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Die
Erfindung betrifft eine Kolbenarbeitsmaschine mit zumindest einer
trocken laufenden Kolben-Zylinder-Einheit.
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Eine
gattungsgemäße Kolbenarbeitsmaschine
ist in der deutschen Patentanmeldung
10 2005 048 681.9 beschrieben,
zu der die vorliegende Anmeldung eine Zusatzanmeldung ist.
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Kolbenarbeitsmaschinen
mit trocken laufenden Kolben-Zylinder-Einheiten sind beispielsweise als
Kreuzkopf-Kolbenarbeitsmaschinen bekannt, bei denen der Kolben zweigeteilt
ist, wobei ein erster, oberer Kolbenabschnitt mit der Wandung des
Zylinders das Zylindervolumen bestimmt und wobei ein vom ersten
Kolbenabschnitt über
eine Kolbenstange beabstandeter zweiter, unterer Kolbenabschnitt
im unteren Bereich des Zylinders geführt ist. In diesem unteren
Bereich des Zylinders ist eine Schmierstoffversorgung für den zweiten
Kolbenbereich vorgesehen. Der untere und der obere Teil des Zylinders
sind gegeneinander abgedichtet, wobei die Kolbenstange zwischen
den beiden Zylinderabschnitten diese Abdichtung durchdringt. Auf
diese Weise läuft
bei der bekannten Kreuzkopf-Kolbenarbeitsmaschine der erste, obere
Abschnitt des Kolbens ohne zusätzlichen
Schmierstoff im Zylinder. Der Vorteil eines derartigen trocken laufenden
Zylinders liegt darin, daß kein
Schmierstoff in den Kompressionsraum des Zylinders eingetragen wird,
so daß dann,
wenn die Kolben-Zylinder-Einheit als Kompressor genutzt wird, kein
Schmierstoff in das zu komprimierende Gas eingetragen wird. Auch
dann, wenn die Kolben-Zylinder-Einheit als Pumpe ausgebildet ist,
wird kein Schmierstoff in das zu pumpende Fluid transportiert. Aber
auch dann, wenn die trocken laufende Kolbenarbeitsmaschine als Brennkraftmaschine
ausgebildet ist, wird kein Schmierstoff in den Brennraum eingetragen,
so daß das
Abgasverhalten der Brennkraftmaschine verbessert ist.
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Der
Aufbau derartiger Kreuzkopf-Kolbenarbeitsmaschinen ist jedoch aufgrund
des geteilten Kolbens und des damit verbundenen langen Zylinders
voluminös
und komplex.
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Eine
Kolbenarbeitsmaschine mit zumindest einer trocken laufenden Kolben-Zylinder-Einheit
sollte kompakt aufgebaut sein und auch bei hoher Betriebsleistung
einen zuverlässigen
Trockenlauf des Kolbens im Zylinder gewährleisten.
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Eine
Ausgestaltung als Doppelkurbelwellen-Kolbenarbeitsmaschine besitzt
den Vorteil, daß, bedingt
durch die sich gegensinnig synchron drehenden Kurbelwellen, der
mit den Kurbelwellen über
jeweils ein Pleuel verbundene Zylinder keinen Kippkräften unterliegt
und daher zuverlässig
im Zylinder geführt
ist. Dadurch kann die bei der Kreuzkopf-Kolbenarbeitsmaschine erforderliche
zusätzliche
Führung
mittels eines zweiten Kolbenabschnitts im unteren Bereich des Zylinders
entfallen. Da die Kurbelwellen der erfindungsgemäßen Kolbenarbeitsmaschine in
einem mit Schmierstoff versorgten separaten Gehäuse gelagert sind und aus diesem
mit ihrem Endabschnitt abdichtend austreten, kann der gesamte Kurbeltrieb
der Zylinder außerhalb
des mit Schmierstoff versorgten Gehäuses vorgesehen sein, so daß keine
Gefahr des Eintretens von Schmierstoff in den Kompressionsraum der
Kolben-Zylinder-Einheit besteht.
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Bevorzugt
sind auch die Synchronisationszahnräder innerhalb des mit Schmierstoff
versorgten zweiten Gehäuses
angeordnet.
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Vorteilhaft
ist auch, wenn das zweite Gehäuse
mit dem ersten Gehäuse
integral ausgebildet ist.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist das jeweilige Pleuel am zugeordneten Kurbelzapfen und am zugeordneten
Hubkolben mittels gegen den Austritt von Schmierstoff abgedichteter
Lager gelagert, so daß der
für die
Pleuellagerung erforderliche Schmierstoff nicht in den Innenraum
des trockenen ersten Gehäuses
eindringen und von dort am Kolben vorbei in den Kompressionsraum
gelangen kann.
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Auch
können
die beiden Kurbelwellen innerhalb des zweiten Gehäuses in
zumindest einem gemeinsamen Lagerstuhl gelagert sein, wobei der
Lagerstuhl aus einem Material mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten
besteht, wobei die Synchronisationszahnräder aus einem Material mit einem
zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten
bestehen und wobei die Abmessungen des Lagerstuhls und der Synchronisationszahnräder in Radialrichtung sowie
der erste und der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient
so aufeinander abgestimmt sind, daß die Wärmeausdehnung des Lagerstuhls
zwischen den beiden Drehachsen im wesentlichen gleich der Wärmeausdehnung
der Synchronisationszahnräder
ist.
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Die
gemeinsame Lagerung der beiden Kurbelwellen in zumindest einem gemeinsamen
Lagerstuhl ermöglicht
zunächst,
daß Kräfte, die
in Radialrichtung zwischen den beiden Kurbelwellen wirken, nicht über das
Gehäuse
geleitet werden müssen, sondern
unmittelbar im Lagerstuhl aufgenommen werden. Das Gehäuse kann
daher gewichtsgünstig ausgelegt
werden. Die besondere Auswahl der Materialien des Lagerstuhls und
der miteinander kämmenden
Synchronisationszahnräder,
bei der die Abmessungen des Lagerstuhls und der Synchronisationszahnräder in Radialrichtung
sowie der erste Wärmeausdehnungskoeffizient
des Materials des Lagerstuhls und der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient des
Materials der Synchronisationszahnräder so aufeinander abgestimmt
sind, daß die
Wärmeausdehnung
des Lagerstuhls zwischen den beiden Drehachsen im wesentlichen gleich
der Wärmeausdehnung der
Synchronisationszahnräder
ist, sorgt zudem dafür,
daß das
Zahnflankenspiel zwischen den beiden miteinander kämmenden
Synchronisationszahnrädern
konstant bleibt und sich bei Temperaturschwankungen, die insbesondere
bei Hochleistungsmotoren auftreten, nicht verändert. Hierdurch werden die
Verschleißbelastung
der Zahnflanken und auch die Geräuschentwicklung
spürbar
herabgesetzt.
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Eine
andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Kurbelwellen
aus einem Material mit einem dritten Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen
und daß die
Abmessungen des Lagerstuhls, der Kurbelwellen und der Zahnräder in Radialrichtung
sowie der erste, der zweite und der dritte Wärmeausdehnungskoeffizient so
aufeinander abgestimmt sind, daß die
Wärmeausdehnung
des Lagerstuhls und der darin gelagerten Kurbelwellen-Abschnitte
im wesentlichen gleich der Wärmeausdehnung
der Synchronisationszahnräder
und der Kurbelwellen-Abschnitte ist, auf dem die Synchronisationszahnräder angebracht
sind. Hierdurch werden auch die thermischen Eigenschaften der Kurbelwellen
bei der Kompensation der thermischen Einflüsse auf das Zahnflankenspiel
berücksichtigt.
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Vorteilhaft
ist auch, wenn der Lagerstuhl und die Synchronisationszahnräder jeweils
aus Material mit demselben Wärmeausdehnungskoeffizienten
bestehen, wobei vorteilhafterweise auch die Kurbelwellen aus dem
Material mit diesem Wärmeausdehnungskoeffizienten
bestehen.
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Insbesondere
vorteilhaft ist es, wenn der Lagerstuhl und die Synchronisationszahnräder aus dem
gleichen Material bestehen und wenn weiter vorteilhafterweise auch
die Kurbelwellen aus diesem gleichen Material bestehen.
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In
noch einer anderen Ausführungsform
sind zumindest zwei Lagerstühle
zur Lagerung der Kurbelwellen vorgesehen.
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Eine
weitere Ausführungsform
zeichnet sich dadurch aus, daß auch
das andere Ende der jeweiligen Kurbelwelle aus dem zweiten Gehäuse herausgeführt ist
und daß jede
der Kurbelwellen auch am anderen Ende mit einem Kurbelzapfen versehen
ist, der über
jeweils ein zugeordnetes Pleuel mit einem Zylinder einer zweiten
Kolben-Zylinder-Einheit verbunden ist. Auf diese Weise wird eine
erfindungsgemäß aufgebaute
Zweizylinder-Kolbenarbeitsmaschine mit zwei trocken laufenden Kolben-Zylinder-Einheiten
geschaffen.
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Mögliche Anwendungen
der erfindungsgemäßen Kolbenarbeitsmaschine
sind entweder Kompressoren, Pumpen oder Brennkraftmaschinen. Die Kolbenarbeitsmaschine
kann auch als mehrstufiger Kompressor oder als mehrstufige Pumpe
ausgebildet sein.
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Ist
die Kolben-Arbeitsmaschine mit zwei Kolben-Zylinder-Einheiten versehen,
so ist es außerdem vorteilhaft,
wenn eine der Kolben-Zylinder-Einheiten als trocken laufende Pumpe
oder trocken laufender Kompressor ausgebildet ist, während die
andere Kolben-Zylinder-Einheit als Brennkraftmaschine zum Antrieb
der Pumpe beziehungsweise des Kompressors ausgebildet ist. Die als
Brennkraftmaschine ausgebildete Kolben-Zylinder-Einheit kann dabei
entweder als trocken laufende Kolben-Zylinder-Einheit oder als herkömmlich geschmierte
Kolben-Zylinder-Einheit ausgestaltet sein.
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Wird
diese in der deutschen Patentanmeldung
10 2005 048 681.9 beschriebene
Kolbenarbeitsmaschine als Kompressor eingesetzt, so kann insbesondere
dann, wenn die Kolbenarbeitsmaschine sehr kompakt aufgebaut ist,
ein zusätzlicher
Kühlungsbedarf
entstehen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die in der deutschen Patentanmeldung
10 2005 048 681.9 offenbarte
Kolbenarbeitsmaschine, wenn diese von einem Kompressor gebildet
ist, so auszugestalten, daß sie
auch bei kompaktem Aufbau nicht überhitzt.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und
5 gelöst.
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Insbesondere
dadurch, daß das
zu verdichtende Gas, bevor es durch das Einlaßventil in den Kompressionsraum
eingeleitet wird, durch den Innenraum des ersten Gehäuses auf
der vom Kompressionsraum abgewandten Seite des Hubkolbens geleitet
wird, erfolgt durch das von außen
angesaugte kühle
Gas eine Kühlung
des im ersten Gehäuse gelegenen
Kurbeltriebs, wobei insbesondere die Lager des Kurbeltriebs und
auch die Unterseite des Kolbens vom Gas gekühlt werden.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu dieser Gaskühlung
beziehungsweise Luftkühlung,
falls das Gas Umgebungsluft ist, kann in einer den Kompressionsraum
begrenzenden Wand zumindest eine Einspritzdüse für eine Kühlflüssigkeit vorgesehen sein. Die Einspritzung
einer Kühlflüssigkeit
in den Kompressionsraum führt
nicht nur zu einer Abkühlung
des Kolbenbodens und der den Kompressionsraum umgebenden Zylinderwände, sondern
vor allem zu einer Verdampfungskühlung des
im Kompressionsraums enthaltenen komprimierten und dadurch aufgeheizten
Gases.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den verbleibenden Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert;
in dieser zeigt:
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1 einen
Vertikalschnitt durch einen Zylinder einer Kolbenarbeitsmaschine
entlang der Linie I-I in 2;
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2 einen
Längsschnitt
durch eine Kolbenarbeitsmaschine entlang der Linie II-II in 1;
und
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3 einen
Längsschnitt
durch eine Kolbenarbeitsmaschine entsprechend der 2 mit
den erfindungsgemäßen Kühleinrichtungen.
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In 1 ist
schematisch die Kolben-Zylinder-Einheit einer erfindungsgemäßen Kolbenarbeitsmaschine
mit zugehörigem
Kurbeltrieb dargestellt. In einem mit einem ersten Gehäuse 1 verbundenen
Zylinder 2 ist ein Hubkolben 3 hin- und her bewegbar angeordnet.
Dabei wird von der Wandung des Zylinders 2 und der oberen
stirnseitigen Fläche
des Kolbenbodens 30 des Zylinders 2 ein Zylinderraum
oder Kompressionsraum 20 umschlossen. In dem in den Figuren
schematisch dargestellten Zylinder 2 sind, ebenfalls schematisch
dargestellt, ein Einlaßventil 22 und
ein Auslaßventil 24 vorgesehen,
die den Kompressionsraum 20 mit einem – nicht gezeigten – Einlaßkanal beziehungsweise
einem – nicht
gezeigten – Auslaßkanal verbinden.
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Der
Kolben 3 ist an seinem Umfang im Bereich seines Kolbenbodens 30 mit
zwei axial voneinander beabstandeten Kolbenringen 31, 32 sowie
einem im vom Kolbenboden 30 abgewandten unteren Kolbenbereich
gelegenen Führungsring 33 versehen.
Der Führungsring 33 und/oder
die Kolbenringe 31, 32 bestehen aus einem Material
mit selbstschmierenden Eigenschaften, wie beispielsweise PTFE (Polytetrafluorethylen)
oder Graphit.
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An
seinem vom Kolbenboden 30 abgewandten unteren Ende ist
der Kolben 3 mit zwei bezüglich der Zylinderachse A seitlich
zueinander versetzt gelegenen Pleuelzapfen 34, 35 versehen.
Auf jeden der Pleuelzapfen 34, 35 ist ein gekapseltes
Wälzlager vorgesehen,
welches jeweils ein kolbenseitiges Pleuellager 36, 37 bildet.
Auf jedem kolbenseitigen Pleuellager 36, 37 ist
jeweils ein Pleuel 6, 7 schwenkbar am Hubkolben 3 angebracht.
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Das
zweite Ende eines jeden Pleuels 6, 7 ist an einem
zugeordneten Kurbelzapfen 40, 50 mittels jeweils
eines gegen den Austritt von Schmiermittel gekapselten Wälzlagers,
das jeweils ein kurbelwellenseitiges Pleuellager 41, 51 bildet,
drehbar gelagert. Der erste Kurbelzapfen 40 ist dabei an
einer mit einer ersten Kurbelwelle 4 verbundenen Kurbelscheibe 42 vorgesehen
und der zweite Kurbelzapfen 50 ist an einer mit einer zweiten
Kurbelwelle 5 verbundenen Kurbelscheibe 52 vorgesehen.
Die erste Kurbelwelle 4 und die zweite Kurbelwelle 5 verlaufen
zueinander parallel und drehen sich gegensinnig synchron. Die Drehachsen
X, X' der beiden
Kurbelwellen 4, 5 verlaufen dabei zu einer gemeinsamen
Zylinder-Mittelebene Z parallel und sind bezüglich dieser Zylinder-Mittelebene
Z seitlich symmetrisch versetzt.
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In 2 ist
ein Längsschnitt
durch die Kolbenarbeitsmaschine in Blickrichtung der Pfeile II-II
in 1 gezeigt.
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Der
Zylinder 2 ist oben von einem Zylinderkopf begrenzt und
ist unten auf herkömmliche
Weise mit einem ersten Gehäuse 1 der
Kolbenarbeitsmaschine verbunden. Innerhalb des ersten Gehäuses 1 ist
der aus den Kurbelscheiben 42, 52 und den Pleueln 6, 7 bestehende
Kurbeltrieb für
den Kolben 3 vorgesehen.
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Integral
mit dem ersten Gehäuse 1 ist
ein zweites Gehäuse 8 ausgebildet,
welches durch eine Trennwand 12 gegenüber dem ersten Gehäuse 1 abgegrenzt
und abgedichtet ist.
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Das
zweite Gehäuse 8 umschließt einen zweiten
Gehäuseraum 80 und
weist in seinem unterem Bereich eine Ölwanne 82 auf. Die Ölwanne 82 und
ein unterer Abschnitt des Gehäuseinnenraums 80 sind
mit einem Schmieröl
befüllt.
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Innerhalb
des zweiten Gehäuses 8 sind
zwei Lagerstühle 9, 9' angeordnet,
in denen die Kurbelwellen 4, 5 derart gelagert
sind, daß jede
der Kurbelwellen 4, 5 in jedem der beiden Lagerstühle 9, 9' gelagert ist.
Die jeweilige Kurbelwelle 4, 5 ist innerhalb des
zweiten Gehäuses 8 zylindrisch
ausgebildet und jeweils durch eine in der Trennwand 12 angeordnete Radialdichtung,
von der in 2 nur die der Kurbelwelle 4 zugeordnete
Radialdichtung 43 gezeigt ist, aus dem Innenraum 80 des
zweiten Gehäuses 8 in den
Innenraum 10 des ersten Gehäuses 1 herausgeführt.
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Das
andere Ende zumindest einer der beiden Kurbelwellen ist auf der
von der Trennwand 12 abgewandt gelegenen Stirnwand 84 des
Gehäuses 8 durch
eine in dieser Stirnwand 84 angeordnete Radialdichtung 44 herausgeführt. Dieses
herausgeführte Ende
der zumindest einen Kurbelwelle dient dann, wenn die Kolbenarbeitsmaschine
ein Kompressor oder eine Pumpe ist, als Antriebswelle für die Kolbenarbeitsmaschine
und dann, wenn die Kolbenarbeitsmaschine eine Brennkraftmaschine
ist, als Abtriebswelle.
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Jede
der Kurbelwellen 4, 5 ist innerhalb des Gehäuses 8 mit
einem auf dem zylindrischen Kurbelwellenabschnitt drehfest angebrachten
Synchronisationszahnrad 46, 56 versehen, wobei
die Synchronisationszahnräder 46, 56 miteinander
kämmend
in Eingriff stehen und mit ihrem unteren Abschnitt in den Schmiermittelvorrat 81 im
unteren Bereich des Innenraums 80 des Gehäuses 8 eintauchen.
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Durch
das Vorsehen der zu schmierenden Kurbelwellenlager und der zu schmierenden
Synchronisationszahnräder 46, 56 innerhalb
des zweiten Gehäuses 8 ist
es möglich,
daß nur
der Innenraum 80 des zweiten Gehäuses 8 flüssiges Schmiermittel enthält, während der
Innenraum 10 des ersten Gehäuses 1, in welchem
sich der Kurbeltrieb befindet, als schmiermittelfreier, trockener
Raum ausgebildet ist, wobei die hier erforderlichen Lagerungen der Pleuel
durch gekapselte Wälzlager
gebildet sind, die gegen Schmiermittelaustritt abgedichtet sind,
so daß in
den Zylinder 2 kein Schmiermittel eintreten kann.
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Die
Doppelkurbelwellenanordnung in Verbindung mit dem über die
beiden Pleuel 6, 7 angelenkten Kolben 3 sorgt
dafür,
daß keine
Kippkräfte
auf den Kolben 3 einwirken, so daß dieser stets mit seiner Kolbenmittelachse
A' in Richtung der
Zylinderachse A geführt
wird. Dabei übernimmt
der vorzugsweise aus selbstschmierendem Material bestehende Führungsring 33 eine
Zentrierung des Kolbens 3 im Zylinder 2 und die
Kolbenringe 31, 32 sorgen für eine Abdichtung des Kompressionsraums 20 gegenüber dem
mit dem Innenraum des Gehäuses 1 verbundenen
unteren Teil des Innenraums des Zylinders 2.
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3 zeigt
eine Kolbenarbeitsmaschine, die im Grundsatz jener Kolbenarbeitsmaschine
entspricht, die in Verbindung mit den 1 und 2 beschrieben
worden ist, wobei jedoch zusätzliche Maßnahmen
zur Kühlung
vorgesehen sind.
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Im
unteren Teil des ersten Gehäuses 1 ist dessen
Gehäusewand 11 mit
einer Ansaugöffnung 14 für ein Umgebungsgas,
vorzugsweise Umgebungsluft, versehen. Vor der Ansaugöffnung 14 ist ein
Filter 16 vorgesehen, das den Eintritt von Fremdkörpern in
den Innenraum 10 und damit eine Verschmutzung des Innenraums 10 verhindert.
Die Luft strömt
dann entsprechend den in 3 dargestellten Pfeilen durch
den Innenraum 10 des ersten Gehäuses 1 auf der vom
Kompressionsraum 20 abgewandten Seite des Hubkolbens 3,
wobei sie von den rotierenden Kurbelscheiben 42, 52,
den Pleueln 6, 7 und dem sich auf- und abbewegenden
Kolben 30 verwirbelt wird und so diese Teile, insbesondere
die kurbelwellenseitigen Pleuellager 41, 51 und
die kolbenseitigen Pleuellager 36, 37, kühlt.
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Die
Luft strömt
dann durch einen in der Zylinderwandung vorgesehenen Ansauggaskanal 18 zum Einlaßventil 22 und
wird durch dieses in den Kompressionsraum 20 angesaugt.
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In
der Wand 28 des Zylinders 2 ist außerdem eine
Einspritzdüse 26 für eine Kühlflüssigkeit
vorgesehen. Durch die Einspritzdüse 26 kann
als Kühlflüssigkeit
beispielsweise Kühlwasser,
das aus dem Kondenswasservorrat entnommen wird, welcher beim Komprimieren
des Gases entsteht, in den Kompressionsraum 20 eingespritzt
werden, und durch die beim Einspritzen in das durch die Kompression
erhitzte Gas auftretende Verdampfung des Wassers und die dadurch
entstehende Kälte
wird das komprimierte Gas herabgekühlt. Die Einspritzdüse 26 kann auch
in der Stirnwand 29 des Zylinderkopfs vorgesehen sein.
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Die
Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt, die
lediglich der allgemeinen Erläuterung
des Kerngedankens der Erfindung dienen. Im Rahmen des Schutzumfangs
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
vielmehr auch andere als die oben beschriebenen Ausgestaltungsformen annehmen.
Die Vorrichtung kann hierbei insbesondere Merkmale aufweisen, die
eine Kombination aus den jeweiligen Einzelmerkmalen der Ansprüche darstellen.
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i
Bezugszeichen in den Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren
Verständnis
der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.