EP1922485B1

EP1922485B1 - Mehrzylindriger trockenlaufender kolbenverdichter mit einem kühlluftstrom

Info

Publication number: EP1922485B1
Application number: EP06791653.6A
Authority: EP
Inventors: Michael Hartl
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2026-08-25
Also published as: WO2007022988A1; CN101253327A; JP5027130B2; EP1922485A1; HK1123337A1; JP2009506249A; CN101253327B; US8317488B2; DE102005040495B3; US20090016908A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrzylindrigen trockenlaufenden Kolbenverdichter zur Erzeugung von Druckluft, der ein Kurbelgehäuse zur drehbaren Lagerung einer Kurbelwelle aufweist, an welcher eine die Anzahl der Kolben mit je zugeordnetem Zylinder entsprechende Anzahl Pleuels zueinander gegenläufig drehend gelagert sind, wobei Mittel zur Erzeugung eines das Innere des Kurbelgehäuses passierenden Kühlluftstroms in Folge eines durch den Bewegungszyklus der Kolben ausgelösten Pumpeffekts vorgesehen sind.
Ein derartiger Kolbenverdichter kommt beispielsweise innerhalb eines Druckluft-Beschaffungssystems eines Nutzfahrzeuges oder auch eines Schienenfahrzeuges zum Einsatz. Im Falle des Einsatzes im Nutzfahrzeug wird die durch den Kolbenverdichter erzeugte Druckluft neben dem Betrieb der Bremsanlage auch zum Betrieb der Luftfederungsanlage genutzt. Wegen des damit einhergehenden recht hohen Druckluftbedarfs kommen hier meist mehrstufige Kolbenverdichter zum Einsatz, welche entsprechend mehrzylindrig ausgeführt sind. Mit derartigen mehrzylindrigen Kolbenverdichtern ist innerhalb kurzer Zeitintervalle der erforderliche Druckluftbedarf erzeugbar.
In der Vergangenheit kamen insbesondere in Nutzfahrzeugen ölgeschmierte Kolbenverdichter zum Einsatz. Ölfreie, d. h. trockenlaufende, Verdichterkonzepte konnten sich bisher nicht durchsetzen, da aufgrund der hohen Bauteiltemperaturen, die aus hoher Drehzahl und Leistungsdichte auf kleinstem Bauraum resultieren, die nötigen Bauteilstandzeiten nicht erreicht werden konnten.
Bei ölgeschmierten Kolbenverdichtern ist die erzeugte Druckluft ölhaltig. Das Kondensat, welches bei der Lufttrocknung anfällt, muss wegen des Ölgehalts aus Umweltschutzgründen in beheizbaren Behältern gesammelt und in regelmäßigen Zeitabständen abgelassen und entsorgt werden. Dies führt zu einem erhöhten Wartungsaufwand. Hinzu kommen häufig auftretende Probleme von Emulsionsbildungen im Ölkreislauf herkömmlicher ölgeschmierter Kolbenverdichter im Winterbetrieb bei niedriger Belastung. Besondere Probleme gibt es beim Einsatz ölgeschmierter Kolbenverdichter in Nutzfahrzeugen. Seitlich an Dieselmotoren angeflanschte direkt angetriebene Kolbenverdichter werden mit hoher Drehzahl und Leistungsdichte betrieben, woraus auch ein hoher Ölaustausch ins pneumatische System resultiert, was zwangsläufig zu Verölungen der nachgeschalteten Komponenten führt. Im Extremfall können aufgrund hoher thermischer Beanspruchung Verkokungen entstehen, die von der Druckluft ins pneumatische System getragen werden und zu Verengungen der Leitungsquerschnitte führen, was Schäden an den nachgeschalteten pneumatischen Geräten verursacht. Aus all diesen Gründen sind trockenlaufende Kolbenverdichter von Interesse.
Im allgemeinen Stand der Technik sind trockenlaufende Kolbenverdichter bekannt, bei denen die zur Verdichtung benötigte Ansaugluft durch das Kurbelgehäuse geführt wird, um hierdurch die Lagertemperaturen zu senken. Dies hat jedoch eine unvorteilhafte Erwärmung der Ansaugluft zur Folge, woraus eine Erhöhung der Verdichtungsendtemperaturen resultiert, wodurch sich wiederum das gesamte Temperaturniveau des Verdichters erhöht. Diese technische Lösung erweist sich daher - insbesondere für thermisch hochbeanspruchte einstufige Verdichter - als ungeeignet.
Aus der DE 101 38 070 A1 geht ein gattungsgemäßer mehrzylindriger trockenlaufender Kolbenverdichter hervor, der hier nach Art eines zweistufigen Verdichters ausgeführt ist und insoweit eine Niederdruckstufe mit großem Kolbendurchmesser und eine nachgeschaltete Hochdruckstufe mit kleinem Kolbendurchmesser aufweist. Bei diesem Kolbenverdichter wird mit Hilfe entsprechender Rückschlagventile in Folge des Bewegungszyklus der Kolben ein Pumpeffekt erzeugt. Der Pumpeffekt wird zur Erzeugung eines das Kurbelgehäuse passierenden Kühlluftstroms genutzt. Der Kühlluftstrom wird vorrangig zur Mantelkühlung des Zylinders aber auch zur Belüftung des Kurbelgehäuses eingesetzt. Ein Nachteil dieser Ausführung ist jedoch, dass die Belüftung nicht komplett in den Kolbenverdichter integriert ist. Seitliche Kühlluftzuführungen und zusätzliche Filtersysteme zur Reinigung der Kühlluft sind erforderlich, um zu vermeiden, dass sich Verunreinigung und Wasser im Kurbelgehäuse ansammeln können. Insbesondere wirkt sich jedoch nachteilig aus, dass der besagte Pumpeffekt der einzelnen Kolben im Kurbelgehäuse bei einer gradzahligen Anzahl von Kolben gleichen Durchmessers, welche sich zueinander gegenläufig bewegen, praktisch aufgehoben wird.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen mehrzylindrigen trockenlaufenden Kolbenverdichter der vorstehend beschriebenen Art dahingehend weiterzuverbessern, dass auch bei einem in Folge gegenläufiger Kolben unzureichender Pumpeffekt ein ausreichender Kühlluftstrom erzeugt wird.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem mehrzylindrigen trockenlaufenden Kolbenverdichter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche gegen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, das zur Unterstützung des Pumpeffekts jeder Kolben in einer eigenen Kammer arbeitet, welche durch im Kurbelgehäuse angeordnete und die Kurbelwelle umschließende Trennmittel erzeugt sind, so dass in den Kammern unterschiedliche Druckverhältnisse entstehen.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass nunmehr beispielsweise auch bei Kolbenverdichtern mit zwei gegenläufigen Kolben gleichen Durchmessers durch den Bewegungszyklus ein Pumpeffekt zur Erzeugung eines Kühlluftstroms machbar ist. Dabei braucht das die Kammern erzeugende Trennmittel beide Kammern nicht absolut druckdicht von einander abtrennen. Geringfügige Überströmverluste sind durchaus hinnehmbar. In Ergebnis dessen lässt sich ein umweltfreundlicher trockenlaufender Kolbenverdichter mit einer hohen Förderleistung herstellen, dessen Temperaturniveau unterkritisch bleibt. Somit ist der erfindungsgemäße mehrzylindrige trockenlaufende Kolbenverdichter auch zum direkten Anflanschen seitlich eines Dieselmotors eines Nutzfahrzeuges geeignet. Der hier vorhandene eng begrenzte Einbauraum erweist sich als ausreichend, da wegen der erfindungsgemäßen Lösung eine recht kleinbauende Ausführung eines mehrzylindrigen trockenlaufenden Kolbenverdichters möglich wird.
Vorzugsweise kann als Trennmittel zur Bildung der den Kolben zugeordneten Kammern ein in das Kurbelgehäuse eingesetztes abgedichtetes Zwischenlager für die Kurbelwelle vorgesehen werden. Das Zwischenlager gewährleistet neben einer zusätzlichen Lagerstelle für die Kurbelwelle auch eine genügend dichte Abtrennung zwischen den Kammern des Kurbelgehäuses. Daneben ist es auch möglich, ein in das Kurbelgehäuse anstelle des Zwischenlagers eingesetztes dynamisches Radialdichtelement als Trennmittel zu verwenden. Ein Radialdichtelement kann natürlich auch ortsfest der Kurbelwelle angeordnet sein und dynamisch gegenüber dem Kurbelgehäuse abdichten.
Vorteilhafterweise ist mindestens ein nach Art eines Rückschlagventils ausgebildetes Einlassventil für die Kühlluft im Bereich des Ansaugstutzens am Zylinderkopf angeordnet. Denn an dieser Stelle ist gefilterte aus der Umgebung stammende Kühlluft für die erfindungsgemäße Maßnahme abzweigbar. Daneben ist es auch möglich, das Einlassventil für die Kühlluft in eine benachbart zum Zylinderkopf angeordnete Ventilplatte mit den Verdichterventilen zu integrieren. In diesem Falle kann auf eine separate Ventilplatte für ein im Zylinderkopf angeordnetes Einlassventil für die Druckluft verzichtet werden. Dies verringert die Anzahl der erforderlichen Bauteile.
Vorzugsweise ist ein ebenfalls nach Art eines Rückschlagventils ausgebildetes Auslassventil für die Kühlluft an der Unterseite des Kurbelgehäuses angeordnet. Denn an dieser Stelle lässt sich die verbrauchte, aufgeheizte Kühlluft in geeigneter Weise an die Umgebung ausstoßen. Sowohl Einlassventil als auch Auslassventile können als robuste Lammellenventile ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernde Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die durch das Einlassventil angesaugte Kühlluft in einer Kammer der Ventilplatte gesammelt wird und anschließend über hiervon abgehende Kanäle in das Kurbelgehäuse gelangt. Die Kanäle sind vorzugsweise als außenliegende Rohrleitungen ausgebildet, um ein Aufheizen der Kühlluft beim Passieren des Zylinderbereichs zu vermeiden. Daneben ist es auch denkbar, die Kanäle in die Wandung des Zylinders zu integrieren, um die Kühlluft ausgehend vom Bereich des Zylinderkopfes in die zugeordneten Kammern des Kurbelgehäuses zu transportieren.
Weitere die Erfindung verbessernden Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der einzigen Figur näher dargestellt. Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch einen zweizylindrigen trockenlaufenden Kolbenverdichter mit interner Kühlluftstromführung.
Gemäß Figur dient eine - von einer nicht weiter dargestellten - Antriebseinheit erzeugte Drehbewegung dem Antrieb einer in einem Kurbelgehäuse 1 drehbar gelagerten Kurbelwelle 2. Auf der Kurbelwelle 2 sind Pleuel 3a und 3b über dazwischen angeordnete Wälzlager 4a und 4b benachbart zueinander gelagert. An jedem, dem Wälzlager 4a und 4b gegenüberliegenden Ende des zugeordneten Pleuels 3a bzw. 3b ist ein Kolben 5a und 5b angeordnet. Beide Kolben 5a, 5b laufen in je zugeordneten Zylindern 6a und 6b und bewegen sich entsprechend der Kränkung der Kurbelwelle 2 gegenläufig. Beide Kolben 5a und 5b besitzen gleich große Durchmesser.
Die von den Kolben 5a und 5b angesaugte gefilterte Umgebungsluft gelangt über jeweils zugeordnete Ansaugstutzen 7a bzw. 7b in das Verdichterinnere. Die Ansaugstutzen 7a und 7b sind an einem Zylinderkopf 8 des Kolbenverdichters angeordnet. Eine zwischen dem Zylinderkopf 8 und den Zylindern 6a und 6b platzierte Ventilplatte 9 weist die zur Kompression der Umgebungsluft erforderlichen Rückschlagventilanordnungen auf.
Der Kolbenverdichter weist Mittel zur Erzeugung eines das Innere des Kurbelgehäuses 1 passierenden Kühlluftstroms auf. Der Kühlluftstrom wird durch den Bewegungszyklus der Kolben 5a und 5b erzeugt. Zur Realisierung des hierdurch ausgelösten Pumpeffekts arbeitet jeder Kolben 5a und 5b in einer eigenen kurbelgehäuseseitigen Kammer 10a und 10b. Die Kammern 10a und 10b sind durch ein in das Kurbelgehäuse 1 als Trennmittel eingesetztes gedichtetes Zwischenlager 11 gebildet.
Jeder Kammer 10a und 10b ist ein Einlassventil 12a bzw. 12b für die Kühlluft im Bereich der Ansaugstutzen 7a bzw. 7b zugeordnet. Die Einlassventile 12a und 12b sind als Lammellenventile ausgeführt. Von hier aus gelangt die angesaugte Kühlluft in eine Kammer 13a bzw. 13b der Ventilplatte 9 und von hieraus über außenliegende Kanäle 14a und 14b in das Kurbelgehäuse 1, d. h. in die jeweils zugeordneten Kammern 10a bzw. 10b. Die aufgeheizte Kühlluft verlässt die Kammern 10a und 10b über jeweils zugeordnete Auslassventile 15a bzw. 15b. Die Auslassventile 15a und 15b sind ebenfalls als Lammellenventile ausgeführt.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche gedeckt sind.
So ist es beispielsweise auch möglich, den Kolbenverdichter als mehrstufigen Kolbenverdichter mit mindestens einer Niederdruckstufe und mindestens einer darauffolgenden Hochdruckstufe auszuführen. Die erfindungsgemäße technische Lösung zur Verbesserung des Pumpeffekts kann überall dort eingesetzt werden, wo gegenläufig sich bewegende gerad- und/oder ungradzahlige Kolben durch Anzahl, Hub oder Durchmesser die Erzeugung eines genügend großen internen Kühlluftstroms vereiteln würden.
Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, für jede einzelne, durch die Trennmittel erzeugte Kammer, ein eigenes Einlassventil oder Auslassventil und eigene Kühlluftkanäle vorzusehen. Durch entsprechende Verzweigungen eines gemeinsamen Kanals oder durch zusätzliche Kanäle kann die Anzahl erforderliche Einlassventile und Auslassventile verringert werden.

Bezugszeichenliste

1: Kurbelgehäuse
2: Kurbelwelle
3: Pleuel
4: Welzlager
5: Kolben
6: Zylinder
7: Ansaugstutzen
8: Zylinderkopf
9: Ventilplatte
10: Kammer
11: Zwischenlager
12: Einlassventil
13: Kammer
14: Kanal
15: Auslassventil

Claims

Mehrzylindriger trockenlaufender Kolbenverdichter zur Erzeugung von Druckluft, der ein Kurbelgehäuse (1) zur drehbaren Lagerung einer Kurbelwelle (2) aufweist, an welcher eine die Anzahl der Kolben (5a, 5b) mit je zugeordnetem Zylinder (6a, 6b) entsprechende Anzahl Pleuels (3a, 3b,) zueinander gegenläufig drehend gelagert sind, wobei Mittel zur Erzeugung eines das Innere des Kurbelgehäuses (1) passierenden Kühlluftstroms infolge eines durch den Bewegungszyklus der Kolben (5a, 5b) ausgelösten Pumpeffekts vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterstützung des Pumpeffekts jeder Kolben (5a, 5b) in einer eigenen Kammer (10a, 10b) arbeitet, welche durch im Kurbelgehäuse (1) angeordnete und die Kurbelwelle (2) umschließende Trennmittel erzeugt sind, so dass in den Kammern (10a, 10b) unterschiedliche Druckverhältnisse entstehen.
Mehrzylindriger trockenlaufender Kolbenverdichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass als Trennmittel ein in das Kurbelgehäuse (1) eingesetztes gedichtetes Zwischenlager (11) für die Kurbelwelle (2) vorgesehen ist.
Mehrzylindriger trockenlaufender Kolbenverdichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass als Trennmittel ein in das Kurbelgehäuse (1) eingesetztes dynamisches Radialdichtelement vorgesehen ist.
Mehrzylindriger trockenlaufender Kolbenverdichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein nach Art eines Rückschlagventils ausgebildetes Einlassventil (12a, 12b) für die Kühlluft im Bereich des Ansaugstutzens (7a, 7b) am Zylinderkopf (8) angeordnet ist.
Mehrzylindriger trockenlaufender Kolbenverdichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein nach Art eines Rückschlagventils ausgebildetes Einlassventil (12a, 12b) für die Kühlluft in einer benachbart zum Zylinderkopf (8) angeordneten Ventilplatte (9) mit Verdichterventilen integriert ist.
Mehrzylindriger trockenlaufender Kolbenverdichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein nach Art eines Rückschlagventils ausgebildetes Auslassventil (15a, 15b) für die Kühlluft an der Unterseite des Kurbelgehäuses (1) angeordnet ist.
Mehrzylindriger trockenlaufender Kolbenverdichter nach Anspruch 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassventile (12a, 12b) und die Auslassventile (15a, 15b) als Lamellenventile ausgeführt sind.
Mehrzylindriger trockenlaufender Kolbenverdichter nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Einlassventil (12a; 12b) angesaugte Kühlluft in einer Kammer (13a; 13b) der Ventilplatte (9) gesammelt wird und anschließend über hiervon abgehende Kanäle (14a; 14b) in das Kurbelgehäuse (1) gelangt.
Mehrzylindriger trockenlaufender Kolbenverdichter nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (14a; 14b) als außenliegende Rohrleitungen ausgebildet sind, um ein Aufheizen der Kühlluft bei Passieren des Zylinderbereichs zu vermeiden.
Mehrzylindriger trockenlaufender Kolbenverdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine geradzahlige Anzahl von zueinander sich gegenläufig bewegenden Kolben (5a, 5b) mit je zugeordneten Zylindern (6a, 6b) vorgesehen ist, wobei die Kolben (5a, 5b) im wesentliche gleich große Durchmesser aufweisen.
Mehrzylindriger trockenlaufender Kolbenverdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mehrstufig mit mindestens einer Niederdruckstufe und mindestens einer darauf folgenden Hochdruckstufe ausgeführt ist.
Mehrzylindriger trockenlaufender Kolbenverdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Flanschaggregat zum Betrieb über eine Verbrennungskraftmaschine eines Nutzfahrzeuges ausgeführt ist.