SCHWINGUNGSARMER, ZWEISTUFIGER TAUCHKOLBENVERDICHTER

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kolbenanordnung für einen zweistufigen Kolbenverdichter mit einer Kurbelwelle, mehreren Zylindern mit darin laufenden Kolben, wobei zwei oder mehrere Niederdruckstufen und wenigstens eine Hochdruckstufe ausgebildet wird sowie einen Kolbenverdichter für Schienenfahrzeuge mit einer derartigen Kolbenanordnung.

[0002] Die Anordnung gemäß der DE-PS 765 994 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder und die Kurbelradien so ausgelegt sind, daß sich die Massenkräfte möglichst gut ausgleichen.Gaskräfte als schwingungs-erregende Komponenten werden nicht genannt. Eine Zuordnung der einzelnen Zylinder zu einer jeweiligen Verdichtungsstufe wird bei der Entgegenhaltung nicht gemacht.

[0003] Ein Kolbenverdichter mit einer Kurbelwelle, mehreren Zylindern und darin laufenden Kolben ist beispielsweise aus der CH-A-200769 und der DE-PS 765 994 und eine 3-Zylinder-Kolbenanordnung mit einem Hochdruckzylinder und zwei Niederdruckzylindern ist aus FR 1 239 385 bekannt geworden.

[0004] Im Schienenfahrzeugbau kommt in zunehmenden Maße Leichtbau zur Anwendung. Moderne Leichtbau-Wagenkastenstrukturen beispielsweise aus Aluminium-Strangpreßprofilen oder Trägerstrukturen aus dünnem Blech besitzen häufig Eigenfrequenzen nahe der Drehzahl des Kompressors der Luftbeschaffungsanlage. Der Einsatz von Kolbenverdichtern ist bei derartigen Konstruktionen oftmals nicht möglich, da häufig der zulässige Körperschallpegel überschritten wird.

[0005] Dies ist darauf zurückzuführen, daß Kolbenmaschinen bauartbedingt Massenkräfte und Momente hervorgerufen durch die oszillierenden Massen am Kurbeltrieb sowie Momente aus den Gaskräften erzeugen. Insbesondere bei den im Schienenfahrzeugbereich häufig eingesetzten zweistufigen Kolbenverdichtern tritt ein sehr ungleichförmiges Drehmoment auf. Wie die Analyse eines typischen Lastmomentes eines solchen Verdichters zeigt, entspricht der überwiegende Anteil des Lastmomentes der Drehfrequenz der Kolbenmaschine, die häufig im Bereich von 20 bis 30 Hz liegt. Diese Frequenzen wiederum sind für den im Fahrgastraum befindlichen Menschen sehr gut spürbar, da beispielsweise die Eigenfrequenz von Beinen mit durchgestreckten Knien bei ca. 20 Hz liegen kann.

[0006] Das oben beschriebene Lastmoment eines Kolbenverdichters erzeugt in dem Zusammenspiel mit dem Motor ein Erregermoment um die Kompressordrehachse. Das Trägheitsmoment eines herkömmlichen Kolbenkompressoraggregates ist um die Kompressordrehachse wesentlich geringer als um andere Achsen. Da der Übertragungsmode einer elastischen Lagerung um die Kompressorlängsachse in der Regel näher an der Drehfrequenz liegt als beispielsweise der Vertikalmode, der für die Übertragung von Massenkräften eine größere Rolle spielt, wird diese Drehschwingung in der Regel nicht so gut isoliert wie andere Erregerkomponenten.

[0007] Ein gattungsgemäßer Kolbenverdichter mit einer Kolbenanordnung, einer Kurbelwelle und mehreren Zylindern mit darin laufenden Kolben, wobei zwei oder mehrere Niederdruckzylinder und wenigstens ein Hochdruckzylinder ausgebildet wird und die zwei oder drei oder mehreren Niederdruckzylinder in bezug auf die Hochdruckstufe derart angeordnet sind, daß die zwei oder mehreren Niederdruckzylinder phasengleich oder um weniger als ± 15° versetzt und um 180° ± 20° versetzt zu einem oder mehreren Hochdruckzylindern verdichten ist aus CH-A-200 769 vorbekannt. Bei dieser Lösung arbeitet der Kolbenverdichter jedoch mit relativ hohen Ansaugunterdrücken in den Niederdruckstufen um entsprechende Füllungen zu gewährleisten.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kolbenkompressormaschine anzugeben, die die zuvor beschriebenen Nachteile vermeidet.

[0009] Erfindungsgemäß wird das Problem durch eine drastische Reduzierung des Anteils der ersten Ordnung in dem vorwiegend aus den Gaskräften resultierenden Lastmoment gelöst, indem durch eine unübliche Kolbenanordnung zwei oder mehrere Niederdruckstufen sich phasengleich überlagern und ca. 180° versetzt zur Hochdruckstufe wirken. Dies wird konstruktiv dadurch erreicht, daß bei einer Kolbenanordnung für einen zweistufigen Kolbenverdichter mit einer Kurbelwelle mehreren Zylindern mit darin laufenden Kolben , wobei zwei oder mehrere Niederdruckzylinder und wenigstens ein Hochdruckzylinder ausgebildet wird, die zwei oder drei oder mehreren Niederdruckzylinder in bezug auf die Hochdruckzylinder derart angeordnet sind, daß die zwei oder mehrere Niederdruckzylinder phasengleich oder um weniger als ± 15° versetzt und um 180° ± 20° versetzt zu einem oder mehreren Hochdruckzylindern verdichten.

[0010] Die Erfinder haben erkannt, daß auch den Phasenversatz aller Niederdruckzylinder zu einem oder mehreren Hochdruckzylindern eine drastische Reduzierung der 1. Ordnung resultierend aus dem Drehkraftdiagrammm und damit eine drastische Reduzierung des schwingungserregenden Momentes um die Kompressordrehachse erreicht wird.

[0011] In einer ersten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Kolbenanordnung um eine ölgeschmierte Kolbenanordnung.

[0012] Besonders bevorzugt ist es aber, wenn die Kolbenanordnung eine "ölfreie", trockenlaufende Kolbenanordnung ist. In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist die Kolbenanordnung als 3-Zylinder-Anordnung mit zwei Nieder- und einem Hochdruckzylinder ausgeführt, wobei einem Hochdruckzylinder ein weiterer Niederdruckzylinder gegenüberliegt. Eine derartige Anordnung ist besonders bauraumsparend. Selbstverständlich wären auch 4,5 oder 6-Zylinderanordnungen, die von der erfindungsgemäßen Lehre Gebrauch machen, denkbar.

[0013] Durch den Einsatz schwerer Kolben können gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform die Druckspitzen im Drehkraftdiagramm deutlich reduziert werden, da eine erhöhte kinetische Energie des Kolbens in Verdichtungs-arbeit umgesetzt wird. Insbesondere sollen die Kolben der Zylinder eine derart hohe Masse aufweisen, daß die Druckspitzen im Tangentialkraft-diagramm reduziert werden, wobei die in das Tangentialkraftdiagramm angehenden Massenkräfte in der Druckspitze im für Kolbenverdichter typischen Drehzahlbereich von 1000 1/min bis 2000 1/min, insbesondere 1500 1/min größer als 15% der Gaskräfte in der Druckspitze sind. Als Tangentialkraftdiagramm wird in vorliegender Anmeldung der Drehmomentenverlauf/Kurbelradius verstanden.

[0014] In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß beispielsweise bei einer 3-Zylinder-Anordnung die Massen des auf der Seite des Hochdruckzylinders liegenden Niederdruckzylinders, und zwar die Kolben- und/oder Pleuelmasse, so gewählt sind, daß sie den gegenüberliegenden Niederdruckkolben sowie den Hochdruckkolben die beide auf derselben Kurbetweitenkröpfung sitzen, ausgleichen. Der Ausgleich kann hierbei sowohl am Kolben als auch am Pleuel erfolgen. Durch die Erhöhung der Kolbenmasse resultierend aus dem Masseausgleich verringert sich die Lagerbelastung am Pleuel.

[0015] Neben dem Massenausgleich mit Hilfe von Zusatzmassen ist es auch möglich, die oszillierende Masse mit Hilfe von mitlaufenden Blindkolben auszugleichen. Unter einem Blindkolben wird in vorliegender Anmeldung ein Kolben verstanden, der keine Verdichtungsarbeit leistet.

[0016] Vorteilhafterweise sind die Kolben derart angeordnet, daß die Niederdruckkolben gleichphasig über das Kurbelgehäuse ansaugen, wobei beim Ansaugvorgang die beiden ins Kurbelgehäuse tauchenden Niederdruckstufen die Luft in den Verdichtungsraum stoßen. Dadurch wird der Ansaugunterdruck in der Niederdruckstufe verkleinert und die Füllung verbessert. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird dieser Effekt durch den Einsatz eines Rückschlagventiles am Einlaßstutzen von Luftfiltergehäuse zu Kurbelgehäuse verstärkt. Durch die Anordnung eines Rückschlagventiles wird der Wirkungsgrad insbesondere einer trockenlaufenden Kolbenanordnung verbessert.

[0017] Neben der Kolbenanordnung stellt die Erfindung auch einen Kolbenverdichter, insbesondere für Schienenfahrzeuge umfassend eine derartige Kolbenanordnung zur Verfügung, der vorteilhafterweise einen elektromotorischen Antrieb umfaßt. Die Kolbenanordnung kann auch bei Drucklufterzeugungsanlagen im industriellen Bereich eingesetzt werden.

[0018] Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert werden.

Es zeigen:

[0019] 

Figur 1

den Tangentialkraftverlauf eines herkömmlichen zweistufigen Kolbenverdichters in Boxer-Anordnung, wie er beispielsweise aus DUBBEL, Taschenbuch für den Maschinenbau 15. Auflage bzw. 18. Auflage, Seiten P 32 - P 33 bekannt geworden ist

Figur 2

den Tangentialkraftverlauf eines erfindungsgemäßen Kolbenverdichters

Figur 3

ein erfindungsgemäßen Kolbenverdichter im Schnitt.

Figuren 4a-4d

mögliche Ausführungsbeispiele von Kolbenan-ordnungen gemäß der Erfindung ausgeführt als Boxerverdichter

Figuren 5a-5b

Ausführungsbeispiel von Kolbenanordnungen gemäß der Erfindung ausgeführt als Reihenmaschine

Figur 6

Ausführungsbeispiel einer Kolbenanordnung mit einem Blindkolben

Figur 7

Amplituden der Kompressorschwingung in vertikaler Richtung für eine Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik und der Erfindung

[0020] In Figur 1 ist das Tangentialkraftdiagramm einer Kolbenanordnung wie aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise DUBBEL, Taschenbuch für den Maschinenbau 15. Auflage bzw. 18. Auflage Seiten P 32 - P 33, dargestellt. Die x-Achse bezeichnet hierbei den Drehwinkel in Grad, die y-Achse das anliegende Moment.
Mit 1 ist das Moment aus den Gaskräften bezeichnet, mit 3 das Gesamtmoment aus Massen- und Gaskräften und mit 5 das Moment aus den Massekräften.

[0021] Die Fourieranalyse des in Figur 1 dargestellten Lastmomentes aus Massen- und Gaskräften eines Verdichters gemäß dem Stand der Technik läßt sich in folgende Anteile aufspalten:

1. Ordnung: 40 Nm

2. Ordnung: 20 Nm

3. Ordnung: 7 Nm

[0022] Der überwiegende Anteil des Lastmomentes entspricht der Drehfrequenz der Kolbenmaschine, die häufig bei 20, 25 oder 30 Hz liegt. Diese Frequenzen sind für den Menschen, zum Beispiel im Fahrgastraum eines Schienenfahrzeuges, gut spürbar. So kann die Eigenfrequenz von Beinen mit durchgestreckten Knien ca. 20 Hz betragen.

[0023] Das Lastmoment eines Kolbenverdichters erzeugt in Zusammenspiel mit dem Motor ein Erregermoment um die Kompressorlängsachse, wobei das Trägheitsmoment eines herkömmlichen Kolbenkompressoraggregates um die Kompressorlängsachse wesentlich geringer als um andere Achsen ist. Der Übertragungsmode einer elastischen Lagerung um die Kompressorlängsachse ist in der Regel näher an der Drehfrequenz als beispielsweise der Vertikalmode, der für die Übertragung von Massenkräften eine größere Rolle spielt. Diese Drehschwingung wird in der Regel nicht so gut isoliert wie andere Erregerkomponenten.

[0024] Erfindungsgemäß wird das Schwingungsproblem herkömmlicher Kolbenverdichter durch eine drastische Reduzierung des Anteiles der ersten Ordnung in dem vorwiegend aus den Gaskräften resultierendem Lastmoment gelöst. Diese Reduzierung der ersten Ordnung kann durch eine Kolbenanordnung erreicht werden, bei der zwei oder mehrere Niederdruckstufen sich phasengleich überlagem und um ca. 180 versetzt zur Hochdruckstufe wirken.

[0025] Das Tangentialkraftdiagramm einer derartigen Anordnung ist in Figur 2 gezeigt. Wie in Figur 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 das Moment aus Gaskräften, 3 das Moment aus Massen- und Gaskräften sowie 5 das Moment aus Massenkräften.

[0026] Die Fourieranalyse der Kurve gemäß Figur 2 führt zu folgendem Ergebnis:

1. Ordnung: 19 Nm

2. Ordnung: 28 Nm

3. Ordnung: 7 Nm

[0027] Der Anteil der ersten Ordnung ist drastisch reduziert, was sich in einer reduzierten Schwingungserregung um die Kompressorlängsachse niederschlägt. Die unerwünschten Schwingungen im Fahrgastraum können so beträchtlich verringert bzw. fast ganz vermieden werden.

[0028] In Figur 3 ist ein Kolbenverdichter mit einer erfindungsgemäßen Kolbenanordnung beispielhaft dargestellt. Bei der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform handelt es sich ohne Beschränkung hierauf um eine 3-Zylinder-Boxeranordnung mit zwei Niederdruckzylindern 20, 22, die die Niederdruckstufe bilden sowie einem Hochdruckzylinder 24 der einer der Niederdruckstufen vorgeordnet ist.

[0029] Die Kolben 40, 42, 44 der drei Zylinder sind auf einer gemeinsamen Kurbelwelle über Pleuelstangen 32 mit Hilfe von Kugel- oder Rollenlagem 34 gelagert.

[0030] Zur Kühlung der Anordnung ist an der Stirnseite der Kurbelwelle 30 ein Lüfterrad 36 vorgesehen, das für eine Luftkühlung des Gehäuses 38, in dem die beiden Nieder druckstufen sowie die Hochdruckstufe angeordnet sind, bei umlaufender Kurbelwelle 30 sorgt.

[0031] In der in Figur 3 gezeigten Stellung befinden sich die Kolben 40, 42 der Niederdruckzylinder in der obersten Stellung. Der Hochdruckkolben 44 befindet sich am oberen Ende des Zylinders. Wird die Kurbelwelle 30 bewegt, so bewegen sich die beiden Kolben 40, 42 der Niederdruckzylinder gleichphasig und um 180 versetzt gegenüber dem Kolben 44 der Hochdruckstufe.

[0032] Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform handelt es sich um einen ölfrei verdichtenden Kolbenverdichter mit Ansaugluftführung über das Kurbelgehäuse.

[0033] Die einzelnen Kolben 40, 42, 44 sind gegenüber dem Zylinder mittels Dichtelementen 50 abgedichtet. Der Antrieb der Kurbelwelle erfolgt 30 mit Hilfe eines Elektromotores 60.

[0034] Nachfolgend soll die Arbeitsweise des in Figur 3 dargestellten Kolbenverdichters näher beschrieben werden:

[0035] Beim Verdichtungsvorgang in den Niederdruckstufen vergrößert sich durch die gleichphasig aus dem Kurbelgehäuse 38 tauchenden großen Niederdruckkolben 40, 42 das Luftvolumen im Kurbelgehäuse 38. Luft wird ins Kurbelgehäuse gesaugt. Beim Ansaugen der Luft in den Verdichtungsraum tauchen die Niederdruckkolben 40, 42 ins Kurbelgehäuse 38. Das Volumen im Kurbelgehäuse 38 verringert sich in dem Moment, in dem Luft aus dem Kurbelgehäuse 38 in den Verdichtungsraum der Niederdruckstufen gesaugt wird, d.h. die Kolbenunterseite der Niederdruckkolben 40, 42 schiebt Luft aus dem Kurbelgehäuse 38 in die Verdichtungsräume der Niederdruckstufen. Dadurch wird der Ansaugunterdruck in den Niederdruckstufen gegenüber den Ausführungen gemäß dem Stand der Technik verkleinert. Unterstützt kann dieser Effekt bei Einsatz eines Rückschlagventiles am Einlaßstutzen von Luftfiltergehäuse zum Kurbelgehäuse 38 werden, wobei insbesondere der Wirkungsgrad verbessert wird.

[0036] Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters besteht in folgendem:

[0037] Bedingt durch das stark schwankende Lastmoment des Kolbenverdichters wird Drehungleichförmigkeit erzeugt. Diese wird durch den E-Motor 60 verstärkt, weil der Motor 60 auf die Lastspitze phasenversetzt reagiert und zwar dann, wenn der Momentenbedarf des Kompressors niedrig ist. Die daraus resultierende Drehzahlschwankung über eine Umdrehung kann bei Kolbenverdichtern gemäß dem Stand der Technik beispielsweise ± 14 % betragen. Dieser Effekt konnte bislang nur durch den Einsatz großer Schwungmassen reduziert werden, was aber schon aus Gewichtsgründen nicht erwünscht war. Des weiteren weist der E-Motor 60 eine deutlich erhöhte Stromaufnahme und eine drastische Reduzierung des Leistungsfaktors - bis auf 0,6 - auf und muß daher bei Ausführungsformen gemäß dem Stand der Technik überdimensioniert werden. Durch die erfindungsgemäße starke Reduzierung der ersten Ordnung im Lastmoment wird dieser Effekt reduziert. Die Drehunggleichförmigkeit wird geringer, sie wird gemäß der Erfindung von zum Beispiel 0,15 auf 0,08 reduziert. Die Stromaufnahme des Motors sinkt. Der Leistungsfaktor erhöht sich beträchtlich beispielsweise von Lf = 0,7 auf 0,8 bei einer Anordnung gemäß der Erfindung.

[0038] Durch den Einsatz schwerer Kolben können in einer weitergebildeteten Ausführungsform die Druckspitzen im Drehkraftdiagramm deutlich reduziert werden, da eine erhöhte kinetische Energie des Kolbens in Verdichtungs-arbeit umgesetzt wird, Besonders bevorzugt ist es, wenn die Kolben der Zylinder eine derart hohe Masse aufweisen, daß die Druckspitzen im Tangentialkraftdiagramm reduziert werden wobei die in das Tangentialkraftdiagramm eingehenden Massenkräfte in der Druckspitze im Drehzahlbereich zwischen 1000 1/min und 2000 1/min größer als 15% der Gaskräfte in der Druckspitze sind.

[0039] Auf diese Art und Weise ist es möglich die Erregermomente in allen Ordnungen noch weiter zu reduzieren.

[0040] Um einen Masseausgleich der oszillierenden und der rotierenden Massen zu erreichen, sind die Massen des auf der Seite des Hochdruckzylinder liegenden Niederdruckzylinders so gewählt, daß sie den gegenüberliegenden Niederdruckkolben sowie den Hochdruckkolben ausgleichen. Der Ausgleich kann sowohl am Kolben als auch am Pleuel erfolgen. Durch die Erhöhung der Kolbenmasse resultierend aus dem Massenausgleich verringert sich die Lagerbelastung am Pleuel. Dies ist günstig für die Belastung am Kolbenbolzenlager der auf der Seite des Hochdruckzylinders liegenden Niederdruckstufe, weil diese verursacht durch die benachbarte Hochdruckstufe schlechter gekühlt wird.

[0041] In den Figuren 4a - 4d sind erfindungsgemäße Anordnungen mit gegenüberliegenden Zylindern gezeigt. Figur 4a zeigt eine 3-Zylinder-Anordnung, wie eingehend zuvor beschrieben. Figur 4b ist eine 6-Zylinder-Anordnung, in Figur 4c eine 4-Zylinder-Anordnung und in Figur 4d eine 5-Zylinder-Anordnung gemäß der Erfindung dargestellt. Die Hochdruckkolben sind mit den Bezugsziffern 44, 46 und die Niederdruckkolben mit den Bezugsziffem 40, 41, 42, 43 belegt. Die Hochdruckzylinder mit den Bezugsziffem 24, 26 und die Niederdruckzylinder mit den Bezugsziffern 20, 21, 22, 23. Neben 180 V-Kolbenanordnungen sind auch Reihenmaschinen denkbar.

[0042] Figur 5a zeigt eine erfindungsgemäße 4-Zyliner-Reihenmaschine, Figur 5b eine 3-Zylinder-Reihenmaschine.

[0043] In Figur 6 ist eine 3-Zylinder-Reihenmaschine mit einem , mitlaufenden Blindkolben 50, der keine Verdichtungsarbeit leistet und nur als Masseausgleich dient, gezeigt. Wie in den Figuren 4a-4d sind die Hochdruckkolben mit 44 und die Niederdruckkolben mit 40, 42, die Hochdruckzylinder mit 24 und die Niederdruckzylinder mit 20, 22 gekennzeichnet.

[0044] Mit der Erfindung wird somit erstmals eine Kolbenanordnung und ein Kolbenverdichter zur Verfügung gestellt, mit dem die unerwünschten Schwingungen erster Ordnung, wie sie bei Kolbenverdichtern gemäß dem Stand der Technik aus den Verdichtungskräften resultieren, reduziert werden können.

[0045] Besonders gut ist dies den Figuren 7a - 7c zu entnehmen. In Figur 7a ist schematisch ein Kompressor mit zwei Niederdruckzylindern 20, 22 und einem Hochdruckzylinder 24 gemäß der Erfindung dargestellt. Desweiteren sind vier mögliche Aufhängungen 70, 72, 74, 76 beipielsweise an einem Schienenfahrzeug gezeigt. Die Zylinder liegen in der x-y-Ebene, die z-Achse steht senkrecht auf der Zylinderachse in Richtung der Aufhängungen 70, 72, 74, 76.

[0046] Figur 7b zeigt den zeitlichen Verlauf der Kompressorschwingung 1.Ordnung in z-Richtung bei einem Kompressor gemäß dem Stand der Technik. Figur 7c zeigt den zeitlichen Verlauf der Kompressorschwingung 1.Ordnung in z-Richtung bei einem Kompressor gemäß der Erfindung. Wie aus dem Vergleich der Amplituden der Schwingungen in den Figuren 7b und 7c hervorgeht, ist die Amplitude der Schwingung des Kompressors gemäß der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik mindestens halbiert. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Amplitude eines erfindunggemäßen Kompressors nur ein Drittel der Amplitude eines Kompressors gemäß dem Stand der Technik.

Bezugszeichenliste

[0047] 

1

Moment aus Gaskräften

3

Moment aus Massen- und Gaskräften

5

Moment aus Massenkräften

20, 22, 23

Niederdruckzylinder

24, 26, 28

Hochdruckzylinder

30

Kurbelwelle

32

Pleuelstange

34

Kugellager

36

Lüfterrad

38

Gehäuse

40, 42, 43

Niederdruckkolben

44, 46, 48

Hochdruckkolben

49

Dichtelement

50

Blindkolben

60

Elektromotor

70, 72, 74, 76

Aufhängungen

Ansprüche

1. Kolbenverdichter, insbesondere für Schienenfahrzeuge mit einer Kolbenanordnung für einen zweistufigen Kolbenverdichter mit
einer Kurbelwelle (30) in einem Kurbelwellengehäuse (38),
mehreren Zylindern (20, 22, 24) mit darin laufenden Kolben (40, 42, 43, 44, 46, 48), wobei
zwei oder mehrere Niederdruckzylinder (20, 22, 23) einer Niederdruckstufe und wenigstens ein Hochdruckzylinder (24, 26, 28) einer Hochdruckstufe ausgebildet sind,
und
die zwei oder drei oder mehreren Niederdruckzylinder (20, 22, 23) in Bezug auf die Hochdruckstufe derart angeordnet sind, dass die zwei oder mehrere Niederdruckzylinder (20, 22, 23) phasengleich oder um weniger als ± 15° versetzt und um 180° ± 20° versetzt zu einem oder mehreren Hochdruckzylindern (24, 26, 28) verdichten, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben-Zylinder-Anordnung der Niederdruckstufe derart aufgebaut ist, dass in einem Ansaugvorgang die Kolben der Niederdruckstufe sich in Richtung Kurbelwelle (30) bewegen und dabei die Luft im Innenraum des Kurbelwellengehäuses (38) komprimieren, und die Luft dabei aus dem Innenraum des Kurbelwellengehäuses (38) in den Hubraum der Niederdruckzylinder (20, 22, 23) angesaugt wird.

2. Kolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kolbenanordnung eine ölgeschmierte Kolbenanordnung ist.

3. Kolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kolbenanordnung eine trockenlaufende Kolbenanordnung ist.

4. Kolbenverdichter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenanordnung als 6-Zylinder-, 5-Zylinder-, 4-Zylinder- oder 3-Zylinder-Anordnung mit zwei oder mehreren Niederdruckzylindern (40, 42, 43) und ein oder mehreren Hochdruckzylindern (44, 46, 48) ist.

5. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenanordnung als 3-Zylinder-Anordnung ausgeführt ist, die zwei Nieder- (20, 22) und einen Hochdruckzylinder (24) umfaßt, wobei einem Hoch- (24) und einem Niederdruckzylinder (22) ein weiterer Niederdruckzylinder (20) gegenüberliegt.

6. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (40, 42, 43, 44, 46, 48) der Zylinder (20, 22, 23, 24, 26, 28) eine derart hohe Masse aufweisen, daß die Massenkräfte in der Druckspitze eines Verdichtungsvorgangs im Drehzahlbereich zwischen 1500 1/min und 2000 1/min größer als 15 % der Gaskräfte in der Druckspitze sind.

7. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Masseausgleich der oszillierenden Massen (Kolben, Pleuel) mit Hilfe von Zusatzmassen an wenigstens einem der Kolben (20, 22, 23, 24, 26, 28) und/oder an einem Pleuel vorgenommen wird.

8. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Masseausgleich der oszillierenden Masse mit Hilfe von mitlaufenden Blindkolben (50) vorgenommen wird.

9. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Masseausgleich mit Hilfe von Zusatzmassen auf der Kurbelwelle (30) erfolgt.

10. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückschlagventil an der Einlaßöffnung zum Kurbelgehäuse (38) angeordnet ist.

11. Kolbenverdichter gemäß einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenverdichter einen elektromotorischen Antrieb (60) umfaßt.

Claims

1. Piston compressor, in particular for rail vehicles comprising a piston arrangement for a dual-stage piston compressor, comprising a crankshaft (30) in a crankshaft case (38), a plurality of cylinders (20, 22, 24) with pistons (40, 42, 43, 44, 46, 48) operating therein, wherein two or more low-pressure cylinders (20, 22, 23) of a low-pressure stage and at least one high-pressure cylinder (24, 26, 28) of a high-pressure stage are formed, and the two or three or more low-pressure cylinders (20, 22, 23) are arranged with respect to the high-pressure stage such that the two or more low-pressure cylinders (20, 22, 23) compress co-phasally or offset by less than ± 15° and offset by 180° ± 20° with respect to one or more high-pressure cylinders (24, 26, 28), characterised in that the piston-cylinder arrangement of the low-pressure stage is constructed such that, in an intake process, the pistons of the low-pressure stage move in the direction of the crankshaft (30) and in the process compress the air in the interior of the crankshaft case (38), and the air is taken in the process into the piston displacement of the low-pressure cylinders (20, 22, 23) from the interior of the crankshaft case (38).

2. Piston compressor according to claim 1, characterised in that the piston arrangement is an oil-lubricated piston arrangement.

3. Piston compressor according to claim 1, characterised in that the piston arrangement is a dry-running piston arrangement.

4. Piston compressor according to any one of claims 1 to 3, characterised in that the piston arrangement is constructed as a 6-cylinder, 5-cylinder, 4-cylinder or 3-cylinder arrangement with two or more low-pressure cylinders (40, 42, 43) and one or more high-pressure cylinders (44, 46, 48).

5. Piston compressor according to any one of claims 1 to 4, characterised in that the piston arrangement is constructed as a 3-cylinder arrangement, comprising two low-pressure cylinders (20, 22) and one high-pressure cylinder (24), a further low-pressure cylinder (20) being situated opposite a high-pressure (24) and a low-pressure cylinder (22).

6. Piston compressor according to any one of claims 1 to 5, characterised in that the pistons (40, 42, 43, 44, 46, 48) of the cylinders (20, 22, 23, 24, 26, 28) have such a large mass that the inertial forces in the pressure peak of a compression process, in the rotational speed range between 1,500 1/min and 2,000 1/min are greater than 15% of the gas forces in the pressure peak.

7. Piston compressor according to any one of claims 1 to 6, characterised in that a balancing of the oscillating masses (piston, connecting rod) is carried out with the aid of additional masses at at least one of the pistons (20, 22, 23, 24, 26, 28) and/or at a connecting rod.

8. Piston compressor according to any one of claims 1 to 7, characterised in that the balancing of the oscillating mass is carried out with the aid of a dummy piston (50) also running along.

9. Piston compressor according to any one of claims 1 to 8, characterised in that the balancing of masses is carried out with the aid of additional masses on the crankshaft (30).

10. Piston compressor according to any one of claims 1 to 9, characterised in that a return valve is arranged at the inlet opening to the crankcase (38).

11. Piston compressor according to any one of claims 1 to 10, characterised in that the piston compressor comprises an electric motor drive (60).

Revendications

1. Compresseur à piston, notamment pour des véhicules ferroviaires ayant un dispositif à piston, pour un compresseur à piston à deux étages, comprenant
   un vilebrequin (30) dans un carter (38) de vilebrequin,
   plusieurs cylindres (20, 22, 24) dans lesquels se déplacent des pistons (40, 42, 43, 44, 46, 48), dans lequel
   il est constitué deux ou plusieurs cylindres (20, 22, 23) basse pression d'un étage basse pression et au moins un cylindre (24, 26, 28) haute pression d'un étage haute pression,
   et
   les deux ou trois ou plusieurs cylindres (20, 22, 23) basse pression sont disposés par rapport à l'étage haute pression de façon à ce que les deux ou plusieurs cylindres (20, 22, 23) basse pression compriment suivant la même phase ou décalée de moins de ± 15° et de 180° ± 20° par rapport au cylindre haute pression ou aux plusieurs cylindres (24, 26, 28) haute pression, caractérisé en ce que le dispositif piston-cylindre de l'étage basse pression est tel que, dans une opération d'aspiration, les pistons de l'étage basse pression se déplacent en direction du vilebrequin (30) et compriment ainsi l'air à l'intérieur du carter (38) du vilebrequin et l'air est aspiré de l'intérieur du carter (38) du vilebrequin dans la cylindrée du cylindre (20, 22, 23) basse pression.

2. Compresseur à piston suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif à piston est un dispositif à piston lubrifié à l'huile.

3. Compresseur à piston suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif à piston est un dispositif à piston en marche à sec.

4. Compresseur à piston suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif à piston est un dispositif à 6 cylindres, à 5 cylindres, à 4 cylindres ou à 3 cylindres ayant deux ou plusieurs cylindres (40, 42, 43) basse pression et un ou plusieurs cylindres (44, 46, 48) haute pression.

5. Compresseur à piston suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif à piston est réalisé en dispositif à 3 cylindres qui comprend deux cylindres (20, 22) basse pression et un cylindre (24) haute pression, un cylindre (24) haute pression et un cylindre (22) basse pression étant opposés à un autre cylindre (20) basse pression.

6. Compresseur à piston suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les pistons (40, 42, 43, 44, 46, 48) des cylindres (20, 22, 23, 24, 26, 28) ont une masse si grande que les forces dues à la masse à la pointe de pression d'une opération de compression dans la plage de vitesses comprises entre 1500 tours à la minute et 2000 tours à la minute représentent plus de 15 % des forces des gaz dans la pointe de pression.

7. Compresseur à piston suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une compensation des masses oscillantes (piston, bielle) est effectuée à l'aide de masselottes supplémentaires sur au moins l'un des pistons (20, 22, 23, 24, 26, 28) et/ou sur une bielle.

8. Compresseur à piston suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la compensation des masses oscillantes est effectuée à l'aide de faux pistons (50) entraînés.

9. Compresseur à piston suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la compensation des masses s'effectue à l'aide de masselottes supplémentaires sur le vilebrequin (30).

10. Compresseur à piston suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'un clapet anti-retour est monté sur l'ouverture d'entrée menant au carter (38) du vilebrequin.

11. Compresseur à piston suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le compresseur à piston comprend un entraînement (60) par moteur électrique.

Zeichnung