WO2011009880A1 - Verfahren zur fördermengenregelung und hubkolben-kompressor mit fördermengenregelung - Google Patents

Verfahren zur fördermengenregelung und hubkolben-kompressor mit fördermengenregelung Download PDF

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WO2011009880A1
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control
during
valve
suction valve
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PCT/EP2010/060550
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Andreas Allenspach
Roland Aigner
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Burckhardt Compression Ag
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    • F04B49/24—Bypassing
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    • F04B2205/00—Fluid parameters
    • F04B2205/05—Pressure after the pump outlet

Definitions

  • the invention relates to a method for flow control of a reciprocating compressor according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a reciprocating compressor with
  • Suction valve by means of a so-called Abhebegreifers before reaching the Pressure equilibrium is forcibly opened, in order to avoid a strong instantaneous acceleration of the closing member towards the catcher, which would occur during automatic opening. This allows to reduce the impact load of the compressor valve.
  • the compressor valves used on the pressure side still have a high load, especially when the compressor system according to the method of a continuously variable
  • the suction valve is kept open by means of Abhebegreifers during a partial angle range of the compression stroke and then closed, thereby affecting the flow rate.
  • a disadvantage of this known method is the fact that the closing member of the suction valve and the pressure valve is subject to a relatively large wear, which is a correspondingly high
  • Embodiments The object is achieved in particular with a method for
  • the method comprises a continuous backflow control in which the Abhebegreifer rests during a first portion of the cycle of the crank circuit on the closing organ and its
  • Closure prevents, and in which the lift-off gripper is retracted during a second portion of the cycle of the crank circuit and the closing member is closed, wherein the lift-off gripper is moved back so that the speed of the
  • this comprises a
  • the flow rate is controlled by the forced keeping open the suction valve.
  • a Aussetzregelung a so-called Abhebegreifer which the closing member of the valve, for example, a plate, ring or
  • Poppet valve push in an open position, and preferably press on the valve seat.
  • the reciprocating compressor has a compression chamber, which is supplied via a suction valve gas, and from which via a Exhaust valve, also referred to as a pressure valve, compressed gas is discharged.
  • a suction valve gas supplied via a suction valve gas
  • a pressure valve also referred to as a pressure valve
  • Closing member of the suction valve kept open during a whole working cycle or a whole working cycle. This increases the pressure during the compression phase
  • Compression chamber that is, when not opening pressure valve, is not flowed through and thereby dirt in the
  • Compaction space can accumulate, which increases the wear of the valves or the packing rings and piston rings.
  • the suction valve In the method of backflow control, the suction valve is kept open by means of Abhebegreifers during a partial angle range of a complete compression stroke or a complete crank circuit and then closed, thereby increasing the flow rate influence.
  • the suction valve is only at the beginning of the
  • Compressor is heated more due to the longer residence time in the compression chamber and due to the heat transfer over the
  • Ausgestatlung has the advantage that the combined amount of backflow control and intermittent control the amount delivered by the reciprocating compressor can be varied within a wide range can, in particular without additional wear of the closing member of the suction valve and / or the pressure valve.
  • Flow rate are preferably substantially three different methods available, which can be applied. In addition to a method with maximum flow, at which the suction valve closes automatically, nor the already described method of
  • control can take place, for example, as follows:
  • the suction valve is not affected and thus opens and closes automatically.
  • Range between about 80% and 50% of the maximum flow rate is the continuous backflow control for each cycle
  • the suction valve is influenced by the control device and the Abhebegreifer such that the closing member of the pressure valve of the reciprocating compressor is opened at least during a predetermined opening angle range of a crank circle.
  • the opening angle range is at least 10 ° and preferably at least 20 ° to 30 °.
  • Reciprocating compressor have the advantage that the lifting movement and / or the speed of the lifting gripper with the aid of a
  • Drive device preferably an electromagnet
  • the speed of the closing closing member can be reduced before placing on the suction valve, so that the closing member at low speed on
  • the speed of the closing member during placement on the suction valve is less than 0, 1 m / s, so that the
  • Closing member 5b during impact with the valve seat 5a of the suction valve 5 has a GrenzaufTech ist of less than 0, 1 m / s. This advantageous method reduces the wear of the closing organ considerably and advantageously has the additional consequence that the operation of the valve has a lower noise level.
  • Suction valve impinges so that the closing member thus "gently” touches down on the suction valve and closes the damping device is particularly advantageous electrically controlled, and particularly advantageously comprises an electrorheological or magnetorheological
  • the damping device can also be based on another principle and, for example, as
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a controllable valve.
  • FIG. 4 shows the course of the valve lift of the suction valve and of the pressure valve in the operating method shown in FIG. 3; 5 shows a load curve in a PV diagram with different operating methods;
  • FIG. 7 schematically shows a reciprocating compressor
  • FIG. 8 shows schematically a control device for actuating the gripper acting on the suction valve
  • FIG. 9 shows schematically another control device for actuating the gripper acting on the suction valve.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section through a controllable valve 1 comprising a compressor housing 4 with a suction valve 5 disposed therein, the position of which is influenced by a Abhebegreifer 6, wherein the Abhebegreifer 6 configured as a connecting rod connection means 7 from outside the
  • Compressor housing 4 arranged control device 2 is actuated.
  • the compressor housing 4 comprises a lantern 4a, a gas space 4b, a compression space 4c and a lid 4d, wherein the
  • Compressor housing 4 also includes a not shown or not visible pressure valve 8, via which the compressed fluid can escape from the compression chamber 4c.
  • the automatic suction valve 5 comprises a valve seat 5a, a movably mounted in a stroke direction B, hereinafter also referred to as valve plate 5b Closing member 5b, a valve catch 5c and a return spring 5d.
  • the lift-off gripper 6 comprises a plurality of gripper extensions 6a or fingers 6a, a guide 6b and a compression spring 6c.
  • Lifting gripper 6 is, driven by the electromagnet 2 a, in
  • the control device 2 comprises a drive device as a
  • Electromagnet 2a with a magnet armature 2b, a magnetic core 2c and a magnetic coil 2d.
  • the control device 2 further comprises a housing 2m, which via the connecting part 2e with the
  • Compressor housing 4 is connected.
  • the control device 2 also comprises a drive device 2i or a control device 2i, electrical lines 2k, 21, wherein the electrical line 21 the
  • Control device 2 comprises two guides 2f, 2g around the
  • Electromagnet 2a and the connecting rod 7 slidably store in the stroke direction B.
  • a filter 3 may be provided.
  • the control device 2 also comprises a displacement sensor 2h, which detects the stroke or the position of the solenoid 2a or the position of the Abhebegreifers 6 in the stroke direction B.
  • the controllable valve 1 shown in Figure 1 can now be controlled in different ways over the cycles of the crank circuit.
  • a cycle is understood to mean a rotation of the crankshaft of the reciprocating compressor through 360 °.
  • Figure 2 shows the method of a continuous backflow control, wherein in Figure 2, the lifting movement A of the Abhebegreifers 6, the stroke B of the valve plate 5b and the speed C of the Abhebegreifers 6 are shown in function of the crank angle, wherein a single
  • Figure 2 shows the course over an angle between 0 ° and 360 °. From the lifting movement B of the valve plate 5b it can be seen that the valve plate 5b during suction, in the illustrated embodiment in
  • Angle range between about 90 ° and 1 10 ° automatically opens, so that the valve plate 5b rests against the valve catch 5c.
  • stepless backflow control is after opening the valve plate 5b, as shown by way of example with the curve A, the Abhebegreifer 6 moves or moved until it rests against the valve plate 5b.
  • Figure 2 with the curve C nor the speed of the Abhebegreifers 6 is shown.
  • Suction valve 5 would the suction valve 5 at reversal of
  • Closing member 5b is applied and prevents its closure, and that the Abhebegreifer 6 during a second portion K2 of the cycle of the crank circle according to the course of the curve A2
  • Example at about 290 °, rests on the valve seat 5a and the valve 5 closes.
  • the lift-off gripper 6 is still continue to process so that this example is spaced from the valve plate 5b.
  • the movement of the closing member 5b is influenced via the drive device, in the illustrated embodiment via the solenoid 2a and the connecting rod 7 in the section K2 such that the lift-off gripper 6 in the function of the crank circle in FIG
  • Closing member 5a is reduced before placing on the suction valve 5, as shown in Figure 2.
  • the Abhebegreifer 6 is then in another
  • Section K3 still moved into an end position, advantageously as shown in the curve C with the "second hump” by again accelerated and then braked again, so that the
  • the solenoid 2a is in a
  • the valve 1 can also be operated with the method of Aussetzregelung.
  • the lifting gripper 6 is moved such that this during a whole cycle of
  • FIG. 7 shows schematically a reciprocating compressor comprising a compressor housing 4 with a movably mounted, via a
  • a suction valve 5 is also arranged, via which the fluid or gas to be conveyed is sucked.
  • the reciprocating compressor also includes a gripper 6, the one of a control device 2 comprising a
  • the Drive device is driven.
  • the control device 2 the
  • Suction valve 5 and the gripper 6 form a controllable valve 1.
  • a pressure valve 8 is also arranged, via which the compressed gas leaves the compression chamber 4c.
  • the reciprocating compressor can also a plurality of
  • Compression chambers 4c include, wherein each compression chamber 4c comprises a separate piston 4e with piston rod 4f, and wherein each compression chamber 4c comprises a separate, controllable valve 1.
  • FIG. 3 now shows the course of the pressure in a compression chamber 4c of a reciprocating compressor as a function of the crank angle for different operating methods.
  • Embodiment is the bottom dead center UTP at 90 °, that is, in this position, the compression chamber 4c reaches the maximum
  • the top dead center OTP in this example is 270 °, ie in this position, the compression chamber 4c reaches the minimum volume.
  • the movement of the closing member 5b of the suction valve 5 is automatic, so that over a crank angle of 360 ° results in the pressure curve shown.
  • the pressure-side pressure for example, about 3.1 bar
  • the pressure valve 8 in the illustrated embodiment including bias by the Valve springs open at a pressure of about 3.2 bar.
  • Pressure valve 8 opens approximately at a crank angle of 190 °.
  • the automatic pressure valve 8 is fully opened in the illustrated embodiment during an angular range Kw of about 50 °, because the pressure valve 8 in this Maximaloffenwinkel Scheme Kw the
  • Section F is shown a continuous backflow control, in which, as described in Figure 2, the closing member 5b is kept open during part of the crank angle of 360 ° from Abhebegreifer 6, so that the pressure build-up in the compression chamber 4c based on the crank angle later, and the pressure curve shown results.
  • the pressure valve 8 opens approximately at a
  • Compression phase the sucked gas is pushed back into the suction line and thus is the compression and further transport into the pressure line is not available.
  • the compression chamber does not deliver gas. If the skip control deactivates the
  • Both methods use the lift-off gripper 6 to push the sealing element 5b of the valve 5, for example a plate, ring or poppet valve, against the valve catcher 5c and thus into the open position.
  • the sealing element 5b of the valve for example a plate, ring or poppet valve
  • the flow rate of a reciprocating compressor can now, as indicated in Figure 3, by a combination of continuous backflow control F and Aussetzregelung E are regulated in a wide range, in addition also the section D can be used for flow control, during which the closing member 5b moves automatically.
  • These three types of operation D, E, F of operating the valve 5 can now be combined with each other, so that
  • the valve could be controlled, for example, such that different flow rates are controlled so that the
  • Suction valve 5 is operated automatically at high flow rates during certain cycles, and is operated during certain cycles according to the continuous backflow control,
  • FIG. 4 shows the lifting movement 8c of the pressure valve 8 as a function of the crankshaft angle.
  • the lifting movement is 5e of
  • the opening duration of the automatic pressure valve 8 is determined by the angular range during which the pressure in
  • Compaction space 4c is above the opening pressure of the pressure valve 8, in the embodiment according to Figure 3 above a pressure of 3.2 bar. From the continuously variable in Fig. 3 and 4 shown with F.
  • the reciprocating compressor is operated such that the Aussetzregelung E is used during one or more Kurbeizyklen to promote in the subsequent backflow control F a large enough amount of gas, so that the pressure valve 8 over one
  • FIG. 5 shows a
  • a compressor may be configured such that, as shown in FIG. 7, it has only one compression space 4c per cylinder, such a compression space 4c subsequently also being upper
  • the compressor may also be designed such that it has a second compression chamber in the same cylinder, which is separated from the first compression chamber by the piston 4e, so that during the movement of the piston 4e the fluid is compressed in one compression chamber and drawn in the other compression chamber.
  • the second compression chamber in the same cylinder, which is separated from the first compression chamber by the piston 4e, so that during the movement of the piston 4e the fluid is compressed in one compression chamber and drawn in the other compression chamber.
  • Compaction space is also referred to below as the lower compression space.
  • Dead center UTP in the lower compression chamber, if the cylinder includes two compression chambers
  • An advantage of this method is that only the opening time must be determined because the closing time is reasonably known and is in an idealized valve at the dead center of the upper or, if present, lower compression space.
  • the opening time of the pressure valve 8 for example, via a
  • FIG. 6 shows characteristic magnitudes of the controllable valve 1 as a function of the crank angle or the angle of rotation in order to obtain the course of movement B of the valve plate 5b and the course of movement A of the lift-off gripper 6 shown in FIG.
  • the curve C the speed profile of the lift-off gripper 6 is shown.
  • Electromagnet 2a caused force G and to control the
  • Electromagnet 2a required current H shown.
  • the courses shown in FIG. 6 are particularly important in order to bring about the "gentle landing" of the valve plate 5b on the valve catcher 5c shown in FIG.
  • FIG. 8 schematically shows a further exemplary embodiment of a
  • Control device 2 for actuating and driving the on the
  • the control device 2 comprises a drive device 2n, which is connected via the linearly movably mounted connecting rod 7 with the gripper 6 shown schematically in Figure 7.
  • the drive device 2n shown in this embodiment comprises a linear drive 2w and an electrically controllable damping device 2o, wherein the
  • Damping device 2o the function has to dampen electrically controlled the movement generated by the linear drive 2w so that the gripper 6 and the valve plate 5b of the suction valve 5 as shown for example in Figure 2 moves.
  • the linear drive 2w has a linearly movable connecting rod 2t, which
  • the damping device 2o is operatively connected to the connecting rod 7.
  • the damping device 2o is disposed between the linear drive 2w and the gripper 6.
  • the damping device 2o could also be arranged at a different location, in the illustrated view of the control device. 2 for example, above the linear drive 2w.
  • the damping device 2o can be configured in a variety of ways to effect a damping of the movement of the linear drive 2w. To the inventive "soft landing" of
  • the damping device 2o comprises a cylinder 2p and in its interior a linearly displaceable piston 2r which divides the interior of the cylinder 2p into a first inner space 2q and a second inner space 2s.
  • the two inner spaces 2q, 2s are connected to each other via a fluid-conducting connection 2u, so that a fluid is exchangeable between the two inner spaces 2q, 2s.
  • the two inner spaces 2q, 2s are conductively connected to each other via an electrically controllable damping or throttle 2v fluid.
  • Control device 2i is connected via electrical lines 2k, 21 signal conductively connected to the linear drive 2w and the controllable damping 2v, so that both the linear drive 2w and the
  • Damping properties of the damping device 2o are controlled to control the position or the speed of the valve plate 5b such that, as exemplified in Figure 2, a "soft landing" of the valve plate 5b is effected.
  • the fluid-conducting connection 2u and the electrically controllable damping 2v could also be arranged on the damping device 2o or within the damping device 2o, in particular also on the piston 2r by the piston 2r, for example, a fluid-conducting connection between the first and second inner space 2q, 2 s having.
  • the fluid of the damping device 2o at least partially consists of a
  • Such liquids have the property that their viscosity is electrically controllable, so that with such liquids, an electrically controllable throttle section can be configured.
  • a throttle section has the advantage that the viscosity can be varied within a wide range, and that the viscosity can be changed very quickly with the aid of the electrical signal.
  • the damping properties of such a damping device 2o are characterized very quickly changed, so that the movement of the piston 2r and thus the movement of the connecting rod 7, the gripper 6 and ultimately the valve plate 5b can be so damped
  • valve plate 5b with respect to the path traveled and speed a "gentle
  • Damping devices comprising an electrorheological or magnetorheological fluid are known for example from US Pat
  • the linear drive 2w can be designed, for example, as a hydraulic or pneumatic drive, as an electromagnetic drive, as a linear motor or as an electric motor with a translation.
  • FIG. 9 shows a further exemplary embodiment of a control device 2.
  • the damping device 2o according to FIG. 9 comprises an electric motor
  • Damping device 2o The damping properties of Damping device 2o are controlled via the electrical three-way valve 2y by this between the first and second
  • the damping device 2o could also comprise a plurality of throttles 2 x with different throttle effects, as well as a
  • Multi-way valve which can be controlled and selectively supply each of these throttles, the fluid, so that the damping device 2o a
  • Damping device 2o also be designed such that the output from the damping device 2o on the closing member 5b braking energy can be recovered.
  • Damping device 2o could, for example, as a
  • Eddy current brake is designed.
  • the damping properties of such an eddy current brake could also be electrically controlled.
  • the damping properties of such an eddy current brake could also be electrically controlled.
  • Damping device 2o thus configured as a controllable eddy current brake, which on the one hand driving the
  • Energy recovery allowed, with the energy recovery is preferably generated electrical energy. Since the Abhebegreifer 6 is operated very quickly and very frequently during the backflow control, a damping device 2o with energy recovery is particularly advantageous to the total energy required to operate the suction valve 5 and to operate the Abhebegreifers 6 to reduce. Advantageously, the heating occurring during operation is also reduced.

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Abstract

Das Verfahren zur Fördermengenregelung eines Hubkolben-Kompressors erfolgt, indem die Bewegung eines Schliessorgans (5b) eines selbsttätigen Saugventils (5) mittels eines von einer Steuereinrichtung (2) angetriebenen Abhebegreifers (6) während zumindest eines Teils eines Zyklus des Kurbelkreises beeinflusst wird, wobei das Verfahren eine stufenlose Rückstromregelung umfasst, bei welcher der Abhebegreifer (6) während eines ersten Teilabschnittes (K1) des Zyklus des Kurbelkreises am Schliessorgan (5b) anliegt und dessen Schliessen verhindert, und bei welcher der Abhebegreifer (6) während eines zweiten Teilabschnittes (K2) des Zyklus des Kurbelkreises zurückgefahren wird und das Schliessorgan (5b) geschlossen wird, wobei der Abhebegreifer (6) derart zurückgefahren wird, dass die Geschwindigkeit des sich bewegenden Schliessorgans (5b) vor dem Aufsetzen auf das Saugventil (5) reduziert wird.

Description

VERFAHREN ZUR FÖRDERMENGENREGELUNG UND
HUBKOLBEN-KOMPRESSOR MIT
FÖRDERMENGENREGELUNG
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fördermengenregelung eines Hubkolben-Kompressors gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft weiter einen Hubkolben-Kompressor mit
Fördermengenregelung gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 12.
Stand der Technik
Die Druckschriften EP 0801227 A2 und EP1400692 offenbaren ein
Verfahren zur Beeinflussung der druckabhängig selbsttätigen,
periodischen Öffnungsbewegung eines Schließorganes eines Saugventils eines Hubkolben-Kompressors mittels einer, bedarfsweise zumindest über einen Teil des Kurbelkreises auf das Schließorgan einwirkenden Steuereinrichtung. Da die Lebensdauer von zumeist saug- und
druckseitig verwendeten, selbsttätigen Kompressorventilen primär durch die Schlagbeanspruchung beim abwechselnden Auftreffen des
eigentlichen Schließorganes auf Sitz bzw. Fänger beeinflusst wird, offenbart die genannte Druckschrift ein Verfahren, bei welchem das
Saugventil mittels eines sogenannten Abhebegreifers vor Erreichen des Druckgleichgewichtes zwangsweise geöffnet wird, um eine starke momentane Beschleunigung des Schliessorgans in Richtung zum Fänger hin, welche beim selbsttätigen Öffnen auftreten würde, zu vermeiden. Dies ermöglicht die Schlagbeanspruchung des Kompressorventils zu reduzieren.
Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, dass die saug- und
insbesondere die druckseitig verwendeten Kompressorventile immer noch eine hohe Beanspruchung aufweisen, insbesondere dann, wenn die Kompressoranlage gemäss dem Verfahren einer stufenlosen
Rückstromregelung betrieben wird. Bei der stufenlosen
Rückstromregelung wird das Saugventil mit Hilfe des Abhebegreifers während eines Teilwinkelbereichs des Kompressionstaktes offen gehalten und danach geschlossen, um dadurch die Fördermenge zu beeinflussen. Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens ist die Tatsache, dass das Schliessorgan des Saugventils und des Druckventils einem relativ grossen Verschleiss unterliegt, was einen entsprechend hohen
Wartungsaufwand erfordert.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es ein vorteilhafteres Verfahren zur
Fördermengenregelung eines Hubkolben-Kompressors zu bilden. Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren aufweisend die Merkmale von Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 1 1 betreffen weitere, vorteilhafte Verfahrensschritte. Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einem Hubkolben-Kompressor aufweisend die Merkmale von Anspruch 12. Die abhängigen Ansprüche 13 bis 17 betreffen weitere, vorteilhafte
Ausführungsformen. Die Aufgabe wird insbesondere gelöst mit einem Verfahren zur
Fördermengenregelung eines Hubkolben-Kompressors, indem die Bewegung eines Schliessorgans eines selbsttätigen Saugventils mittels eines von einer Steuereinrichtung angetriebenen Abhebegreifers während zumindest eines Teils eines Zyklus des Kurbelkreises beeinflusst wird, wobei das Verfahren eine stufenlose Rückstromregelung umfasst, bei welcher der Abhebegreifer während eines ersten Teilabschnittes des Zyklus des Kurbelkreises am Schliessorgan anliegt und dessen
Schliessen verhindert, und bei welcher der Abhebegreifer während eines zweiten Teilabschnittes des Zyklus des Kurbelkreises zurückgefahren wird und das Schliessorgan geschlossen wird, wobei der Abhebegreifer derart zurückgefahren wird, dass die Geschwindigkeit des sich
bewegenden Schliessorgans vor dem Aufsetzen auf das Saugventil reduziert wird.
In einem weiteren vorteilhaften Verfahren umfasst dieses eine
Aussetzregelung, bei welcher der Abhebegreifer während eines ganzen Zyklus des Kurbelkreises das Schliessen des Schliessorgans verhindert, wobei die Fördermenge zumindest durch eine Kombination von
stufenloser Rückstromregelung und Aussetzregelung geregelt wird. Beim erfindungsgemässen Verfahren wird die Fördermenge durch das erzwungene Offenhalten des Saugventils geregelt. Dabei werden zur Regelung vorzugsweise zwei unterschiedliche Verfahren verwendet, nämlich eine Aussetzregelung und die stufenlose Rückstromregelung. Beide Verfahren verwenden einen sogenannten Abhebegreifer, welcher das Schliessorgan des Ventils, zum Beispiel ein Platten-, Ring- oder
Poppetventil, in eine offene Stellung drücken, und vorzugsweise auf den Ventilsitz drücken.
Der Hubkolben-Kompressor weist einen Verdichtungsraum auf, welchem über ein Saugventil Gas zugeführt wird, und aus welchem über ein Auslassventil, auch als Druckventil bezeichnet, verdichtetes Gas abgeführt wird. Beim Verfahren der Aussetzregelung wird das
Schliessorgan des Saugventils während eines gesamten Arbeitstakts beziehungsweise eines ganzen Arbeitszyklus offen gehalten. Dadurch steigt während der Kompressionsphase der Druck im
Verdichtungsraumes nicht über den Druck an, welcher erforderlich ist um das Druckventil zu öffnen, sodass das angesaugte Gas während der Kompressionsphase zurück in die Saugleitung gedrückt wird, und dadurch der Verdichtung und dem Weitertransport in die Druckleitung nicht zur Verfügung steht. Das Druckventil bleibt somit geschlossen und dieser Verdichtungsraum fördert somit kein Gas über das Druckventil in die Druckleitung. Wird die Aussetzregelung deaktiviert, das heisst ein Normalbetrieb gefahren, so fördert der Verdichtungsraum wieder den gesamten Gasstrom über das Druckventil in die Druckleitung. Weist der Hubkolben-Kompressor beispielsweise nur einen Verdichtungsraum auf, so kann die Aussetzregelung derart betrieben werden, dass gewisse Arbeitszyklen mit Normalbetrieb gefahren werden, und während gewissen Arbeitszyklen die Aussetzregelung aktiviert ist. Ein Nachteil der Aussetzregelung ist somit, dass die vom Hubkolben-Kompressor geförderte Gasmenge nur stufenweise reguliert werden kann. Ein weiterer Nachteil der Aussetzregelung ist, dass der entlastete
Verdichtungsraum, das heisst bei sich nicht öffnendem Druckventil, nicht durchströmt wird und sich dadurch Schmutz im
Verdichtungsraum ansammeln kann, welcher den Verschleiss der Ventile respektive der Packungsringe und Kolbenringe erhöht.
Beim Verfahren der Rückstromregelung wird das Saugventil mit Hilfe des Abhebegreifers während eines Teilwinkelbereichs eines vollständigen Kompressionstaktes beziehungsweise eines vollständigen Kurbelkreises offen gehalten und danach geschlossen, um dadurch die Fördermenge zu beeinflussen. Dabei wird das Saugventil nur zu Beginn der
Kompressionsphase durch den Abhebegreifer aufgedrückt. Dadurch wird ein Teil des sich im Verdichtungsraum befindlichen Gases zurück in die Saugleitung gedrückt. Sobald das Schliessorgan des Saugventils vollständig schliesst wird das im Verdichtungsraum verbliebene Gas komprimiert und über das Druckventil in die Druckleitung gepresst. Während der Rückstromregelung wird somit nur einen Teil des maximal möglichen Gasstroms aus dem Verdichtungsraum über das Druckventil in die Druckleitung gefördert.
Nachteilig am Verfahren der Rückstromregelung ist die Tatsache, dass die Öffnungszeit des selbsttätigen Druckventils bei kleineren
Fördermengen entsprechend reduziert wird, und dass bei Fördermengen geringer als 40% der nominalen Fördermenge die Öffnungszeit des Druckventils derart verkürzt wird, dass sich die Öffnungs- und
Schliessgeschwindigkeiten des Druckventils vervielfachen können. Dies führt einerseits zu einem erhöhten Verschleiss des selbstätigen
Druckventils, und andererseits reduziert dies den Bereich innerhalb welchem Teilfördermengen zuverlässig geförderte werden können. Ein weiterer Nachteil der Rückstromregelung ist, dass das Gas vor dem
Verdichten stärker erwärmt wird auf Grund der längeren Verweilzeit im Verdichtungsraum und auf Grund des Wärmetransfers über die
Zylinderwand und auf Grund eines Leckagestroms über den Kolben. Dies hat zur Folgen, dass das Gas auf der Druckseite eine erhöhte Temperatur aufweist.
Das erfindungsgemässe Verfahren weist in einer vorteilhaften
Ausgestatlung den Vorteil auf, dass durch die kombinierte Anwendung von Rückstromregelung und Aussetzregelung die vom Hubkolben- Kompressor geförderte Menge in einem weiten Bereich verändert werden kann, insbesondere ohne zusätzlichen Verschleiss des Schliessorgans des Saugventils und/ oder des Druckventils. Für die Regelung der
Fördermenge stehen vorzugsweise im Wesentlichen drei unterschiedliche Verfahren zur Verfügung, welche angewendet werden können. Nebst einem Verfahren mit maximaler Fördermenge, bei welche das Saugventil selbsttätig schliesst, noch das bereits beschriebene Verfahren der
Rückstromregelung und das bereits beschriebene Verfahren der
Aussetzregelung. Abhängig von der jeweils zu fördernden Fluidmenge kann die Regelung beispielsweise wie folgt erfolgen:
- Zum Fördern der maximalen Fördermenge wird das Saugventil nicht beeinflusst und öffnet und schliesst somit selbsttätig.
- Bei grossen Förderströmen, das heisst Fördermengen im Bereich zwischen etwa 100% und 80% der maximalen Fördermenge, wird eine stufenlose Rückstromregelung eingesetzt. Wobei es auch möglich ist, dass nicht jeder Zyklus des Kurbelkreises mit der
Rückstromregelung geregelt wird, sondern das Saugventil auch beispielsweise einen oder zwei Zyklen selbsttätig und somit ohne Beeinflussung betrieben wird. Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, dass der Abhebegreifer weniger beansprucht wird, sodass sich längere Standzeiten ergeben, und dass die Mengenregelung selbst weniger Energie verbraucht.
- Bei mittleren Förderströmen, das heisst bei Fördermengen im
Bereich zwischen etwa 80% und 50% der maximalen Fördermenge, wird bei jedem Zyklus die stufenlose Rückstromregelung
verwendet.
- Bei kleinen Förderströmen, das heisst bei Fördermengen im
Bereich zwischen etwa 50% und 0% der maximalen Fördermenge, wird das Schliessorgan des Saugventils Mittels der
Aussetzregelung während beispielsweise einem oder zwei Zyklen offen gehalten. Bei den anderen Zyklen kann entweder das Saugventil selbsttätig betrieben werden, oder zusätzlich, falls erforderlich, die Rückstromregelung eingesetzt werden.
Besonders vorteilhaft wird das Saugventil durch die Steuereinrichtung und den Abhebegreifer derart beeinflusst, dass das Schliessorgan des Druckventils des Hubkolben-Kompressors zumindest während eines vorgegebenen Öffnungswinkelbereichs eines Kurbelkreises geöffnet wird.
Der Öffnungswinkelbereich beträgt zumindest 10° und vorzugsweise zumindest 20° bis 30°. Das erfindungsgemässe Verfahren sowie der erfindungsgemässe
Hubkolbenkompressor weisen den Vorteil auf, dass die Hubbewegung und/ oder die Geschwindigkeit des Abhebegreifers mit Hilfe einer
Antriebsvorrichtung, vorzugsweise einen Elektromagneten, sehr präzise ansteuerbar ist, derart, dass die Geschwindigkeit des sich schliessenden Schliessorgans vor dem Aufsetzen auf das Saugventil reduziert werden kann, sodass das Schliessorgan mit geringer Geschwindigkeit am
Saugventil auftrifft und dort zu liegen kommt, sodass das Schliessorgan somit„sanft" auf das Saugventil aufsetzt, was auf Englisch auch als„soft landing" bezeichnet werden kann. In einem besonders bevorzugten Verfahren beträgt die Geschwindigkeit des Schliessorgans während des Aufsetzens auf das Saugventil weniger als 0, 1 m/s, sodass das
Schliessorgan 5b während dem Auftreffen auf den Ventilsitz 5a des Saugventils 5 eine Grenzauftreffgeschwindigkeit von weniger als 0, 1 m/s aufweist. Dieses vorteilhafte Verfahren reduziert den Verschleiss des Schliessorganes erheblich und hat vorteilhafter zusätzlich zur Folge, dass der Betrieb des Ventils einen geringeren Geräuschpegel aufweist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die
Antriebsvorrichtung eine ansteuerbare Dämpfungsvorrichtung, um die Geschwindigkeit des Abhebegreifers und insbesondere auch den Ort der reduzierten Geschwindigkeit derart zu beeinflussen, dass das
Schliessorgan beim Schliessen mit geringer Geschwindigkeit am
Saugventil auftrifft, sodass das Schliessorgan somit„sanft" auf das Saugventil aufsetzt und dieses schliesst. Die Dämpfungsvorrichtung ist besonders vorteilhaft elektrisch ansteuerbar, und umfasst besonders vorteilhaft eine elektrorheologische oder magnetorheologische
Flüssigkeit, deren Viskosität elektrostatisch oder elektromagnetisch veränderbar ist, sodass die Dämpfung über elektrische Signale sehr schnell veränderbar ist. Die Dämpfungsvorrichtung kann jedoch auch auf einem anderen Prinzip beruhen und beispielsweise als
Elektromagnet ausgestaltet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Ausführungsbeispielen im Detail beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele verwendeten Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein ansteuerbares Ventil;
Fig. 2 ein Beispiel der Bewegung des Abhebegreifers, des Schliessorgans des Saugventils sowie der Geschwindigkeit des Abhebegreifers in Funktion des Kurbelwinkels;
Fig. 3 der Verlauf des Drucks im Verdichtungsraum des
Hubkolbenkompressors bei unterschiedlichen Betriebsverfahren;
Fig. 4 der Verlauf des Ventilhubs des Saugventils und des Druckventils bei den in Figur 3 dargestellten Betriebsverfahren; Fig. 5 ein Lastverlauf in einem PV-Diagramm bei unterschiedlichen Betriebsverfahren;
Fig. 6 charakteristische Grössen des Ventils in Funktion des
Kurbelwinkels; Fig. 7 schematisch ein Hubkolben-Kompressor;
Fig. 8 schematisch eine Steuereinrichtung zum Betätigen des auf das Saugventil wirkenden Greifers;
Fig. 9 schematisch eine weitere Steuereinrichtung zum Betätigen des auf das Saugventil wirkenden Greifers.
Grundsätzlich sind in den Zeichnungen gleiche Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein ansteuerbares Ventil 1 umfassend ein Kompressorgehäuse 4 mit einem darin angeordneten Saugventil 5, dessen Stellung von einem Abhebegreifer 6 beeinflusst wird, wobei der Abhebegreifer 6 über ein als Verbindungsstange ausgestaltetes Verbindungsmittel 7 von einer ausserhalb des
Kompressorgehäuses 4 angeordneten Steuereinrichtung 2 betätigt wird. Das Kompressorgehäuse 4 umfasst eine Laterne 4a, einen Gasraum 4b, einen Verdichtungsraum 4c und einen Deckel 4d, wobei das
Kompressorgehäuse 4 zudem ein nicht dargestelltes beziehungsweise nicht sichtbares Druckventil 8 umfasst, über welches das komprimierte Fluid aus dem Verdichtungsraum 4c entweichen kann. Das selbsttätige Saugventil 5 umfasst einen Ventilsitz 5a, ein in einer Hubrichtung B beweglich gelagertes, nachfolgend auch als Ventilplatte 5b bezeichnetes Schliessorgan 5b, einen Ventilfänger 5c sowie eine Rückstellfeder 5d. Der Abhebegreifer 6 umfasst eine Mehrzahl von Greiferfortsätzen 6a oder Fingern 6a, eine Führung 6b sowie eine Druckfeder 6c. Der
Abhebegreifer 6 ist, angetrieben von den Elektromagneten 2 a, in
Hubrichtung B verschiebbar gelagert, wobei die Spitze der
Greiferfortsätze 6a abhängig vom Hub in Richtung B an der Ventilplatte 5b anliegen können, und insbesondere die Ventilplatte 5b gegen den Ventilfänger 5c drücken können, sodass die Ventilplatte 5b nicht mehr beweglich ist, und das Ventil 5 dadurch zwangsweise geöffnet bleibt. Die Steuereinrichtung 2 umfasst als Antriebsvorrichtung einen
Elektromagnet 2a mit einem Magnetanker 2b, einem Magnetkern 2c sowie einer Magnetspule 2d. Die Steuereinrichtung 2 umfasst weiter ein Gehäuse 2m, das über das Verbindungsteil 2e mit dem
Kompressorgehäuse 4 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 2 umfasst zudem eine Ansteuervorrichtung 2i oder eine Regelvorrichtung 2i, elektrische Leitungen 2k, 21, wobei die elektrische Leitung 21 die
Ansteuervorrichtung 2i mit dem Elektromagnet 2a verbindet. Die
Steuereinrichtung 2 umfasst zwei Führungen 2f, 2g um den
Elektromagnet 2a und die Verbindungsstange 7 in Hubrichtung B verschiebbar zu lagern. Zudem kann noch ein Filter 3 vorgesehen sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Steuereinrichtung 2 zudem einen Wegsensor 2h, welcher den Hub beziehungsweise die Lage des Elektromagnet 2a beziehungsweise die Lage des Abhebegreifers 6 in Hubrichtung B erfasst.
Das in Figur 1 dargestellte ansteuerbare Ventil 1 kann nun über die Zyklen des Kurbelkreises auf unterschiedliche Weise angesteuert werden. Unter einem Zyklus wird eine Drehung der Kurbelwelle des Hubkolben-Kompressors um 360° verstanden. Figur 2 zeigt das Verfahren einer stufenlosen Rückstromregelung, wobei in Figur 2 die Hubbewegung A des Abhebegreifers 6, die Hubbewegung B der Ventilplatte 5b und die Geschwindigkeit C des Abhebegreifers 6 in Funktion des Kurbelwinkels dargestellt sind, wobei eine einzige
Umdrehung der Kurbelwelle dargestellt ist, das heisst Figur 2 zeigt den Verlauf über einem Winkel zwischen 0° und 360°. Aus der Hubbewegung B der Ventilplatte 5b ist ersichtlich, dass sich die Ventilplatte 5b während dem Ansaugen, im dargestellten Ausführungsbeispiel im
Winkelbereich zwischen etwa 90° und 1 10° selbsttätig öffnet, sodass die Ventilplatte 5b am Ventilfänger 5c anliegt. Beim Verfahren der
stufenlosen Rückstromregelung wird nach dem Öffnen der Ventilplatte 5b, wie mit der Kurve A beispielhaft dargestellt, der Abhebegreifer 6 bewegt beziehungsweise verfahren, bis dieser an der Ventilplatte 5b anliegt. Zudem ist in Figur 2 mit der Kurve C noch die Geschwindigkeit des Abhebegreifers 6 dargestellt. Beim selbsttätigen Betrieb des
Saugventils 5 würde das Saugventil 5 bei Umkehr der
Bewegungsrichtung des Kolbens, im dargestellten Beispiel bei 225°, selbsttätig schliessen. Das Verfahren der stufenlosen
Rückstromregelung bewirkt nun, dass der Abhebegreifer 6 während eines ersten Teilabschnittes Kl des Zyklus des Kurbelkreises am
Schliessorgan 5b anliegt und dessen Schliessen verhindert, und dass der Abhebegreifer 6 während eines zweiten Teilabschnittes K2 des Zyklus des Kurbelkreises entsprechend dem Verlauf der Kurve A2
zurückgefahren wird, wobei das Schliessorgan 5b, nämlich die
Ventilplatte 5b, auf Grund der anliegenden Druckverhältnisse der
Bewegung des Abhebegreifers 6 folgt beziehungsweise am Abhebegreifer 6 anliegt, sodass die Ventilplatte 5b irgendwann, im dargestellten
Beispiel etwa bei 290°, auf dem Ventilsitz 5a aufliegt und das Ventil 5 verschliesst. Im weiteren Teilabschnitt K3 wird der Abhebegreifer 6 noch weiter verfahren, damit dieser z.B. von der Ventilplatte 5b beabstandet ist.
Die Bewegung des Schliessorgans 5b wird über die Antriebsvorrichtung, im dargestellten Ausführungsbeispiel über den Elektromagnet 2a und die Verbindungsstange 7 im Teilabschnitt K2 derart beeinflusst, dass der Abhebegreifer 6 in Funktion des Kurbelkreises den in Figur 2
dargestellten Hubverlauf A beziehungsweise den in Figur 2 dargestellten Geschwindigkeitsverlauf C aufweist, wobei der Elektromagnet 2a derart angesteuert wird, dass die Geschwindigkeit des sich bewegenden
Schliessorgans 5a vor dem Aufsetzen auf das Saugventil 5 reduziert wird, wie dies in Figur 2 dargestellt ist. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird der Abhebegreifer 6 danach in einem weiteren
Teilabschnitt K3 noch in eine Endlage verfahren, vorteilhafterweise wie in der Kurve C mit dem„zweiten Höcker" dargestellt, indem nochmals beschleunigt und danach wieder abgebremst wird, sodass der
Abhebegreifer 6, wie im Hubverlauf A im Teilabschnitt K3 dargestellt, beabstandet, das heisst ohne direkten Kontakt mit dem Schliessorgan 5a, zum Stillstand gelangt. Der Elektromagnet 2a wird in einem
vorteilhaften Verfahrensschritt derart angesteuert, dass das
Schliessorgan 5b während des Aufsetzens auf das Saugventil eine
Geschwindigkeit von weniger als 0, 1 m/s aufweist.
Das Ventil 1 kann auch mit dem Verfahren der Aussetzregelung betrieben werden. Bei der Aussetzregelung wird der Abhebegreifer 6 derart verfahren, dass dieser während eines ganzen Zyklus des
Kurbelkreises das Schliessen des Schliessorgans 5b verhindert, vorzugsweise dadurch, dass der Abhebegreifer 6 während dem ganzen Zyklus am Schliessorgan 5b anliegt, sodass dieses über den ganzen Zyklus geöffnet bleibt. Figur 7 zeigt schematisch einen Hubkolbenkompressor umfassend ein Kompressorgehäuse 4 mit einem beweglich gelagerten, über eine
Kolbenstange 4f angetriebenen Kolben 4e, der teilweise einen
Verdichtungsraum 4c begrenzt. Am Kompressorgehäuse 4 ist zudem ein Saugventil 5 angeordnet, über welches das zu fördernde Fluid oder Gas angesogen wird. Der Hubkolbenkompressor umfasst zudem einen Greifer 6, der von einer Steuereinrichtung 2 umfassend eine
Antriebsvorrichtung angetrieben ist. Die Steuereinrichtung 2, das
Saugventil 5 und der Greifer 6 bilden ein ansteuerbares Ventil 1. Am Kompressorgehäuse 4 ist zudem ein Druckventil 8 angeordnet, über welches das komprimierte Gas den Verdichtungsraum 4c verläset. Der Hubkolbenkompressor kann natürlich auch eine Mehrzahl von
Verdichtungsräumen 4c umfassen, wobei jeder Verdichtungsraum 4c einen separaten Kolben 4e mit Kolbenstange 4f umfasst, und wobei jeder Verdichtungsraum 4c ein separates, ansteuerbares Ventil 1 umfasst.
Figur 3 zeigt nun den Verlauf des Drucks in einem Verdichtungsraum 4c eines Hubkolbenkompressors in Funktion des Kurbelwinkels für unterschiedliche Betriebsverfahren. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel liegt der untere Totpunkt UTP bei 90°, das heisst bei dieser Stellung erreicht der Verdichtungsraum 4c das maximale
Volumen. Der obere Totpunkt OTP liegt in diesem Beispiel bei 270°, das heisst bei dieser Stellung erreicht der Verdichtungsraum 4c das minimale Volumen. Im ersten Abschnitt D erfolgt die Bewegung des Schliessorgans 5b des Saugventils 5 selbsttätig, sodass sich über einen Kurbelwinkel von 360° der dargestellte Druckverlauf ergibt. Die
Bewegung des Schliessorgans des Druckventils 8 erfolgt in Figur 3 immer selbsttätig. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der druckseitige Druck beispielsweise etwa 3.1 Bar, wobei das Druckventil 8 im dargestellten Ausführungsbeispiel inklusive Vorspannung durch die Ventilfedern sich bei einem Druck von etwa 3,2 Bar öffnet. Das
Druckventil 8 öffnet etwa bei einem Kurbelwinkel von 190°. Das selbsttätige Druckventil 8 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel während einem Winkelbereich Kw von etwa 50° vollständig geöffnet, weil das Druckventil 8 in diesem Maximaloffenwinkelbereich Kw den
maximalen Ventilhub aufweist, bevor das Druckventil 8 wieder schliesst. Der Gesamtöffnungswinkel Kv, während welchem das Ventil geöffnet ist, das heisst das Schliessorgan vom Ventilsitz abgehoben ist,
beziehungsweise die gesamte Öffnungszeit des Druckventils 8 beträgt ca. 80°. Im zweiten Abschnitt E ist eine Aussetzregelung dargestellt, bei welcher wie vorhin beschrieben das Schliessorgans 5b über den
gesamten Kurbelwinkel von 360° vom Abhebegreifer 6 offen gehalten wird, sodass sich im Verdichtungsraum 4c der dargestellte Druckverlauf ergibt. Der Druck im Verdichtungsraum 4c bleibt ständig unter 3,2 Bar, sodass sich das Druckventil 8 nicht selbsttätig öffnet. Im dritten
Abschnitt F ist eine stufenlose Rückstromregelung dargestellt, bei welcher, wie in Figur 2 beschrieben, das Schliessorgans 5b während eines Teils des Kurbelwinkel von 360° vom Abhebegreifer 6 offen gehalten wird, sodass der Druckaufbau im Verdichtungsraum 4c bezogen auf den Kurbelwinkel später erfolgt, und sich der dargestellte Druckverlauf ergibt. Das Druckventil 8 öffnet etwa bei einem
Kurbelwinkel von 210°. Das selbsttätige Druckventil 8 bleibt im
dargestellten Ausführungsbeispiel während einem
Maximaloffenwinkelbereich Kw von etwa 30° vollständig geöffnet, bevor sich der Ventilhub, wie in Figur 4 dargestellt verringert, und das Ventil 8 nach dem Gesamtöffnungswinkel Kv wieder vollständig schliesst. Der Gesamtöffnungswinkel Kv, während welchem das Ventil 8 geöffnet ist, beziehungsweise die gesamte Öffnungszeit der Ventils beträgt ca. 60°. Bei der Aussetzregelung wird somit während eines gesamten Arbeitstakts das Saugventil 5 offen gehalten. Dadurch wird während der
Kompressionsphase das angesaugte Gas zurück in die Saugleitung gedrückt und steht somit der Verdichtung und dem Weitertransport in die Druckleitung nicht zur Verfügung. Der Verdichtungsraum fördert kein Gas. Wird die Aussetzregelung deaktiviert fördert der
Verdichtungsraum wieder den vollen Fluidstrom.
Bei der stufenlosen Rückstromregelung hingegen wird nur zu Beginn der Kompressionsphase das Schliessorgan 5b des Saugventils 5
aufgedrückt. Dadurch wird ein Teil des Gases zurück in die Saugleitung gedrückt. Schliesst das Saugventil 5, so kann das verbliebene Gas im Verdichtungsraum komprimiert werden und durch das Druckventil in die Druckleitung gepresst werden. Der Verdichtungsraum fördert nur einen Teil des maximal möglichen Gasstroms.
Beide Verfahren verwenden den Abhebegreifer 6 um das Dichtelement 5b des Ventils 5, zum Beispiel ein Platten-, Ring- oder Poppetventil, gegen den Ventilfänger 5c und somit in die offene Stellung zu drücken. Da bei der stufenlosen Rückstromregelung der Abhebegreifer 6 in einem
Arbeitszyklus von der
geschlossenen in die offene Stellung und wieder zurück bewegt werden muss, und da bei der Aussetzregelung für dieselbe Bewegungsabfolge eine längere Zeit zu Verfügung
steht, sind die Leistungsaufnahme, die benötigten Kräfte, die
Verfahrgeschwindigkeiten und die Beanspruchung der verwendeten Bauteile bei der stufenlosen Rückstromregelung höher.
Die Fördermenge eines Hubkolbenkompressors kann nun, wie in Figur 3 angedeutet, durch eine Kombination von stufenloser Rückstromregelung F und Aussetzregelung E in einem weiten Bereich geregelt werden, wobei zudem noch der Abschnitt D zur Fördermengenregelung verwendet werden kann, während welchem das Schliessorgan 5b sich selbsttätig bewegt. Diese drei Betätigungsarten D, E, F des Betreibens des Ventils 5 können nun beliebig miteinander kombiniert werden, sodass
beispielsweise während nacheinander folgenden Zyklen vorerst nur die Betätigungsart D, E oder F erfolgt, und später beispielsweise eine
Kombination von zumindest zwei der drei Betätigungsarten D, E und F. Das Ventil könnte beispielsweise derart angesteuert werden, dass unterschiedliche Fördermengen derart geregelt werden, dass das
Saugventil 5 bei grossen Förderstrommengen während gewisser Zyklen selbsttätig betrieben wird, und während gewisser Zyklen gemäss der stufenlosen Rückstromregelung betrieben wird,
dass das Saugventil 5 bei mittleren Fördermengen während jedem
Zyklus gemäss der stufenlosen Rückstromregelung betrieben wird, und dass das Saugventil 5 bei kleinen Fördermengen während gewisser Zyklen ständig offengehalten wird, und während gewisser Zyklen gemäss der stufenlosen Rückstromregelung betrieben wird. Figur 4 zeigt die Hubbewegung 8c des Druckventils 8 in Funktion des Kurbelwellenwinkels. Zudem ist die Hubbewegung 5e des
Schliessorganes 5b des Saugventils 5 in Funktion des
Kurbelwellenwinkels dargestellt. Die Bewegung des Druckventils 8 erfolgt selbsttätig, wogegen die Bewegung des Schliessorgans 5b des Saugventils 5 wie vorhin beschrieben bei der Aussetzregelung E und der Rückstromregelung F durch den Greifer 6 bestimmt wird. Gut erkennbar ist in Figur 4 der Maximaloffenwinkelbereich Kw, innerhalb welches das Ventil 8 einen maximalen Ventilhub aufweist, das heisst, maximal geöffnet ist. Zudem ist der Gesamtöffnungswinkel Kv ersichtlich, während welchem das Ventil 8 geöffnet ist.
Die Öffnungsdauer des selbsttätigen Druckventils 8 wird durch den Winkelbereich bestimmt, während welchem der Druck im
Verdichtungsraum 4c über dem Öffnungsdruck des Druckventils 8 liegt, im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 3 über einem Druck von 3,2 Bar. Aus der in Figur 3 und 4 mit F dargestellten stufenlosen
Rückstromregelung ist ersichtlich, dass sich der Winkelbereich des geöffneten Druckventils 8 reduziert, je später das Schliessorgan 5b geschlossen wird. Dies hat insbesondere bei kleinen Fördermengen zur Folge, dass das Druckventil 8 nur während einem sehr kurzen
Gesamtöffnungswinkel Kv geöffnet wäre, falls ständig die
Rückstromregelung verwendet würde. Um den Gesamtöffnungswinkel Kv des Druckventils 8 bei kleinen Fördermengen zu erhöhen wird der Hubkolben-Kompressor derart betrieben, dass während einem oder mehreren Kurbeizyklen die Aussetzregelung E verwendet wird, um in der danach folgenden Rückstromregelung F eine genügend grosse Menge Gas zu fördern, sodass das Druckventil 8 über einem
Gesamtöffnungswinkel Kv von zumindest 10° und vorzugsweise über einem Gesamtöffnungswinkel Kv von zumindest zwischen 20° und 30° geöffnet bleibt. Dies hat zur Folge, dass das Druckventil 8 genügend lange geöffnet ist, um übermassige Schläge oder übermässige Öffnungsoder Schliessgeschwindigkeiten zu vermeiden. Dies verlängert die
Lebensdauer des Druckventils 8 beträchtlich. Figur 5 zeigt einen
Lastverlauf in einem PV-Diagramm bei unterschiedlichen
Betriebsverfahren, nämlich wie bereits in Figur 3 dargestellt, bei Volllast D mit selbsttätigem Saugventil 5, bei der Aussetzregelung E und bei der stufenlosen Rückstromregelung F. Ein Kompressor kann derart ausgestaltet sein, dass dieser wie in Figur 7 dargestellt pro Zylinder nur einen Verdichtungsraum 4c aufweist, wobei ein solcher Verdichtungsraum 4c nachfolgend auch als oberer
Verdichtungsraum bezeichnet wird. Der Kompressor kann auch derart ausgestaltet sein, dass dieser in demselben Zylinder einen zweiten Verdichtungsraum aufweist, welcher durch den Kolben 4e vom ersten Verdichtungsraum getrennt ist, sodass während der Bewegung des Kolbens 4e das Fluid im einen Verdichtungsraum komprimiert und im anderen Verdichtungsraum angesaugt wird. Der zweite
Verdichtungsraum wird nachfolgend auch als unterer Verdichtungsraum bezeichnet. In einem besonders vorteilhaften Verfahren erfolgt die
Fördermengenregelung wie in Figur 3 angedeutet derart, dass das Druckventil 8 des Hubkolben-Kompressors zumindest während eines vorgegebenen Winkelbereichs Δ von 20° bis 30° vor erreichen des oberen Totpunkts OTP (beim oberen Verdichtungsraum) respektive unteren
Totpunkts UTP (beim unteren Verdichtungsraum, falls der Zylinder zwei Verdichtungsräume umfasst) des Kurbelkreises öffnet. Vorteilhaft an diesem Verfahren ist, dass nur der Öffnungszeitpunkt bestimmt werden muss, da der Schliesszeitpunkt einigermassen bekannt ist und bei einem idealisiertem Ventil im Totpunkt des oberen beziehungsweise falls vorhanden unteren Verdichtungsraumes liegt.
Die Öffnungszeit des Druckventils 8 kann zum Beispiel über eine
Messung des Druckes im Verdichtungsraum und Vergleich mit dem Enddruck bestimmt werden, oder bei Kenntnis der Betriebsfälle des Kompressors über eine vorhergehende, respektive simultane Berechnung der maximalen Öffnungszeit des Saugventils über den UmkehrPunkt der Bewegung des Kolbens, damit die minimale Öffnungszeit des
Druckventils nicht unterschritten wird. Die Figur 6 zeigt charakteristische Grossen des steuerbaren Ventils 1 in Funktion des Kurbelwinkels beziehungsweise des Drehwinkel, um den in Figur 6 im Weg-Diagramm dargestellten Bewegungsverlauf B der Ventilplatte 5b und den Bewegungsverlauf A des Abhebegreifers 6 zu erlangen. Zudem ist in der Kurve C der Geschwindigkeitsverlauf des Abhebegreifers 6 dargestellt. Zudem ist in der Kurve G die vom
Elektromagnet 2a bewirkte Kraft G und der zur Ansteuerung des
Elektromagnet 2a erforderlichen Stroms H dargestellt. Die in Figur 6 dargestellten Verläufe sind insbesondere wichtig um das in Figur 2 dargestellte,„sanfte Landen" der Ventilplatte 5b auf dem Ventilfänger 5c zu bewirken.
Figur 8 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Steuereinrichtung 2 zum Betätigen und Antreiben des auf das
Saugventil 5 wirkenden Greifers 6. Die Steuereinrichtung 2 umfasst eine Antriebsvorrichtung 2n, welche über die linear beweglich gelagerte Verbindungsstange 7 mit dem in Figur 7 schematisch dargestellten Greifer 6 verbunden ist. Die in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Antriebsvorrichtung 2n umfasst einen Linearantrieb 2w sowie eine elektrisch ansteuerbare Dämpfungsvorrichtung 2o, wobei die
Dämpfungsvorrichtung 2o die Funktion hat die vom Linearantrieb 2w erzeugte Bewegung elektrisch ansteuerbar so zu dämpfen, dass sich der Greifer 6 beziehungsweise die Ventilplatte 5b des Saugventils 5 wie beispielsweise in Figur 2 dargestellt bewegt. Der Linearantrieb 2w weist eine linear bewegliche Verbindungsstange 2t auf, welche
wirkungsmässig mit der Verbindungsstange 7 verbunden ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dämpfungsvorrichtung 2o zwischen dem Linearantrieb 2w und dem Greifer 6 angeordnet. Die Dämpfungsvorrichtung 2o könnte jedoch auch an einer anderen Stelle angeordnet sein, bei der dargestellten Ansicht der Steuereinrichtung 2 beispielsweise auch oberhalb des Linearantriebes 2w. Die Dämpfungsvorrichtung 2o kann in einer Vielzahl von Möglichkeiten ausgestaltet sein, um eine Dämpfung der Bewegung des Linearantriebs 2w zu bewirken. Um das erfindungsgemässe„sanfte Landen" der
Ventilplatte 5b auf dem Ventilfänger 5c zu bewirken ist die in Figur 8 schematisch dargestellte Dämpfungsvorrichtung 2o besonders
vorteilhaft. Die Dämpfungsvorrichtung 2o umfasst einen Zylinder 2p und in dessen Inneren einen linear verschiebbaren Kolben 2r, welcher den Innenraum des Zylinders 2p in einen ersten Innenraum 2q und einen zweiten Innenraum 2s unterteilt. Die beiden Innenräume 2q, 2s sind über eine Fluid leitende Verbindung 2u miteinander verbunden, sodass zwischen den beiden Innenräumen 2q, 2s ein Fluid austauschbar ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die beiden Innenräume 2q, 2s über eine elektrisch ansteuerbare Dämpfung beziehungsweise Drossel 2v Fluid leitend miteinander verbunden. Eine Ansteuer- und
Regelungsvorrichtung 2i ist über elektrische Leitungen 2k, 21 Signal leitend mit dem Linearantrieb 2w sowie der ansteuerbaren Dämpfung 2v verbunden, sodass sowohl der Linearantrieb 2w als auch die
Dämpfungseigenschaften der Dämpfungsvorrichtung 2o ansteuerbar sind, um die Lage beziehungsweise die Geschwindigkeit der Ventilplatte 5b derart anzusteuern, dass wie in Figur 2 beispielhaft dargestellt ein „sanftes Landen" der Ventilplatte 5b bewirkt wird.
Die Fluid leitende Verbindung 2u sowie die elektrisch ansteuerbare Dämpfung 2v könnte auch an der Dämpfungsvorrichtung 2o oder innerhalb der Dämpfungsvorrichtung 2o angeordnet sein, insbesondere auch am Kolben 2r, indem der Kolben 2r beispielsweise eine Fluid leitende Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 2q, 2 s aufweist. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung besteht das Fluid der Dämpfungsvorrichtung 2o zumindest teilweise aus einer
elektrorheologischen oder magnetorheologischen Flüssigkeit. Solche Flüssigkeiten haben die Eigenschaft, dass deren Viskosität elektrisch ansteuerbar ist, sodass mit derartigen Flüssigkeiten eine elektrisch ansteuerbare Drosselstrecke ausgestaltet werden kann. Eine derartige Drosselstrecke weist den Vorteil auf, dass die Viskosität in einem grossen Bereich verändert werden kann, und dass die Viskosität mit Hilfe des elektrischen Signals sehr schnell verändert werden kann. Die Dämpfungseigenschaften einer solchen Dämpfungsvorrichtung 2o sind dadurch sehr schnell veränderbar, sodass die Bewegung des Kolbens 2r und damit die Bewegung der Verbindungsstange 7, des Greifers 6 und letztendlich der Ventilplatte 5b derart gedämpft werden kann
beziehungsweise ansteuerbar und regelbar ist, das die Ventilplatte 5b bezüglich zurückgelegtem Weg und Geschwindigkeit ein„sanftes
Landen" ausführt.
Dämpfungsvorrichtungen umfassend eine elektrorheologische oder magnetorheologische Flüssigkeit sind beispielsweise aus der
Druckschrift WO2008/ 141787A1 oder aus der Druckschrift EP 1034383 Bl bekannt.
Der Linearantrieb 2w kann beispielsweise als hydraulischer oder pneumatischer Antrieb, als elektromagnetischer Antrieb, als Linearmotor oder als Elektromotor mit Übersetzung ausgestaltet sein.
Figur 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Steuereinrichtung 2. Im Unterschied zu der in Figur 8 dargestellten Ausführungsform umfasst die Dämpfungsvorrichtung 2o gemäss Figur 9 ein elektrisch
ansteuerbares Dreiwegventil 2y, eine nicht veränderliche Drossel 2x sowie Fluidleitungen 2ui und 2u2. Die Dämpfungseigenschaften der Dämpfungsvorrichtung 2o sind über das elektrische Dreiwegventil 2y ansteuerbar, indem dieses das zwischen dem ersten und zweiten
Innenraum 2q, 2s ausgetauschte Fluid entweder über die Fluidleitung 2u2 oder die Fluidleitung 2ui und die Drossel 2x fliessen lässt. Die Dämpfungsvorrichtung 2o könnte auch eine Mehrzahl von Drosseln 2x mit unterschiedlichen Drosselwirkungen umfassen, sowie ein
Mehrwegventil, das ansteuerbar und selektiv jeder dieser Drosseln das Fluid zuführen kann, sodass die Dämpfungsvorrichtung 2o eine
Mehrzahl unterschiedlicher Dämpfungen aufweist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung könnte die
Dämpfungsvorrichtung 2o auch derart ausgestaltet sein, dass die von der Dämpfungsvorrichtung 2o auf das Schliessorgan 5b abgegebene Bremsenergie zurückgewonnen werden kann. Die
Dämpfungsvorrichtung 2o könnte beispielsweise als eine
Wirbelstrombremse ausgestaltet ist. Die Dämpfungseigenschaften einer solchen Wirbelstrombremse könnten zudem elektrisch ansteuerbar sein. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die
Dämpfungsvorrichtung 2o somit als ansteuerbare Wirbelstrombremse ausgestaltet, welche einerseits ein Ansteuern der
Dämpfungseigenschaften erlaubt und welche andererseits eine
Energierückgewinnung erlaubt, wobei bei der Energierückgewinnung vorzugsweise elektrische Energie erzeugt wird. Da der Abhebegreifer 6 während der Rückstromregelung sehr schnell und sehr häufig betätigt wird, ist eine Dämpfungsvorrichtung 2o mit Energierückgewinnung besonders vorteilhaft um die gesamte erforderliche Energie zum Betrieb des Saugventils 5 beziehungsweise zum Betrieb des Abhebegreifers 6 zu reduzieren. Vorteilhafterweise wird zudem die während dem Betrieb auftretende Erwärmung reduziert.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Fördermengenregelung eines Hubkolben- Kompressors, indem die Bewegung eines Schliessorgans (5b) eines selbsttätigen Saugventils (5) mittels eines von einer
Steuereinrichtung (2) angetriebenen Abhebegreifers (6) während zumindest eines Teils eines Zyklus des Kurbelkreises beeinflusst wird, wobei das Verfahren eine stufenlose Rückstromregelung umfasst, bei welcher der Abhebegreifer (6) während eines ersten Teilabschnittes (Kl) des Zyklus des Kurbelkreises am
Schliessorgan (5b) anliegt und dessen Schliessen verhindert, und bei welcher der Abhebegreifer (6) während eines zweiten
Teilabschnittes (K2) des Zyklus des Kurbelkreises zurückgefahren wird und das Schliessorgan (5b) geschlossen wird, wobei der Abhebegreifer (6) derart zurückgefahren wird, dass die
Geschwindigkeit des sich bewegenden Schliessorgans (5b) vor dem
Aufsetzen auf das Saugventil (5) reduziert wird.
2. Verfahren zur Fördermengenregelung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eine Aussetzregelung umfasst, bei welcher der Abhebegreifer (6) während eines ganzen Zyklus des Kurbelkreises das Schliessen des Schliessorgans (5b) verhindert, wobei die Fördermenge zumindest durch eine Kombination von stufenloser Rückstromregelung und Aussetzregelung geregelt wird.
3. Verfahren nach eine der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Schliessorgans (5b) während des Aufsetzens auf das Saugventil (5) eine Grenzauftreffgeschwindigkeit unterschreitet, und dass diese vorzugsweise weniger als 0, 1 m/s beträgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (2) den Abhebegreifer (6) nach dem Aufsetzen des Schliessorgans (5b), noch weiter bewegt und danach zum Stillstand bringt, um den Abhebegreifer (6) vom Schliessorgan (5b) zu beabstanden und in eine
Endposition zu bringen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (2) den Abhebegreifer
(6) nach dem Aufsetzen des Schliessorgans (5b), während eines dritten Teilabschnitt (K3) des Kurbelkreises, nochmals
beschleunigt und danach zum Stillstand bringt, um den
Abhebegreifer (6) vom Schliessorgan (5b) zu beabstanden und in eine Endposition zu bringen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (2) eine adaptive Vorsteuerung umfasst, mit welcher der Hub (A) und die
Geschwindigkeit (C) des Abhebegreifers (6) geregelt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Saugventil (5) durch die
Steuereinrichtung (2) und den Abhebegreifer (6) derart beeinflusst wird, dass ein Schliessorgan (8b) eines Druckventils (8) des Hubkolben-Kompressors zumindest während eines vorgegebenen Gesamtöffnungswinkel (Kv) eines Kurbelkreises geöffnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Gesamtöffnungswinkel (Kv) zumindest 10° beträgt, und vorzugsweise zumindest im Bereich zwischen 20° und 30° liegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass das Saugventil (5) durch die
Steuereinrichtung (2) und den Abhebegreifer (6) derart beeinflusst wird, dass ein Schliessorgan (8b) eines Druckventils (8) des
Hubkolben-Kompressors zumindest während eines vorgegebenen Winkelbereichs (Δ) eines Kurbelkreises vor dem oberen, respektive unteren Totpunkt (OTP, UTP) geöffnet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Winkelbereich (Δ) zumindest 10° beträgt, und vorzugsweise zumindest im Bereich zwischen 20° und 30° liegt.
1 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Fördermengen derart geregelt werden, dass das Saugventil (5) bei grosser
Fördermenge während gewisser Zyklen selbsttätig betrieben wird, und während gewisser Zyklen gemäss der stufenlosen
Rückstromregelung betrieben wird, dass das Saugventil (5) bei mittlerer Fördermenge während jeden Zyklen gemäss der
stufenlosen Rückstromregelung betrieben wird, und dass das
Saugventil (5) bei kleiner Fördermenge während gewisser Zyklen gemäss der Aussetzregelung betrieben wird, und während gewisser Zyklen gemäss der stufenlosen Rückstromregelung betrieben wird.
12. Hubkolben-Kompressor mit Fördermengenregelung,
insbesondere mit stufenloser Fördermengenregelung, mit einem an zumindest einem selbsttätigen Saugventil (5) des Kompressors angeordneten Abhebegreifer (6), mit einer Steuervorrichtung (2) zum Antrieb des Abhebegreifers (6), sowie mit einem Schliessorgan (5b) des Saugventils (5), wobei der Abhebegreifer (6) derart auf das Schliessorgan (5b) einwirkt, dass das Saugventil (1) über einen steuerbaren Teil des Arbeitstaktes des Kompressors geöffnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (2) eine Antriebsvorrichtung (2n) umfasst, welche über ein
Verbindungsmittel (7) auf den Abhebegreifer (6) wirkt, wobei die Steuervorrichtung (2) eine stufenlose Rückstromregelung umfasst, bei welcher der Abhebegreifer (6) während eines ersten
Teilabschnittes (Kl) des Zyklus des Kurbelkreises am
Schliessorgan (5b) anliegt und dessen Schliessen verhindert, und bei welcher der Abhebegreifer (6) während eines zweiten
Teilabschnittes (K2) des Zyklus des Kurbelkreises zurückfährt sodass das Schliessorgans (5b) schliesst, und wobei die
Steuervorrichtung (2) vorzugsweise eine Aussetzregelung umfasst, bei welchem der Abhebegreifer (6) während eines ganzen Zyklus des Kurbelkreises das Schliessen des Schliessorgans (5b) verhindert, und wobei die Steuereinrichtung (2) derart ausgestaltet ist, dass diese die Antriebsvorrichtung (2n) und damit den
Abhebegreifer (6) so ansteuert, dass sich die Geschwindigkeit des Schliessorgans (5b) vor dem Aufsetzen auf das Saugventil (5) reduziert, um das Schliessorgan (5b) sanft auf das Saugventil (5) aufzusetzen.
13. Kompressor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (2) eine Vorrichtung umfasst, um den Druckverlauf (P) im Verdichtungsraum des Hubkolben-
Kompressors zu messen und/ oder zu berechnen, und dass die Steuereinrichtung (2) derart ausgestaltet ist, dass diese das
Schliessorgan (5b) über den Abhebegreifer (6) freilaufend oder mit Rückstromregelung oder mit Aussetzregelung betreibt, um das Druckventil (8) während eines Gesamtöffnungswinkels (Kv) selbsttätig zu öffnen.
14. Kompressor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (2) einen Wegsensor (2h) umfasst, welcher die Verschiebung der Antriebsvorrichtung
(2n) und/ oder des Abhebegreifers (6) und/ oder des Schliessorgans (5b) erfasst.
15. Kompressor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (2n) als
Elektromagnet (2a) mit Hubmagnet ausgestaltet ist, mit einem beweglichen Magnetanker (2b), und einem fest angeordneten Magnetkern (2c) mit Magnetspule (2d), wobei das
Verbindungsmittel (7) fest mit dem Magnetanker (2b) verbunden ist, und wobei der Magnetanker (2b) in Verlaufsrichtung der Verbindungsstange (7) beweglich gelagert ist.
16. Kompressor nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (2n) eine
ansteuerbare Dämpfungsvorrichtung (2o) umfasst, um die
Geschwindigkeit des Abhebegreifers (6) zu dämpfen.
17. Kompressor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsvorrichtung (2o) elektrisch ansteuerbar ausgestaltet ist, und dass die Dämpfungsvorrichtung (2o) eine elektrorheologische oder magnetorheologische Flüssigkeit umfasst.
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