EP4390128A1 - Kolbenkompressor mit leerlauffunktion - Google Patents

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EP4390128A1
EP4390128A1 EP23214151.5A EP23214151A EP4390128A1 EP 4390128 A1 EP4390128 A1 EP 4390128A1 EP 23214151 A EP23214151 A EP 23214151A EP 4390128 A1 EP4390128 A1 EP 4390128A1
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compressor
relief
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chamber
stage
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EP23214151.5A
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Mirko Göpfert
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Voith Patent GmbH
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Voith Patent GmbH
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    • F04B49/02—Stopping, starting, unloading or idling control
    • F04B49/03—Stopping, starting, unloading or idling control by means of valves

Definitions

  • the invention relates to a piston compressor with idling function, which is suitable for compressing a compressible working medium, in particular air, for use in a compressed air supply device in a motor vehicle.
  • Piston compressors or air compressors are used to compress gases, e.g. air, which is used as a working medium to operate various units.
  • Compressors are used in motor vehicles, among other places. In operation, such compressors are used, for example, to fill a compressed air tank with compressed air until a predetermined pressure level is reached in the pressure tank.
  • the piston compressor essentially consists of a base body in which one or two compressor stages are usually provided.
  • the cylinder head is arranged above the compressor stages. Valves and channels are provided in the cylinder head to implement the air flow and air cooling.
  • ambient air is sucked into the first compressor stage via an inlet channel, compressed and then passed through an intermediate channel into the second compressor stage where it is further compressed.
  • the compressed air is then passed through an air treatment unit into the compressed air tank.
  • piston compressors include means for switching to idle mode. These can be valve circuits or a coupling can be arranged between the drive and the piston compressor.
  • a piston compressor with two compressor stages is known.
  • Two switchable valves are arranged in the cylinder head, with each compressor stage being assigned a valve so that each displacement can be connected to the inlet port of the first stage via the assigned valve. When the valves are open, no compression is possible.
  • the object of the invention is to propose an alternative relief system.
  • a reciprocating piston compressor for a compressed air supply system in a motor vehicle comprising a cylinder head in which a relief system is integrated, comprising a first relief valve which is assigned to a first compressor stage and a second relief valve which is assigned to a second compressor stage, wherein the relief valves can be switched from a compressor operating position to an idle position.
  • the first relief valve closes a first connecting channel between a first piston chamber and an inlet channel of the compressor stage and the second relief valve closes a second connecting channel between a piston chamber of the second compressor stage and an intermediate chamber in the compressor operating position.
  • first and second relief valves can be designed as self-closing valves, wherein the relief valves each comprise a spring by which the relief valves are moved into the compressor operating position. When not switched, the relief valves are therefore closed.
  • the first and second relief valves are both connected to a control channel so that both relief valves can be switched simultaneously via a control air connection.
  • the valves can also be switched electromagnetically or by means of hydraulics.
  • the intermediate chamber can have a volume that corresponds to 0.5 to 5 times the volume of the second displacement.
  • the intermediate chamber can be a partial section of an intermediate channel that connects the outlet valve of the first compressor stage to an inlet valve of the second compressor stage.
  • the intermediate chamber can be a separate chamber that only serves to enlarge the second piston chamber during idle operation.
  • cooling is provided to cool the air in the intermediate channel and/or in the intermediate chamber.
  • the figures show the two operating states of the reciprocating piston compressor according to the invention. Firstly, the delivery mode in which compressed air is delivered into the pressure channel 14. And secondly, the idle mode in which no compressed air is delivered into the pressure channel.
  • the reciprocating piston compressor 1 is a two-stage compressor which has a first and a second compressor stage 2, 3.
  • the two relief valves 9 and 10 are arranged in the common cylinder head 21.
  • the figures are simplified sketches, whereby further details can be taken from the StdT.
  • the first relief valve 9 and the second relief valve 10 are held in the closed position during conveying operation by means of the springs 20a, b. Between the first and second compressor stages, the air is cooled in the intermediate channel 1, so that the efficiency, the delivery rate and the temperature of the compressed air are increased.
  • the intermediate channel 13 is a channel formed by the pressure chamber of the first compressor stage 2 and the inlet chamber of the second compressor stage 3.
  • FIG. 2 now shows the idle operation, in which the relief valves 9 and 10 are supplied with control air 11 via the control channel 12, so that the valves 9 and 10 are moved into the open position against the spring forces of the springs 20a, b.
  • the first compressor stage 2 When the first relief valve 9 is open, the first compressor stage 2 is directly connected to the environment via the suction channel 4, which leads to direct ventilation of the first piston chamber.
  • FIG. 2 For the connection of the second relief valve 10, Figure 2 a first solution is shown in which at least a partial section of the intermediate channel 13 is formed by the intermediate chamber 13a.
  • the second relief valve 10 is integrated into the intermediate channel 13 in such a way that when the second relief valve 10 is opened, a second connecting channel 17 between the second piston chamber 19 and the intermediate channel 13 is released.
  • the intermediate channel 13 also forms the intermediate chamber 13a.
  • the volume of the intermediate channel 13 or intermediate chamber 13a forms a relief volume, whereby the pressure of the compressed air in the relief volume depends on the time at which the relief valves 9, 10 open.
  • Another solution could also be a separate intermediate chamber which is only coupled to the second relief valve 10, so that a connection between the second piston chamber 19 and the intermediate chamber can be activated via the second relief valve.
  • the cylinder volume of the second piston chamber 19 is pressed into the intermediate chamber 13a and pulled out again as long as the relief valve 10 remains open.
  • the outlet valve 6 of the first compressor stage 2 remains closed, since the first relief valve 9 simultaneously creates a connection between the first piston chamber 18 and environment so that no compressed air from the first compressor stage 2 can be forced into the intermediate channel 13 or the intermediate chamber 13a.
  • the volume of the intermediate chamber can be fully used for pressure relief of the second compressor stage.
  • the invention combines several functions for the intermediate channel 13, 13a between the cylinders of a multi-stage compressor.
  • the intermediate channel 13, 13a serves to relieve pressure for the second compressor stage 3 and in compressor mode to improve cooling of the air pre-compressed in the first compressor stage 2.
  • the connecting channel 13 with the intermediate chamber 13a is additionally used in the compressor operating position of the relief valves 9, 10 to provide a pre-pressure from the first compressor stage 2 for charging the second compressor stage 3.
  • the intermediate chamber 13a and the connecting channel 13 can be provided with a cooling system or a cooling channel to cool the compressed air before the next compression.
  • the relief valves 9, 10 can alternatively be controlled hydraulically or electromagnetically.

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Abstract

Hubkolbenkompressor (1) für ein Druckluftversorgungsystem in einem Kraftfahrzeug, aufweisend ein Zylinderkopf (21) in dem ein Entlastungssystem, umfassend ein erstes Entlastungsventil (9), das einer ersten Verdichterstufe (2) und ein zweites Entlastungsventil (10), das einer zweiten Verdichterstufe (10) zugeordnet ist, integriert ist, wobei die Entlastungsventil (9, 10) von einer Kompressorbetriebsstellung in eine Leerlaufstellung schaltbar sind. In der Betriebsstellung des Kompressors verschließt das erste Entlastungsventil (9) einen ersten Verbindungskanal (16) zwischen einem ersten Kolbenraum (18) und einem Einlasskanal (5) der ersten Verdichterstufe (2) und das zweite Entlastungsventil (10) einen zweiten Verbindungskanal (17) zwischen einem zweiten Kolbenraum (19) der zweiten Verdichterstufe (3) und einer Zwischenkammer (13a).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kolbenkompressor mit Leerlauffunktion, der zum Verdichten eines kompressiblen Arbeitsmediums, insbesondere Luft, für den Einsatz in einer Druckluftversorgungsvorrichtung in einem Kraftfahrzeug geeignet ist.
  • Kolbenkompressoren bzw. Verdichter oder Luftpresser dienen der Kompression von Gasen, z. B. Luft, die als Arbeitsmedium zum Betrieb verschiedener Aggregate genutzt wird. Verdichter kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen zum Einsatz. Im Betrieb werden derartige Verdichter beispielsweise so eingesetzt, dass ein Druckluftbehälter mit komprimierter Luft befüllt wird, bis ein vorgegebenes Druckniveau im Druckbehälter erreicht ist.
  • Der Kolbenverdichter besteht im Wesentlichen aus einem Grundkörper im dem meist eine oder zwei Verdichterstufen vorgesehen sind. Oberhalb der Verdichterstufen ist der Zylinderkopf angeordnet. Im Zylinderkopf sind Ventile und Kanäle vorgesehen, um die Luftführung und Luftkühlung umzusetzen.
  • Im Betrieb wird Umgebungsluft über einen Einlasskanal in die erste Verdichterstufe eingesaugt, verdichtet und anschließend über einen Zwischenkanal in die zweite Verdichterstufe geleitet und dort weiter verdichtet. Bei einem zweistufigen Kolbenverdichter wird die komprimierte Luft anschließend über eine Luftaufbereitungseinheit in den Druckluftbehälter geleitet.
  • Zur Minimierung der benötigten Antriebsenergie, sowie zur Reduzierung des Anlaufdrehmomentes ist bekannt, dass Kolbenverdichter Mittel zur Schaltung in den Leerlaufbetrieb umfassen. Dies können Ventilschaltungen sein oder es kann eine Kupplung zwischen Antrieb und Kolbenverdichter angeordnet werden.
  • Aus der EP 1 650 434 A1 ist ein Kolbenverdichter mit einem Zusatzventil in der Einlasskammer der ersten Verdichterstufe bekannt. Steuerbare Druckverhältnisse in der Auslasskammer der letzten Verdichterstufe bewirken, dass das Zusatzventil im Leerlaufbetrieb geöffnet und im Druckluftbetrieb geschlossen ist. Im geöffneten Zustand des Zusatzventils kann in der ersten und zweiten Kompressorstufe keine Kompression der Luft erfolgen.
  • Aus der DE 10 2015 225 065 A1 ist ein Kolbenverdichter mit zwei Verdichterstufen bekannt. Im Zylinderkopf sind zwei schaltbare Ventile angeordnet, wobei jeder Verdichterstufe ein Ventil zugeordnet ist, so dass jeder Hubraum über das zugeordnete Ventil mit dem Einlasskanal der ersten Stufe verbunden werden kann. Bei geöffneten Ventilen ist keine Kompression möglich.
  • Alle Leerlaufsysteme haben gemeinsam, dass im Leerlaufbetrieb der Arbeitsraum über einen Entlastungskanal mit einem weiteren Raum verbunden wird, so dass keine oder eine verringerte Kompression stattfindet.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives Entlastungssystem vorzuschlagen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
  • Es wird ein Hubkolbenkompressor für ein Druckluftversorgungsystem in einem Kraftfahrzeug vorgeschlagen, aufweisend ein Zylinderkopf in dem ein Entlastungssystem, umfassend ein erstes Entlastungsventil, das einer ersten Verdichterstufe und ein zweites Entlastungsventil, das einer zweiten Verdichterstufe zugeordnet ist, integriert ist, wobei die Entlastungsventile von einer Kompressorbetriebsstellung in eine Leerlaufstellung schaltbar sind.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das erste Entlastungsventil einen ersten Verbindungskanal zwischen einem ersten Kolbenraum und einem Einlasskanal der Verdichterstufe und das zweite Entlastungsventil einen zweiten Verbindungskanal zwischen einem Kolbenraum der zweiten Verdichterstufe und einer Zwischenkammer, in der Kompressorbetriebsstellung, verschließt.
  • Weiterhin können das erste und zweite Entlastungsventil als selbstschließende Ventile ausgeführt sein, wobei die Entlastungsventile jeweils eine Feder umfassen, durch die die Entlastungsventile in die Kompressorbetriebsstellung bewegt werden. Ungeschaltet sind die Entlastungsventile also geschlossen.
  • Vorzugsweise sind das erste und zweite Entlastungsventil beide an einem Steuerkanal angeschlossen, so dass beide Entlastungsventile über einen Steuerluftanschluss gleichzeitig schaltbar sind. Alternativ kann die Schaltung der Ventile auch elektromagnetisch oder mittels Hydraulik umgesetzt sein.
  • Weiterhin kann die Zwischenkammer ein Volumen aufweisen, das dem 0,5 bis 5-fachen Volumen des zweiten Hubraums entspricht.
  • In einer bevorzugten Ausführung kann die Zwischenkammer ein Teilabschnitt eines Zwischenkanals sein, der das Auslassventil der ersten Verdichterstufe mit einem Einlassventil der zweiten Verdichterstufe verbindet. Alternativ kann die Zwischenkammer eine separate Kammer sein, die lediglich im Leerlaufbetrieb zur Vergrößerung des zweiten Kolbenraums dient.
  • Vorzugsweise ist eine Kühlung vorgesehen um die Luft im Zwischenkanal und/oder in der Zwischenkammer zu kühlen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
    • Fig.1
    Hubkolbenkompressor im Förderbetrieb
    Fig.2
    Hubkolbenkompressor im Leerlaufbetrieb
  • Die Figuren zeigen die beiden Betriebszustände des erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors. Einmal den Förderbetrieb, bei dem Druckluft in den Druckkanal 14 gefördert wird. Und einmal den Leerlaufbetrieb bei dem keine Druckluft in den Druckkanal gefördert wird.
  • Der Hubkolbenkompressor 1 ist ein zweistufiger Kompressor, der eine erste und zweite Verdichterstufe 2, 3 aufweist. Im gemeinsamen Zylinderkopf 21 sind die zwei Entlastungsventile 9 und 10 angeordnet. Bei den Figuren handelt es sich um vereinfachte Skizzen, wobei aus dem StdT weitere Details entnommen werden können.
  • Im Förderbetrieb, wenn sich der Kolben nach unten bewegt, wird Umgebungsluft über den Einsaugkanal 4 und das Einlassventil 5 in den ersten Kolbenraum 18 gesaugt. Bewegt sich der Kolben der ersten Verdichterstufe 2 nach oben wird die Luft komprimiert und über das Auslassventil 6 in den Zwischenkanal 13 gefördert und über das Einlassventil 7 der zweiten Verdichterstufe 3 in den zweiten Kolbenraum 19 gefördert. Dabei bewegt sich der Kolben im zweiten Kolbenraum 19 nach unten. Bei der nachfolgenden Bewegung des Kolbens, nach oben, wird die Luft weiter komprimiert und über das Auslassventil 8 im den Druckkanal 14 gefördert.
  • Das erster Entlastungsventil 9 und das zweite Entlastungsventil 10 werden im Förderbetrieb mittels der Federn 20a, b in der Schließstellung gehalten. Zwischen der ersten und zweiten Verdichterstufe erfolgt eine Zwischenkühlung der Luft im Zwischenkanal 1, so dass es zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads, des Liefergrads und einer Reduzierung der Temperatur der verdichteten Luft kommt.
  • Das Einlassventil 7 der nächsthöheren Stufe (zweite Stufe) und das Auslassventil 6 der vorherigen Stufe (ersten Stufe) schalten gleichzeitig.
  • Der Zwischenkanal 13 ist ein Kanal, der aus der Druckkammer der ersten Verdichterstufe 2 und der Einlasskammer der zweiten Verdichterstufe 3 gebildet wird.
  • Figur 2 zeigt nun den Leerlaufbetrieb, bei dem die Entlastungsventile 9 und 10 über den Steuerkanal 12 mit Steuerluft 11 beaufschlagt sind, so dass die Ventile 9 und 10 gegen die Federkräfte der Federn 20a, b in die Offenstellung bewegt werden.
  • Bei geöffneten erstem Entlastungsventilen 9 ist die erste Verdichterstufe 2 über den Saugkanal 4 direkt mit der Umgebung verbunden, was zu einer direkten Belüftung des ersten Kolbenraums führt.
  • Für den Anschluss des zweiten Entlastungsventils 10 ist in Figur 2 eine erste Lösung dargestellt, bei der zumindest ein Teilabschnitt des Zwischenkanals 13 durch die Zwischenkammer 13a gebildet wird. Dabei ist das zweite Entlastungsventil 10 derart in Zwischenkanal 13 integriert, dass beim Öffnen des zweiten Entlastungsventils 10 ein zweiter Verbindungskanal 17 zwischen dem zweiten Kolbenraum 19 und Zwischenkanal 13 freigegeben wird.
  • Bei der dargestellten Lösung bildet der Zwischenkanal 13 auch die Zwischenkammer 13a. Das Volumen von Zwischenkanal 13 bzw. Zwischenkammer 13a bildet ein Entlastungsvolumen, wobei der Druck der Druckluft im Entlastungsvolumen vom Zeitpunkt der Öffnung der Entlastungsventile 9, 10 abhängt.
  • Eine weitere Lösung könnte aber auch ein separate Zwischenkammer sein, die nur mit dem zweiten Entlastungsventil 10 gekoppelt ist, so dass über das zweite Entlastungsventil eine Verbindung zwischen dem zweiten Kolbenraum 19 und der Zwischenkammer freischaltbar ist.
  • Bei beiden Lösungen kann bei geöffnetem zweiten Entlastungsventil 10 keine Druckluft mehr über das Auslassventil 8 der zweiten Verdichterstufe 3 in die Druckkanal 14 und von dort zur APU / Kessel gelangen. Zudem wird durch den höheren Druck im Druckkanal das Auslassventil sicher geschlossen, so dass es zu keinem Druckabfall während des Leerlaufbetriebs kommt. Dadurch ist eine schnellere Umschaltung in den Förderbetrieb möglich, da die Leitungen nicht erst wieder befüllt werden müssen.
  • Das Zylindervolumen des zweiten Kolbenraums 19 wird in die Zwischenkammer 13a gedrückt und wieder herausgezogen, solange das Entlastungsventil 10 geöffnet bleibt. Das Auslassventil 6 der ersten Verdichterstufe 2 bleibt dabei geschlossen, da über das erste Entlastungsventil 9 gleichzeitig eine Verbindung zwischen erstem Kolbenraum 18 und Umgebung freigegeben wird, so dass keine Druckluft aus der ersten Verdichterstufe 2 in den Zwischenkanal 13 bzw. die Zwischenkammer 13a gedrückt werden kann.
  • Das Volumen der Zwischenkammer kann vollständig für die Druckentlastung der zweiten Verdichterstufe genutzt werden.
  • Die Erfindung kombiniert mehrere Funktionen für den Zwischenkanal 13, 13a zwischen den Zylindern eines mehrstufigen Kompressors. Im Leerlaufbetrieb dient der Zwischenkanal 13,13a der Druckentlastung für die zweite Verdichterstufe 3 und im Kompressorbetrieb zur verbesserten Kühlung der in der ersten Verdichterstufe 2 vorkomprimierten Luft.
  • Der Verbindungskanal 13 mit der Zwischenkammer 13a wird zusätzlich in der Kompressorbetriebsstellung der Entlastungsventile 9, 10 genutzt, um einen Vordruck aus der ersten Verdichterstufe 2 für eine Aufladung der zweiten Verdichterstufe 3 bereitzustellen.
  • Für eine Erhöhung der Luftmasse (Füllungsgrad) kann die Zwischenkammer 13a und der Verbindungskanal13 eine Kühlung oder ein Kühlkanal vorgesehen sein, um die komprimierte Luft vor der nächsten Kompression zu kühlen.
  • Die Entlastungsventile 9, 10 können alternativ hydraulisch oder elektromagnetisch angesteuert werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kompressor
    2
    erste Verdichterstufe
    3
    zweite Verdichterstufe
    4
    Saugkanal
    5
    Einlassventil
    6
    Auslassventil
    7
    Einlassventil
    8
    Auslassventil
    9
    erstes Entlastungsventil
    10
    zweites Entlastungsventil
    11
    Steuerluft
    12
    Steuerkanal
    13
    Zwischenkanal
    13a
    Zwischenkammer
    14
    Druckkanal
    16
    erster Verbindungskanal
    17
    zweiter Verbindungskanal
    18
    erster Kolbenraum
    19
    zweiter Kolbenraum
    20a, b
    Feder
    21
    Zylinderkopf

Claims (6)

  1. Hubkolbenkompressor (1) für ein Druckluftversorgungsystem in einem Kraftfahrzeug, aufweisend ein Zylinderkopf (21) in dem ein Entlastungssystem, umfassend ein erstes Entlastungsventil (9), das einer ersten Verdichterstufe (2) und ein zweites Entlastungsventil (10), das einer zweiten Verdichterstufe (10) zugeordnet ist, integriert ist, wobei die Entlastungsventil (9, 10) von einer Kompressorbetriebsstellung in eine Leerlaufstellung schaltbar sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das erste Entlastungsventil (9) einen ersten Verbindungskanal (16) zwischen einem ersten Kolbenraum (18) und einem Einlasskanal (5) der ersten Verdichterstufe (2) und das zweite Entlastungsventil (10) einen zweiten Verbindungskanal (17) zwischen einem zweiten Kolbenraum (19) der zweiten Verdichterstufe (3) und einer Zwischenkammer (13a), in der Kompressorbetriebsstellung, verschließt.
  2. Hubkolbenkompressor (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das erste und zweite Entlastungsventil (9.10) selbstschließende Ventile sind, die eine Feder (20a, b) umfassen, durch die die Entlastungsventile (9, 10) in die Kompressorbetriebsstellung bewegt werden.
  3. Hubkolbenkompressor (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das erste und zweite Entlastungsventil (9.10) beide an einem Steuerkanal (12) angeschlossen sind, so dass beide Entlastungsventile über einen Steuerluftanschluss (11) gleichzeitig schaltbar sind.
  4. Hubkolbenkompressor (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zwischenkammer (13a) ein Volumen aufweist, das dem 0,5 bis 5-fachen Volumens des zweiten Hubraums (19) entspricht.
  5. Hubkolbenkompressor (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zwischenkammer (13a) ein Teilabschnitt eines Zwischenkanals (13) ist, der das Auslassventil (6) der ersten Verdichterstufe (2) mit einem Einlassventil (7) der zweiten Verdichterstufe (3) verbindet.
  6. Hubkolbenkompressor (1) nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das eine Kühlung vorgesehen, ist mittels der die Luft im Zwischenkanal (13) und/oder in der Zwischenkammer (13a) kühlbar ist.
EP23214151.5A 2022-12-21 2023-12-05 Kolbenkompressor mit leerlauffunktion Pending EP4390128A1 (de)

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DE (1) DE102022134427A1 (de)

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