Ventileinrichtung zur Leistungssteigerung mehrstufiger Verdichtereinheiten Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung zur Ansteuerung einer mehrstufigen

Verdichtereinheit, mit einer ersten Verdichterstufe und mindestens einer

nachgeschalteten zweiten Verdichterstufe zur Komprimierung von Druckluft nach Maßgabe eines Auffüllbetriebs und eines Regelbetriebs. Das Einsatzgebiet in der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf den Fahrzeugbau, insbesondere Schienenfahrzeugbau. Hierbei kommen im Rahmen von

Kompressoranlagen zur Erzeugung von Druckluft für den Betrieb insbesondere eines Bremssystems auch mehrstufige Verdichtereinheiten zur Anwendung, bei denen eine erste Verdichterstufe als sogenannte Niederdruckstufe und eine nachgeschaltete zweite Verdichterstufe als sogenannte Hochdruckstufe ausgebildet sind.

Gewöhnlich werden Verdichtereinheiten der hier interessierenden Art in zwei

unterschiedlichen Betriebszuständen, nämlich einem Auffüllbetrieb und einem

Regelbetrieb betrieben. Normalerweise erfolgt die konstruktive Auslegung einer mehrstufigen Verdichtereinheit für den Auffüllbetrieb. Im Auffüllbetrieb für mindestens einen Druckluftvorratsbehälter wird zunächst Druckluft auf das Niveau eines

Schaltdruckpunktes eines Mindestdruckluftventils erzeugt. Anschließend wird die Verdichtereinheit bei konstantem Gegendruck pi so lange betrieben, bis der zu füllende Vorratsbehälter diesen Druck ebenfalls erreicht hat. Schließlich wird der Vorratsbehälter bis auf einen eingestellten Betriebsdruck p _ma x gefüllt. Im anschließenden Regelbetrieb sorgt die Verdichtereinheit nur für das Nachfüllen des Vorratsbehälters während des normalen Fahrzeugbetriebs. Druckluftverbräuche werden ab einem zwischen pi und pmax festgelegten Einschaltdruck p _e in wieder bis p _ma x aufgefüllt. Dies entspricht einem klassischen Aussetzbetrieb.

Während der Auffüllbetrieb möglichst zügig erfolgen soll, um eine schnelle

Betriebsbereitschaft des Fahrzeuges herzustellen, ist für den Regelbetrieb eine

Mindesteinschaltdauer einzuhalten, um Kondensatanfall im Kompressor zu vermeiden. Somit besteht bezüglich der Auffülldauer der Vorratsbehälter ein Zielkonflikt zwischen der gewünscht kurzen Auffüllzeit und der Erfüllung einer IVlindesteinschaltdauer im Regelbetrieb. Zur Lösung dieses Zielkonflikts ist gemäß des allgemein bekannten Standes der Technik bereits versucht worden, einen Kompromiss bei der Auslegung der

Verdichtereinheiten hinsichtlich deren Förderleistung zu treffen, um eine

IVlindesteinschaltdauer während des Regelbetriebes zu gewährleisten und gleichzeitig eine möglichst kurze Auffüllzeit der Vorratsbehälter zu ermöglichen.

Aus der DE 10 2013 101 502 A1 geht eine technische Lösung hervor, welche eine bedarfsabhängige Steuerung der Förderleistung der Verdichtereinheit durch einen elektronischen Umrichter realisiert, welcher die Drehzahl des die Verdichtereinheit antreibenden elektrischen Drehstrommotors bedarfsgerecht variiert.

Ein hiermit erreichbarer anpassungsfähiger stufenloser Verdichterbetrieb ersetzt den Aussetzbetrieb und ermöglicht somit die Einhaltung einer IVlindesteinschaltdauer im Regelbetrieb, da hierfür eine geringere Antriebsdrehzahl einstellbar ist. Eine demgegenüber schnellere Drehzahl zum Antrieb der Verdichtereinheit erhöht die Förderleistung und führt zu einer gewünscht kurzen Auffüllzeit im Auffüllbetrieb der Vorratsbehälter. Der mit dieser speziellen drehzahlabhängigen Ansteuerung verbundene steuerungstechnische Aufwand ist jedoch erheblich.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Ventileinrichtung zur Ansteuerung einer mehrstufigen Verdichtereinheit zu schaffen, mit welcher unter geringem technischen Aufwand ein effizienter Auffüllbetrieb sowie Regelbetrieb darstellbar ist.

Die Aufgabe wird ausgehend von einer Ventileinrichtung zur Ansteuerung einer mehrstufigen Verdichtereinheit gemäß des Oberbegriffs 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 eine je zwischen benachbarten Verdichterstufen einer mehrstufigen Verdichtereinheit angeordnete

Umschaltventilanordnung die Verdichterstufen in einer Auffüllbetriebsschaltstellung zueinander parallel schaltet, wohingegen die Umschaltventilanordnung die

Verdichterstufen in einer Regelbetriebsschaltstellung zueinander in Reihe schaltet.

Mit anderen Worten sorgt eine beispielsweise in die Verbindung zwischen

Niederdruckstufe und Hochdruckstufe einer zweistufigen Verdichtereinheit angeordnete Umschaltventilanordnung dafür, dass entweder die Niederdruckstufe und die

Hochdruckstufe in Parallelschaltung von der Atmosphäre angesaugte Luft komprimieren und ausgangsseitig der Verdichtereinheit zum Befüllen eines Vorratsbehälters zur Verfügung stellen; in Reihe geschaltet können Niederdruckstufe und Hochdruckstufe im mehrstufigen Verdichterbetrieb miteinander im Regelbetrieb verbunden werden. Somit vermag die erfindungsgemäße Ventileinrichtung mehrere Verdichterstufen in unterschiedlicher weise miteinander zu koppeln. Herkömmliche Ventileinrichtungen waren bei mehrstufigen Verdichtereinheiten lediglich auf Rückschlagventile beschränkt, die zur Vermeidung eines Druckrückschlusses in eine vorgeschaltete Verdichterstufe vorgesehen sind.

Demgegenüber ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung eine Erhöhung der

Förderleistung der Verdichtereihneit im Auffüllbetrieb. Durch die erhöhte Förderleistung wird die benötigte Zeit zum Auffüllen der Vorratsbehälter reduziert. Die Einschaltdauern im Regelbetrieb der Verdichtereinheit bleiben hingegen unverändert. Hieraus resultiert ein verkürzter Auffüllbetrieb mit kurzzeitig hoher Förderleistung ohne, dass

Restriktionen der Verdichterauslegung für den Regelbetrieb hinsichtlich der

Mindesteinschaltdauer verletzt werden. Die unterschiedliche Förderleistung im Auffüll- und Regelbetrieb erweitert den möglichen Einsatzbereich je Verdichtergröße. Da die Umsetzung der erfindungsgemäßen Lösung im Wesentlichen lediglich einen

zusätzlichen ventiltechnischen Aufwand erfordert, ist der technische Mehraufwand im Vergleich zu einem drehzahlvariabel angesteuerten Antrieb einer Verdichtereinheit recht gering. Da die erfindungsgemäße Lösung die Dauer des Auffüllbetriebs verkürzt, ohne die Laufzeiten der Verdichterheit im Regelbetrieb zu reduzieren, wird der Zielkonflikt zwischen einer möglichst kurzen Auffüllzeit im Auffüllbetrieb und der Einhaltung der Mindesteinschaltdauer im Regelbetrieb weitestgehend gelöst.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zwischen benachbarten Verdichterstufen angeordnete Umschaltventilanordnung als ein 4/2- Wegeventil ausgebildet. Dieses kann entweder pneumatisch vorgesteuert oder elektromagnetisch in die beiden Schaltstellungen überführt werden. In der

Auffüllbetriebsschaltstellung verbindet diese Umschaltventilanordnung den Auslass der ersten Verdichterstufe mit dem Ausgang der gesamten Verdichtereinheit, der am Vorratsbehälter angeschlossen ist. Gleichzeitig wird der Einlass der zweiten

Verdichterstufe mit dem Eingang der Verdichtereinheit verbunden. Hierdurch wird die vorstehend beschriebene Parallelschaltung der Verdichterstufen realisiert.

Die für den Regelbetrieb vorgesehene Reihenschaltung wird vorzugsweise dadurch realisiert, dass in einer Regelbetriebsschaltstellung der Umschaltventilanordnung der Auslass der ersten Verdichterstufe mit dem Einlass der zweiten Verdichterstufe verbunden wird. Insgesamt ist zur Umsetzung der beiden Schaltstellungen und der hiermit realisierten Druckluftverbindungen nur ein geringer Verrohrungsaufwand zwischen Einlässen und Auslässen der Verdichterstufen erforderlich.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die zwischen benachbarten Verdichterstufen angeordnete Umschaltventilanordnung aus insgesamt drei einzelnen 2/2-Wegeventilen zusammengesetzt ist, wobei im

Auffüllbetrieb ein erstes 2/2-Wegeventil den Auslass der ersten Verdichterstufe mit dem Ausgang der gesamten Verdichtereinheit verbindet und ein drittes 2/2-Wegeventil den Eingang der Verdichtereinheit mit dem Einlass der zweiten Verdichterstufe verbindet. Ein den Auslass der ersten Verdichterstufe mit dem Einlass der zweiten Verdichterstufe verbindendes zweites 2/2-Wegeventil ist dagegen im Auffüllbetrieb abgesperrt. Vorzugsweise wird hier die mit dem Regelbetrieb verbundene Reihenschaltung der Verdichterstufen dadurch umgesetzt, dass das erste 2/2-Wegeventil und das dritte 2/2- Wegeventil abgesperrt werden, wogegen das zweite 2/2-Wegeventil geöffnet ist. Die drei 2/2-Wegeventile können auch hier pneumatisch oder elektrotechnisch in die entsprechende geöffnete oder geschlossene Position überführt werden.

Gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die zwischen benachbarten Verdichterstufen angeordnete

Umschaltventilanordnung als ein 5/3-Wegeventil ausgebildet ist. In der

Auffüllbetriebsschaltstellung verbindet das 5/3-Wegeventil den Auslass der ersten Verdichterstufe mit dem Ausgang der gesamten Verdichtereinheit sowie den Einlass der zweiten Verdichterstufe mit dem Eingang der Verdichtereinheit. Vorzugsweise wird in der Regelbetriebsschaltstellung der Auslass der ersten Verdichterstufe mit dem Einlass der zweiten Verdichterstufe verbunden.

Als Besonderheit dieser Ausführungsform vermag das 5/3-Wegeventil auch eine

Hilfsluftversorgung vorzunehmen. In einer Hilfsluftbetriebsschaltstellung wird nur die erste oder zweite Verdichterstufe mit dem Ausgang der gesamten Verdichtereinheit verbunden. Hierdurch kann die mehrstufige Verdichtereinheit mit besonders geringer Förderleistung betrieben werden, was der batteriebetriebenen Hilfsluftversorgung für ein Fahrzeug - insbesondere zum Aufrüsten eines Schienenfahrzeuges - entgegen kommt. Durch diesen zusätzlichen Betriebsmodus wird das Lieferleistungsspektrum der mehrstufigen Verdichtereinheit weiter erhöht.

Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass direkt am Ausgang jeder Verdichterstufe eine Trocknereinheit angebracht ist, um die von jeder Verdichterstufe erzeugte Druckluft unmittelbar zu trocknen, um diese anschließend der weiteren Nutzung im Rahmen der Parallel- oder Reihenschaltung der Verdichterstufen zuzuführen. Hierdurch wird sichergestellt, dass stets hinreichend getrocknete Druckluft zur Verfügung gestellt wird.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 ein pneumatisches Schaltbild einer im Rahmen einer zweistufigen Verdichtereinheit angeordneten Umschaltventilanordnung in

Auffüllbetriebsschaltstellung gemäß einer ersten Ausführungsform, Fig. 2 ein pneumatisches Schaltbild einer im Rahmen einer zweistufigen

Verdichtereinheit angeordneten Umschaltventilanordnung in

Regelbetriebsschaltstellung gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 3 ein pneumatisches Schaltbild einer im Rahmen einer zweistufigen

Verdichtereinheit angeordneten Umschaltventilanordnung in

Auffüllbetriebsschaltstellung gemäß einer zweiten Ausführungsform,

Fig.4 ein pneumatisches Schaltbild einer im Rahmen einer zweistufigen

Verdichtereinheit angeordneten Umschaltventilanordnung in

Regelbetriebsschaltstellung gemäß einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 5 ein pneumatisches Schaltbild einer im Rahmen einer zweistufigen

Verdichtereinheit angeordneten Umschaltventilanordnung in

Auffüllbetriebschaltstellung gemäß einer dritten Ausführungsform,

Fig. 6 ein pneumatisches Schaltbild einer im Rahmen einer zweistufigen

Verdichtereinheit angeordneten Umschaltventilanordnung in

Regelbetriebsschaltstellung gemäß einer dritten Ausführungsform, Fig. 7 ein pneumatisches Schaltbild einer im Rahmen einer zweistufigen

Verdichtereinheit angeordneten Umschaltventilanordnung in

Hilfsluftbetriebsschaltstellung gemäß einer dritten Ausführungsform, und

Fig. 8 ein Druck-Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung von Auffüll- und

Regelbetrieb einer mehrstufigen Verdichtereinheit.

Gemäß Fig. 1 umfasst eine Ventileinrichtung zur Ansteuerung einer aus einer ersten Verdichterstufe 1 a und einer nachgeschalteten zweiten Verdichterstufe 1 b zusammengesetzte zweistufige Verdichtereinheit je eine den beiden Verdichterstufen 1 a und 1 b jeweils zugeordnete und direkt mit deren jeweiligem Auslass 2a bzw. 2b verbundene Trocknereinheiten 3a bzw. 3b. Die beiden Trocknereinheiten 3a und 3b dienen dem unmittelbaren Trocknen der von jeder vorgeschalteten Verdichterstufe 1 a und 1 b erzeugten Druckluft, ehe diese den weiteren Verbraucherkreisen zugeführt wird.

Zwischen den beiden zueinander benachbarten Verdichterstufen 1 a und 1 b ist eine Umschaltventilanordnung 4 vorgesehen. Die Umschaltventilanordnung 4 schaltet die beiden Verdichterstufen 1 a und 1 b in der hier gezeigten Auffüllbetriebsschaltstellung zueinander parallel. Hierbei wird der Auslass 2a der ersten Verdichterstufe 1 a mit dem Ausgang 5 der gesamten Verdichtereinheit verbunden. Gleichzeitig wird der Einlass 6b der zweiten Verdichterstufe 1 b mit einem Eingang 7 der gesamten Verdichtereinheit verbunden. In dieser Auffüllbetriebsschaltstellung komprimiert also jede Verdichterstufe 1 a und 1 b aus der Atmosphäre entnommene Luft auf ein höheres Druckniveau zum zügigen Auffüllen des - hier nicht weiter dargestellten - und an den Ausgang 5 der Verdichtereinheit angekoppelten Vorratsluftbehälters.

Wird das als Umschaltventilanordnung 4 ausgebildete 4/2- Wegeventil nach Fig. 2 in die andere, hier als Regelbetriebschaltstellung bezeichnete, Schaltstellung überführt, so werden beide Verdichterstufen 1 a und 1 b in Reihe geschaltet. In dieser

Reihenschaltung verbindet die Umschaltventilanordnung 4 den Auslass 2a der ersten Verdichterstufe 1 a mit dem Einlass 6b der zweiten Verdichterstufe 1 b. Hierdurch agiert die allein mit dem Eingang 7 der Verdichtereinheit verbundene erste Verdichterstufe 1 a als Niederdruckstufe, wogegen die nachgeschaltete zweite Verdichterstufe 1 b die Hochdruckstufe darstellt, welche nach weiterer Komprimierung der Druckluft, diese dem Ausgang 5 der Verdichtereinheit zur Verfügung stellt.

Gemäß der in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsform besteht die zwischen den beiden benachbarten Verdichterstufen 1 a und 1 b angeordnete

Umschaltventilanordnung aus drei einzelnen 2/2-Wegeventilen 4a bis 4c. Im

Auffüllbetrieb verbindet ein erstes 2/2-Wegeventil 4a den Auslass 2a der ersten

Verdichterstufe 1 a mit dem Ausgang 5 der gesamten Verdichtereinheit. Ein den Auslass 2a der ersten Verdichterstufe 1 a mit dem Einlass 6b der zweiten Verdichterstufe 1 b verbindenes zweites 2/2-Wegeventil 4b ist während des Auffüllbetriebs in Absperrstellung. Das dritte 2/2 -Wegeventil 4c verbindet den Eingang 7 der

Verdichtereinheit mit dem Einlass 6b der zweiten Verdichterstufe 1 b. Insgesamt wird also eine Parallelschaltung der beiden Verdichterstufen 1 a und 1 b erzielt.

In der in Fig. 4 dargestellten anderen Schaltstellung ist das zweite 2/2-Wegeventil 4b geöffnet, während die beiden anderen 2/2-Wegeventile 4a und 4c geschlossen sind. Somit wird eine Reihenschaltung der beiden Verdichterstufen 1 a und 1 b erzielt, welche für den Regelbetrieb vorgesehen ist.

In der in Fig. 5 dargestellten dritten Ausführungsform der Umschaltventilanordnung 4' wird ein 5/3-Wegeventil verwendet. Diese verbindet in der dargestellten

Auffüllbetriebsschaltstellung den Auslass 2a der ersten Verdichterstufe 1 a mit dem Ausgang 5 der gesamten Verdichtereinheit. Der Einlass 6b der zweiten Verdicherstufe 1 b wird mit dem Eingang 7 der gesamten Verdichtereinheit verbunden, so dass die gewünschte Parallelschaltung der beiden Verdichterstufen 1 a und 1 b zueinander erzielt ist.

Dagegen wird gemäß Fig. 6 die Reihenschaltung der beiden benachbarten

Verdichterstufen 1 a und 1 b in der Regelbetriebsschaltstellung der

Umschaltventilanordnung 4' eingenommen, in welcher der Auslass 2a der ersten Verdichterstufe 1 a mit dem Einlass 6b der zweiten Verdichterstufe 1 b verbunden wird.

Zusätzlich weist gemäß Fig. 7 die als 5/3-Wegeventil ausgebildete

Umschaltventilanordnung 4' eine Hilfsluftbetriebsschaltstellung auf, in welcher die zweite Verdichterstufe 1 b zur Hilfsluftversorgung auf den Ausgang 5 der gesamten Verdichtereinheit aufgeschaltet ist, wohingegen die erste Verdichterstufe 1 a an die Atmosphäre fördert, also leer mitläuft. Gemäß des in Fig. 8 dargestellten Druck-Zeit-Diagramms erfolgt während„Phase 1 " im Auffüllbetrieb der Vorratsluftbehälter von der in Parallelschaltung betriebenen mehrstufigen Verdichtereinheit bis zum Zeitpunkt ti eine Auffüllung bis zu einem Druck pi , welcher dem Schaltdruck des dem Vorratsluftbehälter vorgeschalteten Mindestdruckventils entspricht. Während„Phase 2" wird die Verdichtereinheit mit konstantem Gegendruck pi so lange betrieben, bis der zu füllende Vorratsluftbehälter diesen Druck ebenfalls erreicht hat. Dies geschieht innerhalb der Zeitspanne ti bis t2. In der„Phase 3" füllt die Verdichtereinheit im Auffüllbetrieb den Vorratsluftbehälter bis zu dem eingestellten Betriebsdruck p _ma x auf. In dem Druck-Zeit-Diagramm illustriert die durchgezogene Linie den Ausgangsdruck am Ausgang der Verdichtereinheit und die Strichlinie illustriert den Vorratsbehälterdruck.

Während des Regelbetriebs läuft die mehrstufige Verdichtereinheit in Reihenschaltung und ein Nachfüllen des oder der Vorratsluftbehälter während des normalen Betriebs wird ab einem Druckabfall auf einen Einschaltdruck p _e in bis zum Betriebsdruck p _ma x im herkömmlichen Aussetzbetrieb sichergestellt.

Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mitumfasst sind. So ist es

beispielsweise auch möglich, die Umschaltventilanordnung zwischen der ersten und der zweiten Verdichterstufe durch eine andere ventiltechnische Lösung auszubilden. Die Ansteuerung kann dabei sowohl pneumatisch als auch elektronisch/elektrisch nach Maßgabe einer den Auffüllbetrieb sowie den Regelbetrieb bestimmenden Steuereinheit erfolgen.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Verdichterstufe

2 Auslass

3 Trocknereinheit

4 Umschaltventilanordnung

5 Ausgang

6 Einlass

7 Eingang

P Druck / Druckpunkt t Zeit / Zeitpunkt