Kolbenkompressor in Sternanordnung und Verfahren zum Betrieb Die Erfindung betrifft einen Kolbenkompressor, insbesondere für die Luftversorgung von Luftfedersystemen in Kraftfahrzeugen, wobei der Kolbenkompressor als Mehrkolben-Kompressor mit n>2 Zylinder in Sternanordnung vorgesehen ist. Aus der DE 103 21 771 AI ist ein Kompressor bekannt, bei dem der Saugraum mit dem Verdichtungsvolumen der Niederdruckstufe über eine Druckluftleitung verbunden ist und in der sich ein Ventil befindet. Solange das Ventil in der Druckluftleitung geschlossen ist, wird mit Hilfe des Kompressors die Druckluft in der Niederdruckstufe vorkomprimiert, in die Hochdruckstufe über ^¬ führt und von dort geht die Druckluft in die Auslassleitung. In diesem Fall können mit dem Kompressor große Luftmengen gefördert werden, um z. B. den leeren Druckluftspeicher der Niveauregelanlage zu befüllen.

Für LLKW und PKW werden leistungsfähige Kompressoren dieser Art benötigt, um „offene Luftversorgungen" (OLV) und „geschlossene Luftversorgungen" (GLV) zu betreiben. Für die geschlossene Luftversorgung muss das Hubvolumen so ausgelegt werden, dass im geschlossenen Betrieb die Leistung nicht zu groß wird, da die aufnehmbare Leistung aus dem Fahrzeugboardnetz beschränkt ist. Im Falle der initialen Systembefüllung oder Nachbefüllung bei zu geringer Luftmenge wird Luft aus der Umgebung in das Luftfe ^¬ dersystem gefördert. Dabei wird eine höhere Leistungsaufnahme benötigt, um mit ausreichender Förderleistung in kurzer Zeit das System zu befüllen. Somit herrscht im GLV-Betrieb ein Ausle ^¬ gungskonflikt bezüglich der Kompressorleistung. Bei OLV-Kompressoren sind der maximale Gegendruck und die maximale Förderleistung durch den schlechteren Wirkungsgrad eines „offenen Systems" bei ebenso begrenzter Leistungsaufnahme eingeschränkt .

Um diese Anforderungen zu erfüllen sind Kompressoren mit zwei Kolben bekannt, in denen die Luft aus der Umgebung immer in einer Hochdruckstufe und Niederdruckstufe verdichtet wird und somit eine maximale Förderleistung zur Verfügung steht. Für den geschlossenen Luftversorgungsbetrieb werden aufgrund der hohen Förderleistung nicht beide Verdichterstufen benutzt, da ein zu hoher elektrischer Strom auftreten würde.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein im Vergleich dazu ein variables Kompressorkonzept bereitzustellen, welches eine kostengünstige Herstellung von Kompressoren verschiedener Leistungs- bzw. Anwendungsvarianten sowohl für den GLV- als auch für den OLV-Betrieb ermöglicht. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Druckerzeugung einen Mehrkolben-Kompressor mit n>2 Zylinder in Sternanordnung zu verwenden, wobei vorzugsweise sechs Zylinder vorgesehen sind.

Es werden bevorzugt n Schwingkolben verwendet, die insbesondere zentral an einem Pleuelzapfen drehbar gelagert sind. Der Pleuelzapfen ist an einem Exzenter befestigt und dieser wird vorzugsweise durch einen Elektromotor rotatorisch angetrieben.

Im Kolbenkompressor besitzt jeder Zylinder ein Ein- und ein Auslassventil und ist als Einzelverdichter vorgesehen. Die n Einzelverdichter können nun in unterschiedlicher Weise zusammengeschaltet werden. ^

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind im Kolbenkompressor die n Einzelverdichter parallel geschaltet vorgesehen. Somit ergibt sich ein 1-stufiger Kompressor. Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, jeweils zwei und vier der Einzelverdichter parallel zu schalten und diese beiden Parallelschaltungen in Reihe zu schalten, womit sich ein 2-stufiger Kompressor ergibt.

Ferner sieht eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung vor, jeweils zwei und drei der Einzelverdichter parallel zu schalten und diese Parallelschaltungen mit dem sechsten Einzelverdichter in Reihe zu schalten. Somit ist ein 3-stufiger Kolbenkompressor in Sternanordnung realisierbar.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können die Einzelverdichter während des Betriebs des Kolbenkompressors parallel und/oder in Reihe geschaltet werden. Mittels Schaltung der jeweiligen Ein- und Auslassventile ist eine Umschaltung der verschiedenen Stufen möglich. Die verschiedenen Kombinationen ermöglichen es, während des Betriebs die Verdichtungsfähigkeit an den benötigten Gegendruck anzupassen. Z.B. 1-stufig bei geringen bis mittleren Gegendrücken, wie z.B. 1 - 14 bar, 2-stufig bei mittleren bis hohen Gegendrücken, wie z.B. 10 - 20 bar und 3-stufig bei sehr hohen Gegendrücken, wie z.B. 18 - 30 bar.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, während der Systembefüllung die Einzelverdichter parallel zu schalten und im Regelbetrieb ein oder mehrere Einzelverdichter je nach Leistungsbedarf ab- oder zuzuschalten. Damit ergibt sich ein großer Volumenstrom für eine schnelle Systembefüllung und für den Regelbetrieb eine geringe Leistungsaufnahme. Durch das Ab ^¬ schalten eines oder mehrerer Einzelverdichter kann der Leistungsbedarf an die Vor-/Gegendruckverhältnisse angepasst werden. Der Leistungsbedarf steigt mit zunehmendem Gegendruck und hat ein Maximum bei einem Vordruck, der etwas dem 0,3 - 0,5-fachen des maximalen Gegendruckes entspricht. Die Leis ^¬ tungsanpassung kann im Betrieb fest oder variabel erfolgen.

Folgende Vorteile werden durch die Erfindung und den vorteilhaften Weiterbildungen erzielt.

Die Kolben des Kompressors in Sternanordnung sind zentral an einem Pleuelzapfen drehbar gelagert. Durch die Sternanordnung reduziert sich die resultierende Querkraft auf den Pleuelzapfen, womit das Motorlager weniger belastet wird und kleiner di ^¬ mensioniert werden kann. Aufgrund der geringeren Momentenschwankungen ergibt sich ein ruhigerer Kompressorlauf mit weniger Schwingungseinleitung in die Kompressorhalterung .

Der Antriebsmotor kann deutlich kleiner dimensioniert werden, da das Anlaufmoment kleiner sein kann, womit sich auch der Anlaufstrom deutlich reduziert.

Durch die n Einzelstufen wird das maximale Moment, welches im Verdichtungszyklus beim Erreichen des Gegendruckes entsteht, deutlich reduziert und im besten Fall ein Wert 1/n erreicht. Folglich wird der Kompressor deutlich weniger taumelanfälliger und kann immer sicher anlaufen. Ein druckloses Anlaufen ist somit nicht zwingend erforderlich.

Mittels der rotationssymmetrischen Sternanordnung erfolgt die Kompensation der Kolbenkraft durch den Vordruck im GLV-Betrieb durch die gegenüberliegenden Kolben. Ein Druckausgleich unter dem Kolben, d.h. durch Beaufschlagung des gesamten Kurbelgehäuses ist nicht notwendig. Damit entfallen ein bestdruckfestes Kurbelgehäuse und die erforderlichen Abdichtelemente mit hohen Dichtigkeitsanforderungen bei hohem Druck. Die Konstruktion kann kostengünstiger ausgelegt werden.

Durch die Aufteilung in mehrere Einzelverdichter verteilt sich die Wärmeentwicklung besser, da die lokalen Wärmemengen geringer sind. Bei gleichem Fördervolumen ergibt sich bei n Einzelverdichtern außerdem im Vergleich zu einem 1-Zylinder-Kompressor eine deutlich größere Zylinderaußenfläche, z.B. bei sechs Zylindern die ca. 1,8 fache Fläche. Wodurch eine bessere Wärmeverteilung und Wärmeabführung erreicht wird. Die Wärmeentstehung wird auch zeitlich über die n Einzelverdichter verteilt. Die Einschaltdauer des Kompressors kann dadurch in Summe deutlich erhöht werden. Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung in Luftfedersystemen für LLKW und PKW begrenzt. Der erfindungsgemäße Kompressor ist vielmehr in allen Bereichen einsetzbar, in denen Kleinkompressoren eingesetzt werden. Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.

Es zeigen

Fig. la einen Kolbenkompressor in Sternordnung mit sechs Zylindern,

Fig. lb einen Kolbenkompressor in Sternordnung mit sechs Verdichtern und jeweiligen Ein- und Auslässen,

Fig. 2a einen 1-stufigen Kompressor,

Fig. 2b einen 2-stufigen Kompressor, Fig. 2c einen 3-stufigen Kompressor und

Fig. 3 GLV-Regelbetrieb mit 3 Einzelverdichtern pro Förderrichtung und zwei 2/2-Wegeventile .

Fig. la zeigt in prinzipieller Darstellung einen Kolbenkompressor in Sternordnung mit sechs Zylindern. Diese sind zentral an einem Pleuelzapfen drehbar gelagert. Der in Fig. lb gezeigte Kolbenkompressor in Sternordnung mit sechs Verdichtern verfügt über nicht dargestellte Ein- und Auslassventile. Mittels dieser Ventile werden die verschiedenen Kombinationen zum Schalten der Einzelverdichter ermöglicht. So zeigt Fig. 2a alle sechs Einzelverdichter in einer Parallelschaltung womit sich ein 1-stufiger Kompressorbetrieb ergibt.

In Fig. 2b sind jeweils zwei und vier Einzelverdichter parallel geschaltet. Diese beiden Parallelschaltungen ergeben in Reihe geschaltet einen 2-stufigen Kompressorbetrieb.

In Fig. 2c sind jeweils drei und zwei Einzelverdichter parallel geschaltet. Diese beiden Parallelschaltungen zusammen mit dem sechsten Einzelverdichter in Reihe geschaltet ergeben einen 3-stufigen Kompressorbetrieb.

Fig. 3 zeigt den GLV-Regelbetrieb mit 3 Einzelverdichtern pro Förderrichtung und zwei 2/2-Wegeventile . So ist es vorteilhaft für die Systembefüllung, von sechs Einzelverdichtern nur drei im GLV-Regelbetrieb zu verwenden, womit sich eine symmetrische Verteilung der Kolbenkräfte und damit ein gleichmäßigerer Momentenverlauf ergeben. Verwendet man je drei Einzelverdichter für eine Förderrichtung, so lassen sich gegenüber bekannten GLV-Ausführungen, bei denen die Förderrichtungsumkehr durch ein 4/2-Wegeventil oder durch zwei 3/2-Wegeventile erfolgen muss, die aufwendigen Um- schaltventile durch zwei einfache 2/2-Wegeventile ersetzten. Die Einzelverdichter für die jeweils andere Förderrichtung laufen dann zwar mit, nehmen aber aufgrund der abgesperrten Ansaugung nur wenig Leistung auf.