Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fördermengenregelung eines Hubkolben-Kompressors gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft weiter einen Hubkolben-Kompressor mit Fördermengenregelung gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 13.

Die Druckschriften EP 0801227 A2 und EP 1400692 A1 offenbaren ein Verfahren zur Beeinflussung der druckabhängig selbsttätigen, periodischen Öffnungsbewegung eines Schließorganes eines Saugventils eines Hubkolben-Kompressors mittels einer, bedarfsweise zumindest über einen Teil des Kurbelkreises auf das Schließorgan einwirkenden Steuereinrichtung. Da die Lebensdauer von zumeist saug- und druckseitig verwendeten, selbsttätigen Kompressorventilen primär durch die Schlagbeanspruchung beim abwechselnden Auftreffen des eigentlichen Schließorganes auf Sitz bzw. Fänger beeinflusst wird, offenbart die genannte Druckschrift ein Verfahren, bei welchem das Saugventil mittels eines sogenannten Abhebegreifers vor Erreichen des Druckgleichgewichtes zwangsweise geöffnet wird, um eine starke momentane Beschleunigung des Schliessorgans in Richtung zum Fänger hin, welche beim selbsttätigen Öffnen auftreten würde, zu vermeiden. Dies ermöglicht die Schlagbeanspruchung des Kompressorventils zu reduzieren.

Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, dass die saug- und insbesondere die druckseitig verwendeten Kompressorventile immer noch eine hohe Beanspruchung aufweisen, insbesondere dann, wenn die Kompressoranlage gemäss dem Verfahren einer stufenlosen Rückstromregelung betrieben wird. Bei der stufenlosen Rückstromregelung wird das Saugventil mit Hilfe des Abhebegreifers während eines Teilwinkelbereichs des Kompressionstaktes offen gehalten und danach geschlossen, um dadurch die Fördermenge zu beeinflussen.

Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens ist die Tatsache, dass das Schliessorgan des Saugventils und des Druckventils einem relativ grossen Verschleiss unterliegt, was einen entsprechend hohen Wartungsaufwand erfordert.

Die Druckschrift WO2008/000698 A2 offenbart eine weitere Vorrichtung zur Fördermengenregelung eines Hubkolben-Kompressors. Aus diese Vorrichtung weist den Nachteil auf, dass das druckseitig verwendete Kompressorventil eine hohe Beanspruchung aufweist.

Aufgabe der Erfindung ist es ein vorteilhafteres Verfahren zur Fördermengenregelung eines Hubkolben-Kompressors zu bilden. Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren aufweisend die Merkmale von Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 12 betreffen weitere, vorteilhafte Verfahrensschritte. Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einem Hubkolben-Kompressor aufweisend die Merkmale von Anspruch 13. Die abhängigen Ansprüche 14 und 15 betreffen weitere, vorteilhafte Ausführungsformen.

Die Aufgabe wird insbesondere gelöst mit einem Verfahren zur Fördermengenregelung eines Hubkolben-Kompressors, indem die Bewegung eines Schliessorgans eines selbsttätigen Saugventils mittels eines von einer Steuereinrichtung angetriebenen Abhebegreifers während zumindest eines Teils eines Zyklus des Kurbelkreises beeinflusst wird,
wobei das Verfahren eine stufenlose Rückstromregelung umfasst, bei welcher der Abhebegreifer während eines ersten Teilabschnittes des Zyklus des Kurbelkreises am Schliessorgan anliegt und dessen Schliessen verhindert, und bei welcher der Abhebegreifer während eines zweiten Teilabschnittes des Zyklus des Kurbelkreises zurückgefahren wird und das Schliessorgan geschlossen wird,
und wobei das Verfahren zudem eine Aussetzregelung umfasst, bei welcher der Abhebegreifer während eines ganzen Zyklus des Kurbelkreises das Schliessen des Schliessorgans verhindert,
wobei die Fördermenge zumindest durch eine Kombination von stufenloser Rückstromregelung und Aussetzregelung geregelt wird, und wobei bei Anwendung der stufenlosen Rückstromregelung das Schliessorgan durch die Steuereinrichtung und den Abhebegreifer derart beeinflusst wird, dass ein Schliessorgan eines selbsttätigen Druckventils des Hubkolben-Kompressors zumindest während eines vorgegebenen minimalen Gesamtöffnungswinkel eines Kurbelkreises geöffnet wird.

Beim erfindungsgemässen Verfahren wird die Fördermenge durch das erzwungene Offenhalten des Saugventils geregelt. Dabei werden zwei unterschiedliche Verfahren zur Regelung verwendet, nämlich eine Aussetzregelung und die stufenlose Rückstromregelung. Beide Verfahren verwenden einen sogenannten Abhebegreifer, welcher das Schliessorgan des Ventils, zum Beispiel ein Platten-, Ring- oder Poppetventil, in eine offene Stellung drücken, und vorzugsweise auf den Ventilsitz drücken.

Der Hubkolben-Kompressor weist einen Verdichtungsraum auf, welchem über ein Saugventil Gas zugeführt wird, und aus welchem über ein Auslassventil, auch als Druckventil bezeichnet, verdichtetes Gas abgeführt wird. Beim Verfahren der Aussetzregelung wird das Schliessorgan des Saugventils während eines gesamten Arbeitstakts beziehungsweise eines ganzen Arbeitszyklus offen gehalten. Dadurch steigt während der Kompressionsphase der Druck im Verdichtungsraumes nicht über den Druck an, welcher erforderlich ist um das Druckventil zu öffnen, sodass das angesaugte Gas während der Kompressionsphase zurück in die Saugleitung gedrückt wird, und dadurch der Verdichtung und dem Weitertransport in die Druckleitung nicht zur Verfügung steht. Das Druckventil bleibt somit geschlossen und dieser Verdichtungsraum fördert somit kein Gas über das Druckventil in die Druckleitung. Wird die Aussetzregelung deaktiviert, das heisst ein Normalbetrieb gefahren, so fördert der Verdichtungsraum wieder den gesamten Gasstrom über das Druckventil in die Druckleitung. Weist der Hubkolben-Kompressor beispielsweise nur einen Verdichtungsraum auf, so kann die Aussetzregelung derart betrieben werden, dass gewisse Arbeitszyklen mit Normalbetrieb gefahren werden, und während gewissen Arbeitszyklen die Aussetzregelung aktiviert ist. Ein Nachteil der Aussetzregelung ist somit, dass die vom Hubkolben-Kompressor geförderte Gasmenge nur stufenweise reguliert werden kann. Ein weiterer Nachteil der Aussetzregelung ist, dass der entlastete Verdichtungsraum, das heisst bei sich nicht öffnendem Druckventil, nicht durchströmt wird und sich dadurch Schmutz im Verdichtungsraum ansammeln kann, welcher den Verschleiss der Ventile respektive der Packungsringe und Kolbenringe erhöht.

Beim Verfahren der Rückstromregelung wird das Saugventil mit Hilfe des Abhebegreifers während eines Teilwinkelbereichs eines vollständigen Kompressionstaktes beziehungsweise eines vollständigen Kurbelkreises offen gehalten und danach geschlossen, um dadurch die Fördermenge zu beeinflussen. Dabei wird das Saugventil nur zu Beginn der Kompressionsphase durch den Abhebegreifer aufgedrückt. Dadurch wird ein Teil des sich im Verdichtungsraum befindlichen Gases zurück in die Saugleitung gedrückt. Sobald das Schliessorgan des Saugventils vollständig schliesst wird das im Verdichtungsraum verbliebene Gas komprimiert und über das Druckventil in die Druckleitung gepresst. Während der Rückstromregelung wird somit nur einen Teil des maximal möglichen Gasstroms aus dem Verdichtungsraum über das Druckventil in die Druckleitung gefördert.

Nachteilig am Verfahren der Rückstromregelung ist die Tatsache, dass die Öffnungszeit des selbsttätigen Druckventils bei kleineren Fördermengen entsprechend reduziert wird, und dass bei Fördermengen geringer als 40% der nominalen Fördermenge die Öffnungszeit des Druckventils derart verkürzt wird, dass sich die Öffnungs- und Schliessgeschwindigkeiten des Druckventils vervielfachen können. Dies führt einerseits zu einem erhöhten Verschleiss des selbsttätigen Druckventils, und andererseits reduziert dies den Bereich innerhalb welchem Teilfördermengen zuverlässig geförderte werden können. Ein weiterer Nachteil der Rückstromregelung ist, dass das Gas vor dem Verdichten stärker erwärmt wird auf Grund der längeren Verweilzeit im Verdichtungsraum und auf Grund des Wärmetransfers über die Zylinderwand und auf Grund eines Leckagestroms über den Kolben. Dies hat zur Folgen, dass das Gas auf der Druckseite eine erhöhte Temperatur aufweist.

Das erfindungsgemässe Verfahren weist den Vorteil auf, dass durch die kombinierte Anwendung von Rückstromregelung und Aussetzregelung die vom Hubkolben-Kompressor geförderte Menge in einem weiten Bereich verändert werden kann, insbesondere ohne zusätzlichen Verschleiss des Schliessorgans des Saugventils und / oder des Druckventils. Die Reduktion des Verschleisses des Druckventils erfolgt insbesondere dadurch, dass das Saugventil bei kleineren Fördermengen während gewisser Zyklen gemäss der Aussetzregelung offen gehalten wird und somit kein Gas komprimiert wird, und dass beim anschliessenden Kompressionsvorgang eine genügend grosse Gasmenge komprimiert wird, damit das Schliessorgan des Druckventils während einem vorgegebenen Gesamtöffnungswinkel geöffnet bleibt, beziehungsweise damit das Schliessorgan des Druckventils einen minimalen Öffnungswinkel nicht unterschreitet. Für die Regelung der Fördermenge stehen im Wesentlichen vorzugsweise drei unterschiedliche Verfahren zur Verfügung, welche angewendet werden können. Nebst einem Verfahren mit maximaler Fördermenge, bei welche das Saugventil selbsttätig schliesst, noch das bereits beschriebene Verfahren der Rückstromregelung und das bereits beschriebene Verfahren der Aussetzregelung. Abhängig von der jeweils zu fördernden Fluidmenge kann die Regelung beispielsweise wie folgt erfolgen:

• Zum Fördern der maximalen Fördermenge wird das Saugventil nicht beeinflusst und öffnet und schliesst somit selbsttätig.
• Bei grossen Förderströmen, das heisst Fördermengen im Bereich zwischen etwa 100% und 80% der maximalen Fördermenge, wird eine stufenlose Rückstromregelung eingesetzt. Wobei es auch möglich ist, dass nicht jeder Zyklus des Kurbelkreises mit der Rückstromregelung geregelt wird, sondern das Saugventil auch beispielsweise einen oder zwei Zyklen selbsttätig und somit ohne Beeinflussung betrieben wird. Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, dass der Abhebegreifer weniger beansprucht wird, sodass sich längere Standzeiten ergeben, und dass die Mengenregelung selbst weniger Energie verbraucht.

• Bei mittleren Förderströmen, das heisst bei Fördermengen im Bereich zwischen etwa 80% und 50% der maximalen Fördermenge, wird bei jedem Zyklus die stufenlose Rückstromregelung verwendet.
• Bei kleinen Förderströmen, das heisst bei Fördermengen im Bereich zwischen etwa 50% und 0% der maximalen Fördermenge, wird das Schliessorgan des Saugventils Mittels der Aussetzregelung während einer gewissen Anzahl Zyklen, beispielsweise einem oder zwei Zyklen, offen gehalten. Bei den anderen Zyklen kann entweder das Saugventil selbsttätig betrieben werden, oder zusätzlich, falls erforderlich, die Rückstromregelung eingesetzt werden.

Erfindungsgemäss wird das Saugventil durch die Steuereinrichtung und den Abhebegreifer derart beeinflusst, dass das Schliessorgan des Druckventils des Hubkolben-Kompressors zumindest während eines minimalen vorgegebenen Öffnungswinkelbereichs beziehungsweise eines vorgegebenen Gesamtöffnungswinkels eines Kurbelkreises geöffnet wird. Der Öffnungswinkelbereich beträgt zumindest 10° und vorzugsweise zumindest 20° bis 30°.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist der Abhebegreifer über eine Antriebsvorrichtung, vorzugsweise einen Elektromagneten, sehr präzise ansteuerbar, derart, dass die Geschwindigkeit des sich schliessenden Schliessorgans vor dem Aufsetzen auf das Saugventil reduziert werden kann, sodass das Schliessorgan mit geringer Geschwindigkeit am Saugventil auftrifft und dort zu liegen kommt, sodass das Schliessorgan somit "sanft" auf das Saugventil aufsetzt. In einem besonders bevorzugten Verfahren beträgt die Geschwindigkeit des Schliessorgans während des Aufsetzens auf das Saugventil weniger als 0,1 m/ s. Dieses vorteilhafte Verfahren reduziert den Verschleiss des Schliessorganes zusätzlich.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Antriebsvorrichtung eine ansteuerbare Dämpfungsvorrichtung, um die Geschwindigkeit des Abhebegreifers und insbesondere auch den Ort der reduzierten Geschwindigkeit derart zu beeinflussen, dass das Schliessorgan beim Schliessen mit geringer Geschwindigkeit am Saugventil auftrifft, sodass das Schliessorgan somit "sanft" auf das Saugventil aufsetzt und dieses schliesst. Die Dämpfungsvorrichtung ist besonders vorteilhaft elektrisch ansteuerbar, und umfasst besonders vorteilhaft eine elektrorheologische oder magnetorheologische Flüssigkeit, deren Viskosität elektrostatisch oder elektromagnetisch veränderbar ist, sodass die Dämpfung über elektrische Signale sehr schnell veränderbar ist. Die Dämpfungsvorrichtung kann jedoch auch auf einem anderen Prinzip beruhen und beispielsweise als Elektromagnet ausgestaltet sein.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Ausführungsbeispielen im Detail beschrieben.

Die zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele verwendeten Zeichnungen zeigen:

Fig. 1

einen Längsschnitt durch ein ansteuerbares Ventil;

Fig. 2

ein Beispiel der Bewegung des Abhebegreifers, des Schliessorgans des Saugventils sowie der Geschwindigkeit des Abhebegreifers in Funktion des Kurbelwinkels;

Fig. 3

der Verlauf des Drucks im Verdichtungsraum des Hubkolbenkompressors bei unterschiedlichen Betriebsverfahren;

Fig. 4

der Verlauf des Ventilhubs des Saugventils und des Druckventils bei den in Figur 3 dargestellten Betriebsverfahren;

Fig. 5

ein Lastverlauf in einem PV-Diagramm bei unterschiedlichen Betriebsverfahren;

Fig. 6

charakteristische Grössen des Ventils in Funktion des Kurbelwinkels;

Fig. 7

schematisch ein Hubkolben-Kompressor.

Fig. 8

schematisch eine Steuereinrichtung zum Betätigen des auf das Saugventil wirkenden Greifers;

Grundsätzlich sind in den Zeichnungen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein ansteuerbares Ventil 1 umfassend ein Kompressorgehäuse 4 mit einem darin angeordneten Saugventil 5, dessen Stellung von einem Abhebegreifer 6 beeinflusst wird, wobei der Abhebegreifer 6 über ein als Verbindungsstange ausgestaltetes Verbindungsmittel 7 von einer ausserhalb des Kompressorgehäuses 4 angeordneten Steuereinrichtung 2 betätigt wird.

Das Kompressorgehäuse 4 umfasst eine Laterne 4a, einen Gasraum 4b, einen Verdichtungsraum 4c und einen Deckel 4d, wobei das Kompressorgehäuse 4 zudem ein nicht dargestelltes beziehungsweise nicht sichtbares Druckventil 8 umfasst, über welches das komprimierte Fluid aus dem Verdichtungsraum 4c entweichen kann. Das selbsttätige Saugventil 5 umfasst einen Ventilsitz 5a, ein in einer Hubrichtung B beweglich gelagertes, nachfolgend auch als Ventilplatte 5b bezeichnetes Schliessorgan 5b, einen Ventilfänger 5c sowie eine Rückstellfeder 5d. Der Abhebegreifer 6 umfasst eine Mehrzahl von Greiferfortsätzen 6a oder Fingern 6a, eine Führung 6b sowie eine Druckfeder 6c. Der Abhebegreifer 6 ist, angetrieben von den Elektromagneten 2a, in Hubrichtung B verschiebbar gelagert, wobei die Spitze der Greiferfortsätze 6a abhängig vom Hub in Richtung B an der Ventilplatte 5b anliegen können, und insbesondere die Ventilplatte 5b gegen den Ventilfänger 5c drücken können, sodass die Ventilplatte 5b nicht mehr beweglich ist, und das Ventil 5 dadurch zwangsweise geöffnet bleibt. Die Steuereinrichtung 2 umfasst als Antriebsvorrichtung einen Elektromagnet 2a mit einem Magnetanker 2b, einem Magnetkern 2c sowie einer Magnetspule 2d. Die Steuereinrichtung 2 umfasst weiter ein Gehäuse 2m, das über das Verbindungsteil 2e mit dem Kompressorgehäuse 4 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 2 umfasst zudem eine Ansteuervorrichtung 2i oder eine Regelvorrichtung 2i, elektrische Leitungen 2k, 21, wobei die elektrische Leitung 21 die Ansteuervorrichtung 2i mit dem Elektromagnet 2a verbindet. Die Steuereinrichtung 2 umfasst zwei Führungen 2f, 2g um den Elektromagnet 2a und die Verbindungsstange 7 in Hubrichtung B verschiebbar zu lagern. Zudem kann noch ein Filter 3 vorgesehen sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Steuereinrichtung 2 zudem einen Sensor wie einen Wegsensor 2h, welcher den Hub beziehungsweise die Lage des Elektromagnets 2a beziehungsweise die Lage des Abhebegreifers 6 in Hubrichtung B erfasst.

Das in Figur 1 dargestellte ansteuerbare Ventil 1 kann nun über die Zyklen des Kurbelkreises auf unterschiedliche Weise angesteuert werden. Unter einem Zyklus wird eine Drehung der Kurbelwelle des Hubkolben-Kompressors um 360° verstanden.

Figur 2 zeigt das Verfahren einer stufenlosen Rückstromregelung, wobei in Figur 2 die Hubbewegung A des Abhebegreifers 6, die Hubbewegung B der Ventilplatte 5b und die Geschwindigkeit C des Abhebegreifers 6 in Funktion des Kurbelwinkels dargestellt sind, wobei eine einzige Umdrehung der Kurbelwelle dargestellt ist, das heisst Figur 2 zeigt den Verlauf über einem Winkel zwischen 0° und 360°. Aus der Hubbewegung B der Ventilplatte 5b ist ersichtlich, dass sich die Ventilplatte 5b während dem Ansaugen, im dargestellten Ausführungsbeispiel im Winkelbereich zwischen etwa 90° und 110° selbsttätig öffnet, sodass die Ventilplatte 5b am Ventilfänger 5c anliegt. Beim Verfahren der stufenlosen Rückstromregelung wird nach dem Öffnen der Ventilplatte 5b, wie mit der Kurve A beispielhaft dargestellt, der Abhebegreifer 6 bewegt beziehungsweise verfahren, bis dieser an der Ventilplatte 5b anliegt. Zudem ist in Figur 2 mit der Kurve C noch die Geschwindigkeit des Abhebegreifers 6 dargestellt. Beim selbsttätigen Betrieb des Saugventils 5 würde das Saugventil 5 bei Umkehr der Bewegungsrichtung des Kolbens, im dargestellten Beispiel bei 225°, selbsttätig schliessen. Das Verfahren der stufenlosen Rückstromregelung bewirkt nun, dass der Abhebegreifer 6 während eines ersten Teilabschnittes K1 des Zyklus des Kurbelkreises am Schliessorgan 5b anliegt und dessen Schliessen verhindert, und dass der Abhebegreifer 6 während eines zweiten Teilabschnittes K2 des Zyklus des Kurbelkreises entsprechend dem Verlauf der Kurve A2 zurückgefahren wird, wobei das Schliessorgan 5b, nämlich die Ventilplatte 5b, auf Grund der anliegenden Druckverhältnisse der Bewegung des Abhebegreifers 6 folgt beziehungsweise am Abhebegreifer 6 anliegt, sodass die Ventilplatte 5b irgendwann, im dargestellten Beispiel etwa bei 290°, auf dem Ventilsitz 5a aufliegt und das Ventil 5 verschliesst. Im weiteren Teilabschnitt K3 wird der Abhebegreifer 6 noch weiter verfahren, damit dieser z.B. von der Ventilplatte 5b beabstandet ist.

Die Bewegung des Schliessorgans 5b wird über die Antriebsvorrichtung, im dargestellten Ausführungsbeispiel über den Elektromagnet 2a und die Verbindungsstange 7 im Teilabschnitt K2 derart beeinflusst, dass der Abhebegreifer 6 in Funktion des Kurbelkreises den in Figur 2 dargestellten Hubverlauf A beziehungsweise den in Figur 2 dargestellten Geschwindigkeitsverlauf C aufweist, wobei der Elektromagnet 2a vorteilhafterweise derart angesteuert wird, dass die Geschwindigkeit des sich bewegenden Schliessorgans 5a vor dem Aufsetzen auf das Saugventil 5 reduziert wird, wie dies in Figur 2 dargestellt ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Abhebegreifer 6 danach in einem weiteren Teilabschnitt K3 noch in eine Endlage verfahren, vorteilhafterweise wie in der Kurve C mit dem "zweiten Höcker" dargestellt, indem nochmals beschleunigt und danach wieder abgebremst wird, sodass der Abhebegreifer 6, wie im Hubverlauf A im Teilabschnitt K3 dargestellt, beabstandet, das heisst ohne direkten Kontakt mit dem Schliessorgan 5a, zum Stillstand gelangt. Der Elektromagnet 2a wird in einem vorteilhaften Verfahrensschritt derart angesteuert, dass das Schliessorgan 5b während des Aufsetzens auf das Saugventil eine Geschwindigkeit von weniger als 0,1 m/s aufweist.

Das Ventil 1 kann auch mit dem Verfahren der Aussetzregelung betrieben werden. Bei der Aussetzregelung wird der Abhebegreifer 6 derart verfahren, dass dieser während eines ganzen Zyklus des Kurbelkreises das Schliessen des Schliessorgans 5b verhindert, vorzugsweise dadurch, dass der Abhebegreifer 6 während dem ganzen Zyklus am Schliessorgan 5b anliegt, sodass dieses über den ganzen Zyklus geöffnet bleibt.

Figur 7 zeigt schematisch einen Hubkolbenkompressor umfassend ein Kompressorgehäuse 4 mit einem beweglich gelagerten, über eine Kolbenstange 4f angetriebenen Kolben 4e, der teilweise einen Verdichtungsraum 4c begrenzt. Am Kompressorgehäuse 4 ist zudem ein Saugventil 5 angeordnet, über welches das zu fördernde Fluid oder Gas angesogen wird. Der Hubkolbenkompressor umfasst zudem einen Greifer 6, der von einer Steuereinrichtung 2 umfassend eine Antriebsvorrichtung angetrieben ist. Die Steuereinrichtung 2, das Saugventil 5 und der Greifer 6 bilden ein ansteuerbares Ventil 1. Am Kompressorgehäuse 4 ist zudem ein Druckventil 8 angeordnet, über welches das komprimierte Gas den Verdichtungsraum 4c verlässt. Der Hubkolbenkompressor kann natürlich auch eine Mehrzahl von Verdichtungsräumen 4c umfassen, wobei jeder Verdichtungsraum 4c einen separaten Kolben 4e mit Kolbenstange 4f umfasst, und wobei jeder Verdichtungsraum 4c ein separates, ansteuerbares Ventil 1 umfasst.

Figur 3 zeigt nun den Verlauf des Drucks in einem Verdichtungsraum 4c eines Hubkolbenkompressors in Funktion des Kurbelwinkels für unterschiedliche Betriebsverfahren. Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegt der untere Totpunkt U_TP bei 90°, das heisst bei dieser Stellung erreicht der Verdichtungsraum 4c das maximale Volumen. Der obere Totpunkt O_TP liegt in diesem Beispiel bei 270°, das heisst bei dieser Stellung erreicht der Verdichtungsraum 4c das minimale Volumen. Im ersten Abschnitt D erfolgt die Bewegung des Schliessorgans 5b des Saugventils 5 selbsttätig, sodass sich über einen Kurbelwinkel von 360° der dargestellte Druckverlauf ergibt. Die Bewegung des Schliessorgans des Druckventils 8 erfolgt in Figur 3 immer selbsttätig. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der druckseitige Druck beispielsweise etwa 3.1 Bar, wobei das Druckventil 8 im dargestellten Ausführungsbeispiel inklusive Vorspannung durch die Ventilfedern sich bei einem Druck von etwa 3,2 Bar öffnet. Das Druckventil 8 öffnet etwa bei einem Kurbelwinkel von 190°. Das selbsttätige Druckventil 8 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel während einem Winkelbereich Kw von etwa 50° vollständig geöffnet, weil das Druckventil 8 in diesem Maximaloffenwinkelbereich K_W den maximalen Ventilhub aufweist, bevor das Druckventil 8 wieder schliesst. Der Gesamtöffnungswinkel Kv, während welchem das Ventil geöffnet ist, das heisst das Schliessorgan vom Ventilsitz abgehoben ist, beziehungsweise die gesamte Öffnungszeit des Druckventils 8 beträgt ca. 80°. Im zweiten Abschnitt E ist eine Aussetzregelung dargestellt, bei welcher wie vorhin beschrieben das Schliessorgans 5b über den gesamten Kurbelwinkel von 360° vom Abhebegreifer 6 offen gehalten wird, sodass sich im Verdichtungsraum 4c der dargestellte Druckverlauf ergibt. Der Druck im Verdichtungsraum 4c bleibt ständig unter 3,2 Bar, sodass sich das Druckventil 8 nicht selbsttätig öffnet. Im dritten Abschnitt F ist eine stufenlose Rückstromregelung dargestellt, bei welcher, wie in Figur 2 beschrieben, das Schliessorgans 5b während eines Teils des Kurbelwinkel von 360° vom Abhebegreifer 6 offen gehalten wird, sodass der Druckaufbau im Verdichtungsraum 4c bezogen auf den Kurbelwinkel später erfolgt, und sich der dargestellte Druckverlauf ergibt. Das Druckventil 8 öffnet etwa bei einem Kurbelwinkel von 210°. Das selbsttätige Druckventil 8 bleibt im dargestellten Ausführungsbeispiel während einem Maximaloffenwinkelbereich Kw von etwa 30° vollständig geöffnet, bevor sich der Ventilhub, wie in Figur 4 dargestellt verringert, und das Ventil 8 nach dem Gesamtöffnungswinkel Kv wieder vollständig schliesst. Der Gesamtöffnungswinkel Kv, während welchem das Ventil 8 geöffnet ist, beziehungsweise die gesamte Öffnungszeit der Ventils beträgt ca. 60°.

Bei der Aussetzregelung wird somit während eines gesamten Arbeitstakts das Saugventil 5 offen gehalten. Dadurch wird während der Kompressionsphase das angesaugte Gas zurück in die Saugleitung gedrückt und steht somit der Verdichtung und dem Weitertransport in die Druckleitung nicht zur Verfügung. Der Verdichtungsraum fördert kein Gas. Wird die Aussetzregelung deaktiviert fördert der Verdichtungsraum wieder den vollen Fluidstrom.

Bei der stufenlosen Rückstromregelung hingegen wird nur zu Beginn der Kompressionsphase das Schliessorgan 5b des Saugventils 5 aufgedrückt. Dadurch wird ein Teil des Gases zurück in die Saugleitung gedrückt. Schliesst das Saugventil 5, so kann das verbliebene Gas im Verdichtungsraum komprimiert werden und durch das Druckventil in die Druckleitung gepresst werden. Der Verdichtungsraum fördert nur einen Teil des maximal möglichen Gasstroms.

Beide Verfahren verwenden den Abhebegreifer 6 um das Dichtelement 5b des Ventils 5, zum Beispiel ein Platten-, Ring- oder Poppetventil, gegen den Ventilfänger 5c und somit in die offene Stellung zu drücken. Da bei der stufenlosen Rückstromregelung der Abhebegreifer 6 in einem Arbeitszyklus von der geschlossenen in die offene Stellung und wieder zurück bewegt werden muss, und da bei der Aussetzregelung für dieselbe Bewegungsabfolge eine längere Zeit zu Verfügung
steht, sind die Leistungsaufnahme, die benötigten Kräfte, die Verfahrgeschwindigkeiten und die Beanspruchung der verwendeten Bauteile bei der stufenlosen Rückstromregelung höher.

Die Fördermenge eines Hubkolbenkompressors kann nun, wie in Figur 3 angedeutet, durch eine Kombination von stufenloser Rückstromregelung F und Aussetzregelung E in einem weiten Bereich geregelt werden, wobei zudem noch der Abschnitt D zur Fördermengenregelung verwendet werden kann, während welchem das Schliessorgan 5b sich selbsttätig bewegt. Diese drei Betätigungsarten D, E, F des Betreibens des Ventils 5 können nun beliebig miteinander kombiniert werden, sodass beispielsweise während nacheinander folgenden Zyklen vorerst nur die Betätigungsart D, E oder F erfolgt, und später beispielsweise eine Kombination von zumindest zwei der drei Betätigungsarten D, E und F.
Das Ventil könnte beispielsweise derart angesteuert werden, dass unterschiedliche Fördermengen derart geregelt werden, dass das Saugventil 5 bei grossen Förderstrommengen während gewisser Zyklen selbsttätig betrieben wird, und während gewisser Zyklen gemäss der stufenlosen Rückstromregelung betrieben wird,
dass das Saugventil 5 bei mittleren Fördermengen während jedem Zyklus gemäss der stufenlosen Rückstromregelung betrieben wird, und dass das Saugventil 5 bei kleinen Fördermengen während gewisser Zyklen ständig offengehalten wird, und während gewisser Zyklen gemäss der stufenlosen Rückstromregelung betrieben wird.

Figur 4 zeigt die Hubbewegung 8c des Druckventils 8 in Funktion des Kurbelwellenwinkels. Zudem ist die Hubbewegung 5e des Schliessorganes 5b des Saugventils 5 in Funktion des Kurbelwellenwinkels dargestellt. Die Bewegung des Druckventils 8 erfolgt selbsttätig, wogegen die Bewegung des Schliessorgans 5b des Saugventils 5 wie vorhin beschrieben bei der Aussetzregelung E und der Rückstromregelung F durch den Greifer 6 bestimmt wird. Gut erkennbar ist in Figur 4 der Maximaloffenwinkelbereich Kw, innerhalb welches das Ventil 8 einen maximalen Ventilhub aufweist, das heisst, maximal geöffnet ist. Zudem ist der Gesamtöffnungswinkel Kv ersichtlich, während welchem das Ventil 8 geöffnet ist.

Die Öffnungsdauer des selbsttätigen Druckventils 8 wird durch den Winkelbereich bestimmt, während welchem der Druck im Verdichtungsraum 4c über dem Öffnungsdruck des Druckventils 8 liegt, im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 3 über einem Druck von 3,2 Bar. Aus der in Figur 3 und 4 mit F dargestellten stufenlosen Rückstromregelung ist ersichtlich, dass sich der Winkelbereich des geöffneten Druckventils 8 reduziert, je später das Schliessorgan 5b geschlossen wird. Dies hat insbesondere bei kleinen Fördermengen zur Folge, dass das Druckventil 8 nur während einem sehr kurzen Gesamtöffnungswinkel Kv geöffnet wäre, falls ständig die Rückstromregelung verwendet würde. Um den Gesamtöffnungswinkel Kv des Druckventils 8 bei kleinen Fördermengen zu erhöhen wird der Hubkolben-Kompressor derart betrieben, dass während einem oder mehreren Kurbelzyklen die Aussetzregelung E verwendet wird, um in der danach folgenden Rückstromregelung F eine genügend grosse Menge Gas zu fördern, sodass das Druckventil 8 über einem Gesamtöffnungswinkel Kv von zumindest 10° und vorzugsweise über einem Gesamtöffnungswinkel Kv von zumindest zwischen 20° und 30° geöffnet bleibt. Dies hat zur Folge, dass das Druckventil 8 genügend lange geöffnet ist, um übermassige Schläge oder übermässige Öffnungs- oder Schliessgeschwindigkeiten zu vermeiden. Dies verlängert die Lebensdauer des Druckventils 8 beträchtlich. Figur 5 zeigt einen Lastverlauf in einem PV-Diagramm bei unterschiedlichen Betriebsverfahren, nämlich wie bereits in Figur 3 dargestellt, bei Volllast D mit selbsttätigem Saugventil 5, bei der Aussetzregelung E und bei der stufenlosen Rückstromregelung F.

Ein Kompressor kann derart ausgestaltet sein, dass dieser wie in Figur 7 dargestellt pro Zylinder nur einen Verdichtungsraum 4c aufweist, wobei ein solcher Verdichtungsraum 4c nachfolgend auch als oberer Verdichtungsraum bezeichnet wird. Der Kompressor kann auch derart ausgestaltet sein, dass dieser in demselben Zylinder einen zweiten Verdichtungsraum aufweist, welcher durch den Kolben 4e vom ersten Verdichtungsraum getrennt ist, sodass während der Bewegung des Kolbens 4e das Fluid im einen Verdichtungsraum komprimiert und im anderen Verdichtungsraum angesaugt wird. Der zweite Verdichtungsraum wird nachfolgend auch als unterer Verdichtungsraum bezeichnet. In einem besonders vorteilhaften Verfahren erfolgt die Fördermengenregelung wie in Figur 3 angedeutet derart, dass das Druckventil 8 des Hubkolben-Kompressors zumindest während eines vorgegebenen Winkelbereichs Δ von 20° bis 30° vor erreichen des oberen Totpunkts O_TP (beim oberen Verdichtungsraum) respektive unteren Totpunkts U_TP (beim unteren Verdichtungsraum, falls der Zylinder zwei Verdichtungsräume umfasst) des Kurbelkreises öffnet. Vorteilhaft an diesem Verfahren ist, dass nur der Öffnungszeitpunkt bestimmt werden muss, da der Schliesszeitpunkt einigermassen bekannt ist und bei einem idealisiertem Ventil im Totpunkt des oberen beziehungsweise falls vorhanden unteren Verdichtungsraumes liegt.

Die Öffnungszeit des Druckventils 8 kann zum Beispiel über eine Messung des Druckes im Verdichtungsraum und Vergleich mit dem Enddruck bestimmt werden, oder bei Kenntnis der Betriebsfälle des Kompressors über eine vorhergehende, respektive simultane Berechnung der maximalen Öffnungszeit des Saugventils über den Umkehrpunkt der Bewegung des Kolbens, damit die minimale Öffnungszeit beziehungsweise der minimale Öffnungswinkel des Druckventils nicht unterschritten wird.

Die Figur 6 zeigt charakteristische Grössen des steuerbaren Ventils 1 in Funktion des Kurbelwinkels beziehungsweise des Drehwinkel, um den in Figur 6 im Weg-Diagramm dargestellten Bewegungsverlauf B der Ventilplatte 5b und den Bewegungsverlauf A des Abhebegreifers 6 zu erlangen. Zudem ist in der Kurve C der Geschwindigkeitsverlauf des Abhebegreifers 6 dargestellt. Zudem ist in der Kurve G die vom Elektromagnet 2a bewirkte Kraft und in der Kurve H der zur Ansteuerung des Elektromagnets 2a erforderliche Strom dargestellt. Die in Figur 6 dargestellten Verläufe sind insbesondere wichtig um das in Figur 2 dargestellte, "sanfte Landen" der Ventilplatte 5b auf dem Ventilfänger 5c zu bewirken.

Figur 8 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Steuereinrichtung 2 zum Betätigen und Antreiben des auf das Saugventil 5 wirkenden Greifers 6. Die Steuereinrichtung 2 umfasst eine Antriebsvorrichtung 2n, welche über die linear beweglich gelagerte Verbindungsstange 7 mit dem in Figur 7 schematisch dargestellten Greifer 6 verbunden ist. Die in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Antriebsvorrichtung 2n umfasst einen Linearantrieb 2w sowie eine elektrisch ansteuerbare Dämpfungsvorrichtung 2o, wobei die Dämpfungsvorrichtung 2o die Funktion hat die vom Linearantrieb 2w erzeugte Bewegung elektrisch ansteuerbar so zu dämpfen, dass sich der Greifer 6 beziehungsweise die Ventilplatte 5b des Saugventils 5 wie beispielsweise in Figur 2 dargestellt bewegt. Der Linearantrieb 2w weist eine linear bewegliche Verbindungsstange 2t auf, welche wirkungsmässig mit der Verbindungsstange 7 verbunden ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dämpfungsvorrichtung 2o zwischen dem Linearantrieb 2w und dem Greifer 6 angeordnet. Die Dämpfungsvorrichtung 2o könnte jedoch auch an einer anderen Stelle angeordnet sein, bei der dargestellten Ansicht der Steuereinrichtung 2 beispielsweise auch oberhalb des Linearantriebes 2w. Die Dämpfungsvorrichtung 2o kann in einer Vielzahl von Möglichkeiten ausgestaltet sein, um eine Dämpfung der Bewegung des Linearantriebs 2w zu bewirken. Um das erfindungsgemässe "sanfte Landen" der Ventilplatte 5b auf dem Ventilfänger 5c zu bewirken ist die in Figur 8 schematisch dargestellte Dämpfungsvorrichtung 2o besonders vorteilhaft. Die Dämpfungsvorrichtung 2o umfasst einen Zylinder 2p und in dessen Inneren einen linear verschiebbaren Kolben 2r, welcher den Innenraum des Zylinders 2p in einen ersten Innenraum 2q und einen zweiten Innenraum 2s unterteilt. Die beiden Innenräume 2q, 2s sind über eine Fluid leitende Verbindung 2u miteinander verbunden, sodass zwischen den beiden Innenräumen 2q, 2s ein Fluid austauschbar ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die beiden Innenräume 2q, 2s über eine elektrisch ansteuerbare Dämpfung beziehungsweise Drossel 2v Fluid leitend miteinander verbunden. Eine Ansteuer- und Regelungsvorrichtung 2i ist über elektrische Leitungen 2k, 21 Signal leitend mit dem Linearantrieb 2w sowie der ansteuerbaren Dämpfung 2v verbunden, sodass sowohl der Linearantrieb 2w als auch die Dämpfungseigenschaften der Dämpfungsvorrichtung 2o ansteuerbar sind, um die Lage beziehungsweise die Geschwindigkeit der Ventilplatte 5b derart anzusteuern, dass wie in Figur 2 beispielhaft dargestellt ein "sanftes Landen" der Ventilplatte 5b bewirkt wird. Die in Figur 8 dargestellte Steuereinrichtung 2 umfasst auch eine Vorrichtung zum Bestimmen des Hubes und/oder der Geschwindigkeit des Greifers beziehungsweise der Ventilplatte 5b. Diese Vorrichtung ist in Figur 8 nicht dargestellt.

Die Fluid leitende Verbindung 2u sowie die elektrisch ansteuerbare Dämpfung 2v könnte auch an der Dämpfungsvorrichtung 2o oder innerhalb der Dämpfungsvorrichtung 2o angeordnet sein, insbesondere auch am Kolben 2r, indem der Kolben 2r beispielsweise eine Fluid leitende Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 2q, 2s aufweist.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung besteht das Fluid der Dämpfungsvorrichtung 2o zumindest teilweise aus einer elektrorheologischen oder magnetorheologischen Flüssigkeit. Solche Flüssigkeiten haben die Eigenschaft, dass deren Viskosität elektrisch ansteuerbar ist, sodass mit derartigen Flüssigkeiten eine elektrisch ansteuerbare Drosselstrecke ausgestaltet werden kann. Eine derartige Drosselstrecke weist den Vorteil auf, dass die Viskosität in einem grossen Bereich verändert werden kann, und dass die Viskosität mit Hilfe des elektrischen Signals sehr schnell verändert werden kann. Die Dämpfungseigenschaften einer solchen Dämpfungsvorrichtung 2o sind dadurch sehr schnell veränderbar, sodass die Bewegung des Kolbens 2r und damit die Bewegung der Verbindungsstange 7, des Greifers 6 und letztendlich der Ventilplatte 5b derart gedämpft werden kann beziehungsweise ansteuerbar und regelbar ist, das die Ventilplatte 5b bezüglich zurückgelegtem Weg und Geschwindigkeit ein "sanftes Landen" ausführt.

Dämpfungsvorrichtungen umfassend eine elektrorheologische oder magnetorheologische Flüssigkeit sind beispielsweise aus der Druckschrift WO2008/141787A1 oder aus der Druckschrift EP 1034383 B1 bekannt.

Der Linearantrieb 2w kann beispielsweise als hydraulischer oder pneumatischer Antrieb, als elektromagnetischer Antrieb, als Linearmotor oder als Elektromotor mit Übersetzung ausgestaltet sein.

Die Steuereinrichtung 2 umfasst in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine adaptive Vorsteuerung, mit welcher der Hub A und die Geschwindigkeit C des Abhebegreifers 6 geregelt wird.

Die Regelungsvorrichtung 2i umfasst in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine adaptive Vorsteuerungsvorrichtung, um aus den Regelgrössen des Hubs A und der Geschwindigkeit C des Abhebegreifers 6 Ansteuersignale für den Elektromagneten 2a zu erzeugen.