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Title:
PISTON COMPRESSOR WITH ENLARGED REGULATING REGION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/186415
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a piston compressor comprising at least one cylinder for compressing air with a piston arranged such that it can move therein in a compression chamber arranged above the piston in the cylinder. The compression chamber is connected to an inlet arrangement for air to be compressed and to an outlet arrangement for compressed air, the piston compressor being drivable by a first drive device. The inlet arrangement comprises a pre-compression device that can be driven by a second drive device with variable power and is used to increase the suction pressure at the air inlet.

Inventors:
KIPP, Thomas (Meraner Str. 6, München, 81547, DE)
ASSONOV, Fedor (Dachauer Str. 171, München, 80636, DE)
WINKLER, Michael (Frauenstädt Str. 7, München, 80807, DE)
Application Number:
EP2017/056908
Publication Date:
November 02, 2017
Filing Date:
March 23, 2017
Export Citation:
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Assignee:
KNORR-BREMSE SYSTEME FÜR SCHIENENFAHRZEUGE GMBH (Moosacher Str. 80, München, 80809, DE)
International Classes:
F04B39/06; F04B41/02; F04B49/08; F04B49/20; F04B53/08
Foreign References:
AT135585B1933-11-25
US20050220628A12005-10-06
DE102013113555A12015-06-11
DE102013113556A12015-06-11
DE102013113555A12015-06-11
DE102013113556A12015-06-11
Attorney, Agent or Firm:
PRÜFER & PARTNER MBB PATENTANWÄLTE RECHTSANWÄLTE (Sohnckestraße 12, München, 81479, DE)
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Claims:
PATENTANSPRÜCHE

1 . Kolbenkompressor mit wenigstens einem Zylinder (1 1 ) zum Verdichten von Luft mit einem darin bewegbar angeordneten Kolben (12) in einem oberhalb des Kolbens (12) im Zylinder (1 1 ) angeordneten Verdichtungsraum (14), wobei der Verdichtungsraum (14) einen Lufteinlass (30) und einen Luftauslass (33) aufweist und am Lufteinlass (30) mit einer Einlassanordnung (31 ) für zu verdichtende Luft verbunden ist und am

Luftauslass (33) mit einer Auslassanordnung (34) für verdichtete Luft verbunden ist, wobei der Kolbenkompressor (10) von einer ersten Antriebseinrichtung (22) antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassanordnung (31 ) eine von einer zweiten Antriebseinrichtung (29) mit veränderbarer Leistung antreibbare

Vorverdichtungseinrichtung (28) zum Erhöhen des Ansaugdrucks und eine

Kühleinrichtung (32) zum Kühlen der zu verdichtenden Luft aufweist.

2. Kolbenkompressor nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch ein Kurbelgehäuse (22), in welchem eine Kurbelwelle (21 ) angeordnet ist, an der wenigstens ein mit einem Kolben (12) verbundener Pleuel (13) drehbar gelagert ist, wobei die Ansaugluft des wenigstens einen Zylinders (1 1 ) durch das Kurbelgehäuse (20) geführt wird.

3. Kolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassanordnung (31 ) eine Luftableiteinrichtung (36) aufweist. 4. Kolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Nachkühleinrichtung (35) zum Kühlen der verdichteten Luft nach dem Durchlaufen des wenigstens einen Zylinders (1 1 ) des Kolbenkompressors (10).

5. Kolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Regelungseinrichtung (40), mit welcher die Leistung der

Vorverdichtungseinrichtung (28) und damit der Ansaugdruck am Lufteinlass (30) regelbar ist.

6. Verfahren zum Steuern eines Kolbenkompressors nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (40) die Leistung der

Vorverdichtungseinrichtung (28) zwischen einem maximalen Wert, der einem

maximalen Ansaugdruck (pmax) am Lufteinlass (30) entspricht und einem minimalen Wert, der dem durch die Kolbenhubbewegung im Zylinder (1 1 ) erzeugten Ansaugdruck (Po) am Lufteinlass (30) entspricht, regelt.

7. Verfahren zum Steuern eines Kolbenkompressors nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (40) mit wenigstens einem

Signalgeber (45) und/ oder wenigstens einem Sensor (41 a, 41 b, 41 c, 42a, 42b, 42c) signalverbunden ist, wobei die Regelungseinrichtung (40) die Leistung der

Vorverdichtungseinrichtung (28) in Abhängigkeit von wenigstens einem Wert und/ oder Signal von diesem wenigstens einen Signalgeber (45) und/ oder Sensor (41 a, 41 b, 41 c, 42a, 42b, 42c) regelt.

8. Verfahren zum Steuern eines Kolbenkompressors nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor (41 a, 41 b, 41 c, 42a, 42b, 42c) aus einer Gruppe ausgewählt ist, welche insbesondere Drucksensoren (41 a, 41 b, 41 c), Temperatursensoren (42a, 42b, 42c), Volumenstromsensoren und Drehzahlsensoren aufweist.

9. Verfahren zum Steuern eines Kolbenkompressors nach Anspruch 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Signalgeber (45) aus einer Gruppe ausgewählt ist, welche insbesondere Betriebs-Management-Systeme (45) oder Steuerungseinrichtungen aufweist.

10. Verfahren zum Steuern eines Kolbenkompressors nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (40) die Leistung der Kühleinrichtung (32) unabhängig von der Leistung der Vorverdichtungseinrichtung (28) regelt.

Description:
BESCHREIBUNG

KOLBENKOMPRESSOR MIT ERWEITERTEM REGELBEREICH Die Erfindung betrifft einen Kolbenkompressor mit wenigstens einem Zylinder zum Verdichten von Luft mit einem darin bewegbar angeordneten Kolben in einem oberhalb des Kolbens im Zylinder angeordneten Verdichtungsraum, der mit einer

Einlassanordnung für zu verdichtende Luft und mit einer Auslassanordnung für verdichtete Luft verbunden ist.

Kolbenkompressoren wie insbesondere ölfreie Kolbenkompressoren für

Schienenfahrzeuge dienen zum Befüllen von Druckluftbehältern, welchen insbesondere in unregelmäßigen Intervallen Druckluft entnommen wird. Die Kolbenkompressoren werden üblicherweise für den Auffüll betrieb dimensioniert, in welchem ein

Druckbehälter schnell aufgefüllt werden soll, weshalb ein maximaler Volumenstrom zur Verfügung gestellt wird. Für den Regelbetrieb, in welchem unter Umständen nach längeren Aussetzzeiten und nur zum Nachfüllen von entnommener Druckluft der Kompressor eher kurzzeitig betrieben wird, bedeutet ein Betrieb mit maximalem

Volumenstrom einen eher ungünstigen Betriebszustand, der bei einer bedarfsgerechten Regelung der Lieferleistung solcher Kolbenkompressoren vermieden werden könnte.

Die Regelbarkeit bekannter Kolbenkompressoren wird durch bauartbedingte maximale und minimale Drehzahlen begrenzt. So ist die obere Drehzahlgrenze von insbesondere ölfreien, trockenlaufendenden Kolbenkompressoren durch die maximale

Relativgeschwindigkeit trockenlaufender Gleitpaarungen begrenzt. Bei niedrigen Drehzahlen entstehen dagegen Vibrationen durch freie Massen kräfte im

Kolbenkompressor, wodurch auch die untere Drehzahl beim Betrieb eines

Kolbenkompressors begrenzt ist. Hieraus ergibt sich eine nur geringe

Drehzahlvariabilität von Kolbenkompressoren, die bei den meisten Anwendungsfällen eine Druckluftförderung im Aussetzbetrieb erfordert.

Bei bekannten Kolbenkompressoren ist die Aussetzregelung der Druckluftförderung dadurch realisiert, dass der Kompressor in den Stillstand geschaltet wird, sobald der Systemdruck den Ausschaltdruck erreicht. Fällt der Systemdruck dann insbesondere durch eine Entnahme von Druckluft auf den Einschaltdruck, wird der Kolbenkompressor in den Lastlauf geschaltet, in welchem dieser bei Nenndrehzahl einen maximalen Volumenstrom liefert. Sofern dem Druckluftbehälter bzw. dem Druckluftsystem nicht gleichzeitig größere Mengen von Druckluft entnommen werden, füllt sich der

Druckluftbehälter relativ schnell, so dass der Kolbenkompressor nach einer kurzen Einschaltzeit wieder für längere Zeit ausgeschaltet wird. Das Regelspektrum dieser bekannten Lösung ist damit auf Stillstand und Lastlauf limitiert und aufgrund des damit verbundenen jeweiligen Kaltstarts sowie des höheren Verschleißes und der längeren Standzeiten des Kolbenkompressors ungünstig und für bestimmte Einsatzbedingungen sogar ungeeignet.

Bei einer alternativen Ausführung eines Kolbenkompressors wird der Aussetzbetrieb mit verschiedenen vordefinierten Drehzahlen realisiert, beispielsweise über eine

Umschaltung des Motors zwischen vier und sechs Pole oder über einen Inverter, der zwischen 50 Hz und 60 Hz schaltbar ist. Allerdings kann durch die dabei festgelegten Motordrehzahlen beim jeweiligen Kompressor auch nur ein relativ eingeschränkter Regelungsbereich realisiert werden. Hohe Motordrehzahlen bewirken auch hier eine starke thermische Belastung insbesondere von ölfreien Gleitpaarungen, wodurch die Lebensdauer eines Kolbenkompressors signifikant sinkt. Die Lösung ist zwar ein einfacher Ansatz, den Volumenstrom zu regeln, jedoch ist das Regelspektrum durch die festen Motordrehzahlen limitiert und bei bestimmten Einsatzbedingungen kann durch die Umschaltung kein ausreichender Volumenstrom erzeugt werden. Aus den Offenlegungsschriften der deutschen Patentanmeldungen DE 10 2013 1 13 555 und DE 10 2013 1 13 556 ist jeweils ein Kompressorsystem und ein Verfahren zum Betrieb des Kompressorsystems in Abhängigkeit vom Betriebszustand eines

Schienenfahrzeugs bzw. in Abhängigkeit von der aktuellen Situation eines

Schienenfahrzeugs bekannt, bei welchen ein Stellglied zur kontinuierlichen

Beeinflussung der Drehzahl der elektrischen Antriebseinrichtung des

Kolbenkompressors angeordnet ist, wobei die Ansteuerung des Stellglieds über eine Regelungseinrichtung erfolgt. Das Stellglied erlaubt es, den Betrieb der

Antriebseinrichtung und damit des Kolbenkompressors durch unterschiedliche Drehzahlen an den aktuellen Betriebszustand bzw. an die aktuelle Situation des

Schienenfahrzeugs anzupassen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Kolbenkompressor mit größerem Regelbereich der Lieferleistung unter Verbesserung der Energieeffizienz und Leistungsdichte zur Verfügung zu stellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Kolbenkompressor gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Steuern eines solchen Kolbenkompressors gemäß Anspruch 6 vorgeschlagen. Weiterbildungen der vorgeschlagenen Lösungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Kolbenkompressor mit wenigstens einem Zylinder zum Verdichten von Luft mit einem darin bewegbar angeordneten Kolben in einem oberhalb des Kolbens im Zylinder angeordneten Verdichtungsraum vorgeschlagen. Der Verdichtungsraum weist einen Lufteinlass und einen Luftauslass auf und ist am

Lufteinlass mit einer Einlassanordnung für zu verdichtende Luft verbunden und ist am Luftauslass mit einer Auslassanordnung für verdichtete Luft verbunden. Der

Kolbenkompressor ist von einer ersten Antriebseinrichtung antreibbar. Die

Einlassanordnung weist eine von einer zweiten Antriebseinrichtung mit veränderbarer Leistung antreibbare Vorverdichtungseinrichtung zum Erhöhen des Ansaugdrucks sowie und eine Kühleinrichtung zum Kühlen der zu verdichtenden Luft auf.

Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht es, durch den erhöhten Ansaugdruck und die reduzierte Ansaugtemperatur der Ansaugluft den Volumenstrom eines

Kolbenkompressors zu erhöhen, wodurch dessen Lieferleistung steigt.

Bei dem Kolbenkompressor handelt es sich um einen Kolbenkompressor bekannter Bauart mit einem Zylinder, in welchem ein darin angeordneter Kolben axial bewegbar ist und in einer Hubbewegung zu verdichtende Luft insbesondere über ein am Lufteinlass angeordnetes Einlassventil aus einer Einlassanordnung ansaugt, komprimiert und insbesondere über ein am Luftauslass angeordnetes Auslassventil gegen einen Druck in einer Auslassanordnung ausstößt. Der Kolbenkompressor ist dabei von einer ersten Antriebseinrichtung antreibbar. Abhängig von der Einsatzsituation des

Kolbenkompressors ist die erste Antriebseinrichtung ein Verbrennungsmotor, eine elektrischen Antriebseinrichtung oder eine andere geeignete Antriebseinrichtung. Bei einem erfindungsgemäßen Kolbenkompressor kann es sich sowohl um einen trockenlaufenden, also ölfreien Kolbenkompressor als auch um einen nicht ölfrei ausgeführten Kolbenkompressor handeln. Obwohl im Rahmen der Erfindung auch Vorteile oder Ausführungsformen beschrieben werden, welche für andere als trockenlaufende Kolbenkompressoren nicht anwendbar sind, so sind wiederum andere Vorteile und Ausführungsformen unabhängig davon auch für Kolbenkompressoren anwendbar, welche nicht trockenlaufend ausgeführt sind.

Beim vorgeschlagenen Kolbenkompressor weist die Einlassanordnung eine von einer zweiten Antriebseinrichtung mit veränderbarer Leistung antreibbare

Vorverdichtungseinrichtung auf. Mit dieser Vorverdichtungseinrichtung kann der

Ansaugdruck insbesondere am Lufteinlass durch die veränderbare Leistung variabel von einem Ausgangsdruck p 0 auf bis zu einem Maximaldruck p max erhöht werden. Durch den höheren Ansaugdruck des ersten Zylinders bei mehrstufigen

Kolbenkompressoren bzw. dem einzigen Zylinder bei einstufigen Kolbenkompressoren wird eine Steigerung des Volumenstroms um AV erzielt, da der Verdichtungsraum des Zylinders mit einer unter höherem Druck stehenden zu verdichtenden Luft gefüllt wird.

Auch die zweite Antriebseinrichtung, welche zum Antrieb der

Vorverdichtungseinrichtung dient, kann abhängig von der Einsatzsituation eine elektrische Antriebseinrichtung oder eine andere geeignete Antriebseinrichtung sein. Ebenso kann die Antriebsleistung der zweiten Antriebseinrichtung auch von der ersten Antriebseinrichtung oder einer anderen verfügbaren Antriebseinrichtung auf diese übertragen werden, beispielsweise mittels eines Getriebes mit veränderbarer

Übersetzung. Insbesondere ist von der zweiten Antriebseinrichtung übertragene Leistung variabel einstellbar.

Bei der vorgeschlagenen Lösung weist die Einlassanordnung eine Kühleinrichtung auf, welche die zu verdichtende Luft, die durch die Einlassanordnung strömt, durch geeignete Maßnahmen kühlt. Dabei ist die Kühleinrichtung insbesondere in Strömungsrichtung der Ansaugluft nach der Vorverdichtungseinrichtung angeordnet, da sich die Luft durch die Vorverdichtung erwärmt. Es ist aber auch möglich, eine

Kühleinrichtung in Strömungsrichtung vor der Vorverdichtungseinrichtung anzuordnen, insbesondere wenn dies aufgrund baulicher Gegebenheiten vorteilhaft ist. Bei dieser Anordnung ist eine größere Absenkung der Temperatur erforderlich, da sich die

Lufttemperatur durch die Vorverdichtung wieder erhöht. Bei einer Ausführungsform des Kolbenkompressors kann auch vorgesehen sein, die Ansaugluft vor und nach der Vorverdichtung zu kühlen.

Die Einlassanordnung weist insbesondere auch wenigstens eine Leitungseinrichtung auf, welche die Ansaugluft zur wenigstens einen Kühleinrichtung und zur wenigstens einen Verdichtungseinrichtung leiten und diese miteinander und/ oder mit dem

Lufteinlass des Verdichtungsraums verbinden. Insbesondere kann eine Kühleinrichtung auch außen an einer Leitungseinrichtung angeordnet sein. Als geeignete

Kühleinrichtungen der Einlassanordnung können beispielsweise

Kühlmittelwärmetauscher oder Einrichtungen zur Vergrößerung der Außenfläche der Einlassanordnung bzw. einer Leitungseinrichtung wie Leitungsschleifen oder Kühlrippen sein, die beispielsweise in Verbindung mit Gebläsen eingesetzt werden, oder jede andere geeignete Art von Einrichtungen, mittels welcher der in der Einlassanordnung strömenden Ansaugluft Wärmeenergie entziehbar ist.

Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht es, den Volumenstrom eines Kolbenkompressors um den Faktor der Vorverdichtungseinrichtung zu erhöhen.

Po

Durch den erhöhten Ansaugdruck und die reduzierte Ansaugtemperatur der Ansaugluft steigt die Lieferleistung des Kolbenkompressors. Die veränderbare Leistung der Vorverdichtungseinrichtung ermöglicht in Verbindung mit der Leistungssteigerung des Kolbenkompressors ein nach oben hin breiteres Regelspektrum des Kolbenkompressors. So wird auch die Verwendung von Kolbenkompressoren mit insgesamt kleinerer Baugröße möglich, da durch den erhöhten Ansaugdruck höhere Volumenströme realisiert werden. Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht einen geregelten Kompressorbetrieb mit kurzzeitig sehr hoher Leistung beim Auffüll betrieb (großer Volumenstrom des Kolbenkompressors) und einen konstanter Betrieb mit niedriger Leistung (geringerer Volumenstrom des Kolbenkompressors) im Regelbetrieb. Damit besteht keine Gefahr von Vibrationen durch freie Massen kräfte bei niedrigen Drehzahlen und die maximalen Relativgeschwindigkeiten von insbesondere ölfreien Gleitpaarungen können eingehalten werden. Zudem kann durch die vorgeschlagene Lösung das Gesamttemperaturniveau eines Kolbenkompressors gesenkt werden.

Die vorgeschlagene Lösung erhöht somit den Regelbereich des Volumenstroms und damit der Lieferleistung eines Kompressors, führt zur Senkung relevanter

Temperaturniveaus und steigert gleichzeitig die Energieeffizienz und Leistungsdichte des Kolbenkompressors.

Der Kolbenkompressor wird über eine Kurbelwelle angetrieben, welche in einem

Kurbelgehäuse drehbar gelagert ist. Ein oder mehrere jeweils mit einem Kolben verbundene Pleuel sind derart drehbar an einer exzentrischen Position der Kurbelwelle gelagert, dass deren Drehbewegung als Hubbewegung auf den sich in einem Zylinder axial bewegenden Kolben übertragen wird. Der Kolbenkompressor weist wenigstens einen Zylinder zum Komprimieren von Luft auf, kann aber auch zwei oder mehr, nacheinander oder parallel angeordnete Zylinder aufweisen, welche zum Komprimieren von Luft mittels jeweils eines darin bewegbar angeordneten Kolbens vorgesehen sind, so dass der Kolbenkompressor einstufig oder mehrstufig ausgebildet sein kann.

Bei einer Ausführungsform des Kolbenkompressors weist dieser ein Kurbelgehäuse auf, in welchem eine Kurbelwelle angeordnet ist, an der wenigstens ein mit einem Kolben verbundener Pleuel drehbar gelagert ist, wobei die Ansaugluft des wenigstens einen Zylinders durch das Kurbelgehäuse geführt wird.

Bei dieser Ausführungsform wird die Ansaugluft des wenigstens einen Zylinders durch das Kurbelgehäuse geführt, wobei es über die Elemente des Kurbeltriebs, im

Wesentlichen die Kurbelwelle, die Pleuel, die Unterseite des oder der Kolben sowie die dazwischen angeordneten Lagerelemente strömt und diese dabei kühlt. Bei der

Ansaugluft handelt es sich im Wesentlichen um die Luft, die später in den wenigstens einen Zylinder des Kolbenkompressors gesaugt und dort verdichtet wird. Bei einer Ausführungsform des Kolbenkompressors weist die Einlassanordnung eine Luftableiteinrichtung auf. Diese Ausführungsform ermöglicht es, einen größeren Volumenstrom durch das Kurbelgehäuse zu führen, als später als Ansaugluft in dem wenigstens einen Zylinder des Kolbenkompressors aufgenommen und dort verdichtet wird. So kann der Kühlluftvolumenstrom im Kurbelgehäuse erhöht werden und gleichzeitig die Erwärmung der Ansaugluft beim Durchströmen des Kurbelgehäuses vermindert werden.

Die Luftableiteinrichtung kann beispielsweise in Form eines Rückschlagventils bzw. Überdruckventils ausgebildet sein, welches sich ab einem vorbestimmten Druck der Ansaugluft öffnet. Die Luftableiteinrichtung kann aber auch so ausgebildet sein, dass diese abhängig von vorbestimmten Parameterwerten offen- und schließbar ist, insbesondere durch eine Steuereinrichtung. Bei einer Ausführungsform einer

Luftableiteinrichtung wird insbesondere überschüssige Ansaugluft aus der

Einlassanordnung in die Umgebung abgeführt, bei einer anderen Ausführungsform einer Luftableiteinrichtung kann beispielsweise ein vorbestimmter Anteil des gekühlten Volumenstroms der Ansaugluft in das Kurbelgehäuse zurückgeführt werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Kolbenkompressors ist eine

Nachkühleinrichtung zum Kühlen der verdichteten Luft nach dem Durchlaufen des wenigstens einen Zylinders des Kolbenkompressors angeordnet. Insbesondere weist die Auslassanordnung eine Nachkühleinrichtung zum Kühlen der verdichteten Luft auf. Durch das Verdichten erwärmt sich die Luft im Zylinder, so dass die durch den

Luftauslass aus dem Verdichtungsraum ausgestoßene verdichtete Luft eine erhöhte Temperatur aufweist. Ein Kühlen der verdichteten Luft nach dem Durchlaufen des wenigstens einen Zylinders mittels wenigstens einer Nachkühleinrichtung der

Auslassanordnung vereinfacht beispielsweise ein nachfolgendes Speichern der Luft oder eine Weiterverarbeitung wie z. B. eine Entfeuchtung der Luft. Bei einer

Ausführungsform des Kolbenkompressors wird die Nachkühleinrichtung der

Auslassanordnung von einer Partition der Kühleinrichtung zum Kühlen der Ansaugluft der Einlassanordnung gebildet. Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Kolbenkompressor eine

Regelungseinrichtung auf, mit welcher die Leistung der Vorverdichtungseinrichtung und damit der Ansaugdruck am Lufteinlass insbesondere stufenlos regelbar ist. Die

Regelungseinrichtung ist dabei mit der zweiten Antriebseinrichtung wirkverbunden, welche die Vorverdichtungseinrichtung mit veränderbarer Leistung antreibt. Die

Regelungseinrichtung erhält dabei Signale und/ oder Messwerte, welche insbesondere mit der erforderlichen Lieferleistung des Kolbenkompressors im Zusammenhang stehen und mittels welcher die Regelungseinrichtung die Leistung der zweiten

Antriebseinrichtung und damit der Vorverdichtungseinrichtung einstellt. Auf diese Weise wird der Vorverdichtungsgrad der durch die Einlassanordnung in den Zylinder strömenden Luft mittels der Vorverdichtungseinrichtung geregelt.

Zur Lösung der Aufgabe wird ferner ein Verfahren zum Steuern eines

Kolbenkompressors der oben beschriebenen Art vorgeschlagen, wobei die

Regelungseinrichtung die Leistung der Vorverdichtungseinrichtung zwischen einem maximalen Wert, der einem maximalen Ansaugdruck (p ma x) am Lufteinlass entspricht und einem minimalen Wert, der dem durch die Kolbenhubbewegung im Zylinder erzeugten Ansaugdruck (p 0 ) am Lufteinlass entspricht, regelt. Damit ist die

Lieferleistung des Kolbenkompressors durch das erfindungsgemäße Verfahren in einem erweiterten Regelbereich zwischen einem maximalen Ansaugdruck und einem minimalen Ansaugdruck am Lufteinlass insbesondere stufenlos einstellbar. Auf diese Weise erweitert sich der Regelbereich des Volumenstroms des Kompressors, wobei die Energieeffizienz und die Leistungsdichte gesteigert werden. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Steuern des Kolbenkompressors ist die Regelungseinrichtung mit wenigstens einem Signalgeber und/ oder wenigstens einem Sensor signalverbunden, wobei die Regelungseinrichtung die Leistung der

Vorverdichtungseinrichtung in Abhängigkeit von wenigstens einem Wert und/oder Signal von diesem wenigstens einen Signalgeber und/ oder Sensor regelt. Der

Regelungseinrichtung werden dabei für die jeweils aktuell erforderliche Lieferleistung des Kolbenkompressors von wenigstens einem Sensor und/ oder wenigstens einem Signalgeber relevante Werte bzw. Signale übermittelt, woraus die Regelungseinrichtung den aktuell erforderlichen Volumenstrom ermittelt und die Leistung der Vorverdichtungseinrichtung entsprechend diesem Bedarf regelt. Auf diese Weise kann mittels der Regelungseinrichtung der Volumenstrom des Kolbenkompressors

beispielsweise in Abhängigkeit von einer aktuellen Anforderung, vom Betriebszustand oder von der aktuellen Situation des den Kompressor aufweisenden Systems, wie beispielsweise eines Schienenfahrzeugs, angepasst werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erhält die Regelungseinrichtung Werte von wenigstens einem Sensor. Für diesen Zweck ist der wenigstens eine Sensor aus einer Gruppe ausgewählt, welche insbesondere Drucksensoren,

Temperatursensoren, Volumenstromsensoren, Drehzahlsensoren oder andere geeignete Sensoren aufweist. Diese Sensoren erfassen insbesondere für die Regelung der Vorverdichtungseinrichtung relevante Parameterwerte. Ein geeigneter Drucksensor erfasst beispielsweise den Druck im vom Kolbenkompressor belieferten Drucksystem. Dieser kann beispielsweise an der Auslassanordnung vor oder nach einer

gegebenenfalls dort angeordneten Nachkühleinrichtung oder im Druckluftbehälter positioniert sein. Abhängig vom erfassten Druckwert im Druckluftsystem kann ein schnelles Auffüllen erforderlich sein, wobei eine hohe Lieferleistung des

Kolbenkompressors erforderlich ist, oder ein Nachfüllen von geringeren Mengen entnommener Druckluft, was mit einer geringeren Lieferleistung wirtschaftlicher erfolgen kann.

Mittels eines Volumenstromsensors kann unmittelbar der aus dem Druckluftsystem entnommene Volumenstrom erfasst werden. Dieser Wert beeinflusst beispielsweise auch die erforderliche Druckluftmenge beim Nachfüllbetrieb des Kolbenkompressors. Mittels eines Drehzahlsensors, der die Drehzahl der Kurbelwelle an die

Regelungseinrichtung übermittelt, kann beim Verfahren zum Steuern des

Kolbenkompressors ein Wert für den Volumenstrom abgeleitet werden, welcher die Ansauganordnung durchströmt. Mit einem Temperatursensor ist beispielsweise die Lufttemperatur im Kurbelgehäuse, in der Einlassanordnung, in der Auslassanordnung oder im Druckluftsystem erfassbar, woraus ebenfalls unterschiedliche Anforderungen an die Lieferleistung des Kolbenkompressors ableitbar sind, die mit Hilfe der

Regelungseinrichtung angepasst werden kann. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Steuern eines Kolbenkompressors ist die Regelungseinrichtung mit wenigstens einem Signalgeber signalverbunden, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, welche Betriebs-Management-Systeme,

Steuerungseinrichtungen wie eine Steuerungseinrichtung der ersten Antriebseinrichtung oder andere geeignete Einrichtungen aufweist, welche Informationen verarbeiten, die für die Steuerung der Lieferleistung des Kolbenkompressors relevant sind. Aus einem Fahrzeugmanagementsystem erhält eine Regelungseinrichtung für einen

Kolbenkompressor beispielsweise Werte betreffend den aktuellen Betriebszustand eines Fahrzeugs, wie die Fahrgeschwindigkeit, Bremsbetrieb oder Streckenbetrieb und dergleichen, aus welchen der momentane Druckluftverbrauch sowie der aktuell erforderliche Füllstand des Druckluftsystems ableitbar ist. Auch aufgrund von Signalen der Steuerungseinrichtung der ersten Antriebseinrichtung kann die

Regelungseinrichtung Informationen bezüglich der aktuellen Betriebssituation sowie dem Betriebszustand des Systems ableiten, in welchem der Kolbenkompressor aktuell verwendet wird und kann hieraus Steuerwerte für den erforderlichen Volumenstrom des Kolbenkompressors ermitteln und anwenden.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Steuern eines Kolbenkompressors regelt die Regelungseinrichtung die Leistung der Kühleinrichtung unabhängig von der Leistung der Vorverdichtungseinrichtung. Die Sollwerte für die Leistung der

Kühleinrichtung können dabei unmittelbar an die Regelungseinrichtung übertragen werden. Ebenso kann die Regelungseinrichtung den einzuregelnden Sollwert auch insbesondere abhängig von Sensor- oder Signalgeberwerten ermitteln, welche beispielsweise die Temperatur der Umgebung, im Kurbelgehäuse oder im

Druckluftbehälter enthalten. Dabei kann eine stärkere oder geringere Kühlleistung der Kühleinrichtung unabhängig von der Leistung der Vorverdichtungseinrichtung

erforderlich sein, um beispielsweise eine stärkere oder geringere Verdichtung der Luft im Kolbenkompressor zu bewirken, oder um das Temperaturniveau des Drucksystems durch eine geringere oder höhere Temperatur der Ansaugluft des Kolbenkompressors indirekt zu beeinflussen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines beispielhaften erfindungsgemäßen Kolbenkompressors; Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines beispielhaften erfindungsgemäßen Kolbenkompressors; und

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem die Volumenstromänderung durch die Erhöhung des Eingangsdrucks dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines beispielhaften erfindungsgemäßen Kolbenkompressors 10. Der im Ausführungsbeispiel ölfreie, also trockenlaufende Kolbenkompressor 10 weist ein Kurbelgehäuse 20 und eine darin angeordneten Kurbelwelle 21 auf, welche mit einer ersten

Antriebseinrichtung 22 verbunden ist und von dieser angetrieben wird. Der im

Ausführungsbeispiel einstufig dargestellte Kolbenkompressor 10 weist einen Zylinder 1 1 mit einem Verdichtungsraum 14 zum Komprimieren von Luft mittels eines im Zylinder 1 1 angeordneten Kolbens 12 auf, welcher über einen exzentrisch an der Kurbelwelle 21 drehbar gelagerten Pleuel 13 angetrieben wird.

Der Zylinder 1 1 weist einen Lufteinlass 30 auf, der mit einer Einlassanordnung 31 verbunden ist, welche zu verdichtende Luft zum Lufteinlass 30 des Verdichtungsraums 14 führt. Ferner weist der Zylinder 1 1 einen Luftauslass 33 auf, der mit einer

Auslassanordnung 34 verbunden ist, welche verdichtete Luft aus dem

Verdichtungsraum 14 aufnimmt. Die Kurbelwelle 21 bildet mit dem Pleuel 13 und den an diesen und zwischen diesen angeordneten Lagern den Kurbeltrieb 15, welcher sich im Betrieb des Kolbenkompressors 10 innerhalb des Kurbelgehäuses 20 erwärmt.

Das Kurbelgehäuse 20 der beispielhaften Ausführungsform ist über eine

Luftzuführungsleitung 25 mit einem Luftfilter 26 verbunden, über welchen

Umgebungsluft angesaugt und über die Luftzuführungsleitung 25 in das Kurbelgehäuse 20 geführt wird. An einem von Anschluss der Luftzuführungsleitung 25 entfernten Bereich des Kurbelgehäuses 20 ist die Einlassanordnung 31 angeordnet, so dass die von der Luftzuführungsleitung 25 in das Kurbelgehäuse 20 geführte Luft nach dem Durchströmen des Kurbelgehäuses 20 dieses durch die Einlassanordnung 31 wieder verlassen kann. Der dabei ausgebildete Luftstrom überströmt insbesondere die

Elemente des Kurbeltriebs 15 und nimmt dabei bei gleichzeitiger Kühlung des

Kurbeltriebs 15 Wärmeenergie auf.

Die Einlassanordnung 31 weist eine Vorverdichtungseinrichtung 28 in Form eines externen Hochleistungsgebläses auf, das von einem Vorverdichterantrieb (zweite Antriebseinrichtung) 29 angetrieben wird. Durch die Wirkung der

Vorverdichtungseinrichtung 28 wird Umgebungsluft durch den Luftfilter 26 in das

Kurbelgehäuse 20 gesaugt, wo es über die Elemente des Kurbeltriebs 15 strömt und diesen dabei Wärmeenergie entzieht. Die Vorverdichtungseinrichtung 28 saugt die erwärmte Luft nach dem Durchströmen des Kurbelgehäuses 20 in die

Einlassanordnung 31 , verdichtet diese und baut dabei abhängig von der aktuellen Leistung des Vorverdichterantriebs 29 am Lufteinlass 30 vor dem Zylinder 1 1 einen gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Druck auf. Durch diesen erhöhten Druck am Lufteinlass 30 kann während eines Ansaughubs des Kolbens 12 mehr Luft in den Verdichtungsraum 14 strömen, wodurch sich die Lieferleistung und Effizienz des Kolbenkompressors 10 erhöht.

Bei der beispielhaften Ausführungsform der Fig. 1 weist die Einlassanordnung 31 zwischen der Vorverdichtungseinrichtung 28 und dem Zylinder 1 1 eine Kühleinrichtung 32 auf, welche die durch die Einlassanordnung 31 strömende Luft kühlt. Sowohl beim Durchströmen des Kurbelgehäuses 20 als auch durch die Vorverdichtung in der Vorverdichtungseinrichtung 28 erwärmt sich die Ansaugluft, was zu einer

Volumenvergrößerung führt, die eine Verringerung der während eines Ansaughubs in den Verdichtungsraum 14 aufnehmbaren Luftmenge bewirkt. Um diesem Effekt entgegen zu wirken, weist die Einlassanordnung 31 in Strömungsrichtung der

Ansaugluft nach der Vorverdichtungseinrichtung 28 eine Kühleinrichtung 32 auf, welche die vorverdichtete Ansaugluft kühlt. Dadurch kann im Verdichtungsraum 14 eine größere Luftmenge aufgenommen werden. Durch diese Maßnahme wird die

Lieferleistung und Effizienz des Kolbenkompressors 10 weiter erhöht. Der Vorverdichterantrieb 29 ist bei der beispielhaften Ausführungsform des Kolbenkompressors 10 mit einer Regelungseinrichtung 40 verbunden, welche die Leistung der Vorverdichtungseinrichtung 28 und damit den Ansaugdruck am Lufteinlass 31 regelt. An der Einlassanordnung 31 und an der Auslassanordnung 34 des

Kolbenkompressors 10 sind an geeigneten Stellen mehrere Drucksensoren 41 a, 41 b, 41 c und mehrere Temperatursensoren 42a, 42b, 42c angeordnet, welche jeweils mit der Regelungseinrichtung 40 signalverbunden sind (nicht dargestellt). Die

Drucksensoren 41 a, 41 b, 41 c und die Temperatursensoren 42a, 42b, 42c übermitteln die jeweils herrschende Lufttemperatur bzw. den Druck an deren jeweiligen Position an der Einlassanordnung 31 bzw. an der Auslassanordnung 34 an die

Regelungseinrichtung 40.

Ferner ist die Regelungseinrichtung 40 mit einem Vorrichtungsmanagementsystem 45 signalverbunden, welches weitere für die Druckluftversorgung des Kolbenkompressors 10 relevante Daten an die Regelungseinrichtung 40 übermittelt. Aus den Daten, welche die Regelungseinrichtung 40 insbesondere von den Drucksensoren 41 a, 41 b, 41 c, den Temperatursensoren 42a, 42b, 42c und vom Vorrichtungsmanagementsystem 45 erhält, ermittelt die Regelungseinrichtung 40 den aktuellen Bedarf des

Druckluftversorgungssystems und damit die erforderliche Lieferleistung des

Kolbenkompressors 10. Mit der hieraus folgenden Bedarfsanforderung passt die

Regelungseinrichtung 40 durch eine geeignete Regelung des Vorverdichterantriebs 29 den Grad der Vorverdichtung der Ansaugluft am Lufteinlass 31 mittels der

Vorverdichtungseinrichtung 28 entsprechend an. Bei einer weiteren, nicht dargestellten beispielhaften Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Kolbenkompressors 10 ist auch eine Leistungssteuerung der Kühleinrichtung 32 sowie der Nachkühleinrichtung 35 mit der Regelungseinrichtung 40 verbunden. Dabei kann dann auch die Kühlleistung der beiden Kühleinrichtungen 32, 35 mittels der Regelungseinrichtung 40 auf eine insbesondere jeweils ermittelte

erforderliche Kühlleistung geregelt werden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines beispielhaften erfindungsgemäßen Kolbenkompressors 10. Der Kolbenkompressor 10 aus Fig. 2 entspricht weitgehend dem in Fig. 1 dargestellten und hierzu beschriebenen Kolbenkompressor 10, so dass gleiche Elemente der Kolbenkompressoren 10 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden. Im Folgenden werden lediglich die

Unterschiede zwischen den beiden schematisch dargestellten Kolbenkompressoren 10 erläutert.

Der in Fig. 2 gezeigte Kolbenkompressor 10 weist gegenüber dem Kolbenkompressor 10 aus Fig. 1 eine an der Einlassanordnung 31 angeordnete Luftableiteinrichtung 36 in Form eines Überdruckventils auf. Bei der gezeigten Ausführungsform öffnet sich das Überdruckventil der Luftableiteinrichtung 36, sobald der Druck in der Einlassanordnung

31 in Strömungsrichtung der Ansaugluft nach der Kühleinrichtung 32 einen

vorbestimmten Wert übersteigt und führt die überschüssige Ansaugluft in der

Einlassanordnung 31 an die Umgebung des Kolbenkompressors 10 ab. Auf diese Weise kann der Volumenstrom von Luft zur Kühlung des Kurbelgehäuses 20 größer sein als die Lieferleistung des Kolbenkompressors 10, da die überschüssige Luft nach dem Durchströmen des Kurbelgehäuses 20 und nach der Vorverdichtung aus der Einlassanordnung 31 abgeführt werden kann.

Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist ein weitgehend beliebig großer

Luftvolumenstrom durch das Kurbelgehäuse 20 realisierbar, wobei die Kühleinrichtung

32 möglicherweise gegenüber dem Kolbenkompressor 10 aus Fig. 1 für den

vergrößerten Volumenstrom größer auszulegen ist. Bei im Vergleich mit dem

Kolbenkompressor 10 aus Fig. 1 gleicher Lieferleistung steigt auch die Menge der durch den Luftfilter 26 angesaugten Luftmenge.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das die Änderung des vom Kolbenkompressor 10

geförderten Volumenstroms aufgrund einer Vorverdichtung und Kühlung der Ansaugluft beim Durchströmen der Einlassanordnung 31 veranschaulicht. Im Diagramm ist der Druck der Ansaugluft am Lufteinlass 30 über dem vom Kolbenkompressor 10

geförderten Volumenstrom dargestellt.

Der von einem Kolbenkompressor 10 gemäß dem Stand der Technik geförderte

Volumenstrom 51 ist durch eine gestrichelt dargestellte Kurve gezeigt. Der von einem erfindungsgemäßen Kolbenkompressor 10 geförderte Volumenstrom 52 ist durch eine durchgehend dargestellte Kurve veranschaulicht.

Wie aus dem Diagramm ablesbar ist, wird durch die Erhöhung des Ansaugdrucks p e o um Ap e auf p e i durch die Vorverdichtung und Kühlung der Ansaugluft eine Steigerung des Volumenstroms um AV auf Vi erzielt, da das Hubvolumen des Verdichtungsraums V 0 mit einer größeren Luftmenge als bei einem Kolbenkompressor 10 gemäß dem Stand der Technik gefüllt wird.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Kolbenkompressor

1 1 Zylinder

12 Kolben

13 Pleuel

14 Verdichtungsraum

15 Kurbeltrieb

20 Kurbelgehäuse

21 Kurbelwelle

22 erste Antriebseinrichtung

25 Luftzuführungsleitung

26 Luftfilter

28 Vorverdichtungseinrichtung

29 Vorverdichterantrieb

30 Lufteinlass

31 Einlassanordnung

32 Kühleinrichtung

33 Luftauslass

34 Auslassanordnung

35 Nachkühleinrichtung

36 Luftableiteinrichtung

40 Regelungseinrichtung

41 a, b, c Drucksensor

42a, b, c Temperatursensor

45 Vorrichtungsmanagementsystenn

51 Volumenstronn eines Kolbenkompressors des Stands der Technik

52 Volumenstrom eines erfindungsgemäßen Kolbenkompressors