In herkömmlichen Membranverdichtern werden weit verbreitet sogenannte „Zungenventile“ eingesetzt, um eine gerichtete Verdichtung zu gewährleisten. Die Betätigung der „Zungenventile“ erfolgt dabei durch Druckdifferenzen zwischen der Ober- und Unterseite der Ventilzunge. Bei einer Verdichterdrehzahl von 1800 U/min wird das Einlass- und Auslassventil 30-mal pro Sekunde geöffnet und geschlossen. Mit zunehmender Verdichtung sinkt die Druckdifferenz, die die für die Ventilbetätigung notwendige Energie bereitstellt, immer weiter ab, solange bis ein zuverlässiges Öffnen der Ventile nicht mehr gewährleistet ist. Für die geplante Erhöhung der Verdichterdrehzahl, muss die Ventilbetätigung in einem noch kürzeren Zeitabschnitt als bisher erfolgen. Dazu ist eine hochdynamische Betätigung der Ventile erforderlich. Durch die damit einhergehenden zunehmenden Trägheitseffekte an der Ventilzunge wird auch eine deutlich höhere Energiemenge benötigt. Die zur Verfügung stehende Betätigungsenergie, resultierend aus der vorherrschenden Druckdifferenz, ist jedoch limitiert.
Der Ansatz für die Entwicklung begründet sich darin, dass durch eine Optimierung des Schwingungsverhaltens der bislang eingesetzten Ventile die zur Verfügung stehende Betätigungsenergie optimal genutzt werden kann. Bei herkömmlichen Ventilen kommt es derzeit beim Schließen der Ventile zu sogenannten Prelleffekten, d. h. die Bewegungsenergie der Ventilzunge wird beim Auftreffen im Ventilsitz nahezu vollständig abgegeben bzw. in andere Energieformen umgewandelt. Für ein erneutes Öffnen des Ventils muss zunächst ein Großteil der zur Verfügung stehenden Energie (Druckdifferenz) aufgewendet werden, um die Ventilzunge wieder in Bewegung zu versetzen. Bei entsprechend hoher Drehzahl des Verdichters steht die Antriebsenergie nur für Sekundenbruchteile zur Verfügung, so dass ein kontrolliertes Öffnen der Ventile nicht mehr stattfinden kann. Bekanntermaßen wird im Resonanzbetrieb ein schwingungsfähiges System zum verstärkten Mitschwingen angeregt. Durch die Verstärkung kann die zur Verfügung stehende Betätigungsenergie (Druckdifferenz) optimal genutzt werden, so dass trotz gleichbleibender Energiemenge erhöhte Trägheitseffekte überwunden werden können.
Für die Umsetzung des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens sind umfangreiche Arbeiten zur Modellbildung, numerischen Simulation und Optimierung erforderlich. Dazu müssen auch die relevanten Parameter (Druck, Ventilweg, …) an den bestehenden Zungenventilen während des Betriebs messtechnisch erfasst werden, um das Ventilschaltverhalten realistisch nachbilden zu können. In der Abbildung 1 ist der dafür vorgesehene Prüfstand mit der entsprechenden Sensorik dargestellt. Das Schaltverhalten der Ventile ist maßgeblich durch deren Eigenfrequenz bestimmt. Jeder Eigenfrequenz kann eine Eigenform zugeordnet werden. Die Abbildung 2 zeigt die ersten drei Eigenformen des derzeit eingebauten Zungenventils, die mit Hilfe numerischer Simulationen ermittelt wurden.
