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Title:
LOW-VIBRATION MULTISTAGE PISTON COMPRESSOR, PARTICULARLY FOR RAIL VEHICLES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/042829
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a multistage piston compressor, particularly for rail vehicles, comprising a low-pressure stage and at least one subsequent high-pressure stage for the multistage compression of sucked-in air, for which a drive unit (1) used to produce a rotational movement drives a downstream compressor unit (2) comprising a plurality of pot-type low-pressure or high-pressure cylinders (7a, 7b, 8a, 8b) for internal pistons (12), arranged on a compressor housing (6) for receiving a crankshaft (11), the crankshaft (11) driven by the drive unit (1) converting a rotational movement by means of a plurality of connecting rods arranged on at least one crankthrow into a linear movement for each associated piston (11) for the compression of the air, an even number of low-pressure and high-pressure cylinders (7a, 7b, 8a, 8b) being arranged in a star shape on the compressor housing (8), each high-pressure cylinder (7a; 7b) respectively facing a low-pressure cylinder (8a; 8b) on the same longitudinal axis (A or B), and a respective crankthrow (14a to 14d) of the crankshaft (11) being associated with each connecting rod (13) provided with a piston (12).

Inventors:
HARTL, Michael (Hallstattweg 17, Unterhaching, 82008, DE)
SCHNEIDER, Stefan (Schneeglöckchenstr. 28a, München, 80995, DE)
Application Number:
EP2018/072573
Publication Date:
March 07, 2019
Filing Date:
August 21, 2018
Export Citation:
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Assignee:
KNORR-BREMSE SYSTEME FÜR SCHIENENFAHRZEUGE GMBH (Moosacher Str. 80, München, 80809, DE)
International Classes:
F04B25/00; F04B27/04; F04B27/053; F04B39/00
Domestic Patent References:
WO2015172144A12015-11-12
WO2015172144A12015-11-12
Foreign References:
US2578146A1951-12-11
CN106194651A2016-12-07
DE10058924A12002-06-20
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Claims:
PATENTANSPRÜCHE

1. Mehrstufiger Kolbenkompressor, insbesondere für Schienenfahrzeuge, mit einer Niederdruckstufe und mindestens einer darauffolgenden Hochdruckstufe zum mehrstufigen Komprimieren von angesaugter Luft, wofür eine Antriebseinheit (1) zur Erzeugung einer Drehbewegung eine nachgeschaltete Verdichtereinheit (2) antreibt, welche mehrere an einem Verdichtergehäuse (6) zur Unterbringung einer Kurbelwelle (11) angeordnete topfartige Nieder- oder Hochdruckzylinder (7a, 7b, 8a, 8b) für innenliegende Kolben (12) aufweist, wobei die über die Antriebseinheit (1 ) angetriebene Kurbelwelle (11) eine Drehbewegung über mehrere auf mindestens einer Kröpfung angeordnete Pleuel (13) in eine lineare Bewegung für je einen zugeordneten Kolben (11) zum Komprimieren der Luft umwandelt, wobei eine gerade Anzahl von Nieder- und Hochdruckzylindern (7a, 7b, 8a, 8b) sternförmig am Verdichtergehäuse (6) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet dass

- jeweils ein Hochdruckzylinder (7a ; 7b) einem Niederdruckzylinder (8a ; 8b) auf derselben Längsachse (A bzw. B) gegenübersteht, und

- jedem mit einem Kolben (12) versehenen Pleuel (13) eine eigene Kröpfung (14a bis 14d) der Kurbelwelle (11) zugeordet ist, welche derart winkelversetzt zu mindestens einer benachbarten Kröpfung (14a bis 14d) angeordnet ist, dass

- die Kurbelwelle (11 ) in eine Position bringbar ist, in welcher einer der

Hochdruckzylinder (7a ; 7b) in der oberen Totpunktstellung ist, während der andere Hochdruckzylinder (7b ; 7a) in der unteren Totpunktstellung ist, wobei gleichzeitig ein Niederdruckzylinder (8a ; 8b) in der oberen Totpunktstellung ist, während der andere Niederdruckzylinder (8b ; 8a) in der unteren Totpunktstellung ist,

2. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen (A; B) von Nieder- und

Hochdruckzylindern (7a, 7b, 8a, 8b) sternförmig mit einem Winkel (a) zur Horizontalen (H) von 25° ±10° angeordnet sind.

3. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 1 oder2,

dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckzylinder (8a, 8b) oberhalb der Horizontalen (Hj und die Hochdruckzylinder (7a, 7b) unterhalb der Horizontalen (H) angeordnet sind,

4. Mehrstufiger Kojbenkompressor nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, dass eine vierzylindrige Ausführung der Verdichtereinheit (2) aus zwei Niederdruckzylindern (8a, 8b) sowie zwei Hochdruckzylindem (7a, 7b) besteht.

5. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (1) als ein elektrischer

Synchrortreluktanzmotor ausgebildet ist. 6. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuel (13') und/oder die Kotben (12') der Hochdruckstufe aus einem Material gefertigt sind, das gegenüber den Pleuel (13) und/oder den Kolben (12) der Niederdruckstufe ein höheres spezifisches Gewicht aufweist.

7, Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuel (13) der Niederdruckstufe länger als die Pleuel (13') der Hochdruckstufe ausgebildet sind. 8. Mehrstufiger Kolben kompressor nach Anspruch 7.

dadurch gekennzeichnet dass der Schwerpunkt der Pleuel (13) der Niederdruckstufe kolbennäher als der Schwerpunkt der Pleuel (13') der Hochdruckstufe liegt

9. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass ein Massenausgleich der Kurbeltriebe über nur an mindestens einem Pleuel (13 ; 13') anbringbare Zusatzmassen erfolgt.

10. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder aus Kolben (12) und Pleuel (13) bestehender Kurbeftrieb der zweistufigen Verdichtereinheit (2) derart ausgeführt ist, dass der Anteil der 1. Ordnung im Drehkraftdiagramm einen Wert von kleiner als 10% des Anteils der 2. Ordnung beträgt.

11. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse (6) einen hexagonalen Grundquerschnitt aufweist.

12. Mehrstufiger Koibenkompressor nach Anspruch 11 ,

dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vierzylindrigen Ausführung der

Verdichtereinheit (2) ein Niederdruckzylinder (8a; 8b) und ein Hochdruckzylinder (7a; 7b) an zueinander benachbarten Seitenflächen (9a, 9a' ; 9b, 9b') des hexagonalen Verdichtergehäuses (6) angeordnet sind, wobei zumindest an einer hiervon

verschiedenen unteren Seitenfläche (10) Befestigungsmittel (5a) der Verdtehtereinheit (2) angeordnet sind.

Description:
BESCHREIBUNG

Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor, insbesondere

für Schienenfahrzeuge

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Kolbenkompressor, insbesondere für

Schienenfahrzeuge, mit einer Niederdruckstufe und mindestens einer darauffolgenden Hochdruckstufe zum mehrstufigen Komprimieren von angesaugter Luft, wobei eine Antriebseinheit zur Erzeugung einer Drehbewegung eine nachgeschaltete

Verdichtereinheit antreibt, welche mehrere an einem Verdichtergehäuse zur

Unterbringung einer Kurbelwelle angeordnete topfartige Zylinder für innenliegende Kolben aufweist, wobei die über die Antriebseinheit angetriebene Kurbelwelle eine Drehbewegung über mehrere auf mindestens einer Kröpfung angeordnete Pleuel in eine lineare Bewegung für je einen zugeordneten Kolben zum Komprimieren der Luft umwandelt, wobei ferner eine gerade Anzahl von Nieder- und Hochdrückzylindern sternförmig am Verdichtergehäuse angeordnet ist.

Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf den Fahrzeugbau, insbesondere den Schienenfahrzeugbau. Schienenfahrzeuge sind in der Regel mit Druckluftverbrauchern, wie insbesondere einer drucktuftbetriebenen Bremse, ausgestattet, was einen Kompressor zur Erzeugung der benötigten Druckluft erforderlich macht. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung interessierenden Kolbenkompressoren sind dabei meist mehrstufig ausgeführt und besitzen insoweit eine Niederdruckstufe und mindestens eine darauffolgende Hochdruckstufe, um die aus der Umgebung angesaugte Luft durch mehrstufige Kompression auf das gewünschte Druckniveau zu bringen.

Durch eine Fortentwicklung der elektrischen Umrichtertechnik sind vermehrt

Kolbenkompressoren gebräuchlich, deren elektrische Antriebseinheit drehzahlgeregelt betrieben wird, um die Druckluft bedarfsgerecht - also mit variabler Förderleistung - zu erzeugen. So kann beispielsweise in Betriebssituationen mit niedrigem Drucktuftbedarf die Drehzahl des Kompressors und damit auch dessen Schallabstrahlung auf ein Minimum reduziert werden.

Zudem bietet der Einsatz von Kolbenkompressoren im Schienenfahrzeugbau gegenüber ebenfalls gebräuchlichen Rotationsverdichtern eine Reihe von technischen Vorteilen. Durch die Einführung ölfreier Kolbenkompressören hat sich ein Trend weg von Rotationsverdichtern und hin zu robusten Kolbenkompressoren entwickelt.

Allerdings verursacht die Überschneidung dieses Trends mit dem Trend in Richtung drehzahlgeregelter Drucklufterzeugung neue Probleme hinsichtlich auftretender Vibrationen, welche den Fahrkomfort beeinträchtigen können. Denn Kolbenmaschinen erzeugen - hervorgerufen durch die oszillierenden Massen am Kurbeltrieb - bauartbedingt Massenkräfte und -momente, welche sich Je nach gewählter Bauform zumindest in der 1. Ordnung gut ausgleichen lassen. Dabei sinkt die Größe der freien Massenkräfte und -momente bei sinkender Drehzahl entsprechend.

Größere Probleme treten allerdings hinsichtlich Schwingungserregungen auf, die aus den Verdichtungskräften resultieren, insbesondere beim Einsatz von zweistufigen Kolbenverdichtern der hier vorzugsweise interessierenden Art. Denn die Zweistufigkeit der Verdichtung erzeugt bei den meisten Bauformen von Kolbenkompressoren ein in besonderem Maße ungleichförmiges Drehmoment. Dieses ungleichförmige

Drehmoment aus der Verdichtung wirkt als Pendelmoment um die

Kompressordrehachse und erzeugt somit Vibrationen an den Befestigungsstellen des Kompressors, was zu einer Beeinträchtigung des Fahrkomforts führt. Diese

verdichtungsbedingten ungleichförmigen Drehmomente sinken nicht bei fallender Drehzahl, sondern können bei entsprechender Massenverteilung sogar ansteigen und dazu führen, dass bei niedriger Drehzahl Resonanzen der elastischen

Befestigungsstellen angeregt und sogar überhöht werden. Versuche haben ergeben, dass sich besonders schädlich bei diesen verdichtungsbedingten ungleichförmigen Drehmomenten die Anteile 1. Ordnung auswirken, welche durch Druckspitzen bei einer Umdrehung einmal wirken.

Aus dem airgemein bekannten Stand der Technik gehen Bauformen von

Kolbenverdichtern hervor, bei denen das Schwingungsverhalten im Bereich höherer Drehzahlen stark verbessert ist, weil der Anteil der 1. Ordnung bei dem aus den Verdichtungskräften resultierenden Momenten stark reduziert wird. Allerdings ist ein Moment 1. Ordnung immer noch vorhanden und wirkt sich bei niedrigen Drehzahlen nach wie vor schädlich auf das Schwingungsverhalten aus.

Die DE 100 58 924 A1 offenbart einen mehrstufigen Kolbenkompressor, dessen Schwingungsverhalten kein Moment 1. Ordnung mehr beinhaltet. Hierbei sind auf jeder Kröpfung der Kurbelwelle zwei Pleuel angeordnet, welche gegenüberliegenden Kolben zugeordnet sind, wobei benachbarte Kröpfungen im Wesentlichen 180° zueinander versetzt angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich eine Reihenanordnung von Nieder- und Hochdruckzylindern, wobei die beiden einander gegenüberliegenden Zylinderreihen eine Art: Boxeranordnung bilden. Durch diese boxerartige Reihenanordnung von Nieder- und Hochdruckzylindern ist eine luftgekühlte Bauweise, wie diese im

Schienenfahrzeugbau üblich ist, allerdings nicht mehr effizient umsetzbar. Außerdem erfordert diese spezielle Bauform für eine mehrstufige schwingungsarme Verdichtung mindestens sechs Zylinder; was zu einem recht hohen Herstellungsaufwand führt.

Die WO 2015/172144 A1 offenbart eine Art Sternbauform für einen mehrstufigen Kolbenverdichter, der als besonders laufruhig beschrieben wird. Das Verdichtergehäuse ist im Grundquerschnitt fünfeckig, wobei eine untere Seitenfläche Befestigungsmittel zum Anbau an eine Trägerstruktur aufweist. Den anderen vier Seitenflächen ist je ein Hoch- oder Niederdruckzylinder zugeordnet. Hierdurch entsteht eine ungleichachsige Zylinderanordnung, da jeder Zylinder eine eigene Längsachse aufweist, welche im Winkelversatz zu den Längsachsen der übrigen Zylinder steht.

Ferner liegen bei dieser vorbekannten Bauform alle Pieuel auf derselben umlaufenden Kröpfung der Kurbelwelle. Somit bilden alle vier Kurbeltriebe dieses mehrstufigen Kolbenkompressors eine umlaufende Unwucht, welche sich dynamisch schwer ausgleichen lässt. Außerdem ergibt sich im Drehkraftdiagramm ein verbleibender Anteil 1. Ordnung, Wie bereits vorstehend erläutert, verschlechtem insbesondere Anteile 1. Ordnung das Schwingungsverhalten und haben einen negativen Einfluss auf die elektrische Antriebseinheit in Form von Drehschwingungen und Drehungleich- förmigkeiten. Dies führt bei der elektrischen Antriebseinheit zu einer erhöhten Stromaufnahme, harmonischen Anteilen im elektrischen Strom und einem reduzierten Leistungsfaktor mit hoher thermischer Belastung der elektrischen Antriebseinheit

Darüber hinaus weist die Sternbauform dieses vorbekannten mehrstufigen

Kolbenkompressors im Vergleich zum vorstehend diskutierten Stand der Technik mit Boxerbauform eine recht große Bauhöhe auf, so dass dieser sternförmige mehrstufige Kolbenkompressor nur bedingt für einen Unterflureinbau im Schienenfahrzeug geeignet ist. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen für den Schienenfahrzeugbau geeigneten mehrstufigen Kolbenkompressor zu schaffen, welcher sich durch ein minimales Schwingungsverhalten, eine geringe Bauhöhe sowie eine einfache

Kühlbarkeit per Luftstrom auszeichnet. Die Aufgabe wird ausgehend von einem mehrstufigen Kolbenkompressor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass bei einem mehrstufigen

Kolbenkompressor in Sternbauform jeweils ein Niederdruckzylinder einem

Hochdruckzylinder auf derselben Längsachse gegenübersteht und jedem mit einem Kolben versehenen Pleuel eine eigene Kröpfung der Kurbelwelle zugeordnet ist, welche derart winkelversetzt zu zumindest einer benachbarten Kröpfung angeordnet ist, dass die Kurbelwelle in eine Position bringbar ist, in welcher einer der Hochdruckzylinder in der oberen Totpunktstellung ist, während der andere Hochdruckzylinder in der unteren Totpunktstellung ist, und Wobei gleichzeitig ein Niederdruckzylinder in der oberen Totpunktstellung ist, während der andere Niederdruckzylinder in der unteren

Totpunktstellung ist.

Es verdichten also nicht alle Kolben gleichzeitig, sondern jeweils die vorzugsweise beiden Niederdruckkolben um 180° versetzt und die vorzugsweise beiden

Hochdruckkolben um 180° versetzt zueinander. Durch die erfindungsgemäße Lösung entsteht eine Verdichtungsfolge, die zu dem Ergebnis führt, dass jedes Ereignis einer Verdichtung in Bezug auf eine Umdrehung der gesamten Verdichtereinheit zweimal vorkommt, das aus den Gaskräften resultierende Drehmoment ist dabei frei von Anteilen 1. und 3. Ordnung. Dies ermöglicht den Betrieb eines mehrstufigen

Kolbenkömpressors im Bereich niedrigster Drehzahlen ohne störende

Schwingungsüberhöh ungen.

Die demgegenüber bei herkömmlichen Kolbenkompressoren vorhandenen

Drehungleichförmigkeiten werden durch; die elektrische Antriebseinheit sogar noch zusätzlich verstärkt, weil die: Reaktion der Antriebseinheit auf eine Lastspitze phasenversetzt zu einem Zeitpunkt erfolgt in welchem der Momentbedarf des

Kolbenkompressors niedriger ist. Die daraus resultierenden verstärkten

Drehzahlschwankungen über eine Umdrehung können bei herkömmlichen zweistufigen Kolbenkompressoren bis zu ±14% betragen. Dieser Effekt kann bisher nur durch den Einsatz großer Schwüngmassen reduziert werden. Durch die demgegenüber erfindungsgemäß starke Reduzierung des Anteils 1. Ordnung im Lastmoment wird dieser Effekt reduziert. Die Drehungleichförmigkeit wird verringert, so dass auch die Stromaufnahme der elektrischen Antriebseinheit sinkt. Der Leistungsfaktor erhöht sich dementsprechend beträchtlich, so dass Bedingungen erreicht werden, die einem annähernd konstanten Momentenbedarf (Nennlastbedingungen) entsprechen. Dies hat zur Folge, dass elektrische Antriebseinhetten nicht mehr überdimensioniert werden müssen, sondern entsprechend dem Leistungsbedarf des Kolbenkompressors ausgelegt werden können. Diese Auswirkungen der erfindungsgemäßen Lösung bilden die Voraussetzung dafür, dass als elektrische Antriebseinheit vorzugsweise ein Synchronreluktanzmotor eingesetzt werden kann, bei dem der Läufer über eine recht geringe Masse verfügt. Außerdem ist ein solcher Synchronreluktanzmotor auch bei niedrigen Drehzahlen mit hohem Moment betreibbar. Eine variable Drehzahl kann mittels vorgeschaltetem Umrichter zwischen 15 Hz und 80 Hz geregelt werden .

Da bei der erfindungsgemäßen Lösung auf zusätzliche Schwungmassen weitestgehend verzichtet werden kann, außer zum Unwuchtausgleich, kann der Läufer des Synchronreluktanzmotors direkt auf dem Kurbelwellenende der Verdichtereinheit und der Stator des Motors direkt am Verdichtergehäuse befestigt werden. Hierdurch entsteht eine besonders kompakte Bauform,

Gemäß einerweiteren die Erfindung hinsichtlich der Kompaktheit verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Längsachsen von Nieder- und

Hochdruckzylindern sternförmig mit einem Winkel α zur Horizontalen H von 25° +/-10" angeordnet sind. Hierdurch ist eine platzsparende Anordnung des mehrstufigen

Kolbenkompressors im Unterflurbereich eines Schienenfahrzeuges möglich, bei dem die Einbausitüation insbesondere hinsichtlich der Einbauhöhe beschränkt ist. Die Anordnung der Zylinder in dem angegebenen Winkelstellungsbereich gewährleistet eine weitestgehend flache Bauweise des mehrstufigen Kolbenkompressors. Vorzugsweise sind die Hochdruckzylinder unterhalb der Horizontalen H und die Niederdruckzylinder oberhalb der Horizontalen H positioniert. Bei dieser Anordnung kann Kondensat, welches sich bei ungünstigen Verhältnissen in der Hochdruckstufe bilden kann, an der Zylinderwandung ablaufen. Außerdem kann die von den Niederdruckzylindern erzeugte Wärme nach oben hin aufsteigen und abgeführt werden. Bei einer bevorzugten vierzylindrigen Ausführungsform der Verdichtereinheit kommen zwei Hochdruckzylinder sowie zwei Niederdruckzylinder zum Einsatz,

Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Pleuel und/oder die Kolben der Hochdruckstufe aus einem Material - vorzugsweise Metali - gefertigt sind, das gegenüber den Pleuel und/oder den Kolben der Niederdruckstufe ein höheres spezifisches Gewicht aufweist. Zusätzlich können die Pleuel der Niederdruckstufe länger als die Pleuel der Hochdruckstufe ausgebildet werden und der Schwerpunkt der Pleuel der Niederdruckseite sollte kolbennäher als der Schwerpunkt der Pleuel der Hochdruckstufe liegen. Vorzugsweise sind die Pleuel der Niederdruckstufe um mindestens den Faktor 1 ,1 länger als die Pleuel der

Hochdruckstufe. Insgesamt ergibt sich durch diese konstruktiven Maßnahmen eine schwingungsarme Masseverteilung ,

Sollte dennoch ein geringfügiger Massenausgleich der Kurbeltriebe, beispielsweise zur Behebung von Unwuchten, erforderlich sein, so reicht es aus, dass an den betreffenden Pleuel Zusatzmassen angebracht werden. Hierdurch braucht der Massenausgleich nicht an der Kurbelwelle vorgenommen werden.

Durch die vorstehend erläuterten Maßnahmen lassen sich die Kurbeltriebe der zweistufigen Verdichtereinheit derart ausführen, dass der Anteil der 1. Ordnung im Drehkraftdiagramm einen Wert von kleiner 10% des Anteils der 2. Ordnung beträgt. Da der erfindungsgemäße mehrstufige Kolbenkompressor insoweit nur Schwingungen in höheren Ordnungen erzeugt, kann eine relativ steife Lagerung an einer Trägerstruktur des Fahrzeuges eingesetzt werden, die dennoch eine hinreichende

Schwingungsisolation bietet.

Die sternförmige Zylinderanordnung des erfindungsgemäßen mehrstufigen

Kolbenkompressors bietet die Voraussetzung dafür, dass alle Zylinder von einem Axiallüfter mit Kühlluft versorgt werden können. Eine Windschattensituation wird also vermieden. Dabei befindet sich die Ebene, durch welche jeweils zwei benachbarte Zylinder - insbesondere Hoch- und Niederdrückzylinder - gehen, senkrecht zur Strömungsrichtung der vom Axiallüfter erzeugten Kühlluft. Bei Bedarf können am Verdichtergehäuse zusätzliche Luftlettbleche angeordnet werden, welche die Kühlluft gleichmäßig in Richtung der Rippen der Zylinder leiten.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Außenansicht eines mehrstufigen Kolbehkompressofs in 4-Zylinderbauform,

Fig. 2 zeigt eine stirnseitige Ansicht des mehrstufigen Kolbenkompressors nach Fig. 1,

Fig. 3 zeigt eine teilweise aufgebrochene Draufsicht des mehrstufigen

Kolbenkompressors nach Fig. 1 , Fig. 4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Kurbelwelle der Verdichtereinheit dieses Kolbenkompressors,

Fig. 5 zeigt eine grafische Darstellung des Momenten Verlaufs an der Kurbelwelle, und

Fig. 6 zeigt eine Fourier-Analyse der Lastmomente aus der grafischen Darstellung gemäß Fig. 5.

Nach Fig. 1 besteht der mehrstufige Kolbenkompressor im Wesentlichen aus einer Antriebseinheit 1, welche hier als elektrischer Synchronreluktanzmotor ausgebildet ist. Die Antriebseinheit 1 erzeugt eine Drehbewegung zum Antrieb einer direkt hieran angeflanschten Verdichtereinheit 2, welche über eine Niederdruckstufe und eine darauffolgende Hochdruckstufe zum mehrstufigen Komprimieren von aus der

Umgebung angesaugter Luft verfügt. Für die Kühlung der bei der Kompressionsarbett entstehenden Wärme sorgt eine Kühlereinheit 3 mit stirnseitig an der Verdichtereinheit 2 positioniertem Axiallüfter 4. Der mehrstufige Kolbenkompressor ist über elastische Befestigungsmittel 5a an der Verdichtereinheit 2 sowie Befestigungsmittel 5b an der elektrischen Antriebseinheit 1 an einer - nicht weiter dargestellten - Trägerstruktur eines Fahrzeugs befestigt.

Die Verdichtereinheit 2 weist ein Verdichtergehäuse 6 auf, an welchem sternförmig mehrere topfartige größere Niederdruckzylinder 8a (exemplarisch) sowie kleinere Hochdruckzylinder 7a und 7b angeordnet sind. Es handelt sich hier um einen mehrstufigen Kolbenkompressor in 4-Zyiinderbauform.

Aus der in Fig. 2 ersichtlichen Stirnseitenansicht geht die erfindungsgemäß

sternförmige Anordnung der Hochdruckzylinder 7a, 7b in Kombination mit den

Niederdruckzylindern 8a, 8b am Verdichtergehäuse 6 hervor. Dementsprechend steht auf einer Längsachse A ein Hochdruckzylinder 7a einem Niederdruckzylinder 8b gegenüber. Auf der änderen Längsachse B steht ein Hochdruckzylinder 7b einem Niederdruckzylinder 8a gegenüber. Die Längsachsen A und B von Nieder- und

Hochdruckzylindern 7a, 7b, 8a, 8b sind sternförmig mit einem Winkel α zur Horizontalen H von hier 25° angeordnet. Die beiden Niederdruckzylinder 8a und 8b der4- Zylinderan Ordnung sind oberhalb der Horizontalen H angeordnet, wogegen die beiden Hochdruckzylinder 7a und 7b unterhalb der Horizontalen H angeordnet sind. Das Verdichtergehäuse 6 weist einen hexagonalen Grundquerschnitt auf, wobei sowohl der linksseitige Niederdruckzylinder 8a und der linksseitige Hochdruckzylinder 7a an zueinander benachbarten Seitenflächen 9a und 9a' des Verdichtergehäuses 6 angeordnet sind. Gegenüberliegend sind spiegelsymmetrisch hierzu der rechtsseitige Niederdruckzylinder 8b und der rechtsseitige Hochdruckzylinder 7b an benachbarten Seitenflächen 9b sowie 9b' angeordnet. Eine hiervon verschiedene untere Seitenfläche 10 dient der Anordnung der - nicht weiter dargestellten - Befestigungsmittel 5a am hexagonalen Verdichtergehäuse 6.

Gemäß Fig. 3 dient das Verdichtergehäuse 6 der Verdichtereinheit 2 der Unterbringung einer Kurbelwelle 11 zum Antrieb der verschiedenen jeweils aus Kolben 12, 12' und Pleuel 13, 13' (exemplarisch) bestehenden Kurbeltriebe der Hoch- bzw.

Niederdruckstufe.

Nach Fig. 4 ist bei der Kurbelwelle 11 jedem Kurbeltrieb eine eigene Kröpfung 14a bis 14d zugeordnet, welche gegenüber der benachbarten Kröpfung , beispielsweise 14a zu 14b, um einen Winkel ß von 30° winkelversetzt zueinander angeordnet sind. Dieser Winkelversatz besteht zwischen allen benachbarten Kröpfungen 14a bis 14d. Hierdurch ist die Kurbelwelle 11 in eine Position bringbar, in welche jeder der vier Kolben 12 (exemplarisch) gleichzeitig die untere Totpunktstellung einnimmt.

Aus dem in Fig. 5 dargestellten Momentenverfauf im Bereich des Drehwinkels γ einer Umdrehung geht das Moment MG aus Gaskräften, das Moment Mm aus Massenkräften sowie das Summenmoment M s aus Massen* und Gaskräften hervor. Die

Verdichtungsfotge des zweistufigen Kolbenverdichters wird erfindungsgemäß so gewählt, dass jedes Ereignis innerhalb einer Umdrehung zweimal erfolgt, und so der Anteil 1. Ordnung im Drehkraftdiagramm gegen 0 geht. Wie aus der Fourier-Analyse des Lastmoments nach Fig. 6 hervorgeht, beträgt der Anteil 1. Ordnung 0, der Anteil 2. Ordnung 27 Nm, der Anteil 3. Ordnung 0 und der Anteil 4. Ordnung 1:5: Nm. Die Erfindung ist nicht beschränktauf das vorstehend beschriebene

Ausführungsbeispiel. Es sind auch Abwandlungen hiervon denkbar» die unter den Schutzbereich der nachfölgenen Ansprüche fallen. So ist es beispielsweise auch möglich, dass eine Bauart mit mehr als 4 Zylindern, beispielsweise mit 6 oder 8 Zylindern, zum Einsatz kommt.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Antriebseinheit

2 Verdichtereinheit

3 Kühlereinheit

4 Axiallüfter

5 Befestigungsmittel

6 Verdichtergehäuse

7 Hochdruckzylinder

8 Niederdruckzylinder

9 seitliche Seitenfläche

10 untere Seitenfläche

11 Kurbelwelle

12 Kolben

13 Pleuel

14 Kröpfung

A erste Längsachse

B zweite Längsachse H Horizontale

α Horizontalwinkel ß Kröpfungswinkel

Y Winkelstellung Kurbelwelle

M Drehmoment

f Frequenz