Kolbenverdichter, insbesondere für Druckluftanlagen in Kraftfahrzeugen Die Erfindung betrifft :einen Kolbenverdichter, insbesondere für Druckluftanlagen in Kraftfahrzeu gen, z. B. Druckluftbremsanlagen. Diese Kolbenvzr- dichter haben Kolben, die durch in Ringnuten des Kolbenmantels eingesetzte Kolbenringe abgedichtet sind, die von radial wirkenden, am Nutgrund sich abstützenden Federn gegen die Zylinderwand ge drückt werden.
Bei Verdichtern mit .solchen Kolben ist der Verdichtungsraum besser gegen den Kurb,el- wellenraum abgedichtet als bei Verdichtern mit den üblichen selbstspreizenden Kolbenringen, weil die Kolbenringe mit Federunterstützung über ihren gan zen Umfang sehr gleichmässig an der Zylinderwand anliegen. Dies ist besonders wichtig bei Luftpressern für Kraftfahrzeug-Druckluftanlagen, vor allem sol chen für hohe Drücke, z.
B. bei Stufenluftpressern, weil hier bei :schlechter Abdichtung eine zu grosse Ölentnahme aus dem auch den .Luftpnesser versorgen den Schmierölkreislauf der Antriebsbrennkraftma- schine des Fahrzeugs eintreten kann und weil dann ..die mit Öl angereicherte Druckluft dazu führt, dass nicht genügend gekühlte Auslassventile des Luftpres- sers verkoken.
Der Austausch der üblichen selbst- spreizenden Kolbenringe<I>gegen</I> solche mit radialer Federunterstützung hat hier zwar bereits einen be achtlichen Fortschritt gebracht ;bei längerer Be triebsdauer und schärferen Betriebsbedingungen zei gen sich aber doch häufig wieder die alten Mängel.
Durch eingehende systematische Untersuchungen während einer grossen Zahl von Dauerversuchen konnte nun unter Beibehaltung der genannten feder- unterstützten Kolbenringe eine Lösung zum Ver ringern ides Ölverbrauchs :und der damit verbundenen nachteiligen Folgen gefunden werden, und zwar ohne zusätzliche Mittel und Mehrkosten.
Zum Beheben des bisherigen Mangels werden gemäss der Erfin dung bei derartigen Verdichtern die für die Auf- nahme :der radial ,durch Federn unterstützten Kolben ringe im Kolben vorgesehenen Nuten so ausgebildet, dass deren Grundkreis-Mittelpunkt exzentrisch zur Kolbenachse liegt, und zwar so, dass die Ringnuten dort, wo der Kolben durch die vom Kurbeltrieb her rührende, über das Pleuel am Kolbenbolzen wir kende Querkraft an die Zylinderwand gedrückt wird, am tiefsten und auf der gegenüberliegenden Seite am niedrigsten ist;
id. h. der Mittelpunkt des Grund kreises der Nuten ist von der Kolbenachse entge gen der erwähnten Querkraft verschoben.
Die Erfindung ist im nachfolgenden an Hand von schematischen Vergleichsbildern eines bisher für Kolbenverdichter vorgesehenen Kolbens und eines Kolbenverdichters gemäss der Erfindung unter Dar stellung verschiedener Arbeitsstellungen erläutert.
Im einzelnen zeigen: Fig. 1-6 einen Kolbenverdichter bisheriger Aus führung mit einem Kolben in seinem Zylinder wäh rend des Saughubs und Druckhubs je in drei Lagen, nämlich in der ,des oberen .und des unteren Tot punkts und in einer Mittellage, während die Fig. 7 und 8 in Saughub- bzw.
Druckhubmittel- lage einen gemäss der Erfindung abgeänderten Ver dichter skizzieren und Fig.9 den neuen Kolbenverdichter mit seinem Kolben im Schnitt nach einer Querebene IX-IX der Fig.7 in grösserem Massstab als in den Fig.7 und 8 zeigt.
In einem Verdichterzylinder 1 ist ein zylindrischer Kolben 2 verschiebbar angeordnet, der von einer nicht dargestellten, im Uhrzeigersinn sich drehenden Kurbelwelle über eine Pleuelstange und einen Kol benbolzen auf und ab bewegt wird. In den Mantel dieses bekannten Kolbens sind Ringnuten 3 einge stochen, 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 Kolben ringe 7 mit Wehfedern 8 eingelegt.
Der Flankenab stand der Nuten ist um ein gewisses Mass grösser als die axiale Ringstärke. Die Wellfedern liegen mit ihren Wellenbergen an der Innenseite der Kolben ringe und mit ihren Tälern am Nutgrund je unter radialer Spannung an.
Infolge ihrer Vielzahl von Wellen sorgen diese Federn, wie viele einzelne, radial gerichtete Schraubenfedern, dafür, d'ass die Kolben ringe mit ihrer Aussenseite rund herum galt abschlie ssend an der Innenwand ides Zylinders 1 gleiten. Die Federn sind ausserdem stets bestrebt,
mit Hilfe der zugehörigen Kolbenringe 7 den Kolben 2 in oder Boh-' rung des Zylinders 1 zu zentrieren, d. h. die Kolben achse 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 durchwegs ra dial gerichtete Einzelschraubenfedern eingezeichnet, mit denen sich die unterschiedlichen radialen Spreiz- kräfte besser darstellen lassen.
Bei Verdichtern mit Kolben d er genannten Bau art lassen sich unter anderem folgende Vorgänge feststellen: Bei Benn des Saughubs wollen die Kolben ringe 7 die Abwärtsbewegung des Kolbens 2 zu nächst nicht mitmachen, bis sie von den oberen Flan ken 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 Amalspiels der Kolbenringe vergrössert.
Das beim Saughub ,durch die untere Kolbenringkante von der Zylinderwand abgeschraubte Schmieröl wind mitgenommen und ein Teil davon in die Radial spalte über den Nutflanken 6 und von dort in die Ringräume zwischen den Kolbenringen 3 und Odem jeweiligen Nutgrund 4 getrieben.
Diese Ölaufnahme in die Kolbenringnuten er streckt sich über den ganzen Saughub, wenn sie sich auch nicht gleichmässig über den ganzen Kolbenum fang verteilt, weil die beim, Saughub, zeitweise nach rechts unten ziehende Pleuelstange auch den Kolben aus seiner Mittellage entsprechend Odem Kolbenspiel s nach rechts verschiebt und dabei über die rundrar an der Zylinderwand bleibenden Kolbenringe die Ringräume zwischen diesen Ringen und dem Nut grund verändert,
so dass diese Räume vorübergehend rechts schmäler und links breiter werden und dann wieder gegen Ende des Saughubs 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 nach kurzem übergang der Druckhub .unter Umkehrung der Bewegungsrichtung des Kolbens.
In idieser über- gangsperiade kann zwar ein Teil des in den Ring- nuten angesammelten Öls infolge seines Beharrungs vermögens nach unten abströmen, der grössere Teil dieses Öls bleibt aber noch in den Nutr'ngräumen, die nun - beim beginnenden Verdichtungshub des Kolbens - nach unten gegen den Kurbelweltenraum hin abgeschlossen werden,
weil die zurückbleiben den Kolbenringe von den unteren Nutflanken 6 er fasst werden und dann während des weiteren Auf wärtshubs des Kolbens 2 dort angelegt bleiben (vgl. Fig. 4).
Mit zunehmendemVerdichtungsweg wird derKol- ben 2 vom hochlaufenden Pleuel wieder nach rechts an die Zylinderwand geschoben, und zwar infolge der vom Kolben aufzubringenden Verdichtungsarbeit mit einer noch grösseren Querkraft als beim Saug hub.
Es tritt also wiederum eine Querverschiebung zwischen Nutgrund und Kolbenring ein; auf der rechten Kolbenseite wenden die Nutringräume klei ner und auf der linken Kolbenseite grösser.
Dabei wird an den rechten Ringteilräumen Öl verdrängt, das aber wegen der grossen waagrechten Entfernung nicht oder doch nur zu einem Teil in die sich ver grössernden linken Ringteilräume ausweicht, im übri gen jedoch auf kürzestem Weg unter dem Press- ,druck von der Pressstelle aus nach oben in. .den Spalt zwischen Kolbenmantel und Zylinderwand strömen will,
insbesondere sobald dieser Spalt gegen Ende des Druckhubs wieder breiter wird und dem hoch drückenden Öl den Weg frei macht. Infolgedessen spritzt aus dem rechten Ringraum der oberen Kolben ringnut Öl in den Verdichtungsraum und aus den entsprechenden Ringräumen der nächsten Kolben ringnuten strömt jeweils Öl zwischen Kolbenmantel und Zylinderwand der Barüberliegenden Kolben ringnut zu, die diese Ölmenge beim nächsten Saug hub aufnimmt und beim darauffolgenden Druckhub wieder weiterfördert bzw. in den Verdichtungsraum ausspritzt.
Es ist also festzustellen, @dass bei den üblichen Kolben die Kolbenringe in ihren Nuten wie Ver drängungsglieder von ölpumpien arbeiten, wobei je weils 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, insbe sondere zum Auslassventil. Es entstehen beachtliche Schmierölverluste, 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-An- triebsbrennkraftmaschine, zurückkehrt, sondern. über Flüssigkeitsablassventile das Luftleitungssystem ins Freie ausgestossen wird. Ausserdem verkoken bei zunehmender Erwärmung, also bei höherer Verdich tung, die Luftpresserventile verhältnismässig schnell.
Diese Erscheinungen lassen sich an laufenden Luftpressern üblicher Bauart beim Beobachten ides Verdichtungsvorgangs im Zylinderraum, beispiels weise über Fenster im Zylinderkopf, und des Luft flusses im Leitungssystem feststellen. Sie wirken sich besonders bei Verdichtern mit grossem Kolbenspiel und hoher Luftverdichtung, z. B. bei Stufenkolben luftpressern, unangenehm aus.
Versuche haben nun gezeigt, dass sich diese Män gel der bisherigen Kolbenverdichter mit ,überraschend einfachen Massnahmen beheben lassen, so dass die Verdichter wesentlich betriebssicherer werden und eine hohe Gebrauchsdauer erhalten.
Diese Massnah men gemäss der Erfindung verhindern die Pumpwir- kung der Kolbenringe in ihren Nuten, ihdem sie den Kolben ständig auf seiner Anlaufseite an der Wand des Verdichterzylinders halten und radiale Raum- änderungen innerhalb der Nuten unterbinden.
Der Kolbenverdichter gemäss der Erfindung (Fig. 7 bis 9) unterscheidet sich dabei nur dadurch von dem bekannten Kolbenverdichter (Fig. 1 bis 6), dass die Ringauen 13 seines Kolbens 12 exzentrisch zur Kolbenachse eingearbeitet sind. Die Exzentrizität e des Nutgrundkreises gegenüber dem Kolbenmantel, d. h.
der Abstand zwischen der Achse a des zylindrischen Nutgrunds 14 und der Kolben achse 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 Nut grunds 14 ist beim montierten Kolben der Nut grundabstand von ider ihm zugekehrten Innenwand ,des zugehörigen Kolbenrings 17 jetzt links kleiner und rechts grösser als beim bekannten Kolben.
Die Wehfeder 18 ist also links in einen kleineren Raum gepresst als rechts, ;so dass sie an der linken Kolben seite stärker vorgespannt ist als an der rechten Kol benseite und,den Kolben ständig, und zwar 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 Räng- raumänderung beim Hoch- und Niedergang des Kol bens 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 Zy linderwand zu zentrieren, was notwendig einen ent sprechenden Rechtsdruck des Kolbens 12 zur Folge hat, der auch im oberen und unteren Totpunkt des Kolbens noch vorhanden ist.
Das Pumpen der Kol benringe, soweit es durch relative Querverschiebun gen dieser Ringe 17 bewirkt werden könnte, bleibt somit beim Kolben 12 aus. Aus den Fig. 7 und 8 ist dieser Erfolg deutlich erkennbar, idenn diese Fi guren 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 Dur 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 die Exzentri zität 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.