КОМПРЕССОР С УСТРОЙСТВОМ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И СПОСОБ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОМПРЕССОРА
COMPRESSOR WITH ENERGY SAVING DEVICE, AND ENERGY-SAVING COMPRESSOR OPERATION METHOD

Изобретение относится к компрессору для получения сжатого воздуха для грузового транспортного средства, причем компрессор включает корпус с поршневой полостью и с вредным пространством и клапанное устройство с запорным элементом для разделения вредного пространства и поршневой полости.
Изобретение относится также к способу разгрузки компрессора для получения сжатого воздуха для грузового транспортного средства, причем компрессор включает корпус с поршневой полостью и с вредным пространством и клапанное устройство с запорным элементом для разделения вредного пространства и поршневой полости.
Современные транспортные средства, применяемые, например, в рельсовом и дорожном транспорте, имеют много устройств потребления сжатого воздуха, расход воздуха которыми, как правило, удовлетворяется устройствами подачи сжатого воздуха, включающими компрессор. Такой компрессор обычно приводится в действие непосредственно двигателем внутреннего сгорания, имеющимся в грузовом транспортном средстве, который используется также и для создания тяговой силы для грузового транспортного средства. Так как привод компрессора соединен непосредственно с двигателем внутреннего сгорания, пока вращается двигатель внутреннего сгорания грузового транспортного средства, компрессор постоянно вращается вместе с ним. В частности, компрессор работает даже тогда, когда потребители сжатого воздуха не требуют воздуха или когда имеющийся в грузовом транспортном средстве пневмоаккумулятор целиком заполнен. В этом случае компрессор, как правило, разгружают, чтобы снизить расход энергии.
3
3
Один вариант осуществления подобного разгрузочного устройства описан, например, в патенте GB 2323639 А. Потребляемая мощность разгруженного компрессора снижается примерно с 3 кВт до 1 кВт и ниже при 2000 об/мин. В это время, имеющееся вредное пространство составляет около 7 см. Возможно максимальное вредное пространство 90 см, так как клапан вредного пространства действует также как дроссель, и большее вредное пространство не дает дополнительного снижения энергозатрат. Недостатком также является высокое потребление энергии во время фазы подачи компрессора из-за имеющегося большого расхода.
Целью изобретения является снижение дросселирования клапана вредного пространства и одновременно снижение потерь энергии с помощью постоянно существующего вредного пространства.
Эта задача решается с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение базируется на компрессоре данного типа благодаря тому, что запорный элемент для открывания клапанного устройства может отходить от седла клапана в направлении поршневой полости. Посредством отведения запорного элемента в направлении поршневой полости можно снижать дросселирование клапанного устройства при неизменном постоянно существующем вредном пространстве. Кроме того, для клапанного устройства такого типа дополнительно необходимы только уплотнительная прокладка и пружина.
При этом целесообразно предусмотреть, чтобы запорный элемент мог, по меньшей мере, частично перемещаться в выемку в головке цилиндра, которая граничит с поршневой полостью.
Также можно предусмотреть, чтобы запорный элемент мог, по меньшей мере, частично перемещаться в поршневую полость, причем запорный элемент, отведенный от седла клапана, в верхней точке возврата движущегося в поршневой полости поршня, по меньшей мере, частично вдается внутрь паза, расположенного на поршне. В таком варианте осуществления изобретения во время фазы подачи постоянно существующее вредное пространство уменьшается, и таким образом в целом КПД компрессора повышается, так как меньше энергии теряется при сжатии. Необходимая минимальная площадь основания паза, по меньшей мере, равна площади основания запорного элемента, в то время как высота паза, по меньшей мере, равна длине пути, необходимого для отведения запорного элемента от седла клапана.
Предпочтительно предусмотреть, чтобы вредное пространство было соединено с атмосферой. За счет соединения вредного пространства с атмосферой по сравнению с закрытым вредным пространством возможно дополнительное снижение возникающих во время фазы разгрузки пиковых давлений, благодаря чему можно снизить расход энергии компрессором.
Также возможно, что предусмотрено дополнительное клапанное устройство с дополнительным запорным элементом и дополнительная поршневая полость, и дополнительный запорный элемент для открывания дополнительного клапанного устройства может отходить от дополнительного седла клапана в направлении дополнительной поршневой полости. Наряду с одноцилиндровыми компрессорами применяют также компрессоры с двумя или более цилиндрами, причем для разгрузки компрессора можно предусмотреть соответственно по одному клапанному устройству, открывающемуся в направлении дополнительных поршневых полостей.
Также можно предусмотреть, чтобы дополнительный запорный элемент мог, по меньшей мере, частично перемещаться в дополнительную выемку в головке цилиндра, которая граничит с дополнительной поршневой полостью.
Целесообразно предусмотреть, чтобы дополнительный запорный элемент мог, по меньшей мере, частично перемещаться в дополнительную поршневую полость, причем дополнительный запорный элемент, отведенный от дополнительного седла клапана, в верхней точке возврата движущегося в дополнительной поршневой полости дополнительного поршня, по меньшей мере, частично вдается внутрь дополнительного паза, расположенного на дополнительном поршне.
Кроме того, можно предусмотреть, что поршневая полость и дополнительная поршневая полость соединены друг с другом через вредное пространство, когда клапанное устройство и дополнительное клапанное устройство открыты. За счет соединения поршневой полости и дополнительной поршневой полости через вредное пространство существенно предотвращается рост давления во время фазы разгрузки компрессора, так как воздух между поршневой полостью и дополнительной поршневой полостью может перекачиваться туда и обратно.
Альтернативно можно предусмотреть, что выполнено дополнительное вредное пространство, которое может соединяться с дополнительной поршневой полостью с помощью дополнительного клапанного устройства. Дополнительное вредное пространство обеспечивает изолированную разгрузку поршневой полости и дополнительной поршневой полости.
В частности, при этом можно предусмотреть, что дополнительное вредное пространство соединено с атмосферой.
Кроме того, в изобретении предлагается грузовое транспортное средство с компрессором в соответствии с изобретением.
Способ данного типа может быть усовершенствован за счет того, что запорный элемент для открывания клапанного устройства отходит от седла клапана в направлении поршневой полости. Таким образом реализуют преимущества и особенности компрессора в соответствии с изобретением в рамках способа.
Это справедливо также для приводимых далее особенно предпочтительных вариантов осуществления способа в соответствии с изобретением.
Способ целесообразно усовершенствуют за счет того, что запорный элемент перемещают, по меньшей мере, частично в выемку в головке цилиндра, которая граничит с поршневой полостью, когда поршень, перемещаемый в поршневой полости, находится вблизи нижней точки возврата. Осуществлять перемещение запорного элемента во время нахождения перемещаемого в поршневой полости поршня вблизи нижней точки возврата очень легко, так как в это время давление в поршневой полости низкое.
Предпочтительно предусмотреть, чтобы запорный элемент перемещался, по меньшей мере, частично в поршневую полость, когда поршень, перемещаемый в поршневой полости, находится вблизи нижней точки возврата, причем запорный элемент, отведенный от седла клапана, в верхней точке возврата движущегося в поршневой полости поршня, по меньшей мере, частично захватывается пазом, расположенным на поршне.
Кроме того, можно предусмотреть, что это вредное пространство соединено с атмосферой.
Также возможно, что предусмотрено дополнительное клапанное устройство с дополнительным запорным элементом и дополнительная поршневая полость, причем дополнительный запорный элемент для открывания дополнительного клапанного устройства может отходить от дополнительного седла клапана в направлении дополнительной поршневой полости.
Предпочтительно предусмотреть, чтобы дополнительный запорный элемент мог, по меньшей мере, частично перемещаться в дополнительную выемку в головке цилиндра, которая граничит с дополнительной поршневой полостью.
Предпочтительно предусмотреть, чтобы дополнительный запорный элемент перемещался, по меньшей мере, частично в дополнительную поршневую полость, когда дополнительный поршень, перемещаемый в дополнительной поршневой полости, находится вблизи нижней точки возврата, причем дополнительный запорный элемент, отведенный от дополнительного седла клапана, в верхней точке возврата движущегося в дополнительной поршневой полости дополнительного поршня, по меньшей мере, частично захватывается дополнительным пазом, расположенным на дополнительном поршне.
Также можно предусмотреть, что поршневая полость и дополнительная поршневая полость соединены друг с другом через вредное пространство.
Целесообразно предусмотреть, чтобы было выполнено дополнительное вредное пространство, которое может соединяться с дополнительной поршневой полостью с помощью дополнительного клапанного устройства.
В частности, можно предусмотреть, что дополнительное вредное пространство соединено с атмосферой.
Далее изобретение описывается с помощью примеров предпочтительных вариантов осуществления со ссылками на сопроводительные чертежи.
На чертежах изображено:
на фиг.1 - разрез первого компрессора в соответствии с изобретением;
на фиг.2 - подробный вид первой головки цилиндра в соответствии с изобретением;
на фиг.3 - подробный вид первой головки цилиндра в соответствии с изобретением в фазе подачи;
на фиг.4 - подробный вид первой головки цилиндра в соответствии с изобретением в фазе разгрузки;
на фиг.5 - разрез второго компрессора в соответствии с изобретением;
на фиг.6 - разрез третьего компрессора в соответствии с изобретением;
на фиг.7a - фаза впуска разгруженного компрессора;
на фиг.7b - фаза сжатия разгруженного компрессора;
на фиг.7c - дополнительная фаза впуска разгруженного компрессора;
на фиг.8 - разгруженный компрессор;
на фиг.9a - первая диаграмма, иллюстрирующая энергосбережение благодаря разгрузке;
на фиг.9b - вторая диаграмма, иллюстрирующая энергосбережение благодаря разгрузке.
Одинаковые ссылочные обозначения на чертежах описывают одинаковые или сходные по функциям детали.
На фиг.1 изображен разрез первого компрессора в соответствии с изобретением. Изображенный компрессор 10 содержит в себе корпус 14 с поршневой полостью 16, в которой размещен поршень 30, перемещаемый в поршневой полости 16, приводимый в действие коленчатым валом 36 через шатун 34 и головку цилиндра 28. В головке 28 цилиндра за выемкой 26 размещены вредное пространство 18 и клапанное устройство 20 с запорным элементом 22 и с относящимся к нему седлом 24 клапана. Посредством переключения клапанного устройства 20 открывается соединение между вредным пространством 18 и поршневой полостью 16, что далее описано подробно.
На фиг.2 изображен подробный вид первой головки цилиндра в соответствии с изобретением. Кроме деталей, показанных на фиг.1, изображены пружина 46, опорная пластина 48, уплотнительное кольцо 50, пластина 52 клапана и полость 54 подключения. В пластине 52 клапана утоплена выемка 26 с седлом 24 клапана, к которому в изображенном закрытом состоянии клапанного устройства 20 прилегает запорный элемент 22. При этом запорный элемент 22 прижимается к седлу 24 клапана пружиной 46, опирающейся на опорную пластину 48. Уплотнительное кольцо 50 герметизирует полость 54 подключения, причем вентиляция полости 54 подключения вызывает расцепление запорного элемента 22 в выемку 26 против силы натяжения пружины 46.
На фиг.3 и 4 изображены дополнительные подробные виды первой головки цилиндра в соответствии с изобретением в фазе подачи и разгрузки. Изображенные на фиг.3 и 4 детали головки 28 цилиндра по существу идентичны уже описанным с помощью фиг.2 деталям. На фиг.3 клапанное устройство 20 изображено в закрытом состоянии, в то время как на фиг.4 такое же клапанное устройство 20 изображено в открытом состоянии. В открытом состоянии полость 54 подключения вентилируется, и вследствие этого запорный элемент 22 расцепляется в выемку 26, т.е. отходит от седла 24 клапана.
На фиг.5 изображен разрез второго компрессора в соответствии с изобретением. Изображенный на фиг.5 разрез компрессора 10 отличается от первого варианта осуществления тем, что в пластине 52 клапана не предусмотрена выемка 26. Запорный элемент 22 в сцепленном состоянии заканчивается заподлицо с пластиной 52 клапана. Тем не менее, чтобы осуществить расцепление запорного элемента 22, в поршне 30 предусмотрен паз 32, в который может расцепляться запорный элемент 22. В расцепленном состоянии в верхней точке возврата поршня 30 запорный элемент 22 частично входит в паз 32. Между пазом 32 и вредным пространством 18 при расцеплении запорного элемента 22 за счет вентиляции полости 54 подключения возникает соединение, через которое может проходить воздух.
На фиг.6 изображен разрез третьего компрессора в соответствии с изобретением. Изображенный на фиг.6 компрессор 10 является компрессором с двумя цилиндрами. Наряду с уже описанными деталями, изображенный на фиг.6 компрессор 10 содержит дополнительную поршневую полость 16', дополнительное вредное пространство 18', дополнительное клапанное устройство 20' с дополнительным запорным элементом 22', с дополнительным седлом 24' клапана, с дополнительной пружиной 46' и дополнительный поршень 30' с дополнительным пазом 32'. В изображенном варианте осуществления изобретения компрессора 10 вредное пространство 18 не соединено с дополнительным вредным пространством 18', и для разгрузки обоих цилиндров два вредных пространства 18, 18' могут подключаться изолированно с помощью двух клапанных устройств 20, 20'. Также возможно, что оба вредных пространства 18, 18' связаны друг с другом, благодаря чему при одновременном открывании клапанного устройства 20 и дополнительного клапанного устройства 20' возникает соединение между поршневой полостью 16 и дополнительной поршневой полостью 16', по которому может проходить воздух. Эта возможность подробно описана с помощью фиг.8. Аналогично изображенному двухцилиндровому компрессору с пазом 32 и дополнительным пазом 32' возможно также расположение клапанного устройства 20 и дополнительного клапанного устройства 20' в двух выемках согласно фиг.1-4.
На фиг.7a, 7b, 7c изображены рабочие фазы разгруженного компрессора 10. На фиг.7a изображен компрессор 10, клапанное устройство 20 которого для разгрузки компрессора 10 было открыто во время последнего рабочего такта. Во время первой фазы впуска, в которой поршень 30 отодвигается от клапанного устройства 20, воздух засасывается воздухозаборным отверстием 42 в поршневую полость 16 через впускной клапан 38. Во время этой фазы выпускной клапан 40 остается закрытым, и воздух не поступает в выпускное отверстие 44.
Сразу после этой первой фазы впуска поршень 30 снова перемещается в направлении клапанного устройства 20, причем впускной клапан 38 из-за отсутствия пониженного давления закрывается, а выпускной клапан 40 из-за низкого давления в поршневой полости 16 в идеальном случае не открывается. При открытом клапанном устройстве 20, т.е. вредное пространство 18 соединено с поршневой полостью 16, во время этой фазы компрессор 10 засасывает воздух во вредное пространство 18. Этот воздух затем вжимается внутрь вредного пространства 18, причем достигаемое давление в идеальном случае остается ниже давления воздуха вблизи выпускного отверстия 44.
Во время изображенной на фиг.7 с дополнительной фазы впуска поршень опять перемещается от клапанного устройства 20, как и на фиг.7а, однако теперь как впускной клапан 38, так и выпускной клапан 40 остаются закрытыми. Во время дополнительной фазы впуска вжатый внутрь вредного пространства воздух расширяется и выходит назад в поршневую полость 16.
На фиг.8 изображен разгруженный компрессор. Изображенный на фиг.8 компрессор 10 является компрессором с двумя цилиндрами, причем поршневая полость 16 и дополнительная поршневая полость 16' могут соединяться посредством открывания клапанного устройства 20 и дополнительного клапанного устройства 20' через вредное пространство 18. Внутри поршневой полости 16 и дополнительной поршневой полости 16' расположены поршни 30 или 30', сопряженные с коленчатым валом 36 посредством шатуна 34 или 34'. Если клапанное устройство 20 и дополнительное клапанное устройство 20' открыты, компрессор 10 разгружен, причем во время периодического подъема и отхода поршня 30 и дополнительного поршня 30' воздух перекачивается туда и обратно через вредное пространство 18 между двумя поршневыми полостями 16, 16'. В идеальном случае как впускные клапаны 38, 38', так и выпускные клапаны 40, 40' остаются закрытыми, так как внутри не создается ни пониженное, ни повышенное давление. Таким образом, изображенный компрессор в разгруженном состоянии не засасывает воздух ни через одно из воздухозаборных отверстий 42, 42'.
3
3
На фиг.9a и 9b изображены две диаграммы, иллюстрирующие энергосбережение благодаря разгрузке компрессора. По оси Х обеих диаграмм показано число оборотов компрессора в минуту, а по оси Y соответствующее потребление энергии в киловатт-часах. На фиг.9a изображены 4 кривые для компрессора объема 250 см, причем кривые 104 и 106 обозначают расход энергии при давлении подачи 8,5 бар и 12 бар соответственно. Кривые 100 и 102 представляют два различных энергосберегающих режима компрессора, которые можно реализовать за счет разгрузки. Изображенные на фиг.9b четыре кривые соответствуют компрессору объема 360 см, причем две верхние кривые 112, 114 также соответствуют давлению подачи 8,5 бар и 12 бар, а две нижние кривые 108, 110 также обозначают два различных энергосберегающих режима компрессора, которые можно реализовать за счет разгрузки.
Признаки изобретения, раскрытые в представленном описании, на чертежах, а также в формуле изобретения могут быть существенны для внедрения изобретения, как по отдельности, так и в любой комбинации.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
10 компрессор
12 грузовое транспортное средство
14 корпус
16 поршневая полость
16' дополнительная поршневая полость
18 вредное пространство
18' дополнительное вредное пространство
20 клапанное устройство
20' дополнительное клапанное устройство
22 запорный элемент
22' дополнительный запорный элемент
24 седло клапана
24' дополнительное седло клапана
26 выемка
28 головка цилиндра
30 поршень
30' дополнительный поршень
32 паз
32' дополнительный паз
34 шатун
34' шатун
36 коленчатый вал
38 впускной клапан
38' впускной клапан
40 выпускной клапан
40' выпускной клапан
42 воздухозаборное отверстие
42' воздухозаборное отверстие
44 выпускное отверстие
46 пружина
46' дополнительная пружина
48 опорная пластина
50 уплотнительное кольцо
52 пластина клапана
54 полость подключения
3
100 компрессор 225 см в энергосберегающем режиме
3
102 компрессор 225 см в энергосберегающем режиме
3
104 компрессор 225 см при давлении 8,5 бар
3
106 компрессор 225 см при давлении 12 бар
3
108 компрессор 360 см в энергосберегающем режиме
3
110 компрессор 360 см в энергосберегающем режиме
3
112 компрессор 360 см при давлении 8,5 бар
3
114 компрессор 360 см при давлении 12 бар.