DE1817526A1 - Elektromagnetische Ventilsteuerung fuer Kompressoren - Google Patents

Description

• Elektromagnetische Ventilsteuerung für Kompressoren.
• Die Erfindung betrifft eine Ventilsteuerung für Kompressoren, insbesondere für solche, welche in Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen Verwendung finden Solche Kompressoren arbeiten im Kraftfahrzeug mit sehr verschiedenen Drehzahlen, welche von den wechselnden Fahrtgeschwindigkeiten abhängen. Somit steht die gerade verfügbare Kompressorleistung nur selten im richtigen Verhältnis zu der durch die Klimabedingungen gerade geforderten Leistung, welche durch die vorliegende Erfindung auf einer gleichmäßigen Höhe gehalten werden soll.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine vom Verdampferdruck des Kühlsystems beeinflußte elektromagnetische Steuerung des Kompressorsaugventils dessen Öffnungszeit soweit in den Verdichtungshub hinein verschiebt, daß die so bewirkte Leistungsminderung des Kompressors je Umdrehung die Mehrleistung aufhebt, welche durch Ansteigen der Kompressordrehzahl entsteht, wenn das Fahrzeug eine höhere Geschwindigkeit aufnimmt.
• Mit dieser Leistungsregelung verbunden ist ein Schutz vor überhöhtem Kondensatordruck, der mit einer besonderen Membrane das gleiche die Kompressorleistung vermindernde System benutzt.
• Die bisher bekanntgewordenen Leistungsregelungen für solche Fahrzeugklimaanlagen erfüllen die genannten Forderungen nur unvollkommen. Das einfachste System z. B. schaltet den Kompressor in Abhängigkeit von einem Thermostaten mittels einer elektromagnetischen Kupplung ein bzw. aus, was mit grös-Seren Schwankungen der Fahrzeuginnentemperatur bzw. der über den Verdampfer geführten Kühlluft verbunden ist, wenn nicht mit ganz kurzen Schaltintervallen gearbeitet wird. Diese wiederum beanspruchen nicht nur den Kupp lungsmechanismus, sondern auch andere Kompressorteile und den Antriebsriemen sehr stark und verringern die Lebensdauer dieser Teile. Schließlich ist bei dieser Regelungsart der recht beträchtliche Kraftbedarf des jeweils mit voller Leistung arbeitenden Kompressors zu berXicksichtigen, der bei schwächeren Fahrzeugen etwa 10 % der Leistung des Fahrzeugmotors beansprucht und bei unvermutetem Zuschalten des Klimakompressors beispielsweise während eines Überholvorganges auch gefährlich werden kann.
• Um die Kompressorleistung gleichmäßiger zu gestalten und das sich wiederholende Ein- und. Abschalten des Kompressors zu vermeiden, sind im Klimakreislauf angeordnete Regelsysteme vorgeschlagen worden, welche beispielsweise in Abhängigkeit vom Verdampferdruck der Anlage durch eine Beipaßleitung der Kompressorsaugleitung unter Kondensatordruck stehendes Gas zuführen und durch diesen Kurzschluß die Kompressorleistung verringern. Da die bei diesem System vernichtete Kompressorleistung vorher auf der Hochdruckseite aufgebracht werden muß, bringt dieses System im Kraftbedarf keine Erleichterung.
• Weiter sind Leistungsregelungen bekanntgeworden, welche ebenfalls in Abhängigkeit vom Verdampferdruck den Querschnitt der Saugleitung verringern.
• Dieses System verringert zwar den Kraftbedarf des Kompressors, dessen Leistung jedoch nur durch extrem niedrige Verdampfungstemperaturen verringert werden kann, welche die Abdichtungsfähigkeit der Kompressorstopfbüchse beeinträchtigen. Die wirksamste Leistungsverminderung des Kompressors kann durch eine Verringerung der Kompressordrehzahl erreicht werden, wofür hydraulische und mechanische Systeme für eine variable und vom Fahrzeugmotor unterschiedliche Kompressordrehzahl vorgeschlagen wurden, welche allerdings einen beträchtlichen Aufwand erfordern und die Gesamtanlage damit verteuern.
• Die vorliegende Erfindung erreicht eine gleichzeitig den Kraftbedarf des Kompres so rs verringernde Leistungsminderung des Kompressors dadurch, daß dessen Ansaugventil durch einen Elektromagneten über einen Kurbelwinkel von beispielsweise 1800 zwangsweise offengehalten wird, wobei dieser Öffnungswinkel gegenüber dem Kurbelwinkel des Kompressors so weit verschoben werden kann, daß das Saugventil auch während des Verdichtungshubes noch offen gehalten werden kann und zwar stufenlos zwischen einem die Kompressorleiatung gar nicht beeinträchtigendem Wert und einem solchen, bei dem das ganze während des Saughubes angesaugte Gas beim folgenden Verdichtungshub wieder in die Saugleitung zurückgeschoben wird.
• Diese stufenlose Regelung des Öffnungswinkels des Saugventils wird dadurch erreicht, daß eine den- Unterbrecherkontakten an Kraftfahrzeugmotoren ähnliche Kontaktanordnung einen Elektromagneten betätigt, welcher die Zunge des Saugventiles festhält bzw. losläßt.
• Die Verdrehung des die Kontakte betätigenden Nockens wird ähnlich der Zündmomentverstellung bei Kraftfahrzeugmotoren durch eine Membran bewirkt, welche auf den Verdampferdruck anspricht und bei dessen Verringerung - etwa durch zu große Konipressorleistung bei schneller Fahrt - auch die Kompressorleistung verringert und sie somit stets auf einen Wert einpendelt, welcher zweckmäßigerweise kurz vor der Vereisung des Verdampfers liegt und damit gewährleistet, daß dieser stets mit dem höchsten Wirkungsgrad arbeitet, selbst wenn das ihn beaufsciilagende Gebläse ganz verschiedene Luftgeschwindigkeiten erzeugt.
• Die den Nocken zur Betätigung des Elektromagneten verstellende Einrichtung steht also unter dem Verdampferdruck, doch ist der Nocken auch vom Kondensatordruck her- beeinflußbar durch eine weitere und unter Kondensato rd ruck stehende Membran, -welche die automatische Regelung der Kompressorleistun& durch die Verdampfertemperatur in den normalen Klimabereichen unbeeinflußbar läßt und nur aann eingreift, wenn der Kondensatordruck abnorme Höhen erreichen sollte, welche den Kompressor blockieren und dessen Antriebsriemen u. U. verbrennen lassen könnten. Dieser Zustand kann beispielsweise eintreten, wenn bei erzwngen langsamer Fahrt in der Stadt und bei hoher Aussentemperatur der Kondensator ungenügend belüftet wird. In diesem Fall überholt die unter. Kondensatordruck stehende Verstellmembran die unter Verdampferdruck stehende und verringert ihrerseits das wirksame Kompressorvolumen so weit, daß dem bereits jenseits seiner Leistungsfähigkeit arbeitenden Kondensator nicht weiter- zu große Kältemittelmengen zugeführt werden.
• Nachdem die vorgeschlagene elektrische Leistungsregelung des Klimakompressors die bisher erforderliche elektromagnetische Ein- bzw. Auskupplung vermeidet und dadurch die Kosten der Gesamtanlage entsprechend verringert, muß aueh die Möglichkeit zur willkürlichen und vollständigen Ausschaltung der gesanften Kompressorleistung bestehen. Dies wird in einfachster Weise dadurch erreicht, daß ein mit dem Thermostat verbundener Handschalter den Stromkreis der elektromagnetischen Saugventilabhebung unter Umgehung der von der Ki'rbelwellendrehung abhängigen Kontakteinrichtung schließt, sodaß das Saugventil über einen Kurbelwinkel von 3600 geöffnet bleibt.
• Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel.
• Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch den Kompressor mit dem Elektromagneten und dessen Kontalcten. Fig. 2 den gleichen Schnitt durch den Kompressor in einer anderen Stellung des Kolbens und Fig. 3 den Schnitt durch den Kompressor mit geschlossenem Stromkreis des Elektromagneten. Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch den Verdrehmechanismus des Kontaknockens und das Schema des Kühlsyslems mit den Verbindungsleitungen zu den die Verdrehung bewirke iide n Versteilmembranen.
• In I'ig. 1 ist 1 der Zylinder des Kältekompressors, in welchem der durch Kurbel und Pleuel angetriebene Kolben 2 das Kältemiflelgas durch die den Zy-Rinder verschließende Ventilplatte 3 ansaugt und wieder ausstößt, wobei das Gas das Saugventil 4 und das Rückschlagventil 5 I,assiert. Der Ventildeckel G trennt die mit dem Verdampfer des IQimasysteins in Vcrbindung stehende Saugseite 7 von der Druckkammer 8, welche das verdichtete as dem Verflfissiger zuführt, Mit 9 ist ein Elektromagnet bezeichnet, der durch die Spulenwicklung 10 erregt wird, falls der zugehörige Stromkreis mittels der Kontakte 11 und 12 geschlossen wird.
• Mit 13 ist ein mit der Kurbelwelle umlaufender Nocken bezeichnet, der den auf der Nockenscieibe aufliegenden Kontakthebel 11 gegen den Druck der Feder 14 auf (len Kontakt 12 drückt und damit den die SpuJenwicldung durchfliessenden Stromkreis schließt. Der dadurch erregte Magnet 9 zieht nun die ihm gegenüberliegende Zunge des Saugventils 4 an und hält dieses Saugventil 4 solange geöffnet, bis der Nocken 13 unter dem Kontakthebel 11 vorbeigedreht diesen wieder von dem Kontakt 12 trennt und damit den Stromkreis des Elektromagneten unterbricht. Sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 2 sind die Kontakte 11 und 12 von einander getrennt dargestellt, während in Fig. 3 der Nocken 13 den Kontakthebel 11 gerade mit dem Kontakt 12 in Verbindung gebracht und damit den Stromkreis geschlossen hat und die Zunge des' Saugventils somit von dem Elektromagnet 9 angezogen wurde und das Saugventil 4 somit offengehalten wird.
• Der mit der Kurbelwelle umlaufende Nocken 13 ist in seiner Drehrichtungvor-oder nacheilend verstellbar durch eine Einrichtung, die in Fig, 4 dargestellt ist. Die mit 15 bezeichnete Kurbelwelle trägt auf einem Konus die Antriebsriemenscheibe 16, die mittels der Mutter 17 befestigt ist, Die Kurbelwelle besitzt eine zentrale Bohrung 18, in welcher der Schaf-t des Verstellgewindes 19, gegen Verdrehung durch den Stift 20 gesichert, verschiebbar ist. Das Verstellgewinde 19 befindet sich in dem passenden Muttergewinde des Nockens 13, der auf der Kurbelwelle drehbar gelagert ist und durch die Feder 21 an die Kurbelwelle 15 angedrückt wird. Die gegenüberliegende Seite der Feder 21 stützt sich gegen eine mit dem Verstellgewinde 19 vernietete Scheibe und versucht damit das Verstellgewinde 19 aus der Kurbelwelle 15 herauszuziehen.
• Da der Schaft des Verstellgewindes sich nur längs verschieben kann, wird durch jede Veränderung seiner Lage der Nocken 13 in einem entsprechenden Winkel gegenüber der Kurbelwelle verdreht.
• Während die Feder 21 bemüht ist, das Verstellgewinde 19 aus der Kurbelwelle herauszuziehen, wird sie daran durch die jeweilige Stellung des Regulier hebels 22 gehindert, der bei 23 gelagert ist und mit seinem Arm 24 unter dem Einfluß der Feder 25 sowie der dagegen wirkenden Membrane 26 steht. Dadurch ist der Winkel festgelegt, unter welchem sich der Nocken 13 im Verhältnis zum Kurbelwinkel der Kurbelwelle 15 befindet. Jede Veränderung des Verdam;)feldruckes, unter welchem das Innere der Membrane 26 steht, bewirkt demnach über den Uebel 22 eine Verschiebung des Verstellgewindes 19 innerhalb des Nockens 13 und damit dessen Verdrehung auf der Kurbelwelle 15. Eine weitere Membrane 27 steht unter dem Kondensatordruck des Kiihlsystems und wird durch die einstellbare Feder 28 in einer solchen Stellung gehalten, daß das Verbindungsglied 29 der in dasselbe hineinragenden Verlängerung 30 des Hebels 22 eine Bewegung ermöglicht, die dem vorgesehenen Verstellbereich des Nockens 13 entspricht. Nur falls der die Membrane 27 beaufschlagende Kondensatordruck des Kühlsystems zu stark ansteigen sollte kommt das Verbindungsglied 29 zur Anlage an der Verlängerung 30 des Hebels 22 und beeinflußt somit die Verdrehung des Nockens 13 im gleichen Sinn wie der fallende Verdampferdruck durch die Membrane 26. Der gesamte vorbeschriebene Verstellmechanismus ist an einer Halterung 31 befestigt, die die Riemenscheibe 16 umgreifend am Kurbelgehäuse des Kompressors angebracht ist.
• In Fig. 1 ist weiter die Schaltung des den Elektromagneten erregenden Strom kreises beispielsweise dargestellt. 32 ist die Stromquelle und 33 ein Schalter, welcher durch Anlegen an den Kontakt 35 den Elektromagneten 9 über die Kontakte 11 und 12 zur Erregung bringt, in der gezeichneten Aus-Stellung den Elektromagneten ganz abschaltet oder aber durch Anlegen des Schalters 33 an den Kontakt 34 den Elektromagneten 9 unter Umgehung der Kontakte 11 und 12 dauernd unter Strom setzt.
• Im Folgenden werden die verschiedenen Arbeitsbedingungen des Kompressors beschrieben, der mit der erfindungsgemäßen Leistungsregelung ausgerüstet ist, wie diese im Vorhergehenden beschrieben wurde.
• Der Kompressor kann bei Ausschaltung des elektrischen Systems zur Leistungsregelung als normaler Kompressor mit automatischen Saug- undDruckventilen betrieben werden. Diese Arbeitsbedingung und die dazu gehörende Stellung des Schalters 33 in Aus-Stellung ist in Fig. 1 dargestellt.
• Der Kompressor kann nach Anlegen des Schalters 33 an den Kontakt 35 mit dem elektromagnetisch betätigten Saugventil 4 arbeiten und durch das vom Unterdruck unabhängige Ansaugen eine bessere Füllung erhalten. In Fig. 1 ist dargestellt, wie der Nocken 13 soeben den Kontakt 11 von dem Kontakt 12 gelöst rund damit das Saugventil 4 zwecks Schließens freigegeben hat. Nach dem elektromagnetischen Offenhalten des Saugventils 4 während des gerade beendeten Ansaughubes wird das Gas nunmehr verdichtet und durch das Rückschlagventil 5 ausgeschoben. Im oberen Totpunkt des Kolbens und nach Drehung der Kurbelwelle 15 um 18wo, welche Drehung der Nocken 13 ebenfalls vollzogen hat, bringt der Nocken die Kontakt 11 und 12 wiederum zur Anlage und damit das Saugventil 4 in die Offenstellung durch Erregung des Magneten 9.
• Der Kompressor kann durch Verdrehung des Nockens 13 gegenüber der Kurbelwelle 15 als Folge fallenden Verdampferdruckes und ausgelöst durch die sich zusammenziehende Membrane 26 ein verspätetes Schließen des elektromagnetisch offen gehaltenen Saugventils und damit eine Leistungsminderung erfahren, weil ein Teil des angesaugten Gases wieder in die Saugseite des Kompressors zurückgeschoben wird, bevor der Elektromagnet 9 das Saugventil 4 losläßt und damit dessen Schließen erlaubt. In Fig. 2 ist beispielsweise dargestellt, wie erst nach Zurücklegen etwa des halben Kolbenhubes gerade die Kontakte 11 und 12 getrennt und damit dem Saugventil das Schliessen erlaubt wurde. Die dadurch verminderte KornT2ssorleistung veranlaßt den Verdampferdruck nun wieder zum Ansteigen, bis die Membrane 26 ein Gleichgewicht zwischen Kompressorleistung und Verdampfe rdruc k. hergestellt hat.
• Der Kompressor kann durch Anlegen des Schalters 33 an den Kontakt 34 zum völligen Leerlauf.gebracht werden, weil die nunmehr ständig unter Strom stehende Spulenwicidung 10 den Elektromagneten 9 zum ununterbrochenen Anziehen des Saugventils 4 veranlaßt und dieses somit das gesamte beim Saughub angesaugte Gas wieder auszuschieben erlaubt.
• Der Kompressor kann neben der durch den fallenden Verdampferdruck veranlaßten Leistungsminderung ebenso durch den Kondensatordruck in seiner Leistung begrenzt werden, falls dieser zu hoch ansteigen sollte. In diesem Fall beteiligt sich die unter Kondensatordruck stehende Membrane 27 ebenfalls an der Leistungsminderung des KompressorsJ indem sie sich mittels des Verbindungsgliedes 29 an die Verlängerung 30 des Hebels 22 anlegt und dadurch das Verstellgewinde 19 In der gleichen Richtung verschiebt, welche bei fallendem Verdampferdruck durch die Membrane 26 eingeleitet wird mit dem Ergebnis eines Offenhaltens des Saugventils 4 während eines Teiles des Verdichtungshubes. Die dadurch erreichte Leistungsminderung des Kompressors verringert nunmehr den Kondensatordruck und stellt das Gleichgewicht zwischen Kompressorleistung und zulässigem Kondensatordruck wieder her.
• Die vorbeschriebene elektromagnetische Ventilsteuerung eines Kompressors zwecks Regelung der Leistung durch Verdrehung eines Kontaktnockens auf mechanischem Wege kann auch durch ein elektrisches Zeitverzögerungsglied bewirkt werden, beispielsweise durch eine Widerstands-Kondensatorkombination.
• Die Zeitkonstante eines solchen sogenannten RC-Gliedes kann sowohl durch Veränderung des Widerstandes als auch der Kapazität variiert werden.
• Dabei kann der zu verändernde Widerstand ein Potentiometer sein bzw. die zu verändernde Kapazität ein Drehkondensator oder eine Kapazitätsdiode. Während bei der mechanischen Verstellung ein festes Verhältnis besteht zwischen Kurbelwellendrehzahl und der Öffnungszeit des Saugventils, muß bei der elektrischen Verstellung die Zeitkonstante des Verzögerungsgliedes in Abhängigkeit von der Drehzahl verändert werden, damit der Öffnungswinkel drehzahlunabhängig bleibt.
• Das erfolgt beispielsweise durch eine unterschiedliche, von der Drehzahl abgeleitete Spannungsbeaufschlagung der Kapazitätsdiode. Im Gegensatz zu der mechanischen Verdrehung des Verstellnockens 13 durch die unter Saugdruck stehende-Membrane 26 wird bei der elektrnschen Verstellung durch diese Membrane beispielsweise der Wert des als Potentiometer ausgebildeten Widerstandes und damit die Zeitkonstante geändert.
• Die vom Zeitglied mit verschiedener Verzögerung abgegebene Spannung steuert einen Halbleiterschalter, beispielsweise einen Thyristor, im Stromkreis des Elektromagneten 9 und beeinflußt damit die Öffnungszeit des Saugventils 4 ebenso wie bei der eingangs beschriebenen mechanischen Verdrehung des Kontaktnockens 13.

Claims (9)

Pa tentansprüche

1. Elektromagnetische Ventilsteuerung für Kompressoren, insbesondere für Klimakompressoren in Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise das Saugventil durch einen Elektromagneten von seinem Ventilsitz abgehoben wird und der Elektromagnet von einem Kontaktsystem Stromimpulse erhält, das von einem mit der Kurbelwelle des Kompressors um laufenden Nocken betätigt wird.

2. Elektromagnetische Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der mit der Kurbelwelle des Kompressors umlaufende Nocken so gestaltet ist, daß er den das Saugventil von seinem Sitz abhebenden Elektromagnet über einen- Kurbelwinkel von 1800 vorzugsweise während des Saughubes betätigt.

3. Elektromagnetische Ventilsteuerung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der das Abheben des Saugventils bewirkende mit der Kurbelwelle umlaufende Nocken auf der Kurbelwelle drehbar angeordnet und seinerseits bis zu 1800 voreilend verstellbar ist zwecks leistungsverringernden Ausschiebens eines mehr oder weniger großen Teiles des angesaugten Gasvolumens während des Kompressionshubes.

4. Elektromagnetische Ventilsteuerung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung des Nockens durch ein in der Kurbelwelle angeordnetes lediglich längsverschlebbares Gewindeteil erfolgt, auf welchem sich das Muttergewinde des Nockens befindet.

5. Elektromagnetische Ventilsteuerung nach Anspruch I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung des den Nocken verdrehenden Gewindeteils durch ein Hebelsystem erfolgt, das unter dem Einfluß einer vom Saugdruck des Kompressors beaufschlagten Membrane sowie einer verstellbaren Gegenfeder steht.

6. Elektromagnetische Ventilsteuerung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das die Verschiebung des Gewinde teils bewirkende Hebelsys teni durch eine weitere Membrane beeinflußt wird, welche vom Kondensatordruck des Kompressorsystems beaufschlagt ist und nach Übersteigen einer einstellbaren Größe dieses Druckes unabhängig vom Verdampferdruck ebenfalls eine Verringerung der Kompres so rleistung bewirkt.

7. Elektromagnetische Ventilsteuerung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des Öffnungswinkels der Saugventilabhebung entsprechend Anspruch 3 auf elektrischem Wege mittels eines variablen Zeitverzögerungsgliedes in Abhängigkeit beispielsweise vom Saugdruck drehzahlkompensiert erfolgt und die Schaltung des Stromkreises des Elektromagneten kontaktlos durch Halbleiter vorgenommen wird.

8. Elektromagnetische Ventilsteuerung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß-der den Elektromagneten erregende Stromkreis mittels eines Schalters ausgeschaltet wird und der Kompressor damit ohne die elektromagnetische Unterstützung und Beeinflussung arbeitet und daß derselbe Schalter in einer anderen Schaltstellung das Kontaktsystem umgeht und den Elektromagneten dauernd unter Strom hält zwecks ununterbrochenen Abhebens des Saugventils zur Erzeugung eines Kompressorleerlaufes.

9. Elektromagnetische Ventilsteuerung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktgabe für den den Elektromagneten erregenden Stromkreis durch das Zündsystem des Fahrzeugmotors erfolgt, welcher den Kompressor vermittels eines Zahnriemens oder einer Kette antreibt.