DE102008004809B4

DE102008004809B4 - Piston compressor with a valve plate having a lamella valve

Info

Publication number: DE102008004809B4
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: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2028-01-18
Also published as: WO2009090033A3; WO2009090033A2; EP2238349B1; EP2238349A2; ATE549514T1; DE102008004809A1

Abstract

The invention relates to a reciprocating compressor for generating compressed air, having at least one cylinder (1) in which a piston (2), for compressing ambient air sucked in is disposed, said piston being movable via a crank drive, wherein a valve plate (4) having at least one disk valve (3) as the pressure valve delimits a cylinder chamber (5) on the cylinder head side, wherein the disk valve (3) has a concave valve seat recess (6) incorporated into the valve plate (4) on the side facing away from the piston (2), the contour of said recess being adjusted in a sealing manner to a valve disk (7) likewise shaped in a concave manner.

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.The present invention relates to a reciprocating compressor for generating compressed air with at least one cylinder in which a movable piston via a crank for compressing sucked ambient air is arranged, wherein a valve plate having at least one flap valve as a pressure valve, a cylinder space cylinder head side limited.

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.The field of application of the present invention extends primarily to the vehicle sector, in which piston compressors are used for compressing ambient air, primarily in the area of compressed-air-operated brake systems. The reciprocating compressors draw their drive energy either directly from the internal combustion engine of the vehicle or are equipped with a separate drive, usually an electric motor.

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.From the DE 196 31 415 A1 goes out a generic piston compressor. This essentially consists of a compressor housing forming a plurality of cylinders, in which each associated piston is arranged so that it can move in an oscillating manner via a common crank drive. By the working movement of the piston ambient air is sucked in, compressed inside the cylinder and ejected as compressed air for further use. To control the compression cycle, a valve plate is provided which limits the cylinder space on the cylinder head side. The valve plate contains a suction valve designed on the suction side in the manner of a check valve and also designed in the manner of a check valve, but oppositely acting pressure valve. In both cases space-saving finned valves are used. Each louver valve has a spring plate consisting of valve lamella, which is tongue-like and is attached at one end to the valve plate. At the opposite end, the valve lamella covers a cylindrical opening through the valve plate, which connects to or from the cylinder space. The valve blades are flat in cross-section and housed sunk in a shallow recess of the valve plate so that they do not protrude beyond the surface of the valve plate. At this recess, a flat conical funnel connects, which establishes the connection to the cylindrical opening, which opens into the cylinder chamber.

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 Saugventils 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.At the top dead center of the piston results in the cylinder chamber remaining dead volume, which results from the distance of the piston to the valve plate plus the volume of the cylindrical openings for the lamella valve. The cylindrical openings take up a significant part of the dead volume. The distance from the piston to the valve plate is determined by the thickness of the suction valve, which is usually present next to the pressure valve. Since the suction valve is usually arranged on the underside of a valve plate, ultimately determines the distance between the piston and the suction valve, the dead volume in the cylinder.

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.The disadvantage of the prior art is that the dead volume has a significant influence on the efficiency and the delivery rate of the compressor, ie should be as minimal as possible, ideally zero. For manufacturing reasons, however, a certain piston shelter is inevitable. The lamella valve has a flat valve lamella in the initial state, which is pressed by the system pressure on the valve plate on this, so that the cylindrical opening is closed in the direction of the cylinder chamber and thus is sealed. If the pressure in the cylinder chamber rises above the system pressure, the valve lamella is lifted off the valve plate and the compressed air is conveyed from the cylinder chamber into the cylinder head. Here, the dead volume of the pressure hole is inevitable. Particularly in the case of valve plates with water cooling, the valve plate is made relatively thick, resulting in a particularly long-lasting cylindrical aperture and thus a relatively large dead volume.

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 Druckventile 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.The aforementioned problem explained comes especially in piston compressors with turbocharging wear, since the delivery rate here is a factor of 2-3 higher than normal reciprocating compressors. This means that two to three times the amount of compressed air must be pumped through the pressure valves. If the pressure valves remain unchanged with respect to a compressor without charging, dead volume-related results in particularly high losses. If additional pressure valves are integrated into the cylinder plate in accordance with the increased delivery rate, the dead volume increases by the factor of the additional cylindrical breakthroughs.

Aus der AT 008 188 U1 ist eine elektromotorisch angetriebene Kolben-Zylinder-Einheit für einen Kältemittelverdichter bekannt, deren Kompressionsraum mittels einer Ventilplatte abgeschlossen wird, die eine mittels eines Ventils verschließbare Öffnung aufweist. Das Ventil umfasst eine Ventilblattfeder, deren Oberfläche eine gegen die Öffnungsrichtung des Ventils gerichtete Wölbung aufweist. Die Öffnung der Ventilplatte besitzt einen Umfangsbereich, der der gewölbten Außenkontur der Ventilblattfeder entspricht, so dass die Ventilblattfeder in der Schließposition des Ventils die Öffnung zumindest teilweise durchsetzt.From the AT 008 188 U1 is known an electric motor driven piston-cylinder unit for a refrigerant compressor, the compression space is closed by means of a valve plate having a closable by means of a valve opening. The valve comprises a valve leaf spring whose surface has a curvature directed against the opening direction of the valve. The opening of the valve plate has a peripheral region which corresponds to the curved outer contour of the valve leaf spring, so that the valve leaf spring in the closed position of the valve at least partially passes through the opening.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, insbesondere für einen aufgeladenen Kolbenkompressor eine hinreichende Anzahl von Druckventilen bei gleichzeitig minimalem Totvolumen bereitzustellen. It is the object of the present invention, in particular for a supercharged piston compressor to provide a sufficient number of pressure valves while minimizing dead volume.

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.The object is achieved on the basis of a reciprocating compressor according to the preamble of claim 1 in conjunction with its characterizing features. The following dependent claims give advantageous developments of the invention.

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. Erfindungsgemäß nimmt die Ventillamelle 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.The invention includes the technical teaching that serving as a pressure valve blade valve on the side facing away from the piston has a machined into the valve plate concave valve seat recess, the contour of which is sealingly adapted to an equally concave valve blade. According to the invention takes the valve blade in the open state of the louver valve as a result of elastic deformation to a substantially planar shape. Thus, the space required for the open state space is significantly lower than in prior art louvered valves.

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.The advantage of the solution according to the invention lies, in particular, in the fact that, due to the concave valve seat recess, the lamellar valve has a rather flat cylindrical opening in the direction of the cylinder space, which generates correspondingly less dead volume.

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.Preferably, the present invention concave valve lamella can be made of a deep-drawn sheet metal part. This is fixed in a conventional manner with an attachment point, such as a screw, on the valve plate.

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.The diameter of the cylindrical passage extending in the direction of the cylinder space preferably extends from the bottom region of the concave valve seat recess, ie its vertex, in the direction of the cylinder space, wherein the diameter of the aperture is preferably smaller than the thickness of the valve plate.

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.According to a further measure improving the invention, it is provided that the concave valve seat recess has a diameter in the edge region which corresponds at least to twice the diameter of the cylindrical opening. By means of these geometric conditions, it is possible to create a valve seat recess which sufficiently supports the sealing seat of the corresponding valve blades.

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.Thus, the compressed air in the open state of the pressure valve can freely flow past the valve lamella, the concave valve seat recess should have a diameter in the edge region, which is larger than the edge diameter of the valve lamella.

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.As a further measure improving the invention, the depth of the concave valve seat recess should correspond at least to the thickness of the valve blade in order to effect a sufficiently large degree of deflection, and thus also an effective minimization of the dead volume. In principle, the degree of deflection of the valve blade and the remaining length of the cylindrical opening are determined by the strength of the valve blade and the valve plate.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:Further, measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of a preferred embodiment with reference to FIGS. It shows:

1 eine schematische Seitenansicht einer Kolben-Zylinder-Anordnung eines Kolbenkompressors mit Lamellenventil im geschlossenen Zustand, und 1 a schematic side view of a piston-cylinder assembly of a reciprocating compressor with vane valve in the closed state, and

2 eine schematische Seitenansicht einer Kolben-Zylinder-Anordnung eines Kolbenkompressors mit Lamellenventil im geöffneten Zustand. 2 a schematic side view of a piston-cylinder assembly of a reciprocating compressor with vane valve in the open state.

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.According to 1 is in the cylinder 1 a piston compressor, an axially movable piston 2 arranged to compress sucked ambient air. For reasons of simplification, the intake valve is not shown here, but it is the pressure valve. This is in the manner of a lamella valve 3 formed, which is part of a valve plate 4 is. With the valve plate 4 becomes a cylinder space 5 Limited cylinder head.

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.The lamella valve 3 points to the piston 2 one side facing away from the valve plate 4 integrated concave valve seat recess 6 on. The cross-sectional contour of the Ventilsitzausnehmung 6 is to the contour of an equally concave shaped valve lamella 7 adapted so that the valve lamella 7 with the valve seat recess 6 form a kind of seat valve.

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.The concave shaped valve lamella 7 is a deep-drawn sheet metal part, which at a - not shown here - on the valve plate 4 is attached. From the bottom portion of the concave valve seat recess 6 extends a cylindrical breakthrough 8th in the direction of the cylinder space 5 , Because of the concave valve seat recess 6 shortened axial extension of the breakthrough 8th becomes the dead volume, which is the piston 2 occupies the top dead center shown here, 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.According to 2 take the valve lamella 7 in the opened state of the lamella valve 3 as a result of elastic deformation an almost flat shape. The compressed air flows during the open state of the lamella valve 3 laterally between the edge of the valve lamella 7 and the edge portion of the concave valve seat recess 6 passing, which has a larger diameter in the edge region, than the edge diameter of the valve lamella 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.The invention is not limited to the preferred embodiment described above. On the contrary, modifications are conceivable which are included in the scope of protection of the following claims. For example, it is also possible to apply the principle according to the invention to uncharged compressors. Here too, the dead volume can be significantly reduced so that the delivery rate and the power consumption of the reciprocating compressor are correspondingly improved. Analogous to the solution according to the invention for the pressure valve can be thought of even for the suction valve of the valve plate, a flat recess on the underside of the valve plate, so that the suction valve no longer raised rests on the valve plate. Thus, the piston bottom shelter can be reduced by the thickness of the valve lamella, including fasteners.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Zylindercylinder
22: Kolbenpiston
33: Lamellenventilreed valve
44: Ventilplattevalve plate
55: Zylinderraumcylinder space
66: VentilsitzausnehmungVentilsitzausnehmung
77: Ventillamellevalve blade
88th: Durchbruchbreakthrough

Claims

Piston compressor for generating compressed air with at least one cylinder ( 1 ), in which a via a crank drive movable piston ( 2 ) is arranged for compressing sucked in ambient air, wherein a at least one lamellar valve ( 3 ) as a pressure valve having valve plate ( 4 ) a cylinder space ( 5 ) limited cylinder head side, and wherein the flap valve ( 3 ) on the piston ( 2 ) facing away from one in the valve plate ( 4 ) incorporated concave valve seat recess ( 6 ) whose contour to an equally concave shaped valve blade ( 7 ) is sealingly adapted, characterized in that the valve blade ( 7 ) in the opened state of the lamella valve ( 3 ) assumes a substantially planar shape due to elastic deformation.

Piston compressor according to claim 1, characterized in that the concave-shaped valve blade ( 7 ) is made of a deep-drawn sheet metal part.

Piston compressor according to claim 1, characterized in that from the bottom region of the concave valve seat recess ( 6 ) a cylindrical breakthrough ( 8th ) in the direction of the cylinder space ( 5 ) whose diameter is smaller than the thickness of the valve plate ( 4 ).

Piston compressor according to claim 3, characterized in that the concave valve seat recess ( 6 ) in the edge region has a diameter which is at least twice the diameter of the cylindrical aperture ( 8th ) corresponds.

Piston compressor according to claim 1, characterized in that the concave valve seat recess ( 6 ) in the edge region has a diameter which is greater than the edge diameter of the valve blade ( 7 ).

Piston compressor according to claim 5, characterized in that the outflowing air in the open state of the louver valve ( 3 ) laterally between the edge of the valve blade ( 7 ) and the edge region of the concave valve seat recess ( 6 ) flowed past.

Piston compressor according to claim 1, characterized in that the depth of the concave valve seat recess ( 6 ) at least the thickness of the valve blade ( 7 ) corresponds.