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Kolben für Tauchkolben-Verdichter, insbesondere Luftpresser für Druckluftanlagen in Kraftfahrzeugen
Die Erfindung betrifft einen Kolben für Tauchkolben-Verdichter, insbesondere Luftpresser für Druckluftanlagen in Kraftfahrzeugen, z. B. Druckluftbremsanlagen. Diese Kolben sind durch in Ringnuten des Kolbenmantels eingesetzte Kolbenringe abgedichtet, die von radial wirkenden, am Nutgrund sich abstützenden Federn gegen die Zylinderwand gedrückt werden. Bei Verdichtern mit solchen Kolben ist der Verdichtungsraum besser gegen den Kurbelwellenraum abgedichtet als bei Verdichtern mit den üblichen selbstspreizenden Kolbenringen, weil die Kolbenringe mit Federunterstützung über ihren ganzen Umfang sehr gleichmässig an der Zylinderwand anliegen. Dies ist besonders wichtig bei Luftpressern für Kraftfahrzeug-Druckluftanlagen, vor allem bei solchen für hohe Drücke, z.
B. bei Stufenluftpressern, weil hier bei schlechter Abdichtung eine zu grosse Ölentnahme aus dem auch den Luftpresser versorgenden Schmier- ölkreislauf der Antriebsbrennkraftmaschine des Fahrzeugs eintreten kann und weil dann die mit Öl angereicherte Druckluft dazu führt, dass nicht genügend gekühlte Auslassventile des Luftpressers verkoken. Der Austausch der üblichen selbstspreizenden Kolbenringe gegen solche mit radialer Federunterstützung hat hier zwar bereits einen beachtlichen Fortschritt gebracht ; bei längerer Betriebsdauer und schärferen Betriebsbedingungen zeigen sich aber doch häufig wieder die alten Mängel.
Durch eingehende systematische Untersuchung während einer grossen Zahl von Dauerversuchen, konnte nun unter Beibehaltung der genannten federunterstützenden Kolbenringe eine Lösung zum Verringern des Ölverbrauchs und der damit verbundenen nachteiligen Folgen gefunden werden, u. zw. ohne zusätzliche Mittel und Mehrkosten.
Zum Beheben des bisherigen Mangels werden gemäss der Erfindung die für die Aufnahme der radial durch Federn unterstützten Kolbenringe vorgesehenen Nuten so ausgebildet, dass deren Grundkreis-Mittelpunkt exzentrisch zur Kolbenachse liegt, u. zw. so, dass die Ringnuten dort, wo der Kolben durch die vom Kurbeltrieb herrührende, über das Pleuel am Kolbenbolzen wirkende Querkraft an die Zylinderwand gedrückt wird, am tiefsten und auf der gegenüberliegenden Seite am niedrigsten ist ; d. h. der Mittelpunkt des Grundkreises der Nuten ist von der Kolbenachse entgegen der erwähnten Querkraft verschoben.
Die Erfindung ist im nachfolgenden an Hand von schematischen Vergleichsbildern eines bisher für Luftpresser vorgesehenen Kolbens und eines solchen gemäss der Erfindung unter Darstellung verschiedener Arbeitsstellungen erläutert. Im einzelnen zeigen die Fig. 1-6 einen Kolben bisheriger Ausführung in seinem Zylinder während des Saughubs und Druckhubs je in drei Lagen, nämlich in der des oberen und des unteren Totpunkts und in einer Mittellage, während die Fig. 7 und 8 in Saughub-bzw. Druckhubmittellage einen gemäss der Erfindung abgeänderten Kolben skizzieren und Fig. 9 den neuen Kolben in seinem Zylinder im Schnitt nach einer Querebene IX - IX der Fig. T in grösserem Massstab als in den Fig. 7 und 8 zeigt.
In einem Verdichterzylinder l ist ein zylindrischer Kolben 2 verschiebbar angeordnet, der von einer nicht dargestellten, im Uhrzeigersinn sich drehenden Kurbelwelle über eine Pleuelstange und einen Kolbenbolzen auf und ab bewegt wird. In den Mantel dieses bekannten Kolbens sind Ringnuten 3 eingestochen, deren zylindrischer Nutgrund 4 konzentrisch zur Kolbenachse und zum Kolbenmantel verläuft. In diese nach oben und unten durch radiale Flanken 5,6 begrenzten Nuten sind handelsübliche Kolbenringe 7 mit Wellfedern 8 eingelegt. Der Flankenabstand der Nuten ist um ein gewisses Mass grösser als die axiale Ringstärke. Die Wellfedern liegen mit ihren Wellenbergen an der Innenseite der
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benringe mit ihrer Aussenseite rundherum gut abschliessend an der Innenwand des Zylinders 1 gleiten.
Die Federn sind ausserdem stets bestrebt, mit Hilfe der zugehörigen Kolbenringe 7 den Kolben 2 in der Bohrung des Zylinders 1 zu zentrieren, d. h. die Kolbenachse in der Zylinderachse zu halten bzw. in diese zurückzuführen, wenn die insbesondere während des Verdichtungshubs auftretenden Querbelastungen des Kolbens wieder wegfallen. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in den Fig. 1 - 8 fast durchweg radial gerichtete Einzelschraubenfedern eingezeichnet, mit denen sich die unterschiedlichen radialer Spreizkräfte besser darstellen lassen.
Bei Verdichtern mit Kolben der genannten Bauart lassen sich unter anderem folgende Vorgänge feststellen :
Bei Beginn des Saughubs (Fig. l) wollen die Kolbenringe 7 die Abwärtsbewegung des Kolbens zunächst nicht mitmachen, bis sie von den oberen Flanken 5 ihrer Ringnuten 3 erfasst und mitgenommen werden. Dabei entsteht zwischen den unteren Flanken 6 der Ringnuten und den ihnen zugekehrten Flanken ihrer Kolbenringe je ein Spalt, der sich bis zum Mass des Axialspiels der Kolbenringe vergrössert. Das beim Saughub durch die untere Kolbenringkante von der Zylinderwand abgeschabte Schmier- öl wird mitgenommen und ein Teil davon in die Radialspalte über den Nutflanken 6 und von dort ir die Ringräume zwischen den Kolbenringen 3 und dem jeweiligen Nutgrund 4 getrieben.
Diese Ölaufnahme in die Kolbenringnuten erstreckt sich über den ganzen Saughub, wenn sie sich auct nicht gleichmässig über den ganzen Kolbenumfang verteilt, weil die beim Saughub zeitweise nach recht ! unten ziehende Pleuelstange auch den Kolben aus seiner Mittellage entsprechend dem Kolbenspiel i nach rechts verschiebt (Fig. 2) und dabei über die rundum an der Zylinderwand bleibenden Kolbenringe die Ringräume zwischen diesen Ringen und dem Nutgrund verändert, so dass diese Räume vorübergehen rechts schmäler und links breiter werden und dann wieder gegen Ende des Saughubs (Fig. 3) die gleichmässig breite Ringform annehmen.
Am Ende des Saughubs (Fig. 3) steht der Kolben 2 wieder zentrisch im Zylinder, die Ringräume in den Ringnuten 3 sind wieder ringsum gleich breit und gleichmässig mit Öl gefüllt. Es beginnt nact kurzem Übergang der Druckhub unter Umkehrung der Bewegungsrichtung des Kolbens.
In dieserübergangsperiode kann zwar ein Teil des in den Ringnuten angesammelten Öls infolge seines Beharrungsver- mögens nach unten abströmen, der grössere Teil dieses Öls bleibt aber noch in den Nutringräumen, die nun-beim beginnenden Verdichtungshub des Kolbens - nach unten gegen den Kurbelwellenraum hin abgeschlossen werden, weil die zurückbleibenden Kolbenringe von den unteren Nutflanken 6 erfasst wer-
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rechts an die Zylinderwand geschoben, u. zw. infolge der vom Kolben aufzubringenden Verdichtungsarbeil mit einer noch grösseren Querkraft als beim Saughub. Es tritt also wieder eine Querverschiebung zwischer Nutgrund und Kolbenring ein ; auf der rechten Kolbenseite werden die Nutringräume kleiner und auf de ! linken Kolbenseite grösser.
Dabei wird an den rechten Ringteilräumen Öl verdrängt, das aber wegen de] grossen waagrechten Entfernung nicht oder doch nur zu einem Teil in die sich vergrössernden linken Ringteilräume ausweicht, im übrigen jedoch auf kürzestem Weg unter dem Pressdruck von der Pressstelle aus nach oben in den Spalt zwischenKolbenmantel und Zylinderwand strömen will, insbesondere sobald dieser Spalt gegen Ende des Druckhubs wieder breiter wird (Fig. 6) und dem hochdrückenden Öl den Weg frei macht.
Infolgedessen spritzt aus dem rechten Ringraum der oberen Kolbenringnut Öl in den Verdichtungraum und aus den entsprechenden Ringräumen der nächsten Kolbenringnuten strömt jeweils Öl zwischer Kolbenmantel und Zylinderwand der darüber liegenden Kolbenringnut zu, die diese Ölmenge beim näch- sten Saughub aufnimmt und beim darauffolgenden Druckhub wieder weiter fördert bzw. in den Verdichtungsraum ausspritzt.
Es ist also festzustellen, dass bei den üblichen Kolben die Kolbenringe in ihren Nuten wie Verdrängungsglieder von Ölpumpen arbeiten, wobei jeweils die unteren Ringe den über ihnen liegenden Öl zupumpen und der oberste Ring seine Ölmenge in den Verdichtungsraum spritzt. Von dort gelangt Öl in unerwünschter Menge zu den Ventilen, insbesondere zum Auslassventil. Es entstehen beachtliche Schmier- ölverluste, weil das über die Druckleitung mit der verdichteten Luft ausgestossene Öl nicht mehr in den Ölbehälter, z. B. die Kurbelwanne einer auch den Luftpresser antreibenden Fahrzeug-Antriebsbrennkraftmaschine zurückkehrt, sondern über Flüssigkeitsablassventile des Luftleitungssystems ins Freie ausgestossen wird.
Ausserdem verkoken bei zunehmender Erwärmung also bei höherer Verdichtung die Luftpresserventile verhältnismässig schnell.
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Diese Erscheinungen lassen sich an laufenden Luftpressern üblicher Bauart beim Beobachten des Verdichtungsvorgangs im Zylinderraum, beispielsweise über Fenster im Zylinderkopf, und des Luftflusses im Leitungssystem feststellen. Sie wirken sich besonders bei Verdichtern mit grossem Kolbenspiel und hoher Luftverdichtung, z. B. bei Stufenkolbenluftpressern, unangenehm aus.
Versuche haben nun gezeigt, dass sich diese Mängel der bisherigen Kolbenausführungen mit überraschend einfachen Massnahmen beheben lassen, so dass die Verdichter selbst wesentlich betriebssicherer werden und eine hohe Gebrauchsdauer erhalten. Diese Massnahmen gemäss der Erfindung verhindern die Pumpwirkung der Kolbenringe in ihren Nuten, indem sie den Kolben ständig auf seiner Anlaufseite an der Wand des Verdichterzylinders halten und radiale Raumänderungen innerhalb der Nuten unterbinden.
Der Kolben 12 gemäss der Erfindung (Fig. 7-9) unterscheidet sich dabei nur dadurch vom bekannten Kolben 1 (Fig. 1- 6), dass seine Ringnuten 13 exzentrisch zur Kolbenachse eingearbeitet sind. Die Exzentrizität e des Nutgrundkreises gegenüber dem Kolbenmantel, d. h. der Abstand zwischen der Achse a des zylindrischen Nutgrundes 14 und der Kolbenachse b ist beim Ausführungsbeispiel grösser als das Kolbenspiel s gewählt und nach derjenigen Seite des Kolbens gelegt, mit welcher der Kolben beim Arbeiten sich seitlich von der Zylinderwand entfernen will.
Infolge dieser seitlichen Versetzung des Nutgrundes 14 ist beim montierten Kolben der Nutgrundabstand von der ihm zugekehrten Innenwand des zugehörigen Kolbenrings 17 jetzt links kleiner und rechts grösser als beim bekannten Kolben. Die Wellfeder 18 ist also links in einen kleineren Raum gepresst als rechts, so dass sie an der linken Kolbenseite stärker vorgespannt ist als an der rechten Kolbenseite und den Kolben ständig, u. zw. während des ganzen Saug- und Druckhubs des Kolbens auf der Seite der grösseren Nuttiefe an der Wand des Zylinders 1 hält und also praktisch jede radiale Ringraumän- derung beim Hoch-und Niedergang des Kolbens verhindert.
Auch hier versucht nämlich die Wellfeder 18, die der Wellfeder 8 des Kolbens 2 nach Fig. 1 entspricht, den Nutgrund 14 mit Hilfe des zugehörigen Kolbenrings 17 gegenüber der Zylinderwand zu zentrieren, was notwendig einen entsprechenden Rechtsdruck des Kolbens 12 zur Folge hat, der auch im oberen und unteren Totpunkt des Kolbens noch vorhanden ist. Das Pumpen der Kolbenringe, soweit es durch relative Querverschiebungen dieser Ringe 17 bewirkt werden könnte, bleibt somit beim Kolben 12 aus.
Aus den Fig. 7 und 8 ist dieser Erfolg deutlich erkennbar, denn diese Figuren zeigen, dass die freien Nutringräume zwischen dem jeweiligen Nutgrund 14 und der Innenwand des zugehörigen Kolbenrings 17 praktisch unverändert bleiben und lediglich eine axiale Verschiebung der Kolbenringe 17 relativ zur oberen Nutflanke 15 oder zur unteren Nutflanke 16 eintritt, je nachdem der Kolben 12 saugt oder drückt. Die ungleich verteilte Radialspannkraft der Wellfeder 18 und Exzentrizität der Ringnuten 13 sind in Fig. 9 gezeigt. An Stelle einer einfachen Wellfeder kann natürlich auch eine in mehrere Radialdruckelemente aufgegliederte Feder verwendet werden, wie solche aus der Praxis bekannt sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kolben für Tauchkolben-Verdichter, insbesondere Luftpresser für Druckluftanlagen in Kraftfahrzeugen, der durch in Ringnuten des Kolbenmantels eingesetzte und durch Federn radial unterstützte Kolbenringe gegenüber der Zylinderwand abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkreis-Mittelpunkt der Kolbenringnuten exzentrisch zur Kolbenachse liegt, wobei die Nut auf der Seite des Kolbens, die infolge der vom Kurbeltrieb herrührenden Querkraft an die Zylinderwand gedrückt wird, am tiefsten, und auf der gegenüberliegenden Seite am niedrigsten ist.
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