Auffüllen erforderlich sein, wobei eine hohe Lieferleistung des
Kolbenkompressors erforderlich ist, oder ein Nachfüllen von geringeren Mengen entnommener Druckluft, was mit einer geringeren Lieferleistung wirtschaftlicher erfolgen kann.
Mittels eines Volumenstromsensors kann unmittelbar der aus dem Druckluftsystem entnommene Volumenstrom erfasst werden. Dieser Wert beeinflusst beispielsweise auch die erforderliche Druckluftmenge beim Nachfüllbetrieb des Kolbenkompressors. Mittels eines Drehzahlsensors, der die Drehzahl der Kurbelwelle an die
Regelungseinrichtung übermittelt, kann beim Verfahren zum Steuern des
Kolbenkompressors ein Wert für den Volumenstrom abgeleitet werden, welcher die Ansauganordnung durchströmt. Mit einem Temperatursensor ist beispielsweise die Lufttemperatur im Kurbelgehäuse, in der Einlassanordnung, in der Auslassanordnung oder im Druckluftsystem erfassbar, woraus ebenfalls unterschiedliche Anforderungen an die Lieferleistung des Kolbenkompressors ableitbar sind, die mit Hilfe der
Regelungseinrichtung angepasst werden kann. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Steuern eines Kolbenkompressors ist die Regelungseinrichtung mit wenigstens einem Signalgeber signalverbunden, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, welche Betriebs-Management-Systeme,
Steuerungseinrichtungen wie eine Steuerungseinrichtung der ersten Antriebseinrichtung oder andere geeignete Einrichtungen aufweist, welche Informationen verarbeiten, die für die Steuerung der Lieferleistung des Kolbenkompressors relevant sind. Aus einem Fahrzeugmanagementsystem erhält eine Regelungseinrichtung für einen
Kolbenkompressor beispielsweise Werte betreffend den aktuellen Betriebszustand eines Fahrzeugs, wie die Fahrgeschwindigkeit, Bremsbetrieb oder Streckenbetrieb und dergleichen, aus welchen der momentane Druckluftverbrauch sowie der aktuell erforderliche Füllstand des Druckluftsystems ableitbar ist. Auch aufgrund von Signalen der Steuerungseinrichtung der ersten Antriebseinrichtung kann die
Regelungseinrichtung Informationen bezüglich der aktuellen Betriebssituation sowie dem Betriebszustand des Systems ableiten, in welchem der Kolbenkompressor aktuell verwendet wird und kann hieraus Steuerwerte für den erforderlichen Volumenstrom des Kolbenkompressors ermitteln und anwenden.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Steuern eines Kolbenkompressors regelt die Regelungseinrichtung die Leistung der Kühleinrichtung unabhängig von der Leistung der Vorverdichtungseinrichtung. Die Sollwerte für die Leistung der
Kühleinrichtung können dabei unmittelbar an die Regelungseinrichtung übertragen werden. Ebenso kann die Regelungseinrichtung den einzuregelnden Sollwert auch insbesondere abhängig von Sensor- oder Signalgeberwerten ermitteln, welche beispielsweise die Temperatur der Umgebung, im Kurbelgehäuse oder im
Druckluftbehälter enthalten. Dabei kann eine stärkere oder geringere Kühlleistung der Kühleinrichtung unabhängig von der Leistung der Vorverdichtungseinrichtung
erforderlich sein, um beispielsweise eine stärkere oder geringere Verdichtung der Luft im Kolbenkompressor zu bewirken, oder um das Temperaturniveau des Drucksystems durch eine geringere oder höhere Temperatur der Ansaugluft des Kolbenkompressors indirekt zu beeinflussen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines beispielhaften erfindungsgemäßen Kolbenkompressors; Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines beispielhaften erfindungsgemäßen Kolbenkompressors; und
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem die Volumenstromänderung durch die Erhöhung des Eingangsdrucks dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines beispielhaften erfindungsgemäßen Kolbenkompressors 10. Der im Ausführungsbeispiel ölfreie, also trockenlaufende Kolbenkompressor 10 weist ein Kurbelgehäuse 20 und eine darin angeordneten Kurbelwelle 21 auf, welche mit einer ersten
Antriebseinrichtung 22 verbunden ist und von dieser angetrieben wird. Der im
Ausführungsbeispiel einstufig dargestellte Kolbenkompressor 10 weist einen Zylinder 1 1 mit einem Verdichtungsraum 14 zum Komprimieren von Luft mittels eines im Zylinder 1 1 angeordneten Kolbens 12 auf, welcher über einen exzentrisch an der Kurbelwelle 21 drehbar gelagerten Pleuel 13 angetrieben wird.
Der Zylinder 1 1 weist einen Lufteinlass 30 auf, der mit einer Einlassanordnung 31 verbunden ist, welche zu verdichtende Luft zum Lufteinlass 30 des Verdichtungsraums 14 führt. Ferner weist der Zylinder 1 1 einen Luftauslass 33 auf, der mit einer
Auslassanordnung 34 verbunden ist, welche verdichtete Luft aus dem
Verdichtungsraum 14 aufnimmt. Die Kurbelwelle 21 bildet mit dem Pleuel 13 und den an diesen und zwischen diesen angeordneten Lagern den Kurbeltrieb 15, welcher sich im Betrieb des Kolbenkompressors 10 innerhalb des Kurbelgehäuses 20 erwärmt.
Das Kurbelgehäuse 20 der beispielhaften Ausführungsform ist über eine
Luftzuführungsleitung 25 mit einem Luftfilter 26 verbunden, über welchen
Umgebungsluft angesaugt und über die Luftzuführungsleitung 25 in das Kurbelgehäuse 20 geführt wird. An einem von Anschluss der Luftzuführungsleitung 25 entfernten Bereich des Kurbelgehäuses 20 ist die Einlassanordnung 31 angeordnet, so dass die von der Luftzuführungsleitung 25 in das Kurbelgehäuse 20 geführte Luft nach dem Durchströmen des Kurbelgehäuses 20 dieses durch die Einlassanordnung 31 wieder verlassen kann. Der dabei ausgebildete Luftstrom überströmt insbesondere die
Elemente des Kurbeltriebs 15 und nimmt dabei bei gleichzeitiger Kühlung des
Kurbeltriebs 15 Wärmeenergie auf.
Die Einlassanordnung 31 weist eine Vorverdichtungseinrichtung 28 in Form eines externen Hochleistungsgebläses auf, das von einem Vorverdichterantrieb (zweite Antriebseinrichtung) 29 angetrieben wird. Durch die Wirkung der
Vorverdichtungseinrichtung 28 wird Umgebungsluft durch den Luftfilter 26 in das
Kurbelgehäuse 20 gesaugt, wo es über die Elemente des Kurbeltriebs 15 strömt und diesen dabei Wärmeenergie entzieht. Die Vorverdichtungseinrichtung 28 saugt die erwärmte Luft nach dem Durchströmen des Kurbelgehäuses 20 in die
Einlassanordnung 31 , verdichtet diese und baut dabei abhängig von der aktuellen Leistung des Vorverdichterantriebs 29 am Lufteinlass 30 vor dem Zylinder 1 1 einen gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Druck auf. Durch diesen erhöhten Druck am Lufteinlass 30 kann während eines Ansaughubs des Kolbens 12 mehr Luft in den Verdichtungsraum 14 strömen, wodurch sich die Lieferleistung und Effizienz des Kolbenkompressors 10 erhöht.
Bei der beispielhaften Ausführungsform der Fig. 1 weist die Einlassanordnung 31 zwischen der Vorverdichtungseinrichtung 28 und dem Zylinder 1 1 eine Kühleinrichtung 32 auf, welche die durch die Einlassanordnung 31 strömende Luft kühlt. Sowohl beim Durchströmen des Kurbelgehäuses 20 als auch durch die Vorverdichtung in der Vorverdichtungseinrichtung 28 erwärmt sich die Ansaugluft, was zu einer
Volumenvergrößerung führt, die eine Verringerung der während eines Ansaughubs in den Verdichtungsraum 14 aufnehmbaren Luftmenge bewirkt. Um diesem Effekt entgegen zu wirken, weist die Einlassanordnung 31 in Strömungsrichtung der
Ansaugluft nach der Vorverdichtungseinrichtung 28 eine Kühleinrichtung 32 auf, welche die vorverdichtete Ansaugluft kühlt. Dadurch kann im Verdichtungsraum 14 eine größere Luftmenge aufgenommen werden. Durch diese Maßnahme wird die
Lieferleistung und Effizienz des Kolbenkompressors 10 weiter erhöht. Der Vorverdichterantrieb 29 ist bei der beispielhaften Ausführungsform des Kolbenkompressors 10 mit einer Regelungseinrichtung 40 verbunden, welche die Leistung der Vorverdichtungseinrichtung 28 und damit den Ansaugdruck am Lufteinlass 31 regelt. An der Einlassanordnung 31 und an der Auslassanordnung 34 des
Kolbenkompressors 10 sind an geeigneten Stellen mehrere Drucksensoren 41 a, 41 b, 41 c und mehrere Temperatursensoren 42a, 42b, 42c angeordnet, welche jeweils mit der Regelungseinrichtung 40 signalverbunden sind (nicht dargestellt). Die
Drucksensoren 41 a, 41 b, 41 c und die Temperatursensoren 42a, 42b, 42c übermitteln die jeweils herrschende Lufttemperatur bzw. den Druck an deren jeweiligen Position an der Einlassanordnung 31 bzw. an der Auslassanordnung 34 an die
Regelungseinrichtung 40.
Ferner ist die Regelungseinrichtung 40 mit einem Vorrichtungsmanagementsystem 45 signalverbunden, welches weitere für die Druckluftversorgung des Kolbenkompressors 10 relevante Daten an die Regelungseinrichtung 40 übermittelt. Aus den Daten, welche die Regelungseinrichtung 40 insbesondere von den Drucksensoren 41 a, 41 b, 41 c, den Temperatursensoren 42a, 42b, 42c und vom Vorrichtungsmanagementsystem 45 erhält, ermittelt die Regelungseinrichtung 40 den aktuellen Bedarf des
Druckluftversorgungssystems und damit die erforderliche Lieferleistung des
Kolbenkompressors 10. Mit der hieraus folgenden Bedarfsanforderung passt die
Regelungseinrichtung 40 durch eine geeignete Regelung des Vorverdichterantriebs 29 den Grad der Vorverdichtung der Ansaugluft am Lufteinlass 31 mittels der
Vorverdichtungseinrichtung 28 entsprechend an. Bei einer weiteren, nicht dargestellten beispielhaften Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Kolbenkompressors 10 ist auch eine Leistungssteuerung der Kühleinrichtung 32 sowie der Nachkühleinrichtung 35 mit der Regelungseinrichtung 40 verbunden. Dabei kann dann auch die Kühlleistung der beiden Kühleinrichtungen 32, 35 mittels der Regelungseinrichtung 40 auf eine insbesondere jeweils ermittelte
erforderliche Kühlleistung geregelt werden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines beispielhaften erfindungsgemäßen Kolbenkompressors 10. Der Kolbenkompressor 10 aus Fig. 2 entspricht weitgehend dem in Fig. 1 dargestellten und hierzu beschriebenen Kolbenkompressor 10, so dass gleiche Elemente der Kolbenkompressoren 10 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden. Im Folgenden werden lediglich die
Unterschiede zwischen den beiden schematisch dargestellten Kolbenkompressoren 10 erläutert.
Der in Fig. 2 gezeigte Kolbenkompressor 10 weist gegenüber dem Kolbenkompressor 10 aus Fig. 1 eine an der Einlassanordnung 31 angeordnete Luftableiteinrichtung 36 in Form eines Überdruckventils auf. Bei der gezeigten Ausführungsform öffnet sich das Überdruckventil der Luftableiteinrichtung 36, sobald der Druck in der Einlassanordnung
31 in Strömungsrichtung der Ansaugluft nach der Kühleinrichtung 32 einen
vorbestimmten Wert übersteigt und führt die überschüssige Ansaugluft in der
Einlassanordnung 31 an die Umgebung des Kolbenkompressors 10 ab. Auf diese Weise kann der Volumenstrom von Luft zur Kühlung des Kurbelgehäuses 20 größer sein als die Lieferleistung des Kolbenkompressors 10, da die überschüssige Luft nach dem Durchströmen des Kurbelgehäuses 20 und nach der Vorverdichtung aus der Einlassanordnung 31 abgeführt werden kann.
Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist ein weitgehend beliebig großer
Luftvolumenstrom durch das Kurbelgehäuse 20 realisierbar, wobei die Kühleinrichtung
32 möglicherweise gegenüber dem Kolbenkompressor 10 aus Fig. 1 für den
vergrößerten Volumenstrom größer auszulegen ist. Bei im Vergleich mit dem
Kolbenkompressor 10 aus Fig. 1 gleicher Lieferleistung steigt auch die Menge der durch den Luftfilter 26 angesaugten Luftmenge.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das die Änderung des vom Kolbenkompressor 10
geförderten Volumenstroms aufgrund einer Vorverdichtung und Kühlung der Ansaugluft beim Durchströmen der Einlassanordnung 31 veranschaulicht. Im Diagramm ist der Druck der Ansaugluft am Lufteinlass 30 über dem vom Kolbenkompressor 10
geförderten Volumenstrom dargestellt.
Der von einem Kolbenkompressor 10 gemäß dem Stand der Technik geförderte
Volumenstrom 51 ist durch eine gestrichelt dargestellte Kurve gezeigt. Der von einem erfindungsgemäßen Kolbenkompressor 10 geförderte Volumenstrom 52 ist durch eine durchgehend dargestellte Kurve veranschaulicht.
Wie aus dem Diagramm ablesbar ist, wird durch die Erhöhung des Ansaugdrucks peo um Ape auf pei durch die Vorverdichtung und Kühlung der Ansaugluft eine Steigerung des Volumenstroms um AV auf Vi erzielt, da das Hubvolumen des Verdichtungsraums V0 mit einer größeren Luftmenge als bei einem Kolbenkompressor 10 gemäß dem Stand der Technik gefüllt wird.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Kolbenkompressor
1 1 Zylinder
12 Kolben
13 Pleuel
14 Verdichtungsraum
15 Kurbeltrieb
20 Kurbelgehäuse
21 Kurbelwelle
22 erste Antriebseinrichtung
25 Luftzuführungsleitung
26 Luftfilter
28 Vorverdichtungseinrichtung
29 Vorverdichterantrieb
30 Lufteinlass
31 Einlassanordnung
32 Kühleinrichtung
33 Luftauslass
34 Auslassanordnung
35 Nachkühleinrichtung
36 Luftableiteinrichtung
40 Regelungseinrichtung
41 a, b, c Drucksensor
42a, b, c Temperatursensor
45 Vorrichtungsmanagementsystenn
51 Volumenstronn eines Kolbenkompressors des Stands der Technik
52 Volumenstrom eines erfindungsgemäßen Kolbenkompressors

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Kolbenkompressor mit wenigstens einem Zylinder (1 1 ) zum Verdichten von Luft mit einem darin bewegbar angeordneten Kolben (12) in einem oberhalb des Kolbens (12) im Zylinder (1 1 ) angeordneten Verdichtungsraum (14), wobei der Verdichtungsraum (14) einen Lufteinlass (30) und einen Luftauslass (33) aufweist und am Lufteinlass (30) mit einer Einlassanordnung (31 ) für zu verdichtende Luft verbunden ist und am
Luftauslass (33) mit einer Auslassanordnung (34) für verdichtete Luft verbunden ist, wobei der Kolbenkompressor (10) von einer ersten Antriebseinrichtung (22) antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassanordnung (31 ) eine von einer zweiten Antriebseinrichtung (29) mit veränderbarer Leistung antreibbare
Vorverdichtungseinrichtung (28) zum Erhöhen des Ansaugdrucks und eine
Kühleinrichtung (32) zum Kühlen der zu verdichtenden Luft aufweist.
2. Kolbenkompressor nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch ein Kurbelgehäuse (22), in welchem eine Kurbelwelle (21 ) angeordnet ist, an der wenigstens ein mit einem Kolben (12) verbundener Pleuel (13) drehbar gelagert ist, wobei die Ansaugluft des wenigstens einen Zylinders (1 1 ) durch das Kurbelgehäuse (20) geführt wird.
3. Kolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassanordnung (31 ) eine Luftableiteinrichtung (36) aufweist.
4. Kolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Nachkühleinrichtung (35) zum Kühlen der verdichteten Luft nach dem Durchlaufen des wenigstens einen Zylinders (1 1 ) des Kolbenkompressors (10).
5. Kolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Regelungseinrichtung (40), mit welcher die Leistung der
Vorverdichtungseinrichtung (28) und damit der Ansaugdruck am Lufteinlass (30) regelbar ist.
6. Verfahren zum Steuern eines Kolbenkompressors nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (40) die Leistung der
Vorverdichtungseinrichtung (28) zwischen einem maximalen Wert, der einem
maximalen Ansaugdruck (pmax) am Lufteinlass (30) entspricht und einem minimalen Wert, der dem durch die Kolbenhubbewegung im Zylinder (1 1 ) erzeugten Ansaugdruck (Po) am Lufteinlass (30) entspricht, regelt.
7. Verfahren zum Steuern eines Kolbenkompressors nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (40) mit wenigstens einem
Signalgeber (45) und/ oder wenigstens einem Sensor (41 a, 41 b, 41 c, 42a, 42b, 42c) signalverbunden ist, wobei die Regelungseinrichtung (40) die Leistung der
Vorverdichtungseinrichtung (28) in Abhängigkeit von wenigstens einem Wert und/ oder Signal von diesem wenigstens einen Signalgeber (45) und/ oder Sensor (41 a, 41 b, 41 c, 42a, 42b, 42c) regelt.
8. Verfahren zum Steuern eines Kolbenkompressors nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor (41 a, 41 b, 41 c, 42a, 42b, 42c) aus einer Gruppe ausgewählt ist, welche insbesondere Drucksensoren (41 a, 41 b, 41 c), Temperatursensoren (42a, 42b, 42c), Volumenstromsensoren und Drehzahlsensoren aufweist.
9. Verfahren zum Steuern eines Kolbenkompressors nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Signalgeber (45) aus einer Gruppe ausgewählt ist, welche insbesondere Betriebs-Management-Systeme (45) oder Steuerungseinrichtungen aufweist.
10. Verfahren zum Steuern eines Kolbenkompressors nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (40) die Leistung der Kühleinrichtung (32) unabhängig von der Leistung der Vorverdichtungseinrichtung (28) regelt.
EP17712994.7A 2016-03-21 2017-03-23 Kolbenkompressor mit erweitertem regelbereich Not-in-force EP3601797B1 (de)

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