DE102008004809A1

DE102008004809A1 - Kolbenkompressor mit einer ein Lamellenventil aufweisenden Ventilplatte

Info

Publication number: DE102008004809A1
Application number: DE102008004809A
Authority: DE
Inventors: Eduard Dr. Gerum
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2009-07-23
Anticipated expiration: 2028-01-18
Also published as: WO2009090033A3; WO2009090033A2; EP2238349B1; DE102008004809B4; EP2238349A2; ATE549514T1

Abstract

Kolbenkompressor zur Erzeugung von Druckluft mit mindestens einem Zylinder (1), in dem ein über einen Kurbeltrieb bewegbarer Kolben (2) zum Komprimieren angesaugter Umgebungsluft angeordnet ist, wobei eine mindestens ein Lamellenventil (3) als Druckventil aufweisende Ventilplatte (4) einen Zylinderraum (5) zylinderkopfseitig begrenzt, wobei das Lamellenventil (3) auf der dem Kolben (2) abgewandten Seite eine in die Ventilplatte (4) eingearbeitete konkave Ventilsitzausnehmung (6) aufweist, deren Kontur an eine ebenso konkav geformte Ventillamelle (7) dichtend angepasst ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenkompressor zur Erzeugung von Druckluft mit mindestens einem Zylinder, in dem ein über einen Kurbeltrieb bewegbarer Kolben zum Komprimieren angesaugter Umgebungsluft angeordnet ist, wobei eine mindestens ein Lamellenventil als Druckventil aufweisende Ventilplatte einen Zylinderraum zylinderkopfseitig begrenzt.
Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf den Fahrzeugbereich, in welchem Kolbenkompressoren zum Komprimieren von Umgebungsluft vornehmlich im Bereich von druckluftbetriebenen Bremssystemen zum Einsatz kommen. Die Kolbenkompressoren beziehen ihre Antriebsenergie entweder direkt vom Verbrennungsmotor des Fahrzeuges oder sind mit einem separaten Antrieb, meist einem Elektromotor, ausgestattet.
Aus der DE 196 31 415 A1 geht ein gattungsgemäßer Kolbenkompressor hervor. Dieser besteht im Wesentlichen aus einem mehrere Zylinder bildenden Kompressorgehäuse, in dem je zugeordnete Kolben über einen gemeinsamen Kurbeltrieb oszillierend bewegbar angeordnet sind. Durch die Arbeitsbewegung der Kolben wird Umgebungsluft angesaugt, innerhalb des Zylinders komprimiert und als Druckluft zur weiteren Verwendung ausgestoßen. Zur Steuerung des Verdichtungszyklus ist eine Ventilplatte vorgesehen, die den Zylinderraum zylinderkopfseitig begrenzt. Die Ventilplatte enthält ansaugseitig ein nach Art eines Rückschlagventils ausgebildetes Ansaugventil sowie ein ebenfalls nach Art eines Rückschlagventils ausgebildetes, jedoch entgegengesetzt wirkendes Druckventil. In beiden Fällen kommen bauraumsparende Lamellenventile zum Einsatz. Jedes Lamellenventil weist eine aus Federblech bestehende Ventillamelle auf, die zungenartig ausgebildet ist und an einem Ende an der Ventilplatte angebracht ist. Mit dem gegenüberliegenden Ende deckt die Ventillamelle einen zylindrischen Durchbruch durch die Ventilplatte ab, welcher die Verbindung von oder zum Zylinderraum herstellt. Die Ventillamellen sind im Querschnitt eben ausgebildet und in einer flachen Ausnehmung der Ventilplatte derartig versenkt untergebracht, dass diese nicht über die Oberfläche der Ventilplatte hervorstehen. An dieser Ausnehmung schließt sich ein flacher konischer Trichter an, der die Verbindung zu dem zylindrischen Durchbruch herstellt, der in den Zylinderraum einmündet.
Im oberen Todpunkt des Kolbens ergibt sich im Zylinderraum ein verbleibendes Totvolumen, welches sich aus dem Abstand des Kolbens zur Ventilplatte plus dem Volumen der zylindrischen Durchbrüche zum Lamellenventil ergibt. Die zylindrischen Durchbrüche nehmen dabei einen erheblichen Teil des Totvolumens ein. Dabei wird der Abstand vom Kolben zur Ventilplatte aus durch die Dicke des neben dem Druckventil gewöhnlich vorhandenen Saugventil bestimmt. Da das Saugventil meist an der Unterseite einer Ventilplatte angeordnet ist, bestimmt letztlich der Abstand zwischen Kolben und dem Saugventil das Totvolumen im Zylinder.
Nachteilig erweist sich beim Stand der Technik, dass das Totvolumen einen maßgeblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad und die Förderleistung des Kompressors besitzt, also möglichst minimal, idealerweise Null sein sollte. Aus fertigungstechnischen Gründen ist jedoch ein gewisser Kolbenunterstand unvermeidlich. Das Lamellenventil besitzt eine im Ausgangszustand ebene Ventillamelle, welche durch den Systemdruck über der Ventilplatte auf diese gedrückt wird, so dass der zylindrische Durchbruch in Richtung Zylinderraum verschlossen ist und damit dicht ist. Steigt im Zylinderraum der Druck über dem Systemdruck an, so wird die Ventillamelle von der Ventilplatte abgehoben und die Druckluft wird aus dem Zylinderraum in den Zylinderkopf gefördert. Hierbei ist das Totvolumen der Druckbohrung unvermeidlich. Insbesondere bei Ventilplatten mit Wasserkühlung ist die Ventilplatte relativ dick ausgeführt, woraus sich ein besonders langbauender zylindrischer Durchbruch und damit ein relativ großes Totvolumen ergibt.
Die vorgenannte erläuterte Problematik kommt insbesondere bei Kolbenkompressoren mit Turboaufladung zum tragen, da die Förderleistung hierbei um einen Faktor 2–3 höher liegt als bei normalen Kolbenkompressoren. Dies bedeutet, dass die zwei bis dreifache Menge Druckluft durch die Druckventil gefördert werden muss. Bleiben die Druckventile unverändert gegenüber einem Kompressor ohne Aufladung, so ergeben sich totvolumenbedingt besonders hohe Verluste. Werden entsprechend der erhöhten Förderleistung sogar zusätzliche Druckventile in die Zylinderplatte integriert, erhöht sich das Totvolumen um den Faktor der zusätzlichen zylindrischen Durchbrüche.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, insbesondere für einen aufgeladenen Kolbenkompressor eine hinreichende Anzahl von Druckventilen bei gleichzeitig minimalem Totvolumen bereitzustellen.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Kolbenkompressor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das als Druckventil dienende Lamellenventil auf der dem Kolben abgewandten Seite eine in die Ventilplatte eingearbeitete konkave Ventilsitzausnehmung aufweist, deren Kontur an eine ebenso konkav geformte Ventillamelle dichtend angepasst ist.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass das Lamellenventil aufgrund der konkaven Ventilsitzausnehmung über einen recht flachen zylindrischen Durchbruch in Richtung Zylinderraum besitzt, der entsprechend wenig Totvolumen erzeugt.
Vorzugsweise kann die erfindungsgemäß konkav geformte Ventillamelle aus einem tief gezogenen Blechteil hergestellt werden. Dieses ist in herkömmlicher Weise mit einem Befestigungspunkt, beispielsweise einer Verschraubung, an der Ventilplatte fixiert.
Der Durchmesser des in Richtung Zylinderraum verlaufenden zylindrischen Durchbruchs erstreckt sich vorzugsweise vom Bodenbereich der konkaven Ventilsitzausnehmung, also deren Scheitelpunkt, in Richtung Zylinderraum, wobei der Durchmesser des Durchbruchs vorzugsweise kleiner als die Dicke der Ventilplatte ist.
Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass die konkave Ventilsitzausnehmung im Randbereich einen Durchmesser besitzt, der mindestens dem Doppelten des Durchmessers des zylindrischen Durchbruchs entspricht. Durch diese geometrischen Verhältnisse lässt sich eine Ventilsitzausnehmung schaffen, welche den dichtenden Sitz der korrespondierenden Ventillamellen hinreichend unterstützt.
Damit die Druckluft im geöffneten Zustand des Druckventils ungehindert an der Ventillamelle vorbeiströmen kann, sollte die konkave Ventilsitzausnehmung im Randbereich einen Durchmesser besitzen, der größer als der Randdurchmesser der Ventillamelle ist.
Als weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahme sollte die Tiefe der konkaven Ventilsitzausnehmung mindestens der Dicke der Ventillamelle entsprechen, um einen genügend großen Durchbiegungsgrad, und damit auch eine wirksame Minimierung des Totvolumens zu bewirken. Prinzipiell gilt, dass der Grad der Durchbiegung der Ventillamelle und die verbleibende Länge des zylindrischen Durchbruchs durch die Festigkeit der Ventillamelle sowie der Ventilplatte bestimmt werden.
Die Ventillamelle nimmt im geöffneten Zustand des Lamellenventils in Folge elastischer Verformung eine im Wesentlichen ebene Form an. Somit ist der für den geöffneten Zustand erforderliche Bauraum deutlich geringer, als bei Lamellenventilen des Standes der Technik.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigt:
1 eine schematische Seitenansicht einer Kolben-Zylinder-Anordnung eines Kolbenkompressors mit Lamellenventil im geschlossenen Zustand, und
2 eine schematische Seitenansicht einer Kolben-Zylinder-Anordnung eines Kolbenkompressors mit Lamellenventil im geöffneten Zustand.
Gemäß 1 ist im Zylinder 1 eines Kolbenkompressors ein axial bewegbarer Kolben 2 zum Komprimieren angesaugter Umgebungsluft angeordnet. Aus Vereinfachungsgründen ist hier das Ansaugventil nicht weiter dargestellt, wohl jedoch das Druckventil. Dieses ist nach Art eines Lamellenventils 3 ausgebildet, welches Bestandteil einer Ventilplatte 4 ist. Mit der Ventilplatte 4 wird ein Zylinderraum 5 zylinderkopfseitig begrenzt.
Das Lamellenventil 3 weist auf der dem Kolben 2 abgewandten Seite eine in die Ventilplatte 4 eingearbeitete konkave Ventilsitzausnehmung 6 auf. Die Querschnittskontur der Ventilsitzausnehmung 6 ist an die Kontur einer ebenso konkav geformten Ventillamelle 7 derart angepasst, dass die Ventillamelle 7 mit der Ventilsitzausnehmung 6 eine Art Sitzventil bilden.
Die konkav geformte Ventillamelle 7 ist ein tiefgezogenes Blechteil, welches an einer – hier nicht weiter dargestellten Stelle – an der Ventilplatte 4 befestigt ist. Vom Bodenbereich der konkaven Ventilsitzausnehmung 6 erstreckt sich ein zylindrischer Durchbruch 8 in Richtung des Zylinderraums 5. Wegen der in Folge der konkaven Ventilsitzausnehmung 6 verkürzten Axialerstreckung des Durchbruchs 8 wird das Totvolumen, welches der Kolben 2 im hier dargestellten oberen Totpunkt einnimmt, minimal.
Gemäß 2 nimmt die Ventillamelle 7 im geöffneten Zustand des Lamellenventils 3 in Folge elastischer Verformung eine fast ebene Form an. Die Druckluft strömt während des geöffneten Zustands des Lamellenventils 3 seitlich zwischen dem Rand der Ventillamelle 7 und dem Randbereich der konkaven Ventilsitzausnehmung 6 vorbei, welcher im Randbereich einen größeren Durchmesser besitzt, als der Randdurchmesser der Ventillamelle 7.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, das erfindungsgemäße Prinzip auch bei nicht aufgeladenen Kompressoren, anzuwenden. Auch hier lässt sich damit das Totvolumen deutlich reduzieren, so dass sich die Förderleistung sowie die Leistungsaufnahme des Kolbenkompressors entsprechend verbessert. Analog zur erfindungsgemäßen Lösung für das Druckventil kann auch für das Saugventil der Ventilplatte eine ebene Aussparung an der Unterseite der Ventilplatte angebacht werden, so dass das Saugventil nicht mehr erhaben an der Ventilplatte aufliegt. Damit lässt sich der Kolbenbodenunterstand um die Dicke der Ventillamelle samt Befestigungsmitteln reduzieren.

1: Zylinder
2: Kolben
3: Lamellenventil
4: Ventilplatte
5: Zylinderraum
6: Ventilsitzausnehmung
7: Ventillamelle
8: Durchbruch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19631415 A1 [0003]

Claims

Kolbenkompressor zur Erzeugung von Druckluft mit mindestes einem Zylinder (1), in dem ein über einen Kurbeltrieb bewegbarer Kolben (2) zum Komprimieren angesaugter Umgebungsluft angeordnet ist, wobei eine mindestens ein Lamellenventil (3) als Druckventil aufweisende Ventilplatte (4) einen Zylinderraum (5) zylinderkopfseitig begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass das Lamellenventil (3) auf der dem Kolben (2) abgewandten Seite eine in die Ventilplatte (4) eingearbeitete konkave Ventilsitzausnehmung (6) aufweist, deren Kontur an eine ebenso konkav geformten Ventillamelle (7) dichtend angepasst ist.
Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konkav geformte Ventillamelle (7) aus einem tiefgezogenen Blechteil hergestellt ist.
Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vom Bodenbereich der konkaven Ventilsitzausnehmung (6) ein zylindrischer Durchbruch (8) in Richtung Zylinderraum (5) verläuft, dessen Durchmesser kleiner als die Dicke der Ventilplatte (4) ist.
Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konkave Ventilsitzausnehmung (6) im Randbereich einen Durchmesser besitzt, der mindestens dem Doppelten des Durchmessers des zylindrischen Durchbruchs (8) entspricht.
Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konkave Ventilsitzausnehmung (6) im Randbereich einen Durchmesser besitzt, der größer als der Randdurchmesser der Ventillamelle (7) ist.
Kolbenkompressor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die abströmende Luft im geöffneten Zustand des Lamellenventils (3) seitlich zwischen dem Rand der Ventillamelle (7) und dem Randbereich der konkaven Ventilsitzausnehmung (6) vorbeiströmt.
Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der konkaven Ventilsitzausnehmung (6) mindestens der Dicke der Ventillamelle (7) entspricht.
Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventillamelle (7) im geöffneten Zustand des Lamellenventils (3) infolge elastischer Verformung eine ebene Form annimmt.