DE102007039476A1

DE102007039476A1 - Kolbenverdichter

Info

Publication number: DE102007039476A1
Application number: DE200710039476
Authority: DE
Inventors: Heinrich Diekmeyer; Heinrich Schlossarczyk
Original assignee: Wabco GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Hannover GmbH
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2009-02-26
Also published as: EP2191136A1; EP2191136B1; JP2010537107A; WO2009024210A1; US20110277625A1; US9046096B2; CN101680446A; CN101680446B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolbenluftverdichter, der einen Saugraum und einen von dem Saugraum getrennten Zuschaltraum umfasst. Erfindungsgemäß ist ein Luftkanal von dem Zuschaltraum zum Saugraum vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter, der einen Saugraum und einen von dem Saugraum getrennten Zuschaltraum umfasst. Derartige Kolbenluftverdichter werden beispielsweise in Form von Ein-Zylinder-Kolbenverdichtern in Pneumatiksystemen von Lastkraftwagen eingesetzt. Ein derartiger Kolbenluftverdichter besitzt einen in einem Zylinder laufenden Kolben, der auf seinem Weg von einem unteren Totpunkt zu einem oberen Totpunkt Luft verdichtet, die dann als Druckluft durch ein Membranventil, das als Rückschlagventil fungiert, aus dem Kolbenluftverdichter austritt. Die Druckluft wird über eine Druckleitung in eine Luftaufbereitungsanlage geleitet, die die Druckluft trocknet und sie über ein Steuerventil an Verbraucher, wie beispielsweise einen Druckluftbehälter, weiterleitet.
Ist der Druckluftbehälter voll befüllt, so wird der Kolbenluftverdichter in einen Leerlauf geschaltet. Dabei bleibt die Druckleitung unter Druck. Gleichzeitig wird ein Zuschaltraum in den Ein-Zylinder-Kolbenluftverdichter zugeschaltet. Bei seinem Weg vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt komprimiert der Kolben die Luft in dem Zuschaltraum und die komprimierte Luft drückt den Kolben bei seinem Weg vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt wieder zurück, so dass, von Strömungsverlusten abgesehen, im Leerlauf keine Energie aufgewendet werden muss. Je größer der Zuschaltraum ist, desto kleiner ist der Spitzendruck, der maximal auftreten kann. Ist der Zuschaltraum beispielsweise genau so groß wie der Hubraum, so entspricht der Spitzendruck, wenn der Kolben am oberen Topunkt ist, dem Doppelten des minimalen Drucks, wenn der Kolben am unteren Totpunkt ist.
Bei Zwei- oder Mehrkolbenverdichtern werden im Leerlauf einzelne Zylinder über einen Zuschaltraum miteinander verbunden, so dass ebenfalls im Wesentlichen keine Energie benötigt wird. Nachteilig an derartigen Kolbenluftverdichtern ist, dass das Membranventil, das als Rückschlagventil einen gewissen Leckagestrom aufweist, der in Litern pro Minute angegeben und auch als Lässigkeit bezeichnet wird. Aufgrund der Lässigkeit kann Druckluft aus der Druckleitung in den Zylinder des Kolbenluftverdichters einströmen. Beim Komprimieren werden so hohe Drücke erreicht. Aufgrund dieser hohen Drücke strömt Druckluft zwischen Zylinder und Kolben vorbei und gelangt so in das Verdichtergehäuse, in dem sich auch die Ölschmierung des Kolbenverdichters befindet. Aus Umweltschutzgründen muss diese Luft durch den Verbrennungsmotor des Lastkraftwagens geführt werden, um eine Belastung der Umwelt mit schmierölhaltiger Luft zu vermeiden. Sofern der Verbrennungsmotor des Lastkraftwagens einen Turbolader besitzt, kann schmierölhaltige Luft jedoch zu einer beschleunigten Alterung des Turboladers führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenluftverdichter bereitzustellen, der dieses Problem vermindert.
Die Erfindung löst das Problem durch einen gattungsgemäßen Kolbenluftverdichter bzw. Kompressor, der einen Luftkanal von dem Zuschaltraum zum Saugraum besitzt.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass aus einem Druckraum des Kolbenluftverdichters einströmende Druckluft beim Komprimieren durch den Kolben teilweise in den Saugraum entweichen kann, so dass sich weder im Druckraum noch im Zuschaltraum ein übermäßiger Druck aufbauen kann. Ein Luftstrom zwischen Zylinder und Kolben entlang wird dadurch deutlich vermindert oder unterbunden. In den Saugraum verdrängte Luft aus dem Zuschaltraum kann beispielsweise in einen Ansaugbereich des Verbrennungsmotors des Lastkraftwagens abgeführt werden. Die so abgeführte Luft ist im Wesentlichen schmierölfrei, so dass ein möglicherweise vorhandener Turbolader geschont wird.
Vorteilhaft an der Erfindung ist zudem deren leichte Realisierbarkeit. So kann der Luftkanal beispielsweise einfach durch eine Bohrung geeigneter Größe in einer Trennwand zwischen Saug- und Zuschaltraum realisiert werden. Es ist dadurch vor teilhafterweise auch möglich, bereits existierende Kolbenluftverdichter nachträglich zu modifizieren.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Luftkanal jede Struktur innerhalb des Kolbenluftverdichters verstanden, die es Luft gestattet, von dem Saugraum in den Zuschaltraum zu gelangen. Beispiele sind Ausnehmungen, Bohrungen, Kanäle oder Leitungen, die alle Ventile, Klappen, Membranen oder ähnliches umfassen oder beherbergen können.
Unter einem Zuschaltraum wird ein schädlicher Raum verstanden, der nicht zum Saugraum oder zum Druckraum gehört. Der Saugraum ist insbesondere derjenige Raum, durch den Luft bei einem Ansaugvorgang des Kolbenluftverdichters eingesaugt wird. Der Druckraum ist insbesondere der Raum, durch den komprimierte Luft den Kolbenluftverdichter verlässt. Bei einem Kolbenluftverdichter mit zwei oder mehr Kolben ist der Zuschaltraum beispielsweise derjenige Raum, durch den Luft im Leerlaufbetrieb von einem Kolben zum nächsten Kolben strömt.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Saugraum und/oder der Zuschaltraum in einem Zylinderkopf des Kolbenverdichters ausgebildet. Es ergibt sich so ein besonders leicht zu fertigender Kolbenluftverdichter.
Bevorzugt ist der Zuschaltraum durch eine Wandung von dem Saugraum getrennt, wobei der Luftkanal in der Wandung ausgebildet ist. Auf diese Weise lässt sich der Luftkanal auf besonders einfache Weise realisieren. Besonders bevorzugt ist der Luftkanal eine Ausnehmung, insbesondere eine Bohrung in der Wandung.
In dem Luftkanal kann zudem ein Ventil, insbesondere ein in seinem Querschnitt oder seinem Durchlassdruck einstellbares Ventil oder eine Drossel eingebaut sein.
Für einen gegebenen Kolbenluftverdichter mit einem Rückschlagventil zwischen Zylinder und abgehender Druckleitung, das eine vorgegebene Rückschlagventil-Lässigkeit aufweist, wird der Luftkanal bevorzugt so gewählt, dass im Leerlaufbetrieb des Kolbenluftverdichters der Druck im Zuschaltraum langfristig nicht ansteigt. Es hat sich herausgestellt, dass oft eine Querschnittsfläche von unter 15 mm² ausreichend ist, um diese Forderung zu erreichen. Es hat sich zudem herausgestellt, dass der Luftkanal bevorzugt eine Querschnittsfläche von über 0,5 mm² besitzen sollte. Besonders günstig ist, wenn die Querschnittsfläche für den jeweiligen Kolbenluftverdichter individuell angepasst ist oder manuell und/oder automatisch einstellbar ist, beispielsweise mittels Verstellschraube und/oder Druckbegrenzungsventil.
Erfindungsgemäße Kolbenluftverdichter sind bevorzugt Ein-Zylinder-Kolbenluftverdichter. Alternativ ist der Kolbenluftverdichter ein Zwei-Zylinder-Kolbenluftverdichter oder ein Mehr-Zylinder-Kolbenluftverdichter.
Um ein Rückströmen von Luft von dem Saugraum in den Zuschaltraum zu unterbinden, ist der Luftkanal bevorzugt mit einem Rückschlagventil, insbesondere einem Kugelventil, versehen. Dieses Rückschlagventil sperrt einen Luftstrom von dem Saugraum in den Zuschaltraum.
Alternativ oder additiv umfasst das Rückschlagventil eine Membran, insbesondere eine Blechmembran, die zumindest abschnittsweise eine Membrankontur besitzt, die einer Innenkontur des Saugraums entspricht. In diesem Fall fungiert die Rückschlagventil-Membran als Schließkörper. Bei einem Überdruck im Saugraum legt sich die Rückschlagventil-Membran an die Innenkontur des Saugraums und verhindert so ein Ausströmen von Luft aus dem Saugraum hinaus.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
1 ein erfindungsgemäßes Pneumatiksystem,
2 einen erfindungsgemäßen Ein-Zylinder-Kolbenluftverdichter in einer Querschnittsansicht,
3 einen Zylinderkopf des Ein-Zylinder-Kolbenluftverdichters gemäß 2 in einer perspektivischen Ansicht,
4a eine alternative Ausführungsform eines Zylinderkopfes eines erfindungsgemäßen Kolbenluftverdichters,
4b einen Schließkörper aus dem Zylinderkopf nach 4a,
5a eine weitere alternative Ausführungsform eines Zylinderkopfes für einen erfindungsgemäßen Kolbenluftverdichter,
5b ein Rückschlagventil des Zylinderkopfes nach 5a,
6 eine Draufsicht auf einen Zylinderkopf eines erfindungsgemäßen Zwei-Zylinder-Kolbenluftverdichters und
7 eine perspektivische Ansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform eines Zylinderkopfes eines erfindungsgemäßen Zwei-Zylinder-Kolbenluftverdichters.
8 zeigt ein Diagramm, das die Leistungsaufnahme verschiedener Kolbenluftverdichter gegen die Kompressordrehzahl aufträgt und
9 zeigt ein Diagramm, das die Lässigkeit im Leerlaufbetrieb für verschiedene Kolbenluftverdichter, die ihm die Kompressordrehzahl aufträgt.
1 zeigt ein pneumatisches System 10 für einen nicht eingezeichneten Lastkraftwagen, das einen schematisch eingezeichneten Kolbenluftverdichter 12, eine Druckleitung 14, eine Luftaufbereitungseinheit 16, eine Versorgungsleitung 18 und eine elektrische Steuerleitung 20 umfasst.
Der Kolbenluftverdichter 12 saugt im Lastbetrieb Umgebungsluft durch eine Einsaugöffnung 22 an, komprimiert diese und gibt sie in die Druckleitung 14 ab. Wenn in der Versorgungsleitung 18 ein vorgegebener Druck p_max anliegt, sendet die Luftaufbereitungseinheit 16 über die elektrische Steuerleitung 20 ein Signal an den Kolbenverdichter 12, woraufhin dieser in den Leerlauf geschaltet wird. In diesem Fall wird keine weitere Luft mehr angesaugt und ein Rückschlagventil 24 verhindert, dass Druckluft aus der Druckleitung 14 in den Kolbendruckverdichter 12 gelangt.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolbenluftverdichter 12, der einen Zylinderkopf 26, einen Zylinder 28, einen in dem Zylinder 28 laufenden Kolben 30 und einen Kurbeltrieb 32 aufweist. Der Kolben 30 besitzt Kolbenringe 34a, 34b und 34c und wird von einem Pleuel 36 hin- und herbewegt. Innerhalb eines Gehäuses 38 befindet sich eine nicht eingezeichnete Ölschmierung, die den Kolben 30 schmiert. Das Gehäuse 38 steht über eine nicht eingezeichnete Entlüftungsleitung in Verbindung mit einem Ansaugbereich eines Verbrennungsmotors des Lastkraftwagens.
3 zeigt den Zylinderkopf 26, der einen selbständigen erfinderischen Gegenstand der vorliegenden Anmeldung darstellt, in einer perspektivischen Ansicht. Der Kolben läuft auf der dem Betrachter abgewandten Seite des Zylinderkopfes. Im Zylinderkopf 26 ist ein Saugraum 40 ausgebildet, der durch eine Wandung 42 von einem Zuschaltraum 44 getrennt ist. Beim Betrieb des Kolbenluftverdichters strömt Luft durch die Eingangsöffnung 22 (vgl. 2) in den Saugraum 40, vom Saugraum 40 in den Zylinder 28 und wird dort von dem sich auf einen oberen Totpunkt zu bewegenden Zylinder 30 komprimiert. Eine in 3 verdeckte Saugraum-Membrandichtung verhindert, dass die komprimierte Luft in den Saugraum zurückströmen kann. Im Lastbetrieb wird die komprimierte Luft in einen Druckraum 46 gedrückt und gelangt von dort in die Druckleitung 14 (vgl. 1).
Im Leerlauf wird die angesaugte Luft in den Zuschaltraum 44 (3) gedrückt und strömt von dort in den Zylinder zurück, wenn sich der Kolben vom oberen Totpunkt auf einen unteren Totpunkt zu bewegt. Es liegt eine Grovenar-Schaltung vor.
In der Wandung 42, die den Saugraum 40 von dem Zuschaltraum 44 trennt, ist ein Luftkanal in Form einer Ausnehmung 48 vorgesehen. Alternativ oder additiv ist ein Luftkanal in Form einer Bohrung 50 in der Wandung 42 vorgesehen.
Ist das Rückschlagventil 24 (1) undicht, so strömt Druckluft aus der Druckleitung 14 in den Druckraum 46 (3) ein, gelangt dort in den Zylinder 28 (2) und von dort in den Zuschaltraum 44. Ein Teil dieser überschüssigen Luft wird durch die Ausnehmung 48 bzw. die Bohrung 50 in den Saugraum 40 geleitet und verlässt den Kolbenluftverdichter durch die Eingangsöffnung 22 (1).
4a zeigt einen alternativen erfindungsgemäßen Zylinderkopf 26, der einen zweiteiligen Zuschaltraum 44a, 44b und einen teilringförmigen Saugraum 40 besitzt. In der Wandung 42 zwischen dem Saugraum 40 und dem Zuschaltraum 44b ist der Luftkanal in Form einer Ausnehmung 48 angeordnet, die saugraumseitig von einer Schließmembran 52 abgeschlossen wird, die damit einen Schließkörper darstellt. Die Schließmembran 52 ist aus Federstahlblech gefertigt und besitzt eine Membrankontur, die einer Innenkontur des Saugraums 40 entspricht. Überschreitet ein Luftdruck p im Zuschaltraum 44b einen vorgegebenen Wert, so überwindet dieser Luftdruck den Widerstand der Schließmembran 52 und Druckluft 54 strömt in den Saugraum 40 ein.
4b zeigt die Schließmembran 52 in einer perspektivischen Ansicht. Es ist zu sehen, dass die Schließmembran 52 als ein gebogenes Federstahlblech ausgebildet ist.
5a zeigt eine alternative Ausführungsform eines Zylinderkopfes 26 für einen erfindungsgemäßen Ein-Zylinder-Kolbenluftverdichter, bei dem zwischen dem Zu schaltraum 44b und dem Saugraum 40 ein Luftkanal in Form eines Rückschlagventils, nämlich eines Kugelventils 56, angeordnet ist.
5b zeigt das Kugelventil 56 mit einer Ventilkugel 58, die über eine Feder 60 auf einen Ventilsitz 62 vorgespannt ist.
6 zeigt einen Zylinderkopf 26 für einen erfindungsgemäßen Zwei-Zylinder-Kolbenluftverdichter. Zwischen dem Saugraum 40 und einem Zuschaltraum 44 ist wiederum ein Luftkanal ausgebildet, in dem ein Kugelventil 56 angeordnet ist. Über jeweils zwei Einströmöffnungen 64 bzw. 66 kann Luft aus jeweils einem der beiden Zylinder durch den Zuschaltraum 44 in den jeweils anderen Zylinder strömen, wenn der Kolbenluftverdichter im Leerlauf betrieben wird, so dass der Zuschaltraum gleichzeitig als Verbindungskanal fungiert.
7 zeigt einen weiteren alternativen Zylinderkopf 26 für einen erfindungsgemäßen Kolbenluftverdichter, bei dem in der Wandung 42, die den Saugraum 40 von dem Zuschaltraum 44 trennt, zwei Luftkanäle in Form von Ausnehmungen 68a, 68b vorgesehen sind. Auch in 7 befinden sich die Kolben des Kolbenverdichters in Einbaulage in Blickrichtung hinter dem Zylinderkopf 26. Im Druckraum 46 sind in dieser Ansicht zwei Druckraum-Membranventile 70a, 70b zu erkennen, die ein Einströmen von komprimierter Luft aus dem jeweiligen Zylinder in den Druckraum 46 gestatten und ein Rückströmen verhindern.
8 zeigt ein Diagramm, das die Leistungsaufnahme verschiedener Kolbenluftverdichter gegen eine Drehzahl der Kolbenluftverdichter im Leerlauf aufträgt. Es handelt sich in jedem Fall um Ein-Zylinder-Kolbenluftverdichter mit einem Hubraum von V_h = 318 m³. Kurve a zeigt die drehzahlabhängige Leistungsaufnahme eines Kolbenluftverdichters nach dem Stand der Technik, bei dem im Leerlauf die komprimierte Luft in die Atmosphäre abgegeben wird. Kurve b zeigt die Leistungsaufnahme für ein System gemäß 1 mit einem ideal dichten Rückschlagventil 24 (vgl. 1) im Govenar-Modus. Kurve c zeigt die Leistungsaufnahme eines Kolbenluftverdichters gemäß 1, wenn das Rückschlagventil 24 eine Lässigkeit (Leckstromrate) von 25 l/min aufweist und Kurve d zeigt den Fall gemäß Kurve c, bei dem jedoch eine Bohrung 50 (vgl. 3) in die Wandung 42 eingebracht ist. Es ist zu erkennen, dass die Leistungsaufnahme in diesem Fall deutlich geringer ist als im Fall ohne Bohrung. Es ist zudem zu erkennen, dass durch die Bohrung annähernd die gleiche Leistungsaufnahme erreichbar ist wie für einen Kolbenluftverdichter mit einem ideal dichten Rückschlagventil 24.
9 zeigt die Lässigkeit im Leerlaufbetrieb in Abhängigkeit von der Kompressordrehzahl für die in 8 genannten Fälle. Der Unterschied zwischen den Kurven c und b zeigt den positiven Einfluss des Luftkanals in Form der Bohrung 50 in der Wandung 42 (vgl. 3).

Claims

Kolbenluftverdichter (12), der (a) einen Saugraum (40) und (b) einen von dem Saugraum (40) getrennten Zuschaltraum (44) umfasst, gekennzeichnet durch einen Luftkanal (48, 50, 56, 68) von dem Zuschaltraum (44) zum Saugraum (40).
Kolbenluftverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Saugraum (40) und/oder der Zuschaltraum (44) in einem Zylinderkopf (26) des Kolbenverdichters ausgebildet sind.
Kolbenluftverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschaltraum (44) durch eine Wandung (42) von dem Saugraum (40) getrennt ist und der Luftkanal (48, 50, 56, 68) in der Wandung (42) ausgebildet ist.
Kolbenluftverdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal eine Ausnehmung (48), insbesondere eine Bohrung (50), in der Wandung (42) ist.
Kolbenluftverdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal eine Querschnittsfläche von unter 5 mm² besitzt.
Kolbenluftverdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal eine verstellbare Querschnittsfläche besitzt.
Kolbenluftverdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Einzylinder-Kolbenluftverdichter ist.
Kolbenluftverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Zweizylinder-Kolbenluftverdichter ist.
Kolbenluftverdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (48, 50, 56, 68) mit einem Rückschlagventil (24), insbesondere einem Kugelventil (56), versehen ist.
Kolbenluftverdichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (24) eine Schließmembran (52), insbesondere eine Blech-Schließmembran, umfasst, die zumindest abschnittsweise eine Membrankontur besitzt, die zumindest abschnittsweise einer Innenkontur des Saugraums (40) entspricht.
Nutzkraftwagen mit einem Pneumatiksystem (10), das einen Kolbenluftverdichter (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.