WO2001059266A1 - Vorrichtung und verfahren zur steuerung einer kolbenmaschine - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur steuerung einer kolbenmaschine Download PDF

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Definitions

  • Piston compressors mainly use automatic valves controlled by gas pressure differences
  • valves basically the valve seat and catcher, one or more closing elements, usually a plate or rings, as well as steam and spring elements.
  • closing elements usually a plate or rings
  • steam and spring elements in the case of regulated infant valves, the valve is still actuated by a lifting gripper
  • valves in delivery quantity control are heavily loaded by back pressure or backflow via a lifting gripper
  • the invention is therefore based on the object to provide a device and a method for controlling a piston engine, in particular a compressor or a vacuum pump, which can be operated independently of fluctuating operating conditions and speed changes, and to improve the influencing of the delivery quantity so that the previously disadvantages mentioned can be avoided
  • EP 0 694 693 B1 is known, but it is a suction valve which operates automatically as a function of pressure and is only influenced for regulating the delivery quantity by means of a stroke movement of a control piston on a lifting gripper
  • the invention relates to a device and a method for controlling a piston engine with a rotary slide valve which is actuated by an actuator independently of the position of the crankshaft
  • the rotary slide valve contains only one closing element, which is rotatably arranged and therefore does not require any lifting movement. Furthermore, springing by the positive control is not necessary.This enables the valve to be operated independently of the density and pressure of the gas, changing operating conditions and variable speeds
  • the system is adaptive by regulating the detection of the torque of the valves to be controlled, which always leads to optimum efficiencies even in the event of fluctuating operating conditions of the piston engine
  • Fig. 2 Fig. 1 shows a p-V diagram with the pressure curves for recording the differential pressures between the suction pressure and the internal cylinder pressure as well as the final pressure and the internal cylinder pressure
  • Fig. 2 shows the pressure curve for the partial load range, the volume being shown reduced
  • valve seat (1) which is provided with channels for the gas to flow through, and a rotatable closing element (2) on the side of the valve seat (1) to be sealed provide the channels with seat strips, which on the one hand lead to better tightness due to a higher surface pressure between the seat and the closing element, and on the other hand contribute to the fact that residues from the gas on the seat strips can be stripped off during the rotational movement of the closing element (2) it is possible to treat the closing element (2), which is not subject to a lifting movement in the sense of a classic compressor valve, and the seat strips with ceramic, in order to obtain high wear resistance and chemical resistance to abrasive and aggressive gases.Furthermore, the channels are conically shaped, which become closed narrow the seat rails Without deflection on the closing element, flow through the channel, which would not be possible with a cylindrical shape of the channel.
  • the actuator (13), consisting of at least one control cylinder (14) for generating the rotary movement, is preferably controlled by a 2/2 piezoelectric or 3/2 way valve in order to achieve a high clock frequency and short switching times in connection with the drive
  • step suction and step end pressure as well as the internal cylinder pressure which is divided into a suction phase and a compression phase, is continuously measured by measuring sensors
  • the point in time for the sucking valve is calculated by a controller, where a pressure equilibrium is established for the first time between the stage suction and cylinder pressure
  • a controller calculates the point in time at which a pressure equilibrium is finally established between the stage suction pressure and the internal cylinder pressure. This point in time is used to close the sucking valve. at the same time the torque of the closing element (2) to be operated is determined by a sensor and the procedure is continued as before
  • the bottom dead center of the piston (180 ° crank angle for the sucking valve) and the top dead center of the piston (360 ° crank angle for the pressure valve) can also be used to close the valves
  • valves can be prestressed by a pressure medium via the actuators (13) in order to open or close with a predetermined torque before pressure equilibrium is reached
  • the sucking valve is not closed, but is kept open over at least a partial area of the compression stroke, the intake quantity being pushed out again, which does not correspond to the volume to be compressed
  • control piston (15) is preferably equipped with a return spring (16) .
  • the return spring (16) can be used to move the actuator (13) into an end position, which means that Rotates the sucking valve to an open position
  • ⁇ psi-zyi initial pressure equilibrium between internal cylinder pressures

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Abstract

In Kolbenkompressoren werden überwiegend selbsttätig arbeitende, durch Druckdifferenzen gesteuerte Ventile eingesetzt. Hauptbestandteile dieser Ventile sind grundsätzlich Ventilsitz und Fänger, ein oder mehrere Schließorgane, üblicherweise eine Platte oder Ringe, sowie Dämpfer- und Federorgane. Diese nicht unerhebliche Anzahl von Teilen werden bei jeder Ansaug- oder Verdichtungsphase des Kolbens in eine Hubbewegung versetzt, und je nach Hub der Schließorgane sowie des Druckes und der Dichte des Gases dynamisch stark belastet, was zu Beeinschränkungen der Standzeiten durch Brüche der Schließ-, Dämpfer- und Federorgane führt. Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Kolbenmaschine mit einem Drehscheiberventil, zu schaffen, welches unabhängig von schwankenden Betriebsbedingungen und Drehzahländerungen betrieben werden kann, sowie die Beeinflussung der Liefermenge so zu verbessern, daß die zuvor erwähnten Nachteile vermieden werden. Verwendung findet die Einrichtung und das Verfahren zur Regelung einer Kolbenmaschine in Kolbenkompressoren und Vakuumpumpen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Steuern einer Koibenmaschine
BESCHREIBUNG
In Kolbenkompressoren werden überwiegend selbsttätig arbeitende durch Gasdruckdifferenzen gesteuerte Ventile eingesetzt
Hauptbestandteile dieser Ventile sind grundsätzlich Ventilsitz und Fanger, ein oder mehrere Schließorgane, üblicherweise eine Platte oder Ringe, sowie Dampfer- und Federorgane Bei geregelten Säugventilen wird das Ventil weiterhin durch einen Abhebegreifer betätigt
Diese nicht unerhebliche Anzahl von Teilen werden einer periodischen Hubbewegung unterzogen, und je nach Hub der Schließorgane sowie der Dichte und dem Druck des Gases dynamisch stark belastet, was zu Beeinschrankungen der Lebensdauer durch Bruche der Schließ-, Dampfer und Federorgane fuhrt
Weiterhin muß die Auslegung der Federorgane optimal auf einen Arbeitspunkt abgestimmt sein, was aber bei schwankenden Betπebsbedingungen, oder durch Drehzahlregelung zu Anpassungsproblemen fuhrt, da es keine Möglichkeit zur Beeinflussung der Federkräfte in den Ventilen gibt
Darüber hinaus werden die Ventile bei der Liefermengenregelung durch Staudruck oder Ruckstromung über einen Abhebegreifer stark belastet
Nachteilig sind die durch den Hub begrenzten Querschnitte, durch die Geometrie des Ventils großen Schadraume, die Massen der bewegten Teile, die vorhandenen Federkräfte, sowie das Umlenken des Gases bei selbsttätig arbeitenden Ventilen, was letztend ch zu nicht unerheblichen Druckverlusten fuhrt
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Kolbenmaschme, insbesondere eines Kompressors oder einer Vacuumpumpe zu schaffen, welches unabhängig von schwankenden Betriebsbedingungen und Drehzahlanderungen betrieben werden kann, sowie die Beeinflußung der Liefermenge so zu verbessern, daß die zuvor erwähnten Nachteile vermieden werden
Erfindungsgemaß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen aus den Patentansprüchen 1 und 2 gelost
Zum Stand der Technik sind Verfahren nach 1. EP 0 694 693 B1 bekannt, wobei es sich aber um ein Saugventil, welches druckabhangig selbsttätig arbeitet und nur zur Liefermengenregelung über eine Hubbewegung eines Steuerkolbens auf einen Abhebegreifer beeinflußt wird
2. DE 40 02 856 A1 bekannt, wobei das Gaswechselventil in eine Hubbewegung versetzt und nicht gedreht wird
3. DE 34 00 970 A1 bekannt, wobei die Ventilschlitzscheibe in Abhängigkeit zur Kurbelwelle betrieben wird
4. DE-OS 1 911 617 bekannt, wobei dieses Verfahren in Abhängigkeit zur Kurbelwelle betrieben wird
5. DE 37 10 824 A1 bekannt, wobei die Steuerscheibe in Abhängigkeit zur Kurbelwelle betrieben wird
6. DE 198 27 301 A1 bekannt, wobei die Rotationsscheibe in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors durch eine elektrische Antπebsvorπchtung gedreht wird
Die Erfindung betrifft eine Vorπchtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Kolbenmaschme mit einem Drehschieberventil, welches unabhängig von der Stellung der Kurbelwelle durch einen Stellantrieb betätigt wird
Das Drehschieberventil beinhaltet nur ein Schließorgan, was drehbar angeordnet ist, und deshalb keiner Hubbewegung bedarf Weiterhin ist eine Befederung durch die Zwangssteuerung nicht erforderlich Dadurch kann das Ventil unabhängig von der Dichte und dem Druck des Gases, wechselnden Betriebsbedingungen sowie variablen Drehzahlen betrieben werden
Durch die Zwangssteuerung, die großen Stromungsquerschnitte und dem Geradestrom des Gases durch das Ventil ergeben sich kleine Druckverluste, was letztendlich zur Reduzierung der Ventildurchmesser und damit auch zu einer Reduzierung der Massen beitragen kann
Vorteilhaft ist im Gegensatz zu EP 0 694 693 B1 , daß bei geregelten Saugventilen kein Abhebegreifer verwendet wird, und die hohen Stellkrafte zur Überwindung der Stromungskraft nicht erforderlich sind, weil das Offnen und Schließen der Ventile bei einem Druckgleichgewicht vollzogen wird
Dieser Vorteil des Offnens und Schließens bei einem Druckgleichgewicht übertragt sich auch auf ungeregelte Säugventile und Druckventile, was sich letztendlich in einem geringen energetischen Aufwand widerspiegelt
Durch die Zwangssteuerung der Ventile bei einem aus dem Prozeß abgeleiteten Druckgleichgewicht, ist das System durch Regelung über die Erfassung des Drehmoments der anzusteuernden Ventile adaptiv, was immer zu optimalen Wirkungsgraden auch bei schwankenden Betriebsbedingungen der Kolbenmaschme fuhrt
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausfuhrungsbeispieles anhand der beigefugten Zeichnungen Dabei zeigt Fig 1 einen 2d Schnitt der erfindungsgemaßen Einπchtung
Fig 2 Bild 1 ein p-V Diagramm mit den Druckverlaufen zur Erfassung der Differenzdrucke zwischen Stufensaug- und Zylindeπnnendruck sowie Stufenend- und Zylindeπnnendruck
Fig 2 Bild 2 ist der Druckverlauf für den Teillastbereich aufgezeichnet, wobei das Volumen reduziert dargestellt ist
Fig 3 einen 3d Schnitt der erfindungsgemaßen Einπchtung
Dabei handelt es sich um ein neuartiges Ventil und ein Verfahren zur Zwangssteuerung desselben bestehend aus einem Ventilsitz (1 ), der mit Kanälen zur Durchstromung des Gases versehen ist, und einem drehbaren Schließorgan (2) An der zu dichtenden Seite des Ventilsitzes (1 ) sind die Kanäle mit Sitzleisten versehen, die einerseits durch eine höhere Flachenpressung zwischen dem Sitz und dem Schließelement zu einer besseren Dichtigkeit fuhren, und zum anderen dazu beitragen daß bei der Drehbewegung des Schließorgans (2) Ruckstande aus dem Gas an den Sitzleisten abgestreift werden können Hierzu ist es möglich, das Schließorgan (2), welches keiner Hubbewegung im Sinne eines klassischen Kompressorventils unterliegt, sowie die Sitzleisten keramisch zu behandeln, um gegenüber abbrasiven und agressiven Gasen eine hohe Verschleißfestigkeit und chemische Resistenz zu erhalten Weiterhin sind die Kanäle konisch ausgeformt, welche sich zu den Sitzleisten verengen Dadurch kann das Gas ohne Umienkung am Schließelement den Kanal durchströmen, was bei einer zylindrischen Ausformung des Kanals nicht möglich wäre Eine Aπtπebswelle (11 ), die im Zentrum des Schließorgans (2) über eine Gleitbuchse (4) angebracht und durch ein Keramiklager (5) im Ventilsitz (1) gefuhrt ist, wird über eine Untere Elastomerkupplung (10) zur Dampfung der schπtt- oder schwenkweisen Bewegung, durch einen Stellantrieb (13) betätigt
Der Stellantrieb (13), bestehend aus wenigstens einem Steuerzylinder (14) zur Erzeugung der Drehbewegung, wird vorzugsweise durch ein 2/2 piezoelektisches- oder 3/2 Wegeventil gesteuert, um eine hohe Taktfrequenz und kurze Schaltzeiten in Verbindung mit dem Antrieb zu realisieren
Über Meßsensoren wird der Stufensaug- und Stufenenddruck sowie der Zylindeπnnendruck, der in eine Ansaugphase und Verdichtungsphase aufgeteilt wird, kontinuierlich erfaßt
Durch einen Controller wird der Zeitpunkt für das Säugventil errechnet, wo sich erstmalig ein Druckgleichgewicht zwischen dem Stufensaug- und Zylinderinnendruck einstellt
Dieser Zeitpunkt wird zum Offnen des Säugventils benutzt, wobei gleichzeitig das Drehmoment des zu betätigenden Schließorgans (2) über einen Sensor ermittelt wird Durch die Trägheit des Ventils wird dieses aber verzögert geöffnet, wobei durch den zeitlichen Ablauf sich die Druckdifferenz erhöht, und damit das Drehmoment vergrößert wird Daher wird bei den nächsten Umdrehungen der Kurbelwelle der Offnungszeitpunkt des Säugventils um eine vorgegebene Zeitspanne Δt solange vor- oder nachverlegt, bis das Drehmoment sein Minimum erreicht
Zum Ende der Ansaugphase wird durch einen Conlroller der Zeitpunkt errechnet, wo sich letztmalig ein Druckgleichgewicht zwischen dem Stufensaug- und Zylinderinnendruck einstellt Dieser Zeitpunkt wird zum Schließe n des Säugventils benutzt, wobei gleichzeitig das Drehmoment des zu betätigenden Schließorgans (2) über einen Sensor ermittelt und weiter wie zuvor verfahren wird
Für das Druckventil gilt hierbei das gleiche Verfahren in der Verdichtungsphase wobei zwischen dem Stufenend- und dem Zylinderinnendruck das Druckgleichgewicht erstund letztmalig ermittelt, und zum Offnen und Schließen der Druckventile das gleiche Verfahren wie bei den Säugventilen angewandt wird
Zum Schließen der Ventile kann auch der untere Totpunkt des Kolbens (180° Kurbelwinkel für das Säugventil) und der obere Totpunkt des Kolbens (360° Kurbelwinkel für das Druckventil) Verwendung finden
Weiterhin können die Ventile über die Stellantriebe (13) durch ein Druckmittel vorgespannt werden, um vor Erreichen des Druckgleichgewichts mit einem vorgegebenen Drehmoment zu offnen oder zu schließen
Zur Liefermengenregelung wird nach letztmaligem Erreichen des Druckgleichgewichts das Säugventil nicht geschlossen, sondern über zumindest einen Teilbereich des Verdichtungshubes offengehalten, wobei die Ansaugmenge wieder ausgeschoben wird, die nicht dem zu verdichtenden Fordervolumen entspπcht
Erst danach wird das Säugventil geschlossen, und die Verdichtungsphase kann mit einem reduzierten Gasvolumen einsetzen
Um eine definierte Ausgangsposition des Stellantriebs (13) zu erreichen, ist vorzugsweise der Steuerkolben (15) mit einer Ruckholfeder (16) ausgestattet Dadurch kann bei ausgeschaltetem System durch die Ruckholfeder (16) der Stellantrieb (13) in eine Endlage verfahren werden, wodurch das Säugventil in eine Offenposition dreht
Bezuqszeichenliste
Aus Figur 1 :
01 Ventilsitz
02 Schließorgan
03 Mittelschraube
04 Gleitbuchse
05 Keramiklager
06 Untere Scheibe
07 Obere Scheibe
08 Feder
09 Fuhrungsmutter
10 Untere Elastomerkupplung
11 Antriebswelle
12 Obere Elastomerkupplung
13 Stellantπeb
14 Steuerzylinder
15 Steuerkolben
16 Rucksetzfeder
Aus Figur 2: ps = Stufensaugdruck pd = Stufenenddruck
Ps-Zyi = Zylinderinnendruck (Saugseite) pd-zyι = Zylindeπnnendruck (Druckseite)
Δpsi-zyi = erstmaliges Druckgleichgewicht zwischen Zylindeπnnendruck
(Saugseite) und Stufensaugdruck ΔpS2-zyi = letztmaliges Druckgleichgewicht zwischen Zylinderinnendruck
(Saugseite) und Stufensaugdruck Δpdi-zyi = erstmaliges Druckgleichgewicht zwischen Zylindeπnnendruck
(Druckseite) und Stufenenddruck ΔPd2-zyi = letztmaliges Druckgleichgewicht zwischen Zylinderinnendruck
(Druckseite) und Stufenenddruck

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Einrichtung und Verfahren zum Steuern einer Kolbenmaschine, mit einem Drehschieberventil für den Einlaß eines Gases in den Arbeitsraum der Kolbenmaschine, welches unabhängig von der Stellung der Kurbelwelle der Kolbenmaschine durch einen Stellantrieb (13) betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der Ansaugphase der Differenzdruck zwischen dem Stufensaug- (ps) und dem Zylinderinnendruck (Ps-zyi) gemessen und das Saugventil dann geöffnet wird, wenn der Differenzdruck (Δps-ι- zyι) erstmalig einen vorgegebenen Wert erreicht, und geschlossen wird, wenn der Differenzdruck (ΔpS2-zyι) letztmalig einen vorgegebenen Wert erreicht hat.
2. Einrichtung und Verfahren zum Steuern einer Kolbenmaschine, mit einem Drehschieberventil für den Auslaß eines Gases aus dem Arbeitsraum der Kolbenmaschine, welches unabhängig von der Stellung der Kurbelwelle der Kolbenmaschine durch einen Stellantrieb (13) betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der Verdichtungsphase der Differenzdruck zwischen dem Stufenend- (pd) und dem Zylinderinnendruck (pd-zyi) gemessen und das Druckventil dann geöffnet wird, wenn der Differenzdruck (Δpdι-Zyι) erstmalig einen vorgegebenen Wert erreicht, und geschlossen wird, wenn der Differenzdruck (Δpd2-zyi) letztmalig einen vorgegebenen Wert erreicht hat.
3. Einrichtung und Verfahren zum kontinuierlichen Steuern und Regeln einer Kolbenmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim erstmaligen Erreichen des Druckgleichgewichts zwischen dem Stufensaug- (ps) und dem Zylinderinnendruck (ps-Zyi) sowie zwischen dem Stufenend- (pd) und Zylinderinnendruck (Pd-zyi) das Drehmoment des zu betätigenden Saug- oder Druckventils über einen Meßsensor ermittelt, und der Zeitpunkt zum Öffnen des jeweiligen Ventils um eine Zeitspanne Δt solange vor- oder nachverlegt wird, bis das Drehmoment sein Minimum erreicht, und der optimale Wirkungsgrad der Kolbenmaschine erreicht ist.
4. Einrichtung und Verfahren zum kontinuierlichen Steuern und Regeln einer Kolbenmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim letztmaligen Erreichen des Druckgleichgewichts zwischen dem Stufensaug- (ps) und dem Zylinderinnendruck (ps-zyi) sowie zwischen dem Stufenend- (pd) und Zylinderinnendruck (Pd-zyι) das Drehmoment des zu betätigenden Saug- oder Druckventils über einen Meßsensor ermittelt, und der Zeitpunkt zum Schließen des jeweiligen Ventils um eine Zeitspanne Δt solange vor- oder nachverlegt wird, bis das Drehmoment sein Minimum erreicht, und der optimale Wirkungsgrad der Kolbenmaschine erreicht ist.
5. Verfahren zum Steuern einer Kolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile über die Stellantriebe (13) durch ein Druckmittel auf ein vorgegebenes Drehmoment vorgespannt werden, um vor Erreichen des Druckgleichgewichts die Ventile zu öffnen oder zu schließen.
6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 zur Rückströmregelung einer Kolbenmaschine durch Offenhalten zumindest eines Saugventils über zumindest einen Teilbereich des Verdichtungshubes, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des jeweils durch einen vorgegebenen Wert offengehaltenen Teilbereiches das Saugventil geschlossen, und der Verdichtungsprozeß eingeleitet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 zur Ansaugregelung einer Kolbenmaschine durch Schließen zumindest eines Saugventils über zumindest einen Teilbereich des Ansaughubes, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des jeweils durch einen vorgegebenen Wert offengehaltenen Teilbereichs das Saugventil geschlossen, und der Ansaugprozeß unterbrochen wird.
8. Einrichtung und Verfahren zum Bewegen eines Schließorgans (2) eines Drehschieberventils nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb (13) aus einer Antriebswelle (11), die mit wenigstens zwei segmentierten Zahnrädern versehen ist, und aus wenigstens zwei Steuerzylindern (14) besteht, die durch gleichzeitige, oder wechselseitige Ansteuerung eine Dreh- oder Schwenkbewegung auf das Schließorgan (2) des Drehschieberventils überträgt.
Die Kolben (15) der Steuerzylinder (14) sind durch Rückholfedern (16) vorgespannt, so daß bei abgeschaltetem System eine definierte Ausgangslage besteht, und dadurch das Saugventil grundsätzlich in eine Offenposition dreht.
9. Ventil mit einem drehbaren Schließorgan (2) zum Steuern einer Kolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (1) mit Kanälen zur Durchströmung des Gases versehen ist, die auf der zu dichtenden Seite mit Sitzleisten versehen, wobei die Kanäle zylindrisch oder konisch ausgeformt sind, und sich bei konischer Ausformung zu den Sitzleisten verjüngen. Ein vorgegebenes Spiel des Schließorgans (2) in achsialer Richtung wird durch eine Feder (8) beeinträchtigt. Damit die Feder (8) bei der Drehbewegung keinem Verschleiß unterliegt, sind auf der den Sitzleisten abgewandten Seite, wenigstens zwei Scheiben (6) und (7) aus einem verschleißfesten, vorzugsweise keramischem Material vorhanden, wovon eine Untere Scheibe (6) auf dem Ventilsitz fixiert ist. Die Obere Scheibe (7), mit der Feder (8) versehen, die sich zwischen Obere Scheibe (7) und einer Führungsmutter ( 9 ) befindet, ist an der Führungsmutter (9) fixiert, um mit dem Schließorgan (2) gedreht zu werden, wodurch die Reibung bei der Drehung des Schließorgans (2) zwischen die Scheiben (6) und (7) verlagert wird.
10. Einrichtung und Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9 zur Steuerung und Regelung einer Kolbenmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung und das Verfahren vorzugsweise auf einen Kompressor oder eine Vakuumpumpe Anwendung finden.
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