专利名称：一种用于控制压缩机中气流的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制压缩机中气流的控制方法，其中，在进气冲程中所述压缩机的容积被扩大，接着在排气冲程中具有引入体积的气体被压缩并且通过一个排气用单向阀和/或一个可操纵的阀排出。压缩机具有一个可控进气阀，其是气动操纵式、液压操纵式或电磁操纵式的，并且基于控制系统发出的信号而被打开和关闭。
这种类型的压缩机通常被称为容积式压缩机，其尽管有许多种实施方式，但活塞式压缩机是最普通的一种。为利用本发明的优点，压缩机应该具有一个可控进气阀。但是，优选的是压缩机也具有一个可被关掉的进气用单向阀以及一个可控排气阀。相对于已知的方法，本发明可以满足压缩气体的不同需要，并且能够减少能量消耗及对环境的影响。
本发明可适用于工业用、车辆和车辆发动机用、燃料电池等用的容积式压缩机。
本发明只有利用一个控制系统才能投入使用。控制系统的程序对本发明的功能具有决定性影响。用于实现本发明的程序可用作一个大型控制系统如发动机运行系统的一部分。
由于活塞式压缩机是最为普通的容积式压缩机，因此，本发明将通过示例的方式从其在活塞式压缩机中的应用开始进行描述。
背景技术：
容积式压缩机，特别是活塞式压缩机，通常是以恒定和相对低的每分钟转数运行。通常，进气阀和排气阀是单向阀，它们在较高的每分钟转数下对气流具有抑制作用。
气流控制通常试验下述方式进行的，即在连接到压缩机上的气罐内的压力下降到一定等级之下时使压缩机起动和在已获得一定压力级别时使压缩机停止。频繁起动和停止会导致较大的磨损并且是耗能的。
依据另一种普通类型的控制方法，在连接到压缩机上的气罐内获得一定压力级别时，依靠一个截止阀切断流向进气用单向阀的气体，而同时允许压缩机以没有任何气体压缩的循环继续运行。在气罐内的压力下降到一定等级之下时，再次又允许气流进入。
在压缩气体的需要不是非常频繁时，第一种类型的控制是最经济的。当频繁需要时，后一种类型的控制很明显更为经济。但是，气流的关闭/开启相对较慢。这意味着，即使是在最短的可能切断时间内，也会执行多个没有任何气体压缩的循环。此外，慢速的关闭/开启将导致显著的气流损失。因此，气罐和压缩机必然具有更大的尺寸，而不能使流向压缩机的气体像单次循环一样被临时切断。此外，快速的关闭/开启将减少气流损失。
本发明可使气流不会像前面对使用单向阀的情况所描述的那样受到抑制，并且可使空气的流动被快速地切断/开启，以及可以被在短至单一循环的时段内被切断。由此，相对于现有的方法，可减少能量消耗及降低对环境的影响，同时减小压缩机和气罐的尺寸。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于控制压缩机中气流的控制方法以避免上述的缺陷，并且通过更快的控制和更均衡的压力级别满足对压缩气体的不同需要，同时，相对于现有技术中的方法可减少能量消耗并且降低对环境的影响。
本发明的目的是通过一个压缩机实现的，在进气冲程中所述压缩机的容积被扩大，接着在排气冲程中具有引入体积的气体被压缩并且通过一个排气用单向阀排出。压缩机具有一个可控进气阀，其是气动操纵式、液压操纵式或电磁操纵式的，并且基于控制系统发出的信号而被打开和关闭。所述控制方法的特征在于，所述进气阀在进气冲程的至少一部分中保持关闭。进一步的特征显示在随后的说明书和权利要求书中。
在此，所描述的压缩机是容积式压缩机，特别是活塞式压缩机。
这里采用了一个可控进气阀、一个可控排气阀、一个进气用单向阀、一个排气用单向阀和类似术语，这意味着还包括其它使用大量所述类型阀的可行实施例。
此外，还可以设想，所述压缩机可包括多个压缩机，例如多气缸活塞式压缩机，其中每个气缸限定出一个单独的活塞式压缩机，并且每个单独压缩机依照说明书和权利要求书中描述的方式运行。
容积式压缩机的一个共有特征是在进气冲程中容积被扩大。在容积扩大时，被充入气体如空气，气体通过一个阀流入，所述阀通常是单向阀。在进气冲程结束后，包围着引入的气体的容积被压缩，接着，气体通过一个阀排出，所述阀通常是单向阀。活塞式压缩机是最普通的容积式压缩机，并且在活塞式压缩机中，被扩大的容积和被压缩的容积是相同的。例如，也有旋转的容积式压缩机，其中被扩大的容积与被压缩的容积不相同。在活塞式压缩机中，一个活塞在两个止点之间在气缸内部移动，这两个止点分别被称为上止点和下止点。活塞从上止点到下止点的移动可导致容积在进气冲程中扩大，如权利要求1中的前序部分所表达的。活塞从下止点到上止点的移动可导致在排气冲程中具有引入体积的气体被压缩并且通过一个排气用单向阀排出，也如前序部分中所表达的。
通常，进气用单向阀和排气用单向阀置于上止点。在进气冲程中，当活塞从上止点朝向下止点移动时，在活塞和上止点之间容积被扩大，在移动过程中通过一个进气用单向阀向所述容积中充入气体。在排气冲程中，活塞从下止点朝向上止点移动，活塞和上止点之间的容积被压缩。在初始阶段，被包围的气体无处流动，因此，逐渐变小的容积内压力增加，在被包围的气体内的压力充分高于排气用单向阀另一侧的压力时，单向阀打开并且在活塞朝向上止点连续移动的过程中气体被排出。在此，一个进气冲程加上随后的一个排气冲程被称为一个循环。在压缩机轴旋转一整圈的过程中执行一个完整的循环。
参照上述技术背景的说明，如果可在短至单一循环的时段内切断气流，则可获得重要利益。利用依据说明中最初定义的一个可控阀的辅助作用，可在关闭进气阀的情况下执行一个单独的进气冲程，这意味着在进气冲程中没有气体被引入。这自动地导致在排气冲程中没有气体被排出。因此，气流在一个循环过程中被切断。利用关闭的进气阀执行的进气冲程被称为封闭进气冲程。
为能够实施本发明的方法，需要使用可控阀，主要是可控进气阀。但是，一个优选的实施例中除了已有的排气用单向阀之外，还具有一个可控排气阀。通过使用可控阀，可使得空气流量显著大于现今压缩机中使用的单向阀所能达到的空气流量。由此，可允许显著更高的每分钟转数，从而可能使用比现今所使用的更小的活塞式压缩机。也可以一起使用一个进气用单向阀和一个气体导管，该气体导管在已获得一定压力的空气的一定量基础上被关闭，例如利用机械技术关闭，由此获得具有辅助功能的显著优点。即使可控进气阀和/或排气阀有故障，辅助功能将发挥作用。通过使用可控的进气阀，进气阀在一个完整的进气冲程中可被关闭，这时被称为封闭进气冲程，而且也可以在进气冲程的一部分过程中被关闭，这种部分可以在不同循环之间相互不同。因此，依据本发明的方法依靠在进气冲程的至少一部分过程中进气阀的关闭来达到在排气冲程中控制排气容积的目的。此外，可以理解，这种关闭可以发生在普通的进气冲程中通常存在的顺序中，并且压缩机以进气冲程和排气冲程的多个顺序执行的循环运行。
依靠本发明控制方法的特定控制策略，即利用一定频率的具有封闭进气冲程的循环提供每时所需的压缩气体的量，其中所述频率在每分钟转数的0％到100％之间变化，可实现显著经济性的运行。例如，如果控制系统选择频率为0％，则不执行具有封闭进气冲程的循环，而是在每转都供应气体；在频率为100％时，则所执行的每个循环都具有封闭进气冲程。在频率为50％时，每两转执行一个具有封闭进气冲程的循环；在频率为20％时，每五转执行一个具有封闭进气冲程的循环，在频率为10％时，每十转执行一个具有封闭进气冲程的循环。因此，例如，每两转、三转、四转及五转等执行一个具有封闭进气冲程的循环。在其余的循环/转数中，在进气冲程中供应气体。当频率为50％到100％之间时，一个具有封闭进气冲程的循环之后紧跟着一个、两个或多个连续的具有封闭进气冲程的循环，或是一系列具有封闭进气冲程的循环。例如，在频率为80％的具有封闭进气冲程的循环中，一种适当的分配是，在一组连续的具有封闭进气冲程的四个循环之后，是一个具有常规进气冲程的单次循环，接着，在另一组连续的具有封闭进气冲程的四个循环之后，是另一个具有常规进气冲程的单次循环等。为了尽可能保持与压缩机相连的气罐中的受压气体的压力级别的均匀，以及为了允许气罐的尺寸尽可能小，所述控制系统应具有的特征是，在每个具有封闭进气冲程的循环之间或每组连续的具有封闭进气冲程的循环之间，应该执行大致相同的转数。本发明还包括使用一定频率的标准进气冲程循环来提供对压缩气体的即时需要，这也可以产生相同的效果。
本发明的控制方法的另一个可以与上述的频率控制方法有益地结合起来的特定控制策略是利用下述循环以满足压缩气体的即时需要，即根据控制系统的决定，在进气冲程的一部分过程中，在活塞从上止点到下止点的活塞冲程中的某一位置处，可控阀被关闭。进气冲程的所述部分可在不同的循环中相互不同。这种有益的可行性可能将存储压缩气体的容器尺寸减至最小，或者甚至由引导压缩气体从压缩机到使用气体的设备的导管构成该容器。由于可以根据变化的消耗量来基本同时地改变产出量，以提供与给定时间消耗量大致相同的压缩气体量，因此可以具有最小的压缩气体存储空间。
由于显著降低气流损失，因此可控的进气阀和可能的排气阀能够显著增加预定体积容量下的流动能力，所述体积容量指的是活塞压缩机中在活塞两个止点之间的气缸内部容积。这意味着例如活塞压缩机可被连接到车辆发动机的发动机轴上，并且每分钟转数直接或者通过齿轮减速机构而随从于发动机的每分钟转数。在包括车辆的实施例中，术语气体应被替换成空气。例如，活塞压缩机可用于产生发动机燃烧所需的压缩空气，用于操纵用在发动机和/或压缩机本身中的可控气动阀，用于实现空气辅助的燃料喷射，用于断开系统等。一个特定特征是，在发动机运行的情况下，具有较高的每分钟转数和需要大量的压缩空气，此时可在活塞到达下止点之后关闭进气阀，由此与活塞到达下止点之前进气阀被关闭的情况相比，可导致供应大量的要被压缩的空气。另一种在发动机运行时增加压缩机容量的特定方法是，将用于空气供应的压缩机的导管连接到一个现有的通向发动机的空气导管，其中由排气涡轮或螺杆压缩机产生压缩空气。优选在现有中冷器的下游进行连接。适宜在空气过滤器的下游和任何现有节流阀的上游连接到用于供应空气的车辆发动机导管—即使此处没有压缩空气的设备，因为空气已经通过了净化空气的过滤器。
前述辅助功能也是本发明的特征，其在发动机运行中特别有用。它所限定的特征可导致总是能够随时得到一定产出容量的压缩空气或其它气体。正如已经提到的，在任何可控阀出现故障的情况下，这种辅助功能是有益的。而且，其可导致立即建立起需要使用的空气压力，例如，在压力存储器或用于压缩空气的导管中没有剩余压力时，可以利用电起动机启动空气辅助燃料喷射的发动机。例如，如果有气动操纵式的可控阀，同样可以采用上述措施。在进气用单向阀和排气用单向阀分别具有较大流量时并且一个可控气动操纵式、液压操纵式或电磁操纵式关闭元件设置在进气用单向阀的附近或上游的情况下，这种辅助功能原理也是执行下述操作的前提条件，即执行一定频率的具有封闭进气冲程的循环，或在所述进气冲程中的一部分过程中在活塞从上止点到下止点的活塞冲程中的某一位置处关闭可控关闭元件，所述部分由控制系统确定。
正如已经提到的，本发明的方法还包括一个实施例，其中可控排气阀也可以是气动操纵式、液动操纵式或电磁操纵式的。本发明的方法的特征还在于，在将被排出的气体和在排气阀相反侧的气体之间达到压力平衡时，可控排气阀被打开。重要的是避免活塞和排气阀的任何接触，以及由此优选实施例的特征在于，排气阀在背对气缸的方向上打开，所述打开方向与活塞在压缩和排出过程中的运动方向相同。如果排气阀在相反方向上打开，所述方向向着活塞运动的方向，排气阀不得不尽早地充分关闭以避免与活塞有任何接触。这样，可控排气阀和排气用单向阀的结合是有益的，并且是本发明的一个特征，其目的是能排出一定量的在其他情况下将会残留的压缩气体。然而，在距排气阀完全关闭仍有足够小的距离时，活塞与排气阀充分轻的接触没有损害，相反还利于较好地排出气体。但是，这意味着排气阀应沿着一个入口/与活塞方向绝对相同的方向移动。
从以上的描述和下面的说明中可以看出，具有所需的传感器和其它元件的电子控制系统，包括为特定目的开发的计算机程序，是绝对必要的。
本发明将参照仅有的图1进行描述，其示出了具有一个活塞的压缩机的代表性的示意图。
具体实施例方式
图1是一个代表性的示意图，其示出了具有活塞1的压缩机气缸。在进气冲程中，活塞被移动，空气(或任何其它气体)流过打开的进气阀2。进气阀2和关闭的排气阀3是由气动式、液压式或电磁式的可控阀构成。一个电路4用于操纵阀2和3。一个控制单元5可操作地与电路4连接，用于通过信号控制电路以及与电路相连的阀2和3。压缩的空气被输送通过排气阀3和/或一个排气用单向阀6，从而通过一个导管7到达一个气罐8。依靠气罐8中的一个可操作地连接着控制单元5的传感器9，控制单元被提供关于气罐中压力的连续信息。一个传感器10设置在一个分度盘(graduated arc)12上，用于向控制单元传输连续的信息，以计算每分钟转数和活塞在气缸中的位置，该分度盘安装在压缩机轴11上并且可操作地连接到控制单元5上。控制单元5确定可控阀2和3应该打开和关闭的时间。例如，压缩机轴11连接到一个电机或车辆内的发动机上(没有示出这种连接)。通过进气阀2供应的气体可以优选地利用如车辆中排气涡轮被预压缩。用于进行压缩的空气可有益地取自可能设置在车辆中的中冷器的下游(未示出连接)。排气用单向阀6和装备有关闭元件14的进气用单向阀13建立起一种辅助功能。关闭元件14通过一个导管15连接到气罐8。如果气罐中的压力减少到预定等级以下，关闭元件14打开，例如通过一个机械式弹簧16的作用打开，以使要被压缩的空气被供应通过进气用单向阀13。这种辅助功能意味着在可控进气阀2关闭或不发挥作用的情况下受压气体可被减少到一定量。为了至少在一定程度上能够利用空气辅助元件例如燃料喷射或制动系统来对车辆进行促动，这一点是重要的。例如，如果可控阀2和3是由气动阀构成，并且气罐8中的压力太低而不能起动所述阀，则应当提供这种辅助功能，以便利用与进气用单向阀13相关联的关闭元件14前面的弹簧16来获得足以使阀2和3起动的气罐压力。在可控阀2和3是气动阀时，在所述阀和气罐8之间分别设有一个空气导管(未示出)。例如，用于车辆辅助系统的受压空气通过一个连接部17从气罐8中排出。对于所描述的辅助功能，仅需要较小的单向阀13、6。而大流量的需要可通过可控阀2、3来满足。在压缩冲程中，在进气用单向阀13通过关闭元件14的作用而被关闭的情况下，当气罐8中的空气和在气缸1中压缩的空气之间出现压力平衡时排气阀3应打开。一个传感器18记录气缸的压力，其可操作地连接到控制单元5上。通过控制单元，该压力与气罐中的压力进行比较，目的是检查排气阀3在曲柄位于正确角度位置时已经被起动。依据本发明的一个替代性实施例，小的排气用单向阀和可控排气阀3被一个或多个排气用单向阀替代。依据本发明的另一个实施例，进气用单向阀13和可控进气阀2被一个大的进气用单向阀替代，并且关闭元件14被一个快速的可控元件替代。类似于阀2和3，该可控元件能在短至单一循环的时间内切断要被压缩的空气的流动。
权利要求
1.一种用于控制压缩机中气流的控制方法，其中，在进气冲程中所述压缩机的容积被扩大，并且在排气冲程中具有引入体积的气体被压缩并通过一个排气用单向阀(6)和/或一个可操纵的排气阀(3)排出，其中该压缩机具有一个可控进气阀(2)，其是气动操纵式、液压操纵式或电磁操纵式的，并且基于控制系统发出的信号而被打开和关闭，其特征在于，所述进气阀(2)在进气冲程的至少一部分中保持关闭。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述进气阀(2)在整个进气冲程中保持关闭。
3.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，具有封闭进气冲程的循环的频率在每分钟转数的0％到100％之间变化，以便在给定的每分钟转数下输送瞬时所需的压缩气体量。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，在每个具有封闭进气冲程的循环或者每组具有封闭进气冲程的连续循环之间，执行相同数量的转数。
5.如权利要求1-4任一所述的控制方法，其特征在于，所述进气阀(2)在从进气冲程向排气冲程转换时或在转换后被关闭。
6.如权利要求1-5任一所述的控制方法，其特征在于，所述压缩机(1)的进口除了包括可控进气阀(2)之外，还包括一个进气用单向阀(13)，并且通过控制与压缩机相连的气罐(8)中的气压，以使用于将气体供应到该进气用单向阀的导管被设置在单向阀附近或上游的关闭元件(14)节流或关闭。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述关闭元件(14)是一个基于控制系统发出的信号而被打开和关闭的可控阀。
8.如权利要求1-7任一所述的控制方法，其特征在于，所述压缩机(1)的出口除了设有一个排气用单向阀(6)之外，还包括一个可控排气阀(3)，其是气动操纵式、液压操纵式或电磁操纵式的，并且基于控制系统发出的信号而被打开和关闭。
9.如权利要求1-8任一所述的控制方法，其特征在于，当在将要被排出的气体和排气阀(3)相反侧的气体之间达到压力平衡时，所述排气阀(3)被打开，所述排气阀是通过一个用于记录气缸内压力的传感器(18)而被控制的，所记录的气缸内压力与另一个传感器(9)记录的气罐内压力相比较。
10.如权利要求1-9任一所述的控制方法，其特征在于，一个在压缩机(1)和气罐(8)之间延伸的导管(7)满足压缩机和将要使用压缩气体的设备之间对压缩气体的需要。
11.一种控制系统，其特征在于，包括一个适用于执行如权利要求1所述方法的计算机程序。
全文摘要
公开了一种用于控制压缩机中气流的控制方法，其中，在进气冲程中所述压缩机的容积被扩大，并且在排气冲程中具有引入体积的气体被压缩并通过一个排气用单向阀(6)和/或一个可操纵的排气阀(3)排出，其中该压缩机具有一个可控进气阀(2)，其是气动操纵式、液压操纵式或电磁操纵式的，并且基于控制系统发出的信号而被打开和关闭。在进气冲程的至少一部分内，所述进气阀(2)保持关闭。
文档编号F04B49/02GK1688814SQ03824170
公开日2005年10月26日 申请日期2003年8月12日 优先权日2002年8月13日
发明者马茨·赫德曼 申请人:卡尔克内工程公司