WO2015004217A1 - Kolbenkompressor in sternanordnung und verfahren zum betrieb - Google Patents

Kolbenkompressor in sternanordnung und verfahren zum betrieb Download PDF

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Uwe Folchert
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Continental Teves Ag & Co. Ohg
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B27/00—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B27/04—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders in star- or fan-arrangement
    • F04B27/067—Control
    • F04B27/0673—Control by using a valve in a system with several pumping chambers, wherein the flow-path through the chambers can be changed, e.g. series-parallel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B25/00—Multi-stage pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/007—Installations or systems with two or more pumps or pump cylinders, wherein the flow-path through the stages can be changed, e.g. from series to parallel

Definitions

  • the invention relates to a reciprocating compressor, in particular for the air supply of air spring systems in motor vehicles, wherein the reciprocating compressor is provided as a multi-piston compressor with n> 2 cylinders in a star configuration.
  • a compressor is known in which the suction chamber is connected to the compression volume of the low pressure stage via a compressed air line and in which there is a valve.
  • the compressed air is pre-compressed in the low-pressure stage with the aid of the compressor, leads into the high pressure stage over ⁇ and from there the compressed air goes into the outlet. In this case, can be promoted with the compressor large amounts of air to z. B. to fill the empty compressed air reservoir of the level control system.
  • compressors are known with two pistons, in which the air from the environment is always compressed in a high-pressure stage and low-pressure stage and thus a maximum flow rate is available.
  • both compressor stages are not used because of the high delivery rate, since an excessive electrical current would occur.
  • n oscillating piston which are rotatably mounted in particular centrally on a connecting rod.
  • the connecting rod is attached to an eccentric and this is preferably rotationally driven by an electric motor.
  • each cylinder has an inlet and an outlet valve and is designed as a single compressor.
  • individual compressors can now be interconnected in different ways. ⁇
  • the n individual compressors are provided in parallel in the reciprocating compressor. This results in a 1-stage compressor.
  • a further advantageous embodiment of the invention envisages switching in each case two and four of the individual compressors in parallel and to connect these two parallel circuits in series, which results in a 2-stage compressor.
  • the individual compressors during operation of the reciprocating compressor can be connected in parallel and / or in series. By switching the respective intake and exhaust valves a switching of the different stages is possible.
  • the various combinations make it possible to adapt the compaction capability to the required backpressure during operation. For example, 1-stage at low to medium back pressures, such. 1 - 14 bar, 2-stage at medium to high back pressures, such as 10-20 bar and 3-stage at very high back pressures, such as 18-30 bar.
  • a particularly advantageous embodiment provides, during system filling, to switch the individual compressors in parallel and in normal operation to switch off or on one or more individual compressors depending on the power requirement. This results in a large volume flow for fast system filling and for normal operation low power consumption.
  • one or more individual compressor can be adapted to the power requirement for the forward / back pressure conditions become.
  • the power requirement increases with increasing backpressure and has a maximum at a pre-pressure which is approximately 0.3-0.5 times the maximum backpressure.
  • the Leis ⁇ tung adjustment can be done in the operating fixed or variable.
  • the pistons of the compressor in star configuration are rotatably mounted centrally on a connecting rod. Due to the star arrangement, the resulting lateral force is reduced to the connecting rod, whereby the motor bearing is less loaded and can be dimensioned smaller ⁇ . Due to the lower torque fluctuations results in a quieter compressor run with less vibration in the compressor mount.
  • the drive motor can be dimensioned significantly smaller, since the starting torque can be smaller, which also significantly reduces the starting current.
  • the compensation of the piston force is performed by the form in the GLV mode by the opposite piston.
  • a pressure equalization under the piston, ie by acting on the entire crankcase is not necessary. This eliminates a best pressure-resistant crankcase and the required sealing with high Tightness requirements at high pressure.
  • the construction can be designed more cost-effectively.
  • 1a is a piston compressor in Stern Alba with six cylinders
  • FIG. 1b shows a piston compressor in star configuration with six compressors and respective inlets and outlets
  • FIG. 2b shows a 2-stage compressor
  • Fig. 2c is a 3-stage compressor
  • Fig. 3 GLV control operation with 3 individual compressors per conveying direction and two 2/2-way valves.
  • Fig. La shows a schematic representation of a reciprocating compressor in stellate order with six cylinders. These are rotatably mounted centrally on a connecting rod.
  • the piston compressor in star configuration with six compressors shown in Fig. Lb has not shown inlet and outlet valves. By means of these valves, the various combinations for switching the individual compressors are made possible.
  • Fig. 2a shows all six individual compressors in a parallel circuit thus resulting in a 1-stage compressor operation.
  • Fig. 2b two and four individual compressors are connected in parallel. These two parallel circuits result in series connected a 2-stage compressor operation.
  • Fig. 2c three and two individual compressors are connected in parallel. These two parallel circuits connected in series with the sixth single compressor result in a 3-stage compressor operation.
  • Fig. 3 shows the GLV control operation with 3 individual compressors per conveying direction and two 2/2-way valves. So it is advantageous for the system filling to use of six single compressors only three in GLV control mode, which results in a symmetrical distribution of the piston forces and thus a more uniform torque curve. If one uses three individual compressors for one conveying direction, then the complicated reversing valves can be replaced by two simple 2/2-way valves compared to known GLV versions, in which the conveying direction reversal must take place through a 4/2-way valve or two 3/2-way valves. Replaced 2-way valves. The individual compressors for the other conveying direction then run with, but take due to the closed suction only little power.

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Abstract

Kolbenkompressor sowie Verfahren zu dessen Betrieb, insbesondere für die Luftversorgung von Luftfedersystemen in Kraftfahrzeugen, wobei der Kolbenkompressor als Mehrkolben-Kompressor mit n>2 Zylinder in Sternanordnung vorgesehen ist, und wobei jeder Zylinder ein Ein- und ein Auslassventil aufweist und als Einzelverdichter vorgesehen ist. Die Einzelverdichter können im Betrieb des Kolbenkompressors parallel und/oder in Reihe geschaltet werden, wobei eine Umschaltung während des Betriebs möglich ist.

Description

Beschreibung
Kolbenkompressor in Sternanordnung und Verfahren zum Betrieb Die Erfindung betrifft einen Kolbenkompressor, insbesondere für die Luftversorgung von Luftfedersystemen in Kraftfahrzeugen, wobei der Kolbenkompressor als Mehrkolben-Kompressor mit n>2 Zylinder in Sternanordnung vorgesehen ist. Aus der DE 103 21 771 AI ist ein Kompressor bekannt, bei dem der Saugraum mit dem Verdichtungsvolumen der Niederdruckstufe über eine Druckluftleitung verbunden ist und in der sich ein Ventil befindet. Solange das Ventil in der Druckluftleitung geschlossen ist, wird mit Hilfe des Kompressors die Druckluft in der Niederdruckstufe vorkomprimiert, in die Hochdruckstufe über¬ führt und von dort geht die Druckluft in die Auslassleitung. In diesem Fall können mit dem Kompressor große Luftmengen gefördert werden, um z. B. den leeren Druckluftspeicher der Niveauregelanlage zu befüllen.
Für LLKW und PKW werden leistungsfähige Kompressoren dieser Art benötigt, um „offene Luftversorgungen" (OLV) und „geschlossene Luftversorgungen" (GLV) zu betreiben. Für die geschlossene Luftversorgung muss das Hubvolumen so ausgelegt werden, dass im geschlossenen Betrieb die Leistung nicht zu groß wird, da die aufnehmbare Leistung aus dem Fahrzeugboardnetz beschränkt ist. Im Falle der initialen Systembefüllung oder Nachbefüllung bei zu geringer Luftmenge wird Luft aus der Umgebung in das Luftfe¬ dersystem gefördert. Dabei wird eine höhere Leistungsaufnahme benötigt, um mit ausreichender Förderleistung in kurzer Zeit das System zu befüllen. Somit herrscht im GLV-Betrieb ein Ausle¬ gungskonflikt bezüglich der Kompressorleistung. Bei OLV-Kompressoren sind der maximale Gegendruck und die maximale Förderleistung durch den schlechteren Wirkungsgrad eines „offenen Systems" bei ebenso begrenzter Leistungsaufnahme eingeschränkt .
Um diese Anforderungen zu erfüllen sind Kompressoren mit zwei Kolben bekannt, in denen die Luft aus der Umgebung immer in einer Hochdruckstufe und Niederdruckstufe verdichtet wird und somit eine maximale Förderleistung zur Verfügung steht. Für den geschlossenen Luftversorgungsbetrieb werden aufgrund der hohen Förderleistung nicht beide Verdichterstufen benutzt, da ein zu hoher elektrischer Strom auftreten würde.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein im Vergleich dazu ein variables Kompressorkonzept bereitzustellen, welches eine kostengünstige Herstellung von Kompressoren verschiedener Leistungs- bzw. Anwendungsvarianten sowohl für den GLV- als auch für den OLV-Betrieb ermöglicht. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Druckerzeugung einen Mehrkolben-Kompressor mit n>2 Zylinder in Sternanordnung zu verwenden, wobei vorzugsweise sechs Zylinder vorgesehen sind.
Es werden bevorzugt n Schwingkolben verwendet, die insbesondere zentral an einem Pleuelzapfen drehbar gelagert sind. Der Pleuelzapfen ist an einem Exzenter befestigt und dieser wird vorzugsweise durch einen Elektromotor rotatorisch angetrieben.
Im Kolbenkompressor besitzt jeder Zylinder ein Ein- und ein Auslassventil und ist als Einzelverdichter vorgesehen. Die n Einzelverdichter können nun in unterschiedlicher Weise zusammengeschaltet werden. ^
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind im Kolbenkompressor die n Einzelverdichter parallel geschaltet vorgesehen. Somit ergibt sich ein 1-stufiger Kompressor. Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, jeweils zwei und vier der Einzelverdichter parallel zu schalten und diese beiden Parallelschaltungen in Reihe zu schalten, womit sich ein 2-stufiger Kompressor ergibt.
Ferner sieht eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung vor, jeweils zwei und drei der Einzelverdichter parallel zu schalten und diese Parallelschaltungen mit dem sechsten Einzelverdichter in Reihe zu schalten. Somit ist ein 3-stufiger Kolbenkompressor in Sternanordnung realisierbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können die Einzelverdichter während des Betriebs des Kolbenkompressors parallel und/oder in Reihe geschaltet werden. Mittels Schaltung der jeweiligen Ein- und Auslassventile ist eine Umschaltung der verschiedenen Stufen möglich. Die verschiedenen Kombinationen ermöglichen es, während des Betriebs die Verdichtungsfähigkeit an den benötigten Gegendruck anzupassen. Z.B. 1-stufig bei geringen bis mittleren Gegendrücken, wie z.B. 1 - 14 bar, 2-stufig bei mittleren bis hohen Gegendrücken, wie z.B. 10 - 20 bar und 3-stufig bei sehr hohen Gegendrücken, wie z.B. 18 - 30 bar.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, während der Systembefüllung die Einzelverdichter parallel zu schalten und im Regelbetrieb ein oder mehrere Einzelverdichter je nach Leistungsbedarf ab- oder zuzuschalten. Damit ergibt sich ein großer Volumenstrom für eine schnelle Systembefüllung und für den Regelbetrieb eine geringe Leistungsaufnahme. Durch das Ab¬ schalten eines oder mehrerer Einzelverdichter kann der Leistungsbedarf an die Vor-/Gegendruckverhältnisse angepasst werden. Der Leistungsbedarf steigt mit zunehmendem Gegendruck und hat ein Maximum bei einem Vordruck, der etwas dem 0,3 - 0,5-fachen des maximalen Gegendruckes entspricht. Die Leis¬ tungsanpassung kann im Betrieb fest oder variabel erfolgen.
Folgende Vorteile werden durch die Erfindung und den vorteilhaften Weiterbildungen erzielt.
Die Kolben des Kompressors in Sternanordnung sind zentral an einem Pleuelzapfen drehbar gelagert. Durch die Sternanordnung reduziert sich die resultierende Querkraft auf den Pleuelzapfen, womit das Motorlager weniger belastet wird und kleiner di¬ mensioniert werden kann. Aufgrund der geringeren Momentenschwankungen ergibt sich ein ruhigerer Kompressorlauf mit weniger Schwingungseinleitung in die Kompressorhalterung .
Der Antriebsmotor kann deutlich kleiner dimensioniert werden, da das Anlaufmoment kleiner sein kann, womit sich auch der Anlaufstrom deutlich reduziert.
Durch die n Einzelstufen wird das maximale Moment, welches im Verdichtungszyklus beim Erreichen des Gegendruckes entsteht, deutlich reduziert und im besten Fall ein Wert 1/n erreicht. Folglich wird der Kompressor deutlich weniger taumelanfälliger und kann immer sicher anlaufen. Ein druckloses Anlaufen ist somit nicht zwingend erforderlich.
Mittels der rotationssymmetrischen Sternanordnung erfolgt die Kompensation der Kolbenkraft durch den Vordruck im GLV-Betrieb durch die gegenüberliegenden Kolben. Ein Druckausgleich unter dem Kolben, d.h. durch Beaufschlagung des gesamten Kurbelgehäuses ist nicht notwendig. Damit entfallen ein bestdruckfestes Kurbelgehäuse und die erforderlichen Abdichtelemente mit hohen Dichtigkeitsanforderungen bei hohem Druck. Die Konstruktion kann kostengünstiger ausgelegt werden.
Durch die Aufteilung in mehrere Einzelverdichter verteilt sich die Wärmeentwicklung besser, da die lokalen Wärmemengen geringer sind. Bei gleichem Fördervolumen ergibt sich bei n Einzelverdichtern außerdem im Vergleich zu einem 1-Zylinder-Kompressor eine deutlich größere Zylinderaußenfläche, z.B. bei sechs Zylindern die ca. 1,8 fache Fläche. Wodurch eine bessere Wärmeverteilung und Wärmeabführung erreicht wird. Die Wärmeentstehung wird auch zeitlich über die n Einzelverdichter verteilt. Die Einschaltdauer des Kompressors kann dadurch in Summe deutlich erhöht werden. Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung in Luftfedersystemen für LLKW und PKW begrenzt. Der erfindungsgemäße Kompressor ist vielmehr in allen Bereichen einsetzbar, in denen Kleinkompressoren eingesetzt werden. Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
Es zeigen
Fig. la einen Kolbenkompressor in Sternordnung mit sechs Zylindern,
Fig. lb einen Kolbenkompressor in Sternordnung mit sechs Verdichtern und jeweiligen Ein- und Auslässen,
Fig. 2a einen 1-stufigen Kompressor,
Fig. 2b einen 2-stufigen Kompressor, Fig. 2c einen 3-stufigen Kompressor und
Fig. 3 GLV-Regelbetrieb mit 3 Einzelverdichtern pro Förderrichtung und zwei 2/2-Wegeventile .
Fig. la zeigt in prinzipieller Darstellung einen Kolbenkompressor in Sternordnung mit sechs Zylindern. Diese sind zentral an einem Pleuelzapfen drehbar gelagert. Der in Fig. lb gezeigte Kolbenkompressor in Sternordnung mit sechs Verdichtern verfügt über nicht dargestellte Ein- und Auslassventile. Mittels dieser Ventile werden die verschiedenen Kombinationen zum Schalten der Einzelverdichter ermöglicht. So zeigt Fig. 2a alle sechs Einzelverdichter in einer Parallelschaltung womit sich ein 1-stufiger Kompressorbetrieb ergibt.
In Fig. 2b sind jeweils zwei und vier Einzelverdichter parallel geschaltet. Diese beiden Parallelschaltungen ergeben in Reihe geschaltet einen 2-stufigen Kompressorbetrieb.
In Fig. 2c sind jeweils drei und zwei Einzelverdichter parallel geschaltet. Diese beiden Parallelschaltungen zusammen mit dem sechsten Einzelverdichter in Reihe geschaltet ergeben einen 3-stufigen Kompressorbetrieb.
Fig. 3 zeigt den GLV-Regelbetrieb mit 3 Einzelverdichtern pro Förderrichtung und zwei 2/2-Wegeventile . So ist es vorteilhaft für die Systembefüllung, von sechs Einzelverdichtern nur drei im GLV-Regelbetrieb zu verwenden, womit sich eine symmetrische Verteilung der Kolbenkräfte und damit ein gleichmäßigerer Momentenverlauf ergeben. Verwendet man je drei Einzelverdichter für eine Förderrichtung, so lassen sich gegenüber bekannten GLV-Ausführungen, bei denen die Förderrichtungsumkehr durch ein 4/2-Wegeventil oder durch zwei 3/2-Wegeventile erfolgen muss, die aufwendigen Um- schaltventile durch zwei einfache 2/2-Wegeventile ersetzten. Die Einzelverdichter für die jeweils andere Förderrichtung laufen dann zwar mit, nehmen aber aufgrund der abgesperrten Ansaugung nur wenig Leistung auf.

Claims

Patentansprüche
1. Kolbenkompressor, insbesondere für die Luftversorgung von Luftfedersystemen in Kraftfahrzeugen, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Kolbenkompressor als Mehrkol¬ ben-Kompressor mit n>2 Zylinder in Sternanordnung vorgesehen ist.
2. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sechs Zylinder in Sternanordnung vorgesehen sind.
3. Kolbenkompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder ein Ein- und ein Auslassventil aufweist und als Einzelverdichter vorgesehen ist.
4. Kolbenkompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelverdichter parallel geschaltet sind.
5. Kolbenkompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei und vier der Einzelverdichter parallel geschaltet sind und die beiden Parallelschaltungen in Reihe geschaltet sind.
6. Kolbenkompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei und drei der Einzelverdichter parallel geschaltet vorgesehen sind und die beiden Parallel¬ schaltungen sowie der sechste Einzelverdichter in Reihe geschaltet sind.
7. Verfahren zum Betrieb eines Kolbenkompressors nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelverdichter im Betrieb des Kolbenkompressors parallel und/oder in Reihe geschaltet werden können und eine Um- schaltung während des Betriebs möglich ist. Verfahren zum Betrieb eines Kolbenkompressors nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Systembefüllung die Einzelverdichter parallel geschaltet sind und im Regelbetrieb ein oder mehrere Einzelverdichter je nach Leistungsbedarf ab- oder zugeschaltet werden.
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