WO2024251562A1 - Verfahren zur steuerung eines trockenlaufenden kolbenkompressors sowie kolbenkompressor zur durchführung dieses verfahrens - Google Patents

Verfahren zur steuerung eines trockenlaufenden kolbenkompressors sowie kolbenkompressor zur durchführung dieses verfahrens Download PDF

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Dirk KIRCHHOFF
Marco Seeger
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ZF CV Systems Europe BV
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    • F04B2203/02—Motor parameters of rotating electric motors
    • F04B2203/0209—Rotational speed

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a dry-running piston compressor for supplying a compressed air supply system with compressed air
  • the piston compressor has a piston which is arranged to be movable back and forth in a cylinder housing connected to a crankcase, wherein the piston, with a sealing element arranged radially on the outside thereof, lies sealingly against a cylinder running surface of a cylinder bore formed coaxially in the cylinder housing, wherein a rotatably mounted crankshaft is arranged in the crankcase, wherein the crankshaft is connected on the drive side to a drive shaft of an electrically or electronically controllable electric drive machine and on the output side to the piston by means of a connecting rod, wherein a connecting rod bearing eye of a connecting rod bearing formed on an axial end of the connecting rod is rotatably mounted on an eccentric pin of the crankshaft, and wherein the other axial end of the connecting rod is rigidly connected to the piston.
  • the piston is driven by the electric drive motor via the crankshaft and the connecting rod, whereby the piston is moved axially between a bottom dead center and a top dead center while completing a piston stroke and changing its angular position in the cylinder bore.
  • the invention relates to a dry-running piston compressor for carrying out such a method and to a vehicle with such a compressor.
  • Dry-running, electrically driven piston compressors are already known in various designs. They are used, for example, as compact units with their own electric drive for supplying compressed air to compressed air consumers in vehicles.
  • WO 2009 033 556 A1 and DE 10 2011 121 750 A1 show such compressors.
  • electrically driven piston compressors are often designed as dry-running, i.e. lubricant-free units. Since the moving components of such a compressor, in particular the piston and the cylinder surface along which the piston is moved, do not require a lubricant supply, the compressed air generated is advantageously oil-free.
  • compressors With an electric motor as the drive source, for example an electronically commutated, brushless DC motor with control electronics, such compressors can be used as independent units for many areas of application, for example in vehicles with combustion engines, hybrid or electric drive trains. There they are used to generate and provide compressed air for various compressed air consumers, such as braking systems, air suspension systems, air conditioning systems and clutch actuators. In addition, such compressors are preferred for level control of air suspension on vehicles.
  • the compressor has a suction valve and a pressure valve, each with a valve seat, with the respective valve seat being arranged between a cylinder housing with a piston arranged therein and a cylinder head.
  • the piston is connected via a connecting rod to a drive shaft designed as a crankshaft.
  • the cylinder head has an inlet chamber and an outlet chamber.
  • the cylinder head is connected to the cylinder housing, for example, via the valve seats to which the suction and pressure valves, designed as elastic lamella valves, are attached.
  • the inlet chamber is connected to the ambient air via a filter arrangement.
  • the inlet chamber is connected to a compression chamber in the cylinder housing via a valve opening through the suction valve, which is then opened.
  • the compression chamber in the cylinder housing is connected via another valve opening through a pressure valve, which is then opened, to the outlet chamber, which is connected to a delivery line of the compressed air supply system.
  • a piston ring supplied with a lubricant is arranged on the outer circumference of a piston, which lies pressure-tight against the cylinder running surface in the cylinder housing in order to seal the compression chamber against the atmospheric pressure in the crankcase.
  • an elastomeric sealing element in the form of a sleeve sealing ring or a sealing lip is preferably arranged on the outer circumference of a piston, by means of which the piston lies pressure-tight against the cylinder running surface in the cylinder housing.
  • the damage-free service life of such a dry-running piston compressor is mainly determined by the wear of the sealing element. Due to the lack of lubrication, the wear of the sealing element cannot be easily reduced. In order to extend the service life of the sealing element mentioned, the axial length of a sealing element in the form of a sleeve sealing ring could be increased.
  • compact, dry-running piston compressors are often designed in a so-called fixed piston design.
  • the piston In wet-running piston compressors, the piston is usually connected to the connecting rod in an articulated manner, so that the piston moves coaxially up and down in the cylinder housing during the stroke, with the piston ring running parallel to the cylinder surface with its radial outer circumference.
  • the piston In dry-running piston compressors for some pneumatic systems, particularly for systems with relatively low compressed air consumption, such as air suspension systems or air conditioning systems in passenger cars, the piston is rigidly connected to the connecting rod. Due to the rigid piston-connecting rod connection, the piston performs a slight wobbling movement during the stroke in the cylinder housing.
  • the piston runs at an angle along the cylinder surface away from the top dead center and bottom dead center of the piston movement, with the piston during its axial upward movement, i.e. during a compression stroke, with one longitudinal side and during its axial downward movement, i.e. during an intake stroke, with the opposite other longitudinal side is inclined to the cylinder surface at a continuously changing angle.
  • the invention was based on the object of proposing a method for controlling a dry-running, electrically driven piston compressor of the type mentioned at the beginning, which enables the compressor to operate with less wear. In particular, a longer service life of the piston's sealing element should be achieved.
  • a further object was to present a piston compressor suitable for carrying out such a method.
  • the invention therefore relates first of all to a method for controlling a dry-running piston compressor for supplying a compressed air supply system with compressed air.
  • the piston compressor has a piston which is arranged to be movable back and forth in a cylinder housing connected to a crankcase.
  • the piston with a sealing element arranged radially on the outside, lies sealingly against a cylinder running surface of a cylinder bore formed coaxially in the cylinder housing.
  • a rotatably mounted crankshaft is arranged in the crankcase, which is connected on the drive side to a drive shaft of an electrically or electronically controllable electric drive machine and on the output side to the piston by means of a connecting rod.
  • a connecting rod bearing eye of a connecting rod bearing formed on one axial end of the connecting rod is rotatably mounted on an eccentric pin of the crankshaft, and the other axial end of the connecting rod is rigidly connected to the piston.
  • the piston is driven by the electric drive motor via the crankshaft and the connecting rod, whereby the piston is moved axially between a bottom dead center and a top dead center while completing a piston stroke and changing its angular position in the cylinder bore.
  • the invention provides that the electric drive machine is controlled alternately to the reversal of the direction of rotation of the crankshaft and thus to the change of direction of rotation of the piston compressor.
  • the angular position of the piston changes in each case.
  • one side of a sealing element is understood to mean a limited first section of a radially outer circumference of the sealing element.
  • another side of the sealing element is understood to mean a limited second section of the radially outer circumference of the sealing element.
  • the two sides or sections of the sealing element mentioned are located radially opposite one another and each extend over a circular arc of approximately the same length.
  • the direction of rotation of the piston compressor is determined by the direction of rotation of the drive shaft of the electric machine and the crankshaft connected to the drive shaft. This direction of rotation of the piston compressor determines the change in the angular position of the piston relative to the cylinder bore in the intake strokes. and exhaust strokes. Reversing the direction of rotation of the piston compressor reverses the change in the angular position of the piston relative to the cylinder bore in the intake and exhaust strokes.
  • the invention was based on the finding that the uneven wear of the sealing element of the piston, which is particularly increased on one side, results from a compression force which acts on the piston which runs at an angle against the cylinder running surface, and further that the side of the sealing element on which this increased wear on the sealing element occurs is correlated with the direction of rotation of the crank drive.
  • the invention solves the technical problem of the described one-sided heavy wear in a surprisingly simple way by repeatedly reversing the direction of rotation of the crankshaft.
  • the direction of rotation is reversed by appropriately controlling the electric drive motor.
  • the direction of rotation of the piston compressor i.e. the sequence of the angular position change of the piston in the intake stroke and the exhaust stroke, changes accordingly often.
  • the compression force presses the piston's sealing element alternately on one side and the other side onto the cylinder surface.
  • the sealing element Since the sealing element no longer wears prematurely on just one side, i.e. on one side, but rather wears more evenly on both sides of the sealing element's outer circumference, the sealing element has a longer, damage-free service life.
  • the maintenance intervals of the piston compressor with regard to the sealing element can therefore be extended.
  • the maximum service life of the piston compressor is no longer limited by the durability of the sealing element.
  • the invention therefore makes it possible to extend the maximum service life of a dry-running piston compressor by reversing the direction of rotation for a certain proportion of the operating time of the compressor.
  • the invention makes it possible to advantageously change the geometric dimensions of the sealing element while maintaining the same maximum service life.
  • a reduced sealing element for example a sleeve sealing ring with a shortened axial length, could reduce the friction of the piston on the cylinder surface and thus reduce the power consumption of the electric drive. This can be advantageous in systems where energy consumption is the main focus, such as in vehicles with electric drives.
  • the method according to the invention also provides various control strategies for changing the direction of rotation of the electric machine in order to optimize the durability of the sealing element by taking various relationships into account by means of the repeated reversal of the direction of rotation of the piston compressor.
  • a change in the direction of rotation can always take place when the operation of the piston compressor is interrupted.
  • a change in the direction of rotation is preferably carried out when the compressor operation is interrupted anyway by the respective application using compressed air.
  • the ongoing operation of the compressor can be actively interrupted for the implementation of certain embodiments of the method and taking certain operating parameters into account in order to switch the direction of rotation of the compressor.
  • the direction of rotation of the compressor is not reversed, however.
  • a suitable control device for controlling the electric drive machine is described further below. According to a first embodiment of the method according to the invention, it can be provided that a change in the direction of rotation of the piston compressor takes place before or after each activation of the piston compressor.
  • the direction of rotation of the piston compressor can be changed before or after each filling of a compressed air reservoir in a compressed air system, so that the piston compressor runs in the opposite direction when it is filled again.
  • the electric machine can be controlled alternately for operation in the first direction of rotation and in the second direction of rotation. Assuming that the piston compressor is activated at a certain filling level of the pressure reservoir and is operated at approximately the same speed of the crank drive during each filling process, this can achieve approximately even wear of the sealing element on both sides.
  • the change in direction of rotation can also be initiated during further activations, for example to refill air bellows.
  • Another embodiment of the method according to the invention provides that a change in the direction of rotation of the piston compressor takes place after a predetermined number of activations of the piston compressor.
  • the rotation direction of the piston compressor can be switched using the electronic counter after a certain number of activations in the first rotation direction.
  • the same number of activations of the piston compressor can then be used to operate it in the second rotation direction.
  • different numbers of activations can be set in the two rotation directions. This allows approximately even wear of the sealing element to be achieved with a reduced number of control processes.
  • a change in the direction of rotation of the piston compressor takes place after the expiration of a predetermined running time of the electric drive machine.
  • the direction of rotation of the piston compressor can be determined using an electronic time counter after a certain running time of the electric drive machine in a first direction of rotation.
  • the electrical machine can be operated in the first direction of rotation for a specified period of time and in the second direction of rotation for the same or a different period of time. This allows an approximately even wear of the sealing element to be combined with particularly gentle operation of the electrical machine.
  • a change in the direction of rotation of the piston compressor takes place depending on a requested or the current speed of the electric drive machine.
  • the electric drive motor can be operated at a reduced speed to save energy; in other operating situations, a high speed may be required to provide sufficient pneumatic pressure in a short time. It may therefore be useful to reverse the direction of rotation of the piston compressor at a certain speed value depending on the speed of the electric motor and to interrupt compressor operation for a short time. This can also ensure even wear of the sealing element.
  • a change in the direction of rotation of the piston compressor takes place depending on a requested compressed air volume and/or depending on a requested pressure amount of the compressed air of a compressed air request from at least one pneumatic consumer.
  • the direction of rotation of the piston compressor can be preselected before the piston compressor is switched on, depending on one or more consumers currently requesting compressed air. For example, if a relatively low compressed air withdrawal from a compressed air reservoir is expected to be used to refill a bellows of an air suspension with a relatively low pressure, a first direction of rotation can be selected, and if a relatively high compressed air requirement is expected, for example to fill the The other direction of rotation of the electric machine can be controlled by using a high pressure compressed air reservoir.
  • the direction of rotation of the piston compressor changes depending on the ambient temperature.
  • the electric machine can be controlled in a first temperature range, for example up to 15°C for rotation in the first direction of rotation and above 15°C for rotation in the second direction of rotation.
  • the current ambient temperature can, for example, be available on a CAN data bus of the vehicle and read out to control the electric machine.
  • one-sided wear of the sealing element can also be reduced over time.
  • the direction of rotation of the piston compressor is changed according to the calendar.
  • the direction of rotation of the compressor can therefore change daily, weekly, monthly or every six months, for example.
  • Seasonal control is also possible, for example with a change in direction of rotation between the winter and summer half-years. This can largely prevent one-sided wear of the sealing element over the course of several years of operation of the compressor.
  • a change in the direction of rotation of the piston compressor takes place depending on the current driving speed of a vehicle equipped with the piston compressor.
  • the electric drive machine can be operated in a first driving speed range of a vehicle equipped with the piston compressor, for example up to a driving speed of 60 km/h in the first direction of rotation and above 60 km/h in the second direction of rotation.
  • this design is based on the idea that future dry-running piston compressors can use asymmetrical pistons, the noise generated during operation of which depends significantly on the direction of rotation.
  • a so-called sleep mode and a power mode can then be implemented in the control software for operating such a piston compressor in order to reduce the noise generated by the vehicle during ferry operation at low driving speeds in the relevant direction of rotation. This could reduce the noise generated by vehicles in cities and residential areas with vehicle traffic. Accordingly, the other direction of rotation of the electric drive motor can be set at high driving speeds, since the noise generated by the compressor is of secondary importance in this case.
  • the invention therefore also relates to a dry-running piston compressor for supplying a compressed air supply system with compressed air, which has a piston which is arranged to be movable back and forth in a cylinder housing connected to a crankcase, wherein the piston, with a sealing element arranged radially on the outside thereof, lies sealingly against a cylinder running surface of a cylinder bore formed coaxially in the cylinder housing, wherein a rotatably mounted crankshaft is arranged in the crankcase, wherein the crankshaft is connected on the drive side to a drive shaft of an electrically or electronically controllable electric drive machine and on the output side to the piston by means of a connecting rod, wherein a connecting rod bearing eye of a connecting rod bearing formed on an axial end of the connecting rod is rotatably mounted on an eccentric pin of the crankshaft, wherein the other axial end of the connecting rod is rigidly connected to the piston, and in which the piston is driven by the electric drive machine via the crankshaft and the connecting rod to generate compressed air, where
  • the invention provides that the electric drive machine is designed as a direct current motor with a control device, wherein the control device has an electrical circuit or an electronic control unit by means of which the electric drive machine can be controlled to switch between a first direction of rotation and a second direction of rotation of the drive shaft of the electric drive machine and thus to change the direction of rotation of the piston compressor, and wherein the control electronics have a computer program which contains at least one control strategy for controlling a change in the direction of rotation of the piston compressor by means of the electrical circuit or by means of the electronic control unit.
  • This arrangement enables a change in the direction of rotation of a piston compressor.
  • the aim is to avoid increased wear on one side of the piston seal in order to extend the maximum service life of the piston compressor.
  • the piston which is rigidly connected to the connecting rod of the crank drive, moves during its axial stroke movements in the cylinder housing in the intake phases and in the Compression phases are angled at the cylinder surface, causing the sealing element of the dry-running piston to wear on one side.
  • the piston now tilts alternately to one side and then the other during the compression phases, which are particularly critical for wear.
  • the control device for reversing the direction of rotation of the electric drive machine has an electrical circuit or an electronic control unit.
  • the electric drive machine can be a DC machine commutated with sliding contacts, such as carbon brushes.
  • the direction of rotation can be reversed using a simple electrical relay arrangement.
  • Such an arrangement can be manufactured particularly inexpensively.
  • the electric drive machine can be an electronically commutated, brushless DC machine. Its direction of rotation can be reversed using an electronic control unit. A relay circuit is then not required. Suitable control units for this are known per se. Such an arrangement with a brushless DC machine and control electronics is more expensive to manufacture, but it has the advantage that it does not have a mechanical commutator subject to wear and is therefore maintenance-free over its entire service life.
  • the control device can also contain an electronic counter, such as a time counter and/or an event counter.
  • the control device can also use current data that is available on a CAN data bus, for example, such as the speed of the electric drive motor, the ambient temperature, and operating parameters of a vehicle's drive train, such as engine speed, gear ratio, driving speed, compressed air requirements of pneumatic consumers and much more. This advantageously enables various control strategies to achieve even wear of the sealing element on both sides. These control strategies are advantageously included in a computer program of the control device for controlling the electric machine.
  • a pole change relay is integrated into the electrical circuit for switching the direction of rotation of the drive shaft of the electric drive machine and thus for changing the direction of rotation of the piston compressor, wherein the pole change relay interacts with a switch-on relay of the control device for switching the electric drive machine on and off.
  • a simple electrical circuit with only one pole change relay arranged in it can be provided to control a DC motor with brushes, which alternately swaps the negative pole and the positive pole to operate the electric drive machine.
  • the electric drive machine can be switched on and off as before.
  • a switch-on relay can be electrically connected in series with the pole change relay. If the pole change relay is inactive, the previous direction of rotation is maintained. The direction of rotation is switched by switching the pole change relay.
  • This technically simple arrangement equips such a DC motor with the desired direction of rotation change function.
  • a first control relay and a second control relay are integrated into the electrical circuit, which can be switched independently of one another, so that the electric drive machine can be switched on or off and optionally a first direction of rotation or a second direction of rotation of the drive shaft of the electric drive machine can be switched at the same time.
  • the invention also relates to a vehicle, such as a passenger car or commercial vehicle, with a dry-running piston compressor for supplying a Compressed air supply system of the vehicle with compressed air, wherein the piston compressor is constructed according to one of the device claims and can be operated to carry out a method according to one of the method claims.
  • Fig. 1 is a highly simplified diagram of a compressed air supply system with a piston compressor and an electric drive machine for driving it
  • Fig. 2 is a first embodiment of an electrical circuit of a control device for reversing the direction of rotation of a piston compressor according to Fig. 1 for carrying out a method according to the invention
  • Fig. 3 shows a second embodiment of an electrical circuit of a control device for reversing the direction of rotation of a piston compressor according to Fig. 1 for carrying out a method according to the invention
  • Fig. 4 in a schematic longitudinal section the piston compressor with its piston during a suction stroke in a first direction of rotation
  • Fig. 5 the piston compressor according to Fig. 4 with its piston at a bottom dead center of the piston movement
  • Fig. 6 the piston compressor according to Fig. 4 with its piston during a compression stroke in the first direction of rotation
  • Fig. 6b is a plan view of the piston according to Fig. 6 from the direction of the cylinder head, with a first wear area of a sealing element on the piston,
  • Fig. 7 the piston compressor according to Fig. 4 with its piston at a top dead center of the piston movement
  • Fig. 8 shows the piston compressor according to Fig. 4 with its piston during a suction stroke in a second direction of rotation
  • Fig. 9 shows the piston compressor according to Fig. 4 with the piston during a compression stroke in the second direction of rotation
  • Fig. 9b is a plan view of the piston from the direction of the cylinder head according to Fig. 9, with a second wear area of the sealing element on the piston, and the
  • Figures 4a, 5a, 6a, 7a, 8a, 9a different working positions of the piston according to Figures 4 to 9 with different directions of rotation of a driving crankshaft.
  • Some components in the figures are the same and are therefore designated by the same reference numerals.
  • the compressed air supply system 50 of a vehicle (not shown), shown in a very simplified schematic in Fig. 1, has a piston compressor 1 for supplying compressed air to a pneumatic consumer 51, for example in the form of an electronically controlled air spring level system.
  • the piston compressor 1 will be described in more detail later.
  • the piston compressor 1 of the compressed air supply system 50 has an air supply connection 9 on the input side for sucking in fresh air from the environment.
  • the compressor 1 can be driven by an electric drive machine 30, which in this case is designed as a brushed DC motor and can be controlled by a control device 31.
  • the control device 31 has an electrical circuit 32, 35 and electronic data storage devices and processors (not shown in more detail).
  • the electrical circuit 32, 35 is designed to switch the direction of rotation of a drive shaft (not shown) of the electric drive machine 30 between a first direction of rotation A and an opposite second direction of rotation B.
  • the fresh air compressed by the compressor 1 is provided at a compressed air outlet 10 of the piston compressor 1.
  • the compressed air outlet 10 is connected via a pneumatic line 52 to a pneumatic line gallery 53, to which a compressed air reservoir 55 with a storage valve 54 connected upstream thereof and the pneumatic consumer 51 are connected.
  • a branch (not shown) can also extend from the compressed air outlet 10, to which a vent is connected via a vent valve (not shown).
  • an air dryer also not shown
  • Fig. 2 shows a first embodiment of a simplified electrical circuit 32 of the control device 31.
  • the electrical drive machine 30 is therefore integrated into a circuit of the first circuit 32.
  • the functioning of a DC motor with brushes is known per se.
  • the electrical drive machine 30 has an electrical coil arrangement (not shown) with a first electrical connection 30a and a second electrical connection 30b.
  • the rotor of the electrical drive machine 30 can be used as an external rotor or as an internal rotor, which is connected to the drive shaft of the electric drive machine 30.
  • the circuit 32 has a pole change relay 33 with two switching positions.
  • the pole change relay 33 can be energized or de-energized by an upstream switch-on relay of the control device 31 (not shown) in order to switch the electric drive machine 30 on or off.
  • the two switching positions correspond to the first direction of rotation A and the second direction of rotation B of the drive shaft, respectively.
  • the first connection 30a is connected to the negative pole and the second connection 30b to the positive pole of a direct voltage source (not shown).
  • the electric drive machine 30 rotates, for example, in the first direction of rotation A.
  • the pole change relay 33 the pole connections change so that the first connection 30a is connected to the positive pole and the second connection 30b is connected to the negative pole of the direct voltage source. This changes the direction of rotation and the drive shaft of the electric drive machine 30 rotates in the opposite direction of rotation B.
  • Fig. 3 shows a second embodiment of a simplified second electrical circuit 35 of the control device 31 with a first control relay 36 and a second control relay 37.
  • This circuit has four switching positions. In a first switching position, which is shown in Fig. 3, both control relays 36, 37 are inactive, i.e. not activated, and are connected to the negative pole of a direct voltage source. The electric drive machine 30 is thus switched off. In a second switching position, the first control relay 36 is activated by the control device 31 and connected to the positive pole. The second control relay 37 is still connected to the negative pole. As a result, the electric machine 30 is switched on and at the same time a direction of rotation, for example the first direction of rotation A, is switched.
  • a direction of rotation for example the first direction of rotation A
  • the second control relay 37 is activated by the control device 31 and connected to the positive pole.
  • the first control relay 36 is inactive and connected to the negative pole.
  • the electric drive motor 30 is switched on and at the same time the second direction of rotation B is switched.
  • both control relays 36, 37 are active, i.e. controlled and connected to the positive pole.
  • FIGs 4 to 9 show the same piston compressor 1 in different operating situations.
  • Figures 4a, 5a, 6a, 7a, 8a, 9a are shown on a drawing sheet, in which the respective position of the piston 3 can be seen for different directions of rotation of the crankshaft 15.
  • the compressor 1 has a cylinder housing 2 with a piston 3 arranged therein and a cylinder head 6 connected to the cylinder housing 2 with two pneumatic valves 11, 13 arranged thereon.
  • the piston 3 divides an interior of the cylinder housing 2 into a compression chamber 4 and a neutral chamber 5.
  • the first pneumatic valve 11 acts as a suction valve which, in the closed state, covers an associated first valve opening 12 formed in the cylinder head 6, whereby the air supply connection 9 is separated from the compression chamber 4.
  • the air supply connection 9 is pneumatically connected to the compression chamber 4 for sucking in fresh air.
  • the second pneumatic valve 13 acts as a pressure valve which, in the closed state, covers an associated second valve opening 14 formed in the cylinder head 6, whereby the compressed air outlet 10 is separated from the compression chamber 4.
  • the compressed air outlet 10 is pneumatically connected to the compression chamber 4 for expelling compressed fresh air.
  • the two pneumatic valves 11, 13 are designed as elastic, plate-shaped lamella valves which can be pneumatically actuated in the opening direction and are otherwise closed by spring force.
  • the piston 3, which divides the interior of the cylinder housing 2 into the compression chamber 4 and the neutral chamber 5, has the geometry of an isosceles trapezoid, with the longer base side of the trapezoidal piston body forming a piston bottom 3a and the shorter base side forming a piston cover 3b.
  • the compression chamber 4 is arranged above the piston 3 and the neutral chamber 5 is arranged below the piston 3.
  • the piston 3 has a circumferential sealing element 20 on the radial outside, in the form of a sleeve sealing ring.
  • a diameter-reducing Paragraph 21 is formed, in which the sealing element 20 is inserted and fixed to the piston 3 by means of a pressed-in clamping ring 22.
  • crankcase 7 of the compressor 1 On the side of the piston 3 facing away from the compression chamber 4, next to the neutral chamber 5, there is a crankcase 7 of the compressor 1.
  • the interior of the crankcase 7 is connected to the neutral chamber 5, the neutral chamber 5 is thus at the pressure level of the interior of the crankcase 7.
  • the neutral chamber 5 can also be part of the interior of the crankcase 7.
  • a crankshaft 15 is arranged and rotatably mounted in the crankcase 7.
  • the crankshaft 15 is connected on the drive side to a drive shaft (not shown) of the electric drive machine 30.
  • the crankshaft 15 has an eccentric pin 16 for the articulated connection to a connecting rod 8.
  • the connecting rod 8 has a connecting rod shaft 18, at the axial end of which on the crankshaft side a connecting rod bearing eye 19 is arranged.
  • the connecting rod bearing eye 19 is rotatably mounted on the eccentric pin 16 via a connecting rod bearing 17 arranged therein, for example in the form of a roller bearing.
  • the piston 3 is fastened with its shorter base area, which forms the piston cover 3b, to the other axial end of the connecting rod shaft 18 opposite the connecting rod bearing eye 19.
  • the piston 3 is thus rigidly connected to the connecting rod 8.
  • the connecting rod 8 and the piston 3 are designed as a one-piece component.
  • the connecting rod 8 forms a crank drive of the piston compressor 1 with the crankshaft 15.
  • the piston compressor 1 works as follows:
  • a downward movement corresponds to an intake phase or an intake stroke of the compressor 1, in which the compression chamber 4 is enlarged.
  • the compressor 1 is currently in the intake stroke, with the eccentric pin 16 moving clockwise according to the first direction of rotation A.
  • the first intake valve which acts as a suction valve, opens as a result of a negative pressure developing in the compression chamber 4.
  • pneumatic valve 11 of the compressor 1. As a result, ambient air flows into the compression chamber 4 via the air supply connection 9 of the compressor 1 connected to the atmosphere until the piston 3, as can be seen in Fig. 5, has reached a bottom dead center UT of its downward movement.
  • the second pneumatic valve 13 on the outlet side only opens when the pressure in the compression chamber 4 exceeds the pressure in the area of a compressed air outlet 10 of the piston compressor 1.
  • the compressed air generated is then available at the compressed air outlet 10 of the piston compressor 1, for example to fill the compressed air reservoir 55 for the connected pneumatic consumer(s) 51.
  • the working cycle then begins again with the intake stroke and the exhaust stroke.
  • the piston 3 performs a wobbling movement during its axial upward and downward movements in the cylinder housing 2.
  • the piston 3 runs with its sealing element 20 at different angles along the cylinder running surface 26.
  • the direction of rotation of the piston compressor 1 and thus of the piston 3 is determined by the direction of rotation of the crank drive, i.e. the crankshaft 15.
  • Figures 4a to 6a show a largely complete working cycle of the piston compressor 1, in which the eccentric pin 16 is moved clockwise according to the first direction of rotation A. In each exhaust stroke, i.e.
  • a compression force acts on the piston 3, which, due to the angled piston position, generates a resulting tilting moment towards a first side 23 of the sealing element 20 and presses this area more strongly against the cylinder surface 26.
  • Fig. 6a illustrates, When using the first direction of rotation A of the piston compressor 1, the first side 23 of the sealing element 20 is affected by this load. The result is increased lateral friction between the sealing element 20 and the cylinder running surface 26, resulting in increased one-sided wear of the sealing element 20. The affected area, namely the first side 23 of the sealing element 20, is clearly visible in the top view of Fig. 6b.
  • the direction of rotation of the piston compressor 1 is alternately reversed by means of the control device 31 and by switching the associated electrical circuit 32, 35.
  • This reversal of the direction of rotation takes place repeatedly and according to at least one predetermined strategy.
  • the direction of rotation changes after a predetermined number of activations of the piston compressor 1.
  • Figures 8 and 8a show an intake stroke in the counterclockwise second direction of rotation B of the piston compressor 1.
  • Figures 9 and 9a show an exhaust stroke in this opposite second direction of rotation B.
  • the change in the angular position of the piston 3 relative to the cylinder bore 25 therefore runs exactly the opposite way during the piston strokes due to the reversal of the direction of rotation.
  • control device 32 First electrical circuit of the control device (1st embodiment) 33 Pole change relay (1st embodiment) 35 Second electrical circuit of the control device (2nd embodiment) 36 First control relay (2nd embodiment) 37 Second control relay (2nd embodiment)

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen trockenlaufenden Kolbenkompressor (1) zur Versorgung einer Druckluftversorgungsanlage (50) mit Druckluft sowie ein Verfahren zur Steuerung dieses Kolbenkompressors. Der der Kolbenkompressor weist einen Kolben (3) auf, der in einem mit einem Kurbelgehäuse (7) verbundenen Zylindergehäuse (2) axial bewegbar angeordnet ist. Der Kolben (3) liegt mit einem daran radial außen angeordneten Dichtelement (20) an einer Zylinderlauffläche (26) einer koaxial im Zylindergehäuse ausgebildeten Zylinderbohrung (25) dichtend an. Zudem ist in dem Kurbelgehäuse eine drehbar gelagerte Kurbelwelle (15) angeordnet, welche antriebsseitig mit einer Antriebswelle einer elektrisch oder elektronisch ansteuerbaren elektrischen Antriebsmaschine (30) und abtriebsseitig mittels eines Pleuels (8) mit dem Kolben (3) verbunden ist. Hierbei ist ein an einem axialen Ende des Pleuels ausgebildetes Pleuellagerauge (19) eines Pleuellagers (17) drehbar auf einem Exzenterzapfen (16) der Kurbelwelle (15) gelagert, und das andere axiale Ende des Pleuels (8) ist mit dem Kolben (3) starr verbunden. Der Kolben wird zur Drucklufterzeugung über die Kurbelwelle (15) und das Pleuel von der elektrischen Antriebsmaschine (30) angetrieben, wobei der Kolben axial zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) unter Vollführung eines Kolbenhubes sowie unter Veränderung seiner Winkellage in der Zylinderbohrung (25) bewegt wird. Bei dem Verfahren ist zur Gebrauchsdauerverlängerung des Dichtelements (20) vorgesehen, dass die elektrische Antriebsmaschine (30) alternierend zur Drehrichtungsumkehr der Kurbelwelle (15) und damit zum Drehrichtungswechsel des Kolbenkompressors (1) angesteuert wird.

Description

Verfahren zur Steuerung eines trockenlaufenden Kolbenkompressors sowie Kolbenkompressor zur Durchführung dieses Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines trockenlaufenden Kolbenkompressors zur Versorgung einer Druckluftversorgungsanlage mit Druckluft, wobei der Kolbenkompressor einen Kolben aufweist, welcher in einem mit einem Kurbelgehäuse verbundenen Zylindergehäuse hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei der Kolben mit einem daran radial außen angeordneten Dichtelement an einer Zylinderlauffläche einer koaxial im Zylindergehäuse ausgebildeten Zylinderbohrung dichtend anliegt, wobei in dem Kurbelgehäuse eine drehbar gelagerte Kurbelwelle angeordnet ist, wobei die Kurbelwelle antriebsseitig mit einer Antriebswelle einer elektrisch oder elektronisch ansteuerbaren elektrischen Antriebsmaschine sowie abtriebsseitig mittels eines Pleuels mit dem Kolben verbunden ist, wobei ein an einem axialen Ende des Pleuels ausgebildetes Pleuellagerauge eines Pleuellagers drehbar auf einem Exzenterzapfen der Kurbelwelle gelagert ist, und wobei das andere axiale Ende des Pleuels mit dem Kolben starr verbunden ist. Der Kolben wird zur Drucklufterzeugung über die Kurbelwelle und das Pleuel von der elektrischen Antriebsmaschine angetrieben, wobei der Kolben axial zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt unter Vollführung eines Kolbenhubes sowie unter Veränderung seiner Winkellage in der Zylinderbohrung bewegt wird.
Außerdem betrifft die Erfindung einen trockenlaufenden Kolbenkompressor zur Durchführung eines solchen Verfahrens sowie ein Fahrzeug mit einem derartigen Kompressor.
Trockenlaufende, elektrisch angetriebene Kolbenkompressoren sind in verschiedenen Ausführungen bereits bekannt. Sie werden beispielsweise als kompakte Baueinheiten mit einem eigenen elektrischen Antrieb für die Druckluftversorgung von Druckluftverbrauchern in Fahrzeugen eingesetzt. Beispielweise zeigen die WO 2009 033 556 A1 und die DE 10 2011 121 750 A1 derartige Kompressoren. Demnach werden elektrisch angetriebene Kolbenkompressoren häufig als trockenlaufende, also schmierstofffreie Aggregate konzipiert. Da die bewegten Komponenten eines derartigen Kompressors, insbesondere der Kolben sowie die Zylinderlauffläche, an welcher der Kolben entlang bewegt wird, keine Schmiermittelversorgung benötigen, ist die erzeugte Druckluft vorteilhaft ölfrei. Zudem sind die Herstellungs- und Wartungskosten im Vergleich zu nasslaufenden Kompressoren mit Ölschmierung der bewegten Komponenten geringer, da aufwendige Filtereinrichtungen zur Ausfilterung von Ölpartikeln in der erzeugten Druckluft sowie regelmäßige Wartungsintervalle entfallen. Mit einem Elektromotor als Antriebsquelle, beispielsweise einem elektronisch kommutierten, bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer Steuerungselektronik, können derartige Kompressoren als unabhängige Aggregate für viele Anwendungsgebiete, beispielsweise in Fahrzeugen mit verbrennungsmotorischen, hybriden oder elektrischen Antriebssträngen eingesetzt werden. Dort dienen sie für die Erzeugung und Bereitstellung von Druckluft für verschiedene Druckluftverbraucher, wie beispielsweise Bremsanlagen, Luftfederanlagen, Klimaanlagen und Kupplungsaktuatoren. Zudem werden solche Kompressoren für die Niveauregelung von Luftfederungen an Fahrzeugen bevorzugt.
Bei einer bekannten Bauart eines Kolbenkompressors weist der Kompressor ein Säugventil und ein Druckventil mit jeweils einem Ventilsitz auf, wobei der jeweilige Ventilsitz zwischen einem Zylindergehäuse mit einem darin angeordneten Kolben und einem Zylinderkopf angeordnet ist. Der Kolben ist über eine Pleuelstange mit einer als Kurbelwelle ausgebildeten Antriebswelle verbunden. Der Zylinderkopf weist eine Eintrittskammer und eine Austrittskammer auf. Der Zylinderkopf ist beispielsweise über die Ventilsitze, an denen die zum Beispiel als elastische Lamellenventile ausgebildeten Saug- und Druckventile befestigt sind, mit dem Zylindergehäuse verbunden. Die Eintrittskammer ist über eine Filteranordnung mit der Umgebungsluft verbunden. Im Ansaugtakt des Kolbens wird die Eintrittskammer über eine Ventilöffnung durch das dann geöffnete Säugventil mit einem Kompressionsraum des Zylindergehäuses verbunden. Im Ausstoßtakt des Kolbens wird der Kompressionsraum des Zylindergehäuses über eine weitere Ventilöffnung durch ein dann geöffnetes Druckventil mit der Austrittskammer verbunden, welche mit einer Förderleitung der Druckluftversorgungsanlage in Verbindung steht. Bei einem nasslaufenden Kolbenkompressor ist ein mit einem Schmiermittel versorgter Kolbenring am Außenumfang eines Kolbens angeordnet, welcher an der Zylinderlauffläche im Zylindergehäuse druckdicht anliegt, um den Kompressionsraum gegen den Atmosphärendruck im Kurbelgehäuse abzudichten, Bei einem trockenlaufenden Kolbenkompressor ist am Außenumfang eines Kolbens vorzugsweise ein elastomeres Dichtelement in Form eines Manschettendichtrings oder einer Dichtlippe angeordnet, mittels dem der Kolben an der Zylinderlauffläche im Zylindergehäuse druckdicht anliegt. Die schadensfreie Nutzungsdauer eines derartigen trockenlaufenden Kolbenkompressors ist hauptsächlich durch den Verschleiß des Dichtelements bestimmt. Aufgrund der fehlenden Schmierung kann der Verschleiß des Dichtelements nicht ohne weiteres verringert werden. Um die erwähnte Nutzungsdauer des Dichtelements zu verlängern könnte bei einem Dichtelement in Form eines Manschettendichtrings dessen axiale Länge vergrößert werden. Dies würde jedoch die Kontaktfläche zwischen dem Manschettendichtring und der Zylinderlauffläche vergrößern, wodurch die Reibungskräfte bei der axialen Kolbenbewegung, welche dem Antrieb des Kurbeltriebs entgegenwirken, erhöht würden. Dies hätte einen unnötig höheren Stromverbrauch des elektrischen Antriebs zur Folge. Bei einem Dichtelement in Form einer ringförmigen Dichtlippe, könnte die radiale Breite der Dichtlippe durch eine konstruktive Anpassung des Kolbens und/oder des Zylindergehäuses vergrößert werden. Dies könnte jedoch dazu führen, dass die Dichtlippe bei der Kolbenbewegung einknickt mit der Folge, dass eine Leckage zwischen dem Kompressionsraum und dem Kurbelgehäuse entsteht.
Außerdem sind kompakte, trockenlaufende Kolbenkompressoren häufig in einer sogenannten Fix-Kolben Bauweise ausgeführt. Bei nasslaufenden Kolbenkompressoren ist der Kolben üblicherweise mit dem Pleuel gelenkig verbunden, sodass der Kolben bei der Hubbewegung koaxial im Zylindergehäuse auf und ab bewegt wird, wobei der Kolbenring mit seinem radial äußeren Umfang parallel an der Zylinderlauffläche entlangläuft. Hingegen ist bei trockenlaufenden Kolbenkompressoren für einige pneumatische Systeme, insbesondere für Systeme mit relativ geringem Druckluftverbrauch, wie Luftfederanlagen oder Klimaanlagen in Personenkraftwagen, der Kolben mit dem Pleuel starr verbunden. Bedingt durch die starre Kolben-Pleuel-Verbindung vollführt der Kolben während des Hubes im Zylindergehäuse eine geringe Taumelbewegung. Bei dieser Taumelbewegung läuft der Kolben entfernt vom oberen Totpunkt und unteren Totpunkt der Kolbenbewegung angewinkelt an der Zylinderlauffläche entlang, wobei der Kolben bei seiner axialen Aufwärtsbewegung, also bei einem Kompressionshub mit der einen Längsseite und bei seiner axialen Abwärtsbewegung, also bei einem Ansaughub, mit der gegenüberliegenden anderen Längsseite zur Zylinderfläche unter sich kontinuierlich veränderndem Winkel geneigt ist.
Als problematisch wurde erkannt, dass sich das Dichtelement bei der Taumelbewegung des Kolbens an seinem radial äußeren Umfang ungleichmäßig abnutzt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei jedem Kompressionshub des angewinkelt bewegten Kolbens durch den auf den kompressionsraumseitigen Kolbenboden wirkenden Kompressionsdruck ein der Drehrichtung des Kurbeltriebs entgegen gerichtetes Kippmoment wirksam ist, welches den Kolben zur Zylinderlauffläche hindrückt. In dessen Folge wird derjenige Umfangsbereich des Dichtelements, welcher durch den Kompressionsdruck an die Zylinderlauffläche gedrückt wird, bei der axialen Kompressionsbewegung des Kolbens stärker beansprucht als der übrige Umfangsbereich des Dichtelements. Bei jedem einzelnen Kompressionshub wird demnach immer der gleiche Umfangsbereich des Dichtelements gegen die Zylinderlauffläche gedrückt und dadurch intensiver abgenutzt. Da der am stärksten abgenutzte Bereich des Dichtelementes maßgeblich für dessen Haltbarkeit ist, wird die maximale Gebrauchsdauer des Dichtelements und damit die des Kolbenkompressors zusätzlich verkürzt. Die maximale Gebrauchsdauer eines trockenlaufenden Kolbenkompressors kann nur durch den Wechsel und/oder die Wartung des Dichtungselements verlängert werden. Dies ist oft nicht kosteneffizient, sodass bei einem zu starken Verschleiß des Dichtelements häufig der komplette Kompressor im Fahrzeug gewechselt werden muss.
Vor diesem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung eines trockenlaufenden, elektrisch antreibbaren Kolbenkompressors der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welches einen verschleißärmeren Betrieb des Kompressors ermöglicht. Insbesondere soll dafür eine längere Haltbarkeit des Dichtelements des Kolbens erreicht werden. Eine weitere Aufgabe bestand darin, einen für die Durchführung eines solchen Verfahrens geeigneten Kolbenkompressor vorzustellen.
Die Lösung dieser Aufgaben ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen in den jeweils zugeordneten abhängigen Ansprüchen definiert sind. Die Erfindung betrifft demnach zunächst ein Verfahren zur Steuerung eines trockenlaufenden Kolbenkompressors zur Versorgung einer Druckluftversorgungsanlage mit Druckluft. Der Kolbenkompressor weist einen Kolben auf, welcher in einem mit einem Kurbelgehäuse verbundenen Zylindergehäuse hin und her bewegbar angeordnet ist. Dabei liegt der Kolben mit einem daran radial außen angeordneten Dichtelement an einer Zylinderlauffläche einer koaxial im Zylindergehäuse ausgebildeten Zylinderbohrung dichtend an. Zudem ist in dem Kurbelgehäuse eine drehbar gelagerte Kurbelwelle angeordnet, welche antriebsseitig mit einer Antriebswelle einer elektrisch oder elektronisch ansteuerbaren elektrischen Antriebsmaschine sowie abtriebsseitig mittels eines Pleuels mit dem Kolben verbunden ist. Ein an einem axialen Ende des Pleuels ausgebildetes Pleuellagerauge eines Pleuellagers ist drehbar auf einem Exzenterzapfen der Kurbelwelle gelagert, und das andere axiale Ende des Pleuels ist mit dem Kolben starr verbunden. Zur Drucklufterzeugung wird der Kolben über die Kurbelwelle und das Pleuel von der elektrischen Antriebsmaschine angetrieben, wobei der Kolben axial zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt unter Vollführung eines Kolbenhubes sowie unter Veränderung seiner Winkellage in der Zylinderbohrung bewegt wird.
Zur Lösung der verfahrensbezogenen Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass die elektrische Antriebsmaschine alternierend zur Drehrichtungsumkehr der Kurbelwelle und damit zum Drehrichtungswechsel des Kolbenkompressors angesteuert wird. Hierbei erfolgt jeweils eine Winkellagenveränderung des Kolbens.
Es sei hier kurz erwähnt, dass in der nachfolgenden Beschreibung als „eine Seite eines Dichtelements“ ein begrenzter erster Abschnitt eines radial äußeren Umfangs des Dichtelements verstanden wird. Unter der Bezeichnung „eine andere Seite des Dichtelements“ wird ein begrenzter zweiter Abschnitt des radial äußeren Umfangs des Dichtelements verstanden. Die beiden genannten Seiten beziehungsweise Abschnitte des Dichtelements liegen zueinander radial gegenüber und erstrecken sich jeweils über einen etwa gleich langen Kreisbogen.
Durch die Drehrichtung der Antriebswelle der elektrischen Maschine und der mit der Antriebswelle antriebsverbundenen Kurbelwelle ist die Drehrichtung des Kolbenkompressors bestimmt. Diese Drehrichtung des Kolbenkompressors bestimmt die Veränderung der Winkellage des Kolbens gegenüber der Zylinderbohrung in den Ansaugtakten und Ausstoßtakten. Eine Drehrichtungsumkehr des Kolbenkompressors kehrt dementsprechend die Veränderung der Winkellage des Kolbens gegenüber der Zylinderbohrung in den Ansaugtakten und Ausstoßtakten um.
Der Erfindung lag die Erkenntnis zugrunde, dass die ungleichmäßige und insbesondere auf einer Seite verstärkte Abnutzung des Dichtelements des Kolbens aus einer Kompressionskraft resultiert, welche auf den angewinkelt an die Zylinderlauffläche anlaufenden Kolben wirkt, und weiter, dass diejenige Seite des Dichtelements, auf der dieser erhöhte Verschleiß an dem Dichtelement auftritt, mit der Drehrichtung des Kurbeltriebs korreliert ist.
Die Erfindung löst das technische Problem des beschriebenen einseitig starken Verschleißes nun auf überraschend einfache Weise, indem die Drehrichtung der Kurbelwelle wiederholt umgekehrt wird. Die Drehrichtungsumkehr erfolgt durch eine entsprechende Ansteuerung der elektrischen Antriebsmaschine. Demzufolge ändert sich die Drehrichtung des Kolbenkompressors, also der Ablauf der Winkellagenänderung des Kolbens im Ansaugtakt und im Ausstoßstakt entsprechend oft. Dadurch ergibt sich ein gleichmäßigerer Verschleiß des Dichtelements, da der Kolben in der Kompressionsphase nunmehr abwechselnd zur einen und zur anderen Seite angewinkelt an der Zylinderlauffläche anläuft. Hierdurch drückt die Kompressionskraft das Dichtelement des Kolbens abwechselnd an der einen Seite und an der anderen Seite an die Zylinderlauffläche. Die bisher stärker belastete eine Seite des Dichtelements wird dadurch entlastet, also weniger abgenutzt. Dafür wird die andere, bisher wenig belastete Seite des Dichtelements, etwas stärker belastet, also stärker abgenutzt. Im Idealfall werden beide Seiten im Laufe des Betriebs gleich viel abgenutzt.
Da das Dichtelement nun nicht mehr auf nur einer Seite, also einseitig vorzeitig verschleißt, sondern eine beidseitige und damit gleichmäßigere Abnutzung des Dichtelements an seinem Außenumfang erfolgt, wird eine längere schadlose Nutzungsdauer des Dichtelements erreicht. Die Wartungsintervalle des Kolbenkompressors hinsichtlich des Dichtelements können daher verlängert werden. Im Idealfall ist die maximale Gebrauchsdauer des Kolbenkompressors nun nicht mehr durch die Haltbarkeit des Dichtelements begrenzt. Die Erfindung ermöglicht es demnach, die maximale Gebrauchsdauer eines trockenlaufenden Kolbenkompressors zu verlängern, indem die Drehrichtung für einen bestimmten Anteil der Betriebszeit des Kompressors umgekehrt wird. Alternativ dazu ermöglicht es die Erfindung, die geometrischen Abmessungen des Dichtelements bei gleichbleibender maximaler Gebrauchsdauer vorteilhaft zu verändern. Insbesondere könnte ein verkleinertes Dichtelement, beispielsweise ein Manschettendichtring mit einer verkürzten axialen Länge, die Reibung des Kolbens an der Zylinderlauffläche verringern und damit den Stromverbrauch des elektrischen Antriebs verringern. Dies kann bei Anlagen, bei denen der Energieverbrauch im Vordergrund steht, von Vorteil sein, etwa bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb.
Die Umkehrung der Drehrichtung des Kolbenkompressors führt wie bereits gesagt dazu, dass sich der Verschleiß des Dichtelements auf zwei Bereiche des Dichtelements verteilt. Die maximal mögliche Gebrauchsdauerverlängerung würde sich grundsätzlich dann ergeben, wenn der Kolbenkompressor im zeitlichen Mittel in beiden Drehrichtungen im Verhältnis 1 :1 der Anzahl von Kolbenhüben betrieben wird. Das Verfahren gemäß der Erfindung stellt darüber hinaus verschiedene Steuerungsstrategien für den Drehrichtungswechsel der elektrischen Maschine zur Verfügung, um die Haltbarkeit des Dichtelements unter Berücksichtigung verschiedener Zusammenhänge mittels der wiederholten Drehrichtungsumkehr des Kolbenkompressors zu optimieren.
Ein Drehrichtungswechsel kann immer dann erfolgen, wenn der Betrieb des Kolbenkompressors unterbrochen ist. Zweckmäßigerweise erfolgt ein Drehrichtungswechsel bevorzugt dann, wenn der Kompressorbetrieb ohnehin von der jeweiligen druckluftnutzenden Anwendung unterbrochen ist. Alternativ dazu kann der laufende Betrieb des Kompressors aktiv für die Durchführung bestimmter Ausführungsformen des Verfahrens sowie unter Berücksichtigung bestimmter Betriebsparameter unterbrochen werden, um die Drehrichtung des Kompressors umzuschalten. Während eines Laufzyklus des Kompressors, also zwischen einem Ansaugtakt und einem Ausstoßtakt, wird die Drehrichtung des Kompressors allerdings nicht umgekehrt. Eine geeignete Steuereinrichtung für die Ansteuerung der elektrischen Antriebsmaschine wird weiter hinten noch beschrieben. Gemäß einer ersten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Wechsel der Drehrichtung des Kolbenkompressors vor oder nach jeder Aktivierung des Kolbenkompressors erfolgt.
Demnach kann beispielsweise vor oder nach jeder Befüllung eines Druckluftspeichers einer Druckluftanlage die Drehrichtung des Kolbenkompressors geändert werden, sodass bei einem erneuten Füllvorgang der Kolbenkompressor in die entgegengesetzte Richtung läuft. Mittels eines elektronischen Zählers in einer Steuerungselektronik kann die elektrische Maschine abwechselnd für einen Betrieb in der ersten Drehrichtung und in der zweiten Drehrichtung angesteuert werden. Unter der Annahme, dass der Kolbenkompressor jeweils bei einem bestimmten Füllstand des Druckspeichers aktiviert und bei jedem Füllvorgang mit der annähernd gleichen Drehzahl des Kurbeltriebs betrieben wird, kann dadurch eine annähernd gleichmäßige Abnutzung des Dichtelements auf beiden Seiten erreicht werden. Der Drehrichtungswechsel kann ebenso bei weiteren Aktivierungen, beispielsweise zum Nachfüllen von Luftfederbälgen, veranlasst werden.
Eine andere Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung sieht vor, dass ein Wechsel der Drehrichtung des Kolbenkompressors jeweils nach einer vorgegebenen Anzahl von Aktivierungen des Kolbenkompressors erfolgt.
Demnach kann die Drehrichtung des Kolbenkompressors anhand des elektronischen Zählers nach einer bestimmten Anzahl von Aktivierungen in der ersten Drehrichtung umgeschaltet werden. Sodann kann die gleiche Anzahl von Aktivierungen des Kolbenkompressors zum Betreiben desselben in der zweiten Drehrichtung erfolgen. Alternativ dazu können auch unterschiedliche Anzahlen von Aktivierungen in den beiden Drehrichtungen eingestellt werden. Dadurch kann eine etwa gleichmäßige Abnutzung des Dichtelements mit einer reduzierten Anzahl von Steuerungsvorgängen erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Wechsel der Drehrichtung des Kolbenkompressors jeweils nach Ablauf einer vorgegebenen Laufzeit der elektrischen Antriebsmaschine erfolgt.
Demnach kann die Drehrichtung des Kolbenkompressors anhand eines elektronischen Zeitzählers nach einer bestimmten Laufzeit der elektrischen Antriebsmaschine in einer ersten Drehrichtung umgeschaltet werden. Beispielsweise kann die elektrische Maschine jeweils für einen vorgegebenen Zeitraum der Laufzeit in der ersten Drehrichtung und für den gleichen oder einen unterschiedlichen Zeitraum in der zweiten Drehrichtung betrieben werden. Dadurch kann eine etwa gleichmäßige Abnutzung des Dichtelements mit einem besonders schonenden Betrieb der elektrischen Maschine kombiniert werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Wechsel der Drehrichtung des Kolbenkompressors in Abhängigkeit von einer angeforderten oder der aktuellen Drehzahl der der elektrischen Antriebsmaschine erfolgt.
In bestimmten Betriebssituationen, beispielsweise bei deren Betrieb in einem Elektrofahrzeug, kann die elektrische Antriebsmaschine zur Energieeinsparung mit verringerter Drehzahl betrieben werden, in anderen Betriebssituationen kann eine hohe Drehzahl erforderlich sein, um in kurzer Zeit ausreichend pneumatischen Druck Verfügung zu stellen. Daher kann es zweckmäßig sein, die Drehrichtung des Kolbenkompressors abhängig von der Drehzahl der elektrischen Maschine bei einem bestimmten Drehzahlwert umzukehren und dafür den Kompressorbetrieb jeweils kurzzeitig zu unterbrechen. Dadurch kann ebenfalls eine gleichmäßige Abnutzung des Dichtelements erreicht werden.
Weiter kann vorgesehen sein, dass ein Wechsel der Drehrichtung des Kolbenkompressors in Abhängigkeit von einem angeforderten Druckluftvolumen und/oder in Abhängigkeit von einem angeforderten Druckbetrag der Druckluft einer Druckluftanforderung mindestens eines pneumatischen Verbrauchers erfolgt.
Demnach kann die Drehrichtung des Kolbenkompressors abhängig von einem oder mehreren aktuell die Druckluft anfordernden Verbrauchern vor dem Einschalten des Kolbenkompressors vorgewählt werden. Beispielsweise kann bei einer zu erwartenden eher geringen Druckluftentnahme aus einem Druckluftvorratsbehälter zum Nachfüllen eines Faltenbalgs einer Luftfederung mit einem eher niedrigen Druck eine erste Drehrichtung und bei einem eher hohen Druckluftbedarf, beispielweise zum Auffüllen des Druckluftvorratsbehälters mit einem hohen Druck die andere Drehrichtung der elektrischen Maschine angesteuert werden.
Insbesondere kann bei der Ansteuerung der elektrischen Antriebsmaschine zur Einstellung der Drehrichtung des Kolbenkompressors zwischen einem geschlossenen und einem offenen Druckluftsystem unterschieden werden. Während bei einem geschlossenen Regelkreislauf die Druckluft umgewälzt wird, wobei lediglich in geringem Maße Frischluft neu verdichtet werden muss, kann man bei einem offenen System von einem kontinuierlichen Bedarf an Druckluft ausgehen. Durch den Drehrichtungswechsel nach diesem Kriterium kann ein einseitiger Verschleiß des Dichtelements im Laufe der zeit zumindest deutlich verringert werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Wechsel der Drehrichtung des Kolbenkompressors in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur erfolgt. Demnach kann die elektrische Maschine in einem ersten Temperaturbereich, beispielsweise bis 15°C zum Drehen in der ersten Drehrichtung und oberhalb von 15°C zum Drehen in der zweiten Drehrichtung angesteuert werden. Die aktuelle Umgebungstemperatur kann beispielsweise auf einem CAN-Datenbus des Fahrzeugs zur Verfügung stehen und zur Steuerung der elektrischen Maschine ausgelesen werden. Bei einer üblichen mehrjährigen Betriebsdauer eines Kolbenkompressors kann dadurch ein einseitiger Verschleiß des Dichtelements im Laufe der Zeit ebenfalls verringert werden.
Weiter kann vorgesehen sein, dass ein Wechsel der Drehrichtung des Kolbenkompressors kalendarisch gesteuert erfolgt. Demnach kann die Drehrichtung des Kompressors beispielsweise täglich, wöchentlich, monatlich oder halbjährlich wechseln. Möglich ist auch eine saisonale Steuerung, beispielsweise mit jeweils einem Drehrichtungswechsel zwischen Winterhalbjahr und Sommerhalbjahr. Dadurch kann ein einseitiger Verschleiß des Dichtelements im Laufe mehrerer Betriebsjahre des Kompressors weitgehend verhindert werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein Wechsel der Drehrichtung des Kolbenkompressors in Abhängigkeit von der aktuellen Fahrgeschwindigkeit eines mit dem Kolbenkompressor ausgestatteten Fahrzeugs erfolgt. Demnach kann die elektrische Antriebsmaschine in einem ersten Fahrgeschwindigkeitsbereich eines mit dem Kolbenkompressor ausgestatteten Fahrzeugs, beispielsweise bis zu einer Fahrgeschwindigkeit von 60 km/h in der ersten Drehrichtung und oberhalb von 60 km/h in der zweiten Drehrichtung betrieben werden.
Außer einer Verschleißreduzierung des Dichtelements liegt dieser Ausführung der Gedanke zu Grunde, dass bei zukünftigen trockenlaufenden Kolbenkompressoren unsymmetrische Kolben zum Einsatz kommen können, deren Geräuschentwicklung im Betrieb deutlich von der Drehrichtung abhängt. In die Steuerungssoftware für den Betrieb eines solchen Kolbenkompressors können dann ein sogenannter Ruhemodus und ein Leistungsmodus implementiert sein, um die Geräuschentwicklung des Fahrzeugs im Fährbetrieb bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten in der betreffenden Drehrichtung zu verringern. Dadurch könnte die Lärmentwicklung durch Fahrzeuge in Städten und Wohngebieten mit Fahrzeugverkehr verringert werden. Entsprechend kann bei hohen Fahrgeschwindigkeiten die andere Drehrichtung der elektrischen Antriebsmaschine eingestellt sein, da hierbei die Geräuschentwicklung des Kompressors von eher untergeordneter Bedeutung ist.
Schließlich kann vorgesehen sein, dass ein Wechsel der Drehrichtung des Kolbenkompressors in Abhängigkeit von der aktuellen Verfügbarkeit elektrischer Energie in einem elektrischen Bordnetz eines mit dem Kolbenkompressor ausgestatteten Fahrzeugs erfolgt.
Demnach ist es vorteilhaft, eine Ansteuerung der elektrischen Antriebsmaschine zum Ändern der Drehrichtung des Kompressors zeitlich zu verschieben, wenn aktuell andere elektrische Verbraucher das Bordnetz des Fahrzeugs stark beanspruchen. Dadurch wird eine Überlastung des Bordnetzes durch einen hohen Einschaltstrom des Kompressors nach einer vorherigen Abschaltung vermieden. Dadurch wird die maximale Gebrauchsdauer des Kompressors zwar nicht erhöht beziehungsweise der vorzeitige Verschleiß des Dichtelements des Kolbens nicht vermieden, jedoch wird die Betriebssicherheit eines Fahrzeugs erhöht, in dem das Verfahren gemäß der Erfindung betrieben wird. Zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine besondere Vorrichtung notwendig. Die Erfindung betrifft daher auch einen trockenlaufenden Kolbenkompressor, zur Versorgung einer Druckluftversorgungsanlage mit Druckluft, weicher einen Kolben aufweist, der in einem mit einem Kurbelgehäuse verbundenen Zylindergehäuse hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei der Kolben mit einem daran radial außen angeordneten Dichtelement an einer Zylinderlauffläche einer koaxial im Zylindergehäuse ausgebildeten Zylinderbohrung dichtend anliegt, wobei in dem Kurbelgehäuse eine drehbar gelagerte Kurbelwelle angeordnet ist, wobei die Kurbelwelle antriebsseitig mit einer Antriebswelle einer elektrisch oder elektronisch ansteuerbaren elektrischen Antriebsmaschine sowie abtriebsseitig mittels eines Pleuels mit dem Kolben verbunden ist, wobei ein an einem axialen Ende des Pleuels ausgebildetes Pleuellagerauge eines Pleuellagers drehbar auf einem Exzenterzapfen der Kurbelwelle gelagert ist, wobei das andere axiale Ende des Pleuels mit dem Kolben starr verbunden ist, und bei dem der Kolben zur Drucklufterzeugung über die Kurbelwelle und das Pleuel von der elektrischen Antriebsmaschine angetrieben wird, wobei der Kolben axial zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt unter Vollführung eines Kolbenhubes sowie unter Veränderung seiner Winkellage in der Zylinderbohrung bewegt wird.
Zur Lösung der vorrichtungsbezogenen Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass die elektrische Antriebsmaschine als ein Gleichstrommotor mit einer Steuereinrichtung ausgebildet ist, wobei die Steuereinrichtung eine elektrische Schaltung oder ein elektronisches Steuergerät aufweist, mittels welcher die elektrische Antriebsmaschine zum Umschalten zwischen einer ersten Drehrichtung und einer zweiten Drehrichtung der Antriebswelle der elektrischen Antriebsmaschine und damit zum Wechseln der Drehrichtung des Kolbenkompressors ansteuerbar ist, und wobei die Steuerelektronik ein Computerprogramm aufweist, welches wenigstens eine Steuerstrategie zur Steuerung eines Drehrichtungswechsels des Kolbenkompressors mittels der elektrischen Schaltung oder mittels des elektronischen Steuergeräts beinhaltet.
Durch diese Anordnung wird ein Wechsel der Drehrichtung eines Kolbenkompressors ermöglicht. Das Ziel ist es, einen einseitigen erhöhten Verschleiß der Kolbenabdichtung zu vermeiden, um die maximale Gebrauchsdauer des Kolbenkompressors zu verlängern. Der mit dem Pleuel des Kurbeltriebs starr verbundene Kolben bewegt sich bei seinen axialen Hubbewegungen im Zylindergehäuse in den Ansaugphasen und in den Kompressionsphasen angewinkelt an der Zylinderlauffläche, wodurch das Dichtelement des trockenlaufenden Kolbens einseitig abgenutzt wird. Durch die nun mögliche Umkehrung der Drehrichtung des Kolbens neigt sich der Kolben nunmehr in den besonders für den Verschleiß kritischen Kompressionsphasen abwechselnd zur einen und zur anderen Seite.
Um dies zu ermöglichen weist die Steuereinrichtung zum Umkehren der Drehrichtung der elektrischen Antriebsmaschine eine elektrische Schaltung oder ein elektronisches Steuergerät auf. Die elektrische Antriebsmaschine kann eine mit Schleifkontakten, wie zum Beispiel Kohlebürsten kommutierte Gleichstrommaschine sein. Bei einer solchen Gleichstrommaschine kann die Drehrichtung mittels einer einfachen elektrischen Relaisanordnung umgekehrt werden. Eine derartige Anordnung ist besonders kostengünstig herstellbar.
Alternativ dazu kann die elektrische Antriebsmaschine eine elektronisch kommutierte, bürstenlose Gleichstrommaschine sein. Deren Drehrichtung kann mittels eines elektronischen Steuergeräts umgekehrt werden. Eine Relaisschaltung ist dann nicht erforderlich. Geeignete Steuergeräte dafür sind an sich bekannt. Eine solche Anordnung mit einer bürstenlosen Gleichstrommaschine und einer Steuerelektronik ist zwar kostenaufwendiger in der Herstellung, sie weist aber den Vorteil auf, dass sie keinen verschleißbehafteten mechanischen Kommutator hat und daher über deren gesamte Nutzungsdauer wartungsfrei ist.
Weiter kann in der Steuereinrichtung ein elektronischer Zähler, wie ein Zeitzähler und/oder ein Ereigniszähler, enthalten sein. Die Steuereinrichtung kann zudem aktuelle Daten verwenden, welche beispielsweise auf einem CAN-Datenbus verfügbar sind, wie die Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine, die Umgebungstemperatur, sowie Betriebsparameter eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, wie Motordrehzahl, Getriebeübersetzung, Fahrgeschwindigkeit, Druckluftanforderungen pneumatischer Verbraucher und vieles mehr. Dadurch sind vorteilhaft verschiedene Steuerstrategien möglich, um eine beidseitig gleichmäßige Abnutzung des Dichtelements zu erreichen. Diese Steuerstrategien sind in einem Computerprogramm der Steuereinrichtung zur Ansteuerung der elektrischen Maschine vorteilhaft enthalten. Gemäß einer ersten Ausführungsform des Kolbenkompressors kann vorgesehen sein, dass in die elektrische Schaltung ein Polwechselrelais zum Umschalten der Drehrichtung der Antriebswelle der elektrischen Antriebsmaschine und damit zum Wechseln der Drehrichtung des Kolbenkompressors integriert ist, wobei das Polwechselrelais mit einem Einschaltrelais der Steuereinrichtung zum Einschalten und Ausschalten der elektrischen Antriebsmaschine zusammenwirkt.
Demnach kann zur Steuerung eines Bürsten aufweisenden Gleichstrommotors eine einfache elektrische Schaltung mit nur einem darin angeordneten Polwechselrelais vorgesehen sein, welches den Minuspol und den Pluspol zum Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine wechselweise tauscht. Die elektrische Antriebsmaschine kann wie bisher eingeschaltet beziehungsweise ausgeschaltet werden. Beispielsweise kann dazu ein Einschaltrelais mit dem Polwechselrelais elektrisch in Reihe geschaltet sein. Bei inaktivem Polwechselrelais bleibt die bisherige Drehrichtung erhalten. Durch Schalten des Polwechselrelais wird die Drehrichtung umgeschaltet. Durch diese technisch einfache Anordnung ist ein solcher Gleichstrommotor mit der gewünschten Drehrichtungswechselfunktion ausgestattet.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in die elektrische Schaltung ein erstes Steuerrelais und ein zweites Steuerrelais integriert sind, welche unabhängig voneinander schaltbar sind, sodass gleichzeitig die elektrische Antriebsmaschine einschaltbar oder ausschaltbar sowie wahlweise eine erste Drehrichtung oder eine zweite Drehrichtung der Antriebswelle der elektrischen Antriebsmaschine schaltbar ist.
Bei dieser Anordnung mit einer Bürsten aufweisenden Gleichstrommaschine sind die Funktionen zum Einschalten und Ausschalten derselben in die Steuerschaltung zur Drehrichtungsumkehr integriert. Demnach sind zwei Relais vorhanden, welche einzeln schaltbar sind. Dadurch kann die elektrische Gleichstrommaschine eingeschaltet oder ausgeschaltet werden, sowie beim Einschalten gleichzeitig die gewünschte Drehrichtung geschaltet werden.
Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug, wie Personenkraftwagen oder Nutzfahrzeug, mit einem trockenlaufenden Kolbenkompressor zur Versorgung einer Druckluftversorgungsanlage des Fahrzeugs mit Druckluft, Wobei der Kolbenkompressor gemäß einem der Vorrichtungsansprüche aufgebaut und zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Verfahrensansprüche betreibbar ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein stark vereinfachtes Schema einer Druckluftversorgungsanlage mit einem Kolbenkompressor und einer elektrischen Antriebsmaschine für dessen Antrieb, Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer elektrischen Schaltung einer Steuereinrichtung zur Drehrichtungsumkehr eines Kolbenkompressors gemäß Fig. 1 zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der Erfindung,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer elektrischen Schaltung einer Steuereinrichtung zur Drehrichtungsumkehr eines Kolbenkompressors gemäß Fig. 1 zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der Erfindung,
Fig. 4 in einem schematischen Längsschnitt den Kolbenkompressor mit seinem Kolben bei einem Ansaughub in einer ersten Drehrichtung,
Fig. 5 den Kolbenkompressor gemäß Fig. 4 mit seinem Kolben an einem unteren Totpunkt der Kolbenbewegung,
Fig. 6 den Kolbenkompressor gemäß Fig. 4 mit seinem Kolben bei einem Kompressionshub in der ersten Drehrichtung,
Fig. 6b eine Draufsicht auf den Kolben gemäß Fig. 6 aus Richtung des Zylinderkopfes, mit einem ersten Verschleißbereich eines Dichtelements am Kolben,
Fig. 7 den Kolbenkompressor gemäß Fig. 4 mit seinem Kolben an einem oberen Totpunkt der Kolbenbewegung,
Fig. 8 den Kolbenkompressor gemäß Fig. 4 mit seinem Kolben bei einem Ansaughub in einer zweiten Drehrichtung,
Fig. 9 den Kolbenkompressor gemäß Fig. 4 mit dem Kolben bei einem Kompressionshub in der zweiten Drehrichtung,
Fig. 9b eine Draufsicht auf den Kolben aus Richtung des Zylinderkopfes gemäß Fig. 9, mit einem zweiten Verschleißbereich des Dichtelements am Kolben, und die
Figuren 4a, 5a, 6a, 7a, 8a, 9a unterschiedliche Arbeitsstellungen des Kolbens gemäß den Figuren 4 bis 9 bei unterschiedlichen Drehrichtungen einer antreibenden Kurbelwelle. Einige Bauelemente in den Figuren stimmen überein, sodass sie mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind.
Demnach weist die in der Fig. 1 schematisch stark vereinfacht dargestellte Druckluftversorgungsanlage 50 eines nicht dargestellten Fahrzeugs einen Kolbenkompressor 1 zur Druckluftversorgung eines pneumatischen Verbrauchers 51 , beispielsweise in Form einer elektronisch geregelten Luftfederniveauanlage, auf. Der Kolbenkompressor 1 wird später noch näher beschrieben. Der Kolbenkompressor 1 der Druckluftversorgungsanlage 50 weist eingangsseitig einen Luftzufuhranschluss 9 zum Ansaugen von Frischluft aus der Umgebung auf. Der Kompressor 1 ist von einer elektrischen Antriebsmaschine 30 antreibbar, welche vorliegend als ein Bürsten aufweisender Gleichstrommotor ausgebildet und von einer Steuereinrichtung 31 ansteuerbar ist. Die Steuereinrichtung 31 weist eine elektrische Schaltung 32, 35 auf sowie nicht weiter dargestellte elektronische Datenspeicher und Prozessoren auf. Die elektrische Schaltung 32, 35 ist zum Umschalten der Drehrichtung einer nicht dargestellten Antriebswelle der elektrischen Antriebsmaschine 30 zwischen einer ersten Drehrichtung A und einer entgegengesetzten zweiten Drehrichtung B ausgebildet. Die von dem Kompressor 1 verdichtete Frischluft wird an einem Druckluftauslass 10 des Kolbenkompressors 1 bereitgestellt. Der Druckluftauslass 10 ist über eine pneumatische Leitung 52 mit einer pneumatischen Leitungsgalerie 53 verbunden, an welche ein Druckluftspeicher 55 mit einem diesem vorgeschalten Speicherventil 54 sowie der pneumatische Verbraucher 51 angeschlossen sind. Von den Druckluftauslass 10 kann außerdem eine nicht dargestellte Abzweigung ausgehen, an welche zum über ein nicht dargestelltes Entlüftungsventil eine Entlüftung angeschlossen ist. Außerdem kann an die Abzweigung ein ebenfalls nicht dargestellter Lufttrockner angeschlossen sein, welcher über die pneumatische Leitung 52 zu der pneumatischen Leitungsgalerie 53 weiterführt.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer vereinfacht dargestellten elektrischen Schaltung 32 der Steuereinrichtung 31. Die elektrische Antriebsmaschine 30 ist demnach in einen Schaltkreis der ersten Schaltung 32 integriert. Die Funktionsweise eines Bürsten aufweisenden Gleichstrommotors ist an sich bekannt. Wichtig ist hier lediglich, dass die elektrische Antriebsmaschine 30 eine nicht dargestellte elektrische Spulenanordnung aufweist, mit einem ersten elektrischen Anschluss 30a und mit einem zweiten elektrischen Anschluss 30b. Der Rotor der elektrischen Antriebsmaschine 30 kann als ein Außenläufer oder als ein Innenläufer ausgebildet sein, welcher mit der Antriebswelle der elektrischen Antriebsmaschine 30 verbunden ist. Die Schaltung 32 weist ein Polwechselrelais 33 mit zwei Schaltstellungen auf. Das Polwechselrelais 33 ist durch ein nicht dargestelltes vorgeschaltetes Einschaltrelais der Steuereinrichtung 31 bestrombar beziehungsweise stromlos schaltbar, um die elektrische Antriebsmaschine 30 einzuschalten beziehungsweise auszuschalten. Die beiden Schaltstellungen entsprechen der ersten Drehrichtung A beziehungsweise der zweiten Drehrichtung B der Antriebswelle. In der in der Fig. 2 gezeigten ersten Schaltstellung ist der erste Anschluss 30a mit dem Minuspol und der zweite Anschluss 30b mit dem Pluspol einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle verbunden. Dadurch dreht die elektrische Antriebsmaschine 30 beispielsweise in der ersten Drehrichtung A. Durch Schalten des Polwechselrelais 33 wechseln die Polanschlüsse, sodass der erste Anschluss 30a mit dem Pluspol und der zweite Anschluss 30b mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle verbunden ist. Dadurch ändert sich die Drehrichtung und die Antriebswelle der elektrischen Antriebsmaschine 30 dreht in der entgegengesetzten Drehrichtung B.
Die Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer vereinfacht dargestellten zweiten elektrische Schaltung 35 der Steuereinrichtung 31 mit einem ersten Steuerrelais 36 und einem zweiten Steuerrelais 37. Diese Schaltung weist vier Schaltstellungen auf. In einer ersten Schaltstellung, welche in der Fig. 3 dargestellt ist, sind beide Steuerrelais 36, 37 inaktiv, also nicht angesteuert und dabei mit dem Minuspol einer Gleichspannungsquelle verbunden. Die elektrische Antriebsmaschine 30 ist dadurch ausgeschaltet. In einer zweiten Schaltstellung ist das erste Steuerrelais 36 durch die Steuereinrichtung 31 aktiviert und mit dem Pluspol verbunden. Das zweite Steuerrelais 37 ist weiterhin mit dem Minuspol verbunden. Dadurch ist die elektrische Maschine 30 eingeschaltet und gleichzeitig eine Drehrichtung, beispielsweise die erste Drehrichtung A, geschaltet. In einer dritten Schaltstellung ist das zweite Steuerrelais 37 durch die Steuereinrichtung 31 aktiviert und mit dem Pluspol verbunden. Das erste Steuerrelais 36 ist inaktiv und mit dem Minuspol verbunden. Dadurch ist die elektrische Antriebsmaschine 30 eingeschaltet und gleichzeitig die zweite Drehrichtung B geschaltet. In einer vierten Schaltstellung sind beide Steuerrelais 36, 37 aktiv, also angesteuert und mit dem Pluspol verbunden.
Die elektrische Antriebsmaschine 30 ist dadurch wie in der ersten Schaltstellung ausgeschaltet. Die Figuren 4 bis 9 zeigen den gleichen Kolbenkompressor 1 in verschiedenen Betriebssituationen. Zusätzlich sind auf einem Zeichnungsblatt die Figuren 4a, 5a, 6a, 7a, 8a, 9a dargestellt, in denen die jeweilige Stellung des Kolbens 3 bei unterschiedlichen Drehrichtungen der Kurbelwelle 15 erkennbar sind.
Demnach weist der Kompressor 1 ein Zylindergehäuse 2 mit einem darin angeordneten Kolben 3 sowie ein mit dem Zylindergehäuse 2 verbundenen Zylinderkopf 6 mit zwei daran angeordneten pneumatischen Ventilen 11 , 13 auf. Der Kolben 3 unterteilt einen Innenraum des Zylindergehäuses 2 in einen Kompressionsraum 4 und einen Neutralraum 5. Das erste pneumatische Ventil 11 ist als ein Säugventil wirksam, welches im geschlossenen Zustand eine in dem Zylinderkopf 6 ausgebildete zugehörige erste Ventilöffnung 12 abdeckt, wodurch der Luftzufuhranschluss 9 von dem Kompressionsraum 4 getrennt ist. Im offenen Zustand des als Säugventil wirksamen ersten pneumatischen Ventils 11 ist der Luftzufuhranschluss 9 zum Ansaugen von Frischluft mit dem Kompressionsraum 4 pneumatisch verbunden. Das zweite pneumatische Ventil 13 ist als ein Druckventil wirksam, welches im geschlossenen Zustand eine in dem Zylinderkopf 6 ausgebildete zugehörige zweite Ventilöffnung 14 abdeckt, wodurch der Druckluftauslass 10 von dem Kompressionsraum 4 getrennt ist. Im offenen Zustand des als Druckventil wirksamen zweiten pneumatischen Ventils 13 ist der Druckluftauslass 10 zum Ausstößen von verdichteter Frischluft mit dem Kompressionsraum 4 pneumatisch verbunden. Die beiden pneumatischen Ventile 11 , 13 sind vorliegend als elastische, plattenförmige Lamellenventile ausgebildet, welche in Öffnungsrichtung pneumatisch betätigbar sind und ansonsten durch Federkraft geschlossen sind.
Der Kolben 3, welcher den Innenraum des Zylindergehäuses 2 in den Kompressionsraum 4 und den Neutralraum 5 unterteilt, weist vorliegend die Geometrie eines gleichschenkligen Trapezes auf, wobei die längere Grundseite des trapezförmigen Kolbenkörpers einen Kolbenboden 3a und die kürzere Grundseite einen Kolbendeckel 3b bildet. In den Figuren ist aus der Sicht des Betrachters der Kompressionsraum 4 oberhalb des Kolbens 3 angeordnet, und der Neutralraum 5 unterhalb des Kolbens 3. Zur pneumatischen Trennung des Kompressionsraumes 4 von dem Neutralraum 5 weist der Kolben 3 radial außen ein umlaufendes Dichtelement 20 auf, vorliegend in Form eines Manschettendichtrings. Zur Verbindung des Dichtelements 20 mit dem Kolben 3 ist in einem radial äußern Randbereich des Kolbenbodens 3a ein durchmesserverkleinernder Absatz 21 ausgebildet, in welchem das Dichtelement 20 eingesetzt und mittels eines eingepressten Spannrings 22 am Kolben 3 festgelegt ist. Der Kolben 3 liegt mit dem daran angeordneten Dichtelement 20 an einer Zylinderlauffläche 26 einer koaxial in dem Zylindergehäuse 2 ausgebildeten Zylinderbohrung 25 druckdicht an.
Auf der von dem Kompressionsraum 4 abgewandten Seite des Kolbens 3 befindet sich neben dem Neutralraum 5 ein Kurbelgehäuse 7 des Kompressors 1. Das Innere des Kurbelgehäuses 7 ist mit dem Neutralraum 5 verbunden, der Neutralraum 5 befindet sich somit auf dem Druckniveau des Inneren des Kurbelgehäuses 7. Der Neutralraum 5 kann auch Teil des Inneren des Kurbelgehäuses 7 sein. In dem Kurbelgehäuse 7 ist eine Kurbelwelle 15 angeordnet und drehbar gelagert. Die Kurbelwelle 15 ist antriebsseitig mit einer nicht dargestellten Antriebswelle der elektrischen Antriebsmaschine 30 verbunden.
Die Kurbelwelle 15 weist einen Exzenterzapfen 16 zur gelenkigen Verbindung mit einem Pleuel 8 auf. Der Pleuel 8 besitzt einen Pleuelschafft 18, an dessen kurbelwellenseitigen axialen Ende ein Pleuellagerauge 19 angeordnet ist. Das Pleuellagerauge 19 ist über ein darin angeordnetes Pleuellager 17, beispielsweise in Form eines Wälzlagers, drehbar auf dem Exzenterzapfen 16 gelagert. An seinem dem Pleuellagerauge 19 entgegengesetzten anderem axialen Ende des Pleuelschaftes 18 ist der Kolben 3 mit seiner den Kolbendeckel 3b bildeten kürzeren Grundfläche befestigt. Dadurch ist der Kolben 3 starr mit dem Pleuel 8 verbunden. Vorliegend sind der Pleuel 8 und der Kolben 3 als ein einstückiges Bauteil ausgebildet. Der Pleuel 8 bildet mit der Kurbelwelle 15 einen Kurbeltrieb des Kolbenkompressors 1.
Die Funktionsweise des Kolbenkompressors 1 ist wie folgt:
Über eine Drehung der mittels der elektrischen Antriebsmaschine 30 angetriebenen Kurbelwelle 15 wird der Kolben 3 über das Pleuel 8 aufwärts oder abwärts bewegt. Eine Abwärtsbewegung entspricht einer Ansaugphase beziehungsweise einem Ansaugtakt des Kompressors 1, in welcher der Kompressionsraum 4 vergrößert wird. In der in Fig. 4 dargestellten Betriebssituation befindet sich der Kompressor 1 gerade im Ansaugtakt, wobei sich der Exzenterzapfen 16 gemäß der ersten Drehrichtung A im Uhrzeigersinn bewegt. Während des Ansaugtakts öffnet sich infolge eines im Kompressionsraum 4 entstehenden Unterdrucks das einlassseitige, als Säugventil wirksame erste pneumatisches Ventil 11 des Kompressors 1. Infolge dessen strömt über den mit der Atmosphäre verbundenen Luftzufuhranschluss 9 des Kompressors 1 Umgebungsluft in den Kompressionsraum 4 bis der Kolben 3, wie in Fig. 5 erkennbar ist, einen unteren Totpunkt UT seiner Abwärtsbewegung erreicht hat.
Bei der in der Fig. 6 dargestellten anschließenden Aufwärtsbewegung des Kolbens 3, welche einer Kompressionsphase beziehungsweise einem Ausstoßtakt entspricht, verringert der Kolben 3 das Volumen des Kompressionsraumes 4. Hierbei bewegt sich der Exzenterzapfen 16 weiter im Uhrzeigersinn in der ersten Drehrichtung A. Die im Kompressionsraum 4 befindliche Luft wird dabei verdichtet, welches zu einer Druckerhöhung im Kompressionsraum 4 führt. Hierdurch schließt das einlassseitige erste pneumatische Ventil 11. Der Druck im Kompressionsraum 4 erhöht sich weiter, bis entweder das auslassseitige, als Druckventil wirksame zweite pneumatische Ventil 13 des Kolbenkompressors 1 öffnet und/oder, wie in Fig. 7 dargestellt, der Kolben 3 den oberen Totpunkt OT der Kolbenbewegung erreicht hat. Das auslassseitige zweite pneumatische Ventil 13 öffnet erst, wenn der Druck im Kompressionsraum 4 den Druck im Bereich eines Druckluftauslasses 10 des Kolbenkompressors 1 überschreitet. An dem Druckluftauslass 10 des Kolbenkompressors 1 steht dann die erzeugte Druckluft beispielsweise zur Füllung des Druckluftspeichers 55 für den oder die angeschlossenen pneumatischen Verbraucher 51 zur Verfügung. Anschließend beginnt der Arbeitszyklus mit Ansaugtakt und Ausstoßtakt von vorn.
Wie das Zeichnungsblatt mit den Figuren 4a, 5a, 6a, 7a, 8a, 9a verdeutlicht, vollführt der Kolben 3 bei seinen axialen Aufwärts- und Abwärtsbewegungen in dem Zylindergehäuse 2 eine Taumelbewegung. Der Kolben 3 läuft dabei mit seinem Dichtelement 20 unterschiedlich angewinkelt an der Zylinderlauffläche 26 entlang. Die Drehrichtung des Kolbenkompressors 1 und damit des Kolbens 3 ist dabei durch die Drehrichtung des Kurbeltriebs, also der Kurbelwelle 15, vorgegeben. Die Figuren 4a bis 6a zeigen einen weitgehend vollständigen Arbeitszyklus des Kolbenkompressors 1 , bei dem der Exzenterzapfen 16 gemäß der ersten Drehrichtung A im Uhrzeigersinn bewegt wird. In jedem Ausstoßtakt, also in jeder Kompressionsphase, wirkt eine Kompressionskraft auf den Kolben 3, welche aufgrund der angewinkelten Kolbenstellung ein resultierendes Kippmoment zu einer ersten Seite 23 des Dichtelements 20 hin erzeugt und diesen Bereich verstärkt gegen die Zylinderlauffläche 26 drückt. Wie die Fig. 6a verdeutlicht, ist bei Nutzung der ersten Drehrichtung A des Kolbenkompressors 1 die erste Seite 23 des Dichtelements 20 von dieser Belastung betroffen. Das Resultat ist eine seitlich verstärkte Reibung zwischen dem Dichtelement 20 und der Zylinderlauffläche 26 mit der Folge einer verstärkten einseitigen Abnutzung des Dichtelements 20. Der betroffene Bereich, nämlich die erste Seite 23 des Dichtelements 20, ist in der Draufsicht der Fig. 6b deutlich erkennbar.
Bei der Nutzung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird die Drehrichtung des Kolbenkompressors 1 mittels der Steuereinrichtung 31 und durch Umschalten der zugehörigen elektrischen Schaltung 32, 35 wechselweise umgekehrt. Diese Drehrichtungsumkehr erfolgt wiederholt und nach wenigstens einer vorgegebenen Strategie. Beispielsweise wechselt die Drehrichtung jeweils nach einer vorgegebenen Anzahl von Aktivierungen des Kolbenkompressors 1. Die Figuren 8 und 8a zeigen hierzu einen Ansaugtakt in der gegen den Uhrzeigersinn gerichteten zweiten Drehrichtung B des Kolbenkompressors 1. Die Figuren 9 und 9a zeigen einen Ausstoßtakt bei dieser entgegengesetzten zweiten Drehrichtung B. Die Winkellagenveränderung des Kolbens 3 gegenüber der Zylinderbohrung 25 verläuft demnach bei den Kolbenhüben durch die Drehrichtungsumkehr genau umgekehrt. Wie insbesondere die Figuren 9 und 9b deutlicher zeigen, ist hierdurch die zur ersten Seite 23 des Dichtelements 20 gegenüberliegende zweite Seite 24 des Dichtelements 20 nun von der Abnutzung stärker betroffen. Ein wiederholter Drehrichtungswechsel des Kolbenkompressors 1 bewirkt somit, dass über dessen Nutzungsdauer hinweg die Abnutzung des Dichtelements 20 auf seinen beiden Seiten 23, 24 auftritt und somit auf beide Seiten 23, 24 verteilt wird. Dadurch wird ein vorzeitiger Verschleiß des Dichtelements 20 aufgrund einer starken einseitigen Abnutzung vorteilhaft verhindert.
Bezuqszeichenliste (Teil der Beschreibung)
1 Kolbenkompressor, Kompressor
2 Zylindergehäuse
3 Kolben
3a Kolbenboden
3b Kolbendeckel
4 Kompressionsraum
5 Neutralraum
6 Zylinderkopf
7 Kurbelgehäuse
8 Pleuel
9 Luftzufuhranschluss
10 Druckluftauslass
11 Erstes pneumatisches Ventil, Säugventil
12 Erste Ventilöffnung
13 Zweites pneumatisches Ventil, Druckventil
14 Zweite Ventilöffnung
15 Kurbelwelle
16 Exzenterzapfen an der Kurbelwelle
17 Pleuellager
18 Pleuelschafft des Pleuels
19 Pleuellagerauge des Pleuels
20 Dichtelement, Manschettendichtring
21 Absatz am Kolbenboden des Kolbens
22 Spannring am Kolben
23 Erste Seite des Dichtelements
24 Zweite Seite des Dichtelements
25 Zylinderbohrung
26 Zylinderlauffläche
30 Elektrische Antriebsmaschine
30a Erster elektrischer Anschluss der elektrischen Antriebsmaschine
30b Zweiter elektrischer Anschluss der elektrischen Antriebsmaschine
31 Steuereinrichtung 32 Erste elektrische Schaltung der Steuereinrichtung (1. Ausführungsform) 33 Polwechselrelais (1. Ausführungsform) 35 Zweite elektrische Schaltung der Steuereinrichtung (2. Ausführungsform) 36 Erstes Steuerrelais (2. Ausführungsform) 37 Zweites Steuerrelais (2. Ausführungsform)
50 Druckluftversorgungsanlage 51 Pneumatischer Verbraucher, Luftfederniveauanlage 52 Pneumatische Leitung 53 Pneumatische Leitungsgalerie 54 Speicherventil am Druckluftspeicher
55 Druckluftspeicher A Erste Drehrichtung der Kurbelwelle B Zweite Drehrichtung der Kurbelwelle OT Oberer Totpunkt des Kolbens UT Unterer Totpunkt des Kolbens

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung eines trockenlaufenden Kolbenkompressors (1) zur Versorgung einer Druckluftversorgungsanlage (50) mit Druckluft, wobei der Kolbenkompressor (1) einen Kolben (3) aufweist, welcher in einem mit einem Kurbelgehäuse (7) verbundenen Zylindergehäuse (2) hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei der Kolben (3) mit einem daran radial außen angeordneten Dichtelement (20) an einer Zylinderlauffläche (26) einer koaxial im Zylindergehäuse (2) ausgebildeten Zylinderbohrung (25) dichtend anliegt, wobei in dem Kurbelgehäuse (7) eine drehbar gelagerte Kurbelwelle (15) angeordnet ist, wobei die Kurbelwelle (15) antriebsseitig mit einer Antriebswelle einer elektrisch oder elektronisch ansteuerbaren elektrischen Antriebsmaschine (30) sowie abtriebsseitig mittels eines Pleuels (8) mit dem Kolben (3) verbunden ist, wobei ein an einem axialen Ende des Pleuels (8) ausgebildetes Pleuellagerauge (19) eines Pleuellagers (17) drehbar auf einem Exzenterzapfen (16) der Kurbelwelle (15) gelagert ist, wobei das andere axiale Ende des Pleuels (8) mit dem Kolben (3) starr verbunden ist, und bei dem der Kolben (3) zur Drucklufterzeugung über die Kurbelwelle (15) und das Pleuel (8) von der elektrischen Antriebsmaschine (30) angetrieben wird, wobei der Kolben (3) axial zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) unter Vollführung eines Kolbenhubes sowie unter Veränderung seiner Winkellage in der Zylinderbohrung (25) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebsmaschine (30) alternierend zur Drehrichtungsumkehr der Kurbelwelle (15) und damit zum Drehrichtungswechsel des Kolbenkompressors (1) angesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel der Drehrichtung des Kolbenkompressors (1) vor oder nach jeder Aktivierung des Kolbenkompressors (1) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel der Drehrichtung des Kolbenkompressors (1) jeweils nach einer vorgegebenen Anzahl von Aktivierungen des Kolbenkompressors (1) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel der Drehrichtung des Kolbenkompressors (1) jeweils nach Ablauf einer vorgegebenen Laufzeit der elektrischen Antriebsmaschine (30) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel der Drehrichtung des Kolbenkompressors (1) in Abhängigkeit von einer angeforderten oder der aktuellen Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine (30) erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel der Drehrichtung des Kolbenkompressors (1) in Abhängigkeit von einem angeforderten Druckluftvolumen und/oder in Abhängigkeit von einem angeforderten Druckbetrag der Druckluft einer Druckluftanforderung mindestens eines pneumatischen Verbrauchers (51) erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel der Drehrichtung des Kolbenkompressors (1) in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel der Drehrichtung des Kolbenkompressors (1) kalendarisch gesteuert erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel der Drehrichtung des Kolbenkompressors (1) in Abhängigkeit von der aktuellen Fahrgeschwindigkeit eines mit dem Kolbenkompressor (1) ausgestatteten Fahrzeugs erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel der Drehrichtung des Kolbenkompressors (1) in Abhängigkeit von der aktuellen Verfügbarkeit elektrischer Energie in einem elektrischen Bordnetz eines mit dem Kolbenkompressor (1) ausgestatteten Fahrzeugs erfolgt.
11. Trockenlaufender Kolbenkompressor (1) zur Versorgung einer Druckluftversorgungsanlage (50) mit Druckluft, welcher einen Kolben (3) aufweist, der in einem mit einem Kurbelgehäuse (7) verbundenen Zylindergehäuse (2) hin und her bewegbar ange- ordnet ist, wobei der Kolben (3) mit einem daran radial außen angeordneten Dichtelement (20) an einer Zylinderlauffläche (26) einer koaxial im Zylindergehäuse (2) ausgebildeten Zylinderbohrung (25) dichtend anliegt, wobei in dem Kurbelgehäuse (7) eine drehbar gelagerte Kurbelwelle (15) angeordnet ist, wobei die Kurbelwelle (15) antriebsseitig mit einer Antriebswelle einer elektrisch oder elektronisch ansteuerbaren elektrischen Antriebsmaschine (30) sowie abtriebsseitig mittels eines Pleuels (8) mit dem Kolben (3) verbunden ist, wobei ein an einem axialen Ende des Pleuels (8) ausgebildetes Pleuellagerauge (19) eines Pleuellagers (17) drehbar auf einem Exzenterzapfen (16) der Kurbelwelle (15) gelagert ist, wobei das andere axiale Ende des Pleuels (8) mit dem Kolben (3) starr verbunden ist, und bei dem der Kolben (3) zur Drucklufterzeugung über die Kurbelwelle (15) und das Pleuel (8) von der elektrischen Antriebsmaschine (30) angetrieben wird, wobei der Kolben (3) axial zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) unter Vollführung eines Kolbenhubes sowie unter Veränderung seiner Winkellage in der Zylinderbohrung (25) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebsmaschine (30) als ein Gleichstrommotor mit einer Steuereinrichtung (31) ausgebildet ist, wobei die Steuereinrichtung (31) eine elektrische Schaltung (32, 35) oder ein elektronisches Steuergerät aufweist, mittels welcher die elektrische Antriebsmaschine (30) zum Umschalten zwischen einer ersten Drehrichtung (A) und einer zweiten Drehrichtung (B) der Antriebswelle der elektrischen Antriebsmaschine (30) und damit zum Wechseln der Drehrichtung des Kolbenkompressors (1) ansteuerbar ist, und wobei die Steuereinrichtung (31) ein Computerprogramm aufweist, welches wenigstens eine Steuerstrategie zur Steuerung eines Drehrichtungswechsels des Kolbenkompressors (1) mittels der elektrischen Schaltschaltung (32, 35) oder mittels des elektronischen Steuergeräts beinhaltet.
12. Kolbenkompressor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in die elektrische Schaltung (32) ein Polwechselrelais (33) zum Umschalten der Drehrichtung der Antriebswelle der elektrischen Antriebsmaschine (30) und damit zum Wechseln der Drehrichtung des Kolbenkompressors (1) integriert ist, wobei das Polwechselrelais (33) mit einem Einschaltrelais der Steuereinrichtung (31) zum Einschalten und Ausschalten der elektrischen Antriebsmaschine (30) zusammenwirkt.
13. Kolbenkompressor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in die elektrische Schaltung (35) ein erstes Steuerrelais (36) und ein zweites Steuerrelais (37) inte- griert sind, welche unabhängig voneinander schaltbar sind, sodass gleichzeitig die elektrische Antriebsmaschine (30) einschaltbar oder ausschaltbar sowie wahlweise eine erste Drehrichtung (A) oder eine zweite Drehrichtung (B) der Antriebswelle der elektrischen Antriebsmaschine (30) schaltbar ist.
14. Fahrzeug, wie Personenkraftwagen oder Nutzfahrzeug, mit einem trockenlaufenden Kolbenkompressor (1) zur Versorgung einer Druckluftversorgungsanlage (50) des Fahrzeugs mit Druckluft, welcher gemäß einem der Vorrichtungsansprüche aufgebaut und zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Verfahrensansprüche betreibbar ist.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4540352A (en) * 1982-09-11 1985-09-10 Erich Becker Pendular piston pump having a cup-shaped sealing element
US4979878A (en) * 1989-03-03 1990-12-25 James L. Short Relieved piston valve for fluid motor and fluid pump
US20060120898A1 (en) * 2004-11-29 2006-06-08 Diehl Ako Stiftung & Co. Kg Starting method for a piston compressor and piston compressor
US20070280833A1 (en) * 2006-05-31 2007-12-06 Shingo Miyake Oscillating type compressor
DE102011121750A1 (de) * 2011-12-21 2013-06-27 Wabco Gmbh Kompressor

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4248053A (en) * 1979-03-05 1981-02-03 Westinghouse Electric Corp. Dual capacity compressor with reversible motor and controls arrangement therefor
US6092993A (en) * 1997-08-14 2000-07-25 Bristol Compressors, Inc. Adjustable crankpin throw structure having improved throw stabilizing means
DE10023523C1 (de) * 2000-05-13 2001-12-13 Vacuubrand Gmbh & Co Kg Anlaufsteuerung für eine Membran- und/oder Kolbenvakuumpumpe
DE10330366A1 (de) * 2003-06-30 2005-01-27 Dbw Metallverarbeitung Gmbh Kolbenverdichter
DE102007042318B4 (de) 2007-09-06 2017-11-30 Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH Kompakter trockenlaufender Kolbenverdichter
DE102009008205B4 (de) * 2009-02-04 2012-11-08 Helmut Porod Rotationskolben-Brennkraftmaschine
US20130280095A1 (en) * 2012-04-20 2013-10-24 General Electric Company Method and system for reciprocating compressor starting
DE102016001595A1 (de) * 2016-02-11 2017-08-17 Wabco Gmbh Hubkolbenmaschine, insbesondere zwei- oder mehrstufiger Kolbenkompressor, Druckluftversorgungsanlage, Druckluftversorgungssystem und Fahrzeug, insbesondere PKW mit einer Druckluftversorgungsanlage
DE102017004088A1 (de) * 2017-04-28 2018-10-31 Wabco Gmbh Verdichter, Druckluftversorgungsanlage zum Betreiben einer Pneumatikanlage und Verfahren zum Betreiben einer Druckluftversorgungsanlage

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4540352A (en) * 1982-09-11 1985-09-10 Erich Becker Pendular piston pump having a cup-shaped sealing element
US4979878A (en) * 1989-03-03 1990-12-25 James L. Short Relieved piston valve for fluid motor and fluid pump
US20060120898A1 (en) * 2004-11-29 2006-06-08 Diehl Ako Stiftung & Co. Kg Starting method for a piston compressor and piston compressor
US20070280833A1 (en) * 2006-05-31 2007-12-06 Shingo Miyake Oscillating type compressor
DE102011121750A1 (de) * 2011-12-21 2013-06-27 Wabco Gmbh Kompressor

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