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Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter zum Verdichten eines Arbeitsfluids mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Bei dem Arbeitsfluid kann es sich insbesondere um einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas („Natural Gas“ = NG), handeln. Dient das Erdgas dem Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wird es an Bord des Kraftfahrzeugs in der Regel in flüssiger Form („Liquefied Natural Gas“ = LNG) in einem Tank mitgeführt. Bevor das Erdgas in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingeblasen wird, wird es verdichtet. Hierin ist eine bevorzugte Anwendung des vorliegend vorgeschlagenen Kolbenverdichters zu sehen.
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Darüber hinaus kann der vorgeschlagene Kolbenverdichter zum Verdichten beliebiger gasförmiger und/oder flüssiger Medien eingesetzt werden, so dass der vorliegend gewählte Begriff „Kolbenverdichter“ auch Kolbenpumpen umfasst.
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Stand der Technik
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Aus der
WO 2003/010446 A1 geht beispielhaft ein Kolbenverdichter zur Kompression eines Kühlgases hervor, der einen Zylinder und einen im Zylinder hin- und herbeweglichen Kolben umfasst. Der Zylinder und der Kolben legen dabei eine Kompressionskammer fest. Der Kolben ist mit einem Antriebsmechanismus verbunden, wobei die Verbindung über Stifte erfolgt, die in Radiallöchern des Kolbens aufgenommen sind. Da die Radiallöcher über einen zwischen dem Kolben und dem Zylinder verbleibenden Radialspalt mit der Kompressionskammer hydraulisch verbunden sind, gilt es die Radiallöcher abzudichten. Die Abdichtung erfolgt über in den Radiallöchern aufgenommene Dichtelemente. Auf diese Weise wird einer Leckage des Kühlgases über die Radiallöcher entgegengewirkt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenverdichter bereitzustellen, der einen verbesserten Wirkungsgrad besitzt. Um dies zu erreichen, soll die Leckage im Bereich eines Ringspalts zwischen dem Kolben und dem Zylinder bzw. dem Gehäuse des Kolbenverdichters minimiert werden. Der Kolbenverdichter soll auf diese Weise auch zum Verdichten eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs, wie beispielsweise Erdgas, auf Hochdruck (vorzugsweise etwa 600 bar) geeignet sein.
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Zur Lösung der Aufgabe wird der Kolbenverdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der zum Verdichten eines Arbeitsfluids, insbesondere eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs, vorgeschlagene Kolbenverdichter umfasst einen in einer Zylinderbohrung eines Gehäuses hin- und herbeweglichen Kolben, der innerhalb der Zylinderbohrung einen mit dem Arbeitsfluid befüllbaren Kompressionsraum begrenzt. Erfindungsgemäß bildet der Kolben eine zum Kompressionsraum hin offene Druckkammer aus, die radial außen von einem hülsenförmigen Wandabschnitt des Kolbens begrenzt wird, der in Abhängigkeit vom Druck in der Druckkammer elastisch verformbar ist.
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Durch die Hubbewegung des Kolbens kommt es im Kompressionsraum zu einer Kompression des eingeschlossenen Arbeitsfluids. Das heißt, dass der Druck im Kompressionsraum ansteigt. Zugleich steigt der Druck in der zum Kompressionsraum hin offenen Druckkammer an. Aufgrund der elastischen Verformbarkeit des die Druckkammer begrenzenden hülsenförmigen Wandabschnitts verformt sich dieser, wobei die Verformung zu einer Vergrößerung des Außendurchmessers des Kolbens führt. In Abhängigkeit vom Druck im Kompressionsraum bzw. in der Druckkammer kann dabei der hülsenförmige Wandabschnitt zur Anlage am Gehäuse gelangen. In jedem Fall jedoch werden aufgrund der elastischen Verformung des hülsenförmigen Wandabschnitts ein zwischen dem Kolben und dem Gehäuse verbleibender Ringspalt und damit die üblicherweise über den Ringspalt auftretende Leckage minimiert.
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Die elastische Verformung des hülsenförmigen Wandabschnitts erfolgt proportional zum Druckanstieg im Kompressionsraum bzw. in der Druckkammer. Das heißt, dass mit fortschreitendem Druckanstieg auch die Verformung zunimmt. Ursache hierfür ist der in Längsrichtung konstante Druck in der Druckkammer, während sich im Ringspalt zwischen dem Kolben und dem Gehäuse ein Druckabfall einstellt. Der gewünschte Effekt der Spaltminimierung ist somit über den gesamten Druckbereich hinweg gegeben.
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Mittels der druckabhängigen Spaltminimierung können die Verluste aufgrund Leckage deutlich verringert werden, so dass der Wirkungsgrad des Kolbenverdichters verbessert wird. Ferner können mittels der druckabhängigen Spaltminimierung fertigungsbedingte Durchmessertoleranzen kompensiert werden, so dass die Fertigung des Kolbenverdichters vereinfacht wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Druckkammer durch eine stirnseitige Ausnehmung des Kolbens gebildet. Die Ausnehmung erweitert den Kompressionsraum in den Kolben hinein, so dass innenumfangseitig am hülsenförmigen Wandabschnitt der gleiche Druck wie im Kompressionsraum anliegt. Die stirnseitige Ausnehmung ist vorzugsweise in der Draufsicht kreisförmig oder kreisringförmig. Eine solche Ausnehmung ist vergleichsweise einfach zu fertigen. Weiterhin vorzugsweise ist die stirnseitige Ausnehmung konzentrisch zur Kolbenlängsachse angeordnet.
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Der hülsenförmige Wandabschnitt, der die Druckkammer radial außen begrenzt, weist bevorzugt über den gesamten Umfang eine gleichbleibende Breite auf. Dadurch ist eine über den Umfang gleichmäßige elastische Verformung des hülsenförmigen Wandabschnitts sichergestellt. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der hülsenförmige Wandabschnitt über den gesamten Umfang eine gleichbleibende Höhe aufweist. Auch diese Maßnahme trägt zu einer über den Umfang möglichst gleichmäßigen elastischen Verformung bei.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Druckkammer über ihre Höhe einen variierenden Außendurchmesser aufweist, so dass der hülsenförmige Wandabschnitt über seine Höhe eine variierende Breite aufweist. Vorzugsweise wird der Außendurchmesser mit zunehmender Entfernung vom Kompressionsraum kleiner. Das heißt, dass die Breite des hülsenförmigen Wandabschnitts zu seiner Basis hin größer wird. Die elastische Verformung des hülsenförmigen Wandabschnitts im Bereich der Basis ist demnach in der Regel geringer als in einem von der Basis weiter entfernt liegenden Bereich. Die verbreiterte Basis des hülsenförmigen Wandabschnitts wirkt Spannungen (Kerbspannungen) entgegen, so dass die Festigkeit des Kolbens erhalten bleibt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kolben mehrteilig ausgeführt, wobei die mehreren Teile unter Ausbildung der Druckkammer gefügt sind. Die mehrteilige Ausführung erleichtert die Ausbildung der Druckkammer bzw. des die Druckkammer begrenzenden hülsenförmigen Wandabschnitts.
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Beispielsweise kann ein erstes Teil kolbenförmig ausgeführt sein und stirnseitig eine zentrale Ausnehmung aufweisen, in die unter Ausbildung der Druckkammer ein zweites Teil eingesetzt, insbesondere eingepresst oder eingeschraubt, ist. An dem zweiten Teil ist daher bevorzugt ein Abschnitt ausgebildet, der gegenüber der Ausnehmung des ersten Teils ein Pressübermaß besitzt oder ein Außengewinde aufweist. Vorzugsweise ist das zweite Teil als Stufenkolben ausgeführt, so dass mit Einsetzen des zweiten Teils in das erste Teil eine zum Kompressionsraum hin offene ringförmige Druckkammer ausgebildet wird.
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Alternativ kann ein erstes Teil auch hülsenförmig ausgeführt und unter Ausbildung der Druckkammer auf ein zweites Teil aufgesetzt, vorzugsweise aufgepresst oder aufgeschraubt sein. In Abhängigkeit vom Material des ersten Teils kann dieses auch auf das zweite Teil aufgeschrumpft werden. Idealerweise wird ein Material mit einer vergleichsweisen hohen Biegewechselfähigkeit gewählt, um - lokal begrenzt - einen hochwertigen Werkstoff bereitzustellen, der eine hohe Anzahl von Lastspielen erträgt. Das hülsenförmige erste Teil besitzt den Vorteil, dass die Breite bzw. Wanddicke entsprechend der gewünschten elastischen Verformung einfach angepasst werden kann. Im Pressbereich kann die Wanddicke größer gewählt werden, um eine ausreichend hohe Pressung zu gewährleisten. Das zweite Teil ist vorzugsweise als Stufenkolben ausgeführt, so dass mit Aufsetzen des ersten Teils auf das zweite Teil eine zum Kompressionsraum hin offene ringförmige Druckkammer ausgebildet wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt dem Kolben am Kompressionsraum ein Körper gegenüber, der unter Ausbildung eines umlaufenden Ringspalts zur zumindest abschnittsweisen Aufnahme des hülsenförmigen Wandabschnitts des Kolbens in den Kompressionsraum hineinragt. Bei einem Arbeitshub des Kolbens taucht der Körper in die stirnseitige Druckkammer des Kolbens ein, so dass die Druckkammer zugleich als Kompressionsraum dient. Auf den hülsenförmigen Wandabschnitt wirkt demnach unmittelbar der Kompressionsdruck, so dass sich dieser elastisch verformt. Der in den Kompressionsraum hineinragende Körper kann durch das Gehäuse selbst ausgebildet werden oder in das Gehäuse eingesetzt, vorzugsweise eingepresst oder eingeschraubt sein.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass in den Kompressionsraum ein Einlasskanal und/oder ein Auslasskanal münden. Über den Einlasskanal kann der Kompressionsraum mit dem Arbeitsfluid befüllt werden. Über den Auslasskanal kann das Arbeitsfluid nach dem Verdichten aus dem Kompressionsraum entnommen werden. Der Einlasskanal ist vorzugsweise als axial verlaufender Kanal ausgebildet, während der Auslasskanal vorzugsweise als radial verlaufender Kanal ausgeführt ist.
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Bei dem zu verdichtenden Arbeitsfluid handelt es sich vorzugsweise um Erdgas, das dem Betrieb eines Verbrennungsmotors dient und mittels des Kolbenverdichters mit Hochdruck beaufschlagt wird bevor es in einen Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Aufgrund der verringerten Leckage über den zwischen dem Kolben und dem Gehäuse verbleibenden Ringspalt können hohe Drücke im Kompressionsraum erreicht werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
- 2 den Kolben der 1, a) ohne Druckbeaufschlagung und b) mit Druckbeaufschlagung,
- 3 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
- 4 a) einen vergrößerten Ausschnitt der 3 und b) den Ausschnitt der 4a) mit modifizierter Druckkammer,
- 5 einen vergrößerten Ausschnitt der 3, a) ohne Druckbeaufschlagung und b) mit Druckbeaufschlagung
- 6 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform,
- 7 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform und
- 8 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Kolbenverdichter 1 umfasst ein Gehäuse 3 mit einer Zylinderbohrung 2, in der ein Kolben 4 hin und her beweglich aufgenommen ist. Der Kolben 4 begrenzt innerhalb der Zylinderbohrung 2 einen Kompressionsraum 5, der über ein in einem Einlasskanal 10 ausgebildetes Einlassventil 13 mit einem Arbeitsfluid befüllbar ist. Nachdem das Arbeitsfluid im Kompressionsraum 5 durch einen Hub des Kolbens 4 verdichtet worden ist, kann es über ein in einem Auslasskanal 11 ausgebildetes Auslassventil 14 ausgeschoben werden.
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Um während eines Arbeitshubs des Kolbens 4 die Leckage aus dem Kompressionsraum 5 über einen zwischen dem Kolben 4 und den Gehäuse 3 verbleibenden Führungsspalt 12 zu verringern, bildet der Kolben 4 des in der 1 dargestellten Kolbenverdichters 1 eine zum Kompressionsraum 5 hin offene Druckkammer 6 aus, die radial außen von einem hülsenförmigen Wandabschnitt 7 des Kolbens 4 begrenzt wird. Dieser Wandabschnitt 7 ist in Abhängigkeit vom Druck in der Druckkammer 6 elastisch verformbar. Steigt der Druck bei einem Arbeitshub des Kolbens 4 im Kompressionsraum 5 und damit in der Druckkammer 6 an, führt dies zu einer elastischen Verformung des hülsenförmigen Wandabschnitts 7, und zwar in der Weise, dass sich der Wandabschnitt nach radial außen wölbt (siehe 2b im Vergleich zu 2a ohne Druckbeaufschlagung). In Abhängigkeit von den jeweiligen Druckverhältnissen kann dabei der hülsenförmige Wandabschnitt 7 zur Anlage am Gehäuse 3 gelangen.
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Die elastische Verformung des hülsenförmigen Wandabschnitts 7 führt zu einer Minimierung des Führungsspalts 12 zwischen dem Kolben 4 und dem Gehäuse 3. Durch die druckunterstützte lokale Kolbenverformung wird somit die Leckage aus dem Kompressionsraum 5 reduziert. Ferner können auf diese Weise fertigungsbedingte Durchmessertoleranzen ausgeglichen werden.
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Die elastische Verformung des hülsenförmigen Wandabschnitts 7 erfolgt druckproportional, das heißt, dass mit zunehmendem Druck auch die Verformung steigt. Die Wirkungsweise des hülsenförmigen Wandabschnitts 7 ist somit über den gesamten Druckbereich hinweg gegeben.
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Da im Führungsspalt 12 ein (näherungsweise) linearer Druckabfall vorliegt, ist der Druck in der Druckkammer 6 immer etwas größer als der Druck im Führungsspalt 12.
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Bei der in der 1 dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbenverdichters 1 weist der Kolben 4 eine stirnseitige zentrale Ausnehmung zur Ausbildung der Druckkammer 6 auf. Wie beispielhaft in der 3 dargestellt, kann die Druckkammer 6 auch durch eine stirnseitige Ausnehmung im Kolben 4 gebildet werden, die in der Draufsicht kreisringförmig ist. Die Differenz zwischen dem Außendurchmesser DAK des Kolbens 4 und dem Außendurchmesser DAD der Druckkammer 6 ergibt die Breite B bzw. die Wanddicke des hülsenförmigen Wandabschnitts 7 (siehe 4a). Die Tiefe der Druckkammer 6 in Längsrichtung des Kolbens 4 ergibt die Höhe H des hülsenförmigen Wandabschnitts 7 (siehe 4a). Die Breite B und die Höhe H bleiben vorzugsweise in Umfangsrichtung des hülsenförmigen Wandabschnitts 7 gleich, so dass sich dieser über den Umfang möglichst gleichmäßig elastisch verformt. Wie beispielhaft in der 4b dargestellt, kann die Breite B bzw. die Wandstärke des hülsenförmigen Wandabschnitts 7 in Längsrichtung des Kolbens 4 variieren. Vorzugsweise nimmt die Breite b in Richtung der Basis des hülsenförmigen Wandabschnitts 7 zu, so dass der Außendurchmesser DAD der Druckkammer 6 in Richtung der Basis des Wandabschnitts 7 abnimmt. Die Druckkammer 6 ist somit konisch geformt, wobei der Konuswinkel durch einen Winkel α definiert wird. Die verbreiterte Basis des hülsenförmigen Wandabschnitts 7 verringert Spannungen, insbesondere Kerbspannungen, so dass die erforderliche Festigkeit des Kolbens 4 gewährleistet ist.
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Der 5a ist ein Kolben 4 mit einem hülsenförmigen Wandabschnitt 7 zu entnehmen, der durch eine ringförmige Druckkammer 6 gebildet wird, die nicht konisch verläuft. Bei einem Druckanstieg in der Druckkammer 6 (siehe 5b) verformt sich der hülsenförmige Wandabschnitt 7 elastisch, wobei sich der hülsenförmige Wandabschnitt 7 an das Gehäuse 3 anlegt. Die Druckkammer 6 erfährt dabei eine Aufweitung.
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Die 6 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbenverdichters 1. Hier ist der Kolben 4 aus den Teilen 4.1 und 4.2 zusammengesetzt. Das Teil 4.1 ist eine Hülse und das Teil 4.2 ein Stufenkolben, wobei die Hülse derart auf den Stufenkolben aufgesetzt ist, dass zwischen den Teilen 41., 4.2 die Druckkammer 6 ausgebildet wird. Das Teil 4.1 bzw. die Hülse bildet zugleich den hülsenförmigen Wandabschnitt 7 aus, wobei die Höhe HG der Hülse größer als die Höhe H des elastisch verformbaren hülsenförmigen Wandabschnitts 7 ist. Somit ergibt sich ein Abschnitt, über den das Teil 4.1 mit dem Teil 4.2 verbindbar ist, wobei die Verbindung vorliegend eine Pressverbindung ist. Alternativ kann die Verbindung auch durch eine Schraubverbindung oder eine Schweißverbindung realisiert werden.
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Der 7 ist ebenfalls eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbenverdichters 1 zu entnehmen. Auch hier ist der Kolben 4 mehrteilig ausgeführt. Das Teil 4.1 bildet den eigentlichen Kolben 4 aus, der stirnseitig eine zentrale Ausnehmung zur Aufnahme des Teils 4.2 besitzt. Das Teil 4.2 ist als Stufenkolben ausgeführt und derart orientiert, dass zwischen den beiden Teilen 4.1, 4.2 eine zum Kompressionsraum 5 hin offene Druckkammer 6 ausgebildet wird. Die Höhe HG des Teils 4.2 ist größer als die Höhe H des hülsenförmigen Wandabschnitts 7 des Kolbens 4 bzw. des Teils 4.1 gewählt, so dass ein Abschnitt zur Verbindung des Teils 4.2 mit dem Teil 4.1 verbleibt, beispielsweise durch Einpressen des Teils 4.2 in die Ausnehmung des Teils 4.1.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist in der 8 dargestellt. Der Kolben 4 ist hier analog dem Kolben 4 der in der 1 dargestellten Ausführungsform ausgeführt. In die Zylinderbohrung 2 des Gehäuses 3 ist darüber hinaus ein Körper 8 eingesetzt, der dem Kolben 4 unter Ausbildung eines Ringspalts 9 am Kompressionsraum 5 gegenüberliegt. Führt der Kolben 4 einen Arbeitshub aus, taucht der Körper 8 in die stirnseitige zentrale Ausnehmung des Kolbens 4 ein. Der hülsenförmige Wandabschnitt 7 des Kolbens 4 dringt zugleich tiefer in den Ringspalt 9 ein. Der Körper 8 führt somit zu einer Reduzierung des Totraumvolumens, was sich - insbesondere gegenüber der Ausführungsform der 1 - als Vorteil erweist. Um die Befüllung des Kompressionsraum 5 mit dem Arbeitsfluid sicherzustellen, ist der Einlasskanal 10 im Körper 8 ausgebildet. Der Auslasskanal 11 mündet im Bereich des Ringspalts 9 in den Kompressionsraum 5.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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