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Die
Erfindung betrifft einen Hubkolbenverdichter, der insbesondere zum
Aufladen einer Brennkraftmaschine geeignet ist.
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Die
Aufladung von Brennkraftmaschinen ist nicht nur ein bewährtes Mittel
zur Drehmoment- und Leistungssteigerung,
sondern auch zur Absenkung des Verbrauches im Teillastbetrieb einer
Brennkraftmaschine mit vorgegebener Höchstleistung. Die Aufladung
von Dieselmotoren ist besonders vorteilhaft, da bei Dieselmotoren
die bei Ottomotoren bestehenden Klopfprobleme nicht vorhanden sind.
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Für die Aufladung
gibt es zwei grundsätzlich verschiedene
Möglichkeiten,
die auch in Kombination eingesetzt werden. Bei der Abgasturboaufladung wird
die im Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltene Energie zum Antrieb
eines Turboladers benutzt, der eine Turbine antreibt, die der Brennkraftmaschine verdichtete
Luft zuführt.
Bei der sogenannten Fremdaufladung wird der Verdichter von einem
eigenen Antrieb, beispielsweise der Kurbelwelle der aufzuladenden
Brennkraftmaschine, oder einem sonstigen Motor, beispielsweise Elektromotor,
angetrieben, um die der Brennkraftmaschine zugeführte Luft zu verdichten. Es
sind unterschiedliche Arten von fremdangetriebenen Verdichtern bekannt,
beispielsweise Roots-Gebläse,
Spirallader oder auch Kolbenverdichter.
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Ein
Hubkolbenverdichter mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1 ist aus der
DE 103 60
920 B3 bekannt. Mit einem solchen Hubkolbenverdichter lassen
sich strömungs-oberhalb der Einlassventile
der Brennkraftmaschine hohe Ladungsdrücke erzeugen, wodurch bei entsprechender
Steuerung der Einlassventile der Brennkraftmaschine die Verdichtungsarbeit
zum Verdichten der dann verbrannten Ladung vermindert und dadurch
der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert werden kann.
Die Ein- und Auslassventile des bekannten Hubkolbenverdichters sind
als Tellerventile ausgebildet.
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In
der
DE 151 51 717 A ist
ein Kompressor mit einem Zylinder beschrieben, in dem ein Kolben hin- und her beweglich
ist. Ventilglieder von an den Stirnwänden des Zylinders angeordneten
Ventilen sind als Schieber ausgebildet, die von einem ersten für eine Hin-
und Herbewegung ange triebenen Gleitstück über eine Schubstange und ein
weiteres Gleitstück
hin- und her bewegt werden. Die Bewegungsrichtungen der Gleitstücke sind
senkrecht zueinander gerichtet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Hubkolbenverdichter
derart weiterzubilden, dass er bei vereinfachtem Aufbau mit hohem
Wirkungsgrad arbeitet.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
Unteransprüche
sind auf vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Hubkolbenverdichters gerichtet.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise
und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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Es
stellen dar:
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1 einen
schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Hubkolbenverdichter,
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2 und 3 unterschiedliche
perspektivische Ansichten eines Kolbens mit den Kolben durchragenden
Kurbelwellen,
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4 eine
perspektivische Ansicht zweier Kurbelwellen für einen zweizylindrigen Hubkolbenverdichter,
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5 die
Kurbelwellen gemäß 4 mit
zugehörigen
Kolben,
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6 eine
schematische Ansicht zur Erläuterung
der Konstruktion und Betätigung
von Einlassventilen,
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7 eine
schematische Ansicht zur Erläuterung
der Konstruktion und der Betätigung
eines Auslassventils,
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8 eine
perspektivische Ansicht zur Erläuterung
des Aufbaus und der Betätigung
je eines Einlassventils und Auslassventils, und
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9 eine
perspektivische Ansicht eines am Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine
angeflanschten erfindungsgemäßen Verdichters.
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Gemäß 1 weist
ein erfindungsgemäßer Hubkolbenverdichter
einen beidseitig durch Stirnwände 1, 2 verschlossenen
Zylinder 3 auf, in dem ein Kolben 4 hin und her
beweglich ist. Der Kolben 4 enthält zwei in gegenseitigen Abstand
angeordnete Kolbenböden 6 und 8,
die vorteilhafterweise an ihren Umfangsrändern zur Abdichtung mit Kolbenringen bestückt sind
und die im Inneren des Zylinders 3 zwei Arbeitskammern 10 und 12 abtrennen.
Die beiden Kolbenböden 6 und 8 sind über Streben 14 starr
miteinander verbunden, beispielsweise verschraubt. An den einander
zugewandten Innenseiten der Kolbenböden 6 und 8 sind
Führungsflächen 16 und 17 ausgebildet,
die zur Führung
von Gleitsteinen 18 dienen.
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In
den Stirnwänden 1, 2 des
Zylinders 3 sind Öffnungen
für jeweils
wenigstens ein Einlassventil 20 bzw. 22 und Auslassventil 24 bzw. 26 ausgebildet.
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Der
Zylinder 3 ist mittels Halterungen, die Trennwände 28 und 30 bilden,
in einem Gehäuse 32 aufgenommen.
Das Gehäuse 32 weist
wenigstens eine Ansaugöffnung 34 und
eine Ausstoßöffnung 36 auf,
wobei, wie ersichtlich, ein zwischen dem Gehäuse 32 und dem Zylinder 3 gebildeter
Zwischenraum durch die Trennwände 28 und 30 derart
unterteilt ist, dass ein Einlasskanal 38 gebildet ist,
der die Ansaugöffnung 34 mit
den Einlassventilen 20 und 22 bzw. von diesen
wahlweise geöffneten
oder geschlossenen, in die Arbeitskammern 10 und 12 führenden
Einlassöffnungen
verbindet, und ein Auslasskanal 40 gebildet ist, der die
Auslassventile 24, 26 bzw. von diesen wahlweise
geöffneten
oder verschlossenen Auslassöffnungen
der Arbeitskammern 10 und 12 mit der Ausstoßöffnung 36 verbindet.
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In 1 ist
die Bewegungsrichtung des Kolbens 4 waagrecht. In den 2 bis 8 ist
sie senkrecht, so dass die Darstellungen der 2 bis 8 in
Anwendung auf die Anordnung gem. 1 um 90° gedreht
werden. Die Einbaulage des Hubkolbenverdichters kann beliebig sein.
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Die 2 und 3 zeigen
perspektivische Ansichten des Kolbens 4 mit jeweils zwei
den Kolben durchquerenden Kurbelwellen 42 und 44.
Die Kurbelwellen sind vorteilhafterweise sowohl im Zylinder 3 als
auch im Gehäuse 32 gelagert.
Die relativ zum Zylinder 3 bzw. dem Gehäuse 32 ortsfesten
Achsen der Kurbelwellen sind in 1 mit A
bezeichnet. Jede Kurbelwelle weist wenigstens je eine exzentrisch
zu ihrer Achse angeordnete Kurbelscheibe 46 bzw. 48 auf,
die mit den Gleitsteinen 18 zusammenwirkt, die längs der
Führungsflächen 16, 17 der
Kolbenböden 6 und 8 linear
senkrecht zu den Achsen der Kurbelwellen verschiebbar sind, so dass
eine Gleitstein- bzw. Kulissenführung
geschaffen ist, mit der die umlaufende exzentrische Bewegung der
Kurbelscheiben in an sich bekannter Weise in eine oszillierende
Bewegung des innerhalb des Zylinders 2 geführten Kolbens
umgewandelt werden kann. Die Gleitsteine sind vorteilhafterweise
zur einfachen Montierbarkeit unterteilt.
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Zum
Antrieb der Ventile 20, 22, 24 und 26 (1)
weisen die Kurbelwellen Nocken 54 und 56 auf,
mit denen über
Betätigungsglieder
die Ventile betätigt
werden. Wie weiter unten erläutert,
ist den Einlassventilen und den Auslassventilen jeweils ein Nocken
zugeordnet.
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4 zeigt
die Kurbelwellen 42 und 44 in einer Ausbildung
für jeweils
zwei innerhalb eines Gehäuses 32 (1)
hintereinander angeordnete Zylinder 3, in denen jeweils
ein Kolben 4 arbeitet. Im dargestellten Beispiel sind jedem
Kolben an der Kurbelwelle 42 zwei Kurbelscheiben 46 und
an der Kurbelwelle 44 eine Kurbelscheibe 48 zugeordnet,
die mit entsprechenden Gleitsteinen zusammenwirken. Wie ersichtlich,
sind die Kurbelscheiben 46 und 48 axial gegeneinander
versetzt, so dass sich ihre Bewegungsbahnen radial durchdringen,
wodurch ein kleinerer Abstand zwischen den Kurbelwellen 42 und 44 möglich ist.
Zum Massenausgleich der oszillierenden Kräfte sind die Kurbelwellen 42 und 44 in
an sich bekannter Weise mit Ausgleichsmassen 50 bzw. 52 versehen.
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Damit
von extern nur eine der Kurbelwellen 42, 44 angetrieben
werden muss, ist an jeweils einem Ende der Kurbelwelle drehfest
ein Zahnrad 58 bzw. 60 mit der jeweiligen Kurbelwelle
verbunden. Die Zahnräder 58 und 60 sind
gleich groß und
kämmen ineinander,
so dass die Kurbelwellen 42 und 44 sich gegensinnig
mit gleicher Drehzahl drehen. Vorteilhafterweise dienen die Zahnräder 58, 60 als
Elemente einer Zahnradpumpe, die in einem Kühlmittel- und/oder Schmiermittelkreislauf
des Verdichters angeordnet ist.
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Die 5 zeigt
die mit den Kurbelwellen gem. 4 zusammengebauten
Kolben.
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6 zeigt
schematisch im Schnitt die Konstruktion des Aufbaus und der Betätigung der
Einlassventile 20 und 22.
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Die
Stirnwände 1 und 2 des
Zylinders 3 sind jeweils mit der Mehrzahl von Schlitzen 62 ausgebildet.
Die Einlassventile 20 und 22 sind als Schieberventil
mit je einem plattenförmigen
Schieber 64 ausgebildet, die den Schlitzen 62 entsprechende
Schlitze 66 aufweisen und jeweils auf der der Arbeitskammer 12 zugewandten
Seite der Stirnwände 1, 2 längs der
Stirnwände
hin und her verschiebbar sind. Dazu sind die Stirnwände mit
Führungsnuten 68 ausgebildet,
in denen die Schieber 64 verschiebbar geführt sind.
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An
ihrem aus dem Zylinder 3 (der Kolben 4 ist in 6 nicht
dargestellt) vorstehenden Ende weisen die Schieber 64 je
einen um etwa 90° abgebogenen
Ansatz 70 auf, an dessen dem Zylinder 3 zugewandter
Seite eine Rolle bzw. Welle 72 anliegt. Die Welle 72 ist
an einem Arm eines insgesamt V-förmigen
Hebels 74 gelagert, der um eine zylinderfeste Achse B schwenkbar
ist und mit dem freien Ende seines anderen Arms an einem Stößel 76 anliegt.
Eine am Zylinder 3 ausgebildete Konsole, an der der Hebel 74 gelagert
ist, ist nicht dargestellt. Jeder Stößel 76 ist im Sinne
des Doppelpfeils hin und her beweglich in einer Konsole 78 geführt, die
von der Wand des Zylinders 3 zum Gehäuse 32 hin vorsteht.
Der Stößel 76 tastet
einen Nocken 56 der Nockenwelle 44 ab, die in
dem Zylinder 3 und dem Gehäuse 32 gelagert ist.
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Zwischen
der von der Welle 72 abgewandten Seite des Ansatzes 70 und
dem Gehäuse 32 oder
einem am Zylinder 3 befestigten Ansatz stützt sich
jeweils eine Druckfeder 80 ab, die den jeweiligen Schieber 64 gemäß 6 nach
rechts drängt
und dabei gleichzeitig den Stößel 76 in
Anlage an den Nocken 56 drängt.
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6 zeigt
das Einlassventil 22 in dessen Schließstellung, in der die Schlitze 62 des
oberen Schiebers 64 über
denjenigen Bereichen der Stirnwand 2 angeordnet sind, die
nicht mit Schlitzen 66 versehen sind. Das Einlassventil 20 befindet
sich in seiner Offenstellung, in der die Schlitze 62 mit
den Schlitzen 66 fluchten. Dadurch, dass die Arbeitskammern 10 und 12 sich
jeweils in gegensinnigen Arbeitsphasen befinden, ist jeweils eines
der Einlassventile geschlossen, während das andere Einlassventil
offen ist. Dadurch können
die Schieber beider Ventile mittels eines gemeinsamen Nockens 56 betätigt werden,
dessen Grundkreis (minimale Erhebung) sich jeweils in Anlage an
dem einen der Stößel 76 befindet,
während
sich seine größte Erhebung
in Anlage an dem jeweils anderen Stößel befindet.
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Die
Konstruktion und Betätigung
der Auslassventile 24 und 26 (1),
die von dem Nocken 54 der Nockenwelle 42 betätigt werden,
entspricht der Darstellung der 6 mit dem
Unterschied, dass die zugehörigen
Schieber an der von der Arbeitskammer abgewandten Seite bzw. dem
Auslasskanal 40 (1) zugewandten
Seite der Stirnwände
angeordnet sind. Dies ist in 7 für das Auslassventil 26 dargestellt,
wobei in 7 für sich funktional entsprechende
Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in 6 verwendet
werden.
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Lediglich
die Nockenwelle, deren Nocken und das Auslassventil sind mit eigenen
Bezugszeichen bezeichnet.
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Dadurch,
dass der Schieber eines jeweiligen Einlassventils 20 bzw. 22 auf
der der Arbeitskammer zugewandten Seite der jeweiligen Stirnwand
angeordnet ist, wird der Schieber in Schließstellung des Ventils durch
den Druck in der Arbeitskammer gegen die Stirnwand gedrängt. Dadurch,
dass der Schieber eines jeweiligen Auslassventils 24, 26 auf
der von der Arbeitskammer abgewandten Seite der Stirnwand angeordnet
ist, wird der jeweilige Schieber eines Auslassventils in Schließstellung
des Auslassventils durch den Druck im Auslasskanal in Anlage an
die Stirnwand gedrängt.
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Es
versteht sich, dass der Schieber 64 und/oder die Stirnwand 2 in
den mit dem Schieber in Gleitberührung
befindlichen Bereichen vorteilhafterweise mit einem gleitfähigen bzw.
reibungsarmen Material, beispielsweise PVD oder Teflon, beschichtet
ist. Des Weiteren kann der plattenförmige Schieber 64 in
sich etwas gewölbt
ausgebildet sein oder innerhalb der Führungsnuten 68 derart
angeordnet sein, dass er unter leichter Vorspannung an der Stirnwand 2 anliegt.
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8 zeigt
in perspektivischer Darstellung Schieber 64, die einem
oberen Einlassventil 22 und einem oberen Auslassventil 26 zugeordnet
sind, mit deren Betätigungen.
Wie ersichtlich, sind die Hebel 74 an vorzugsweise zylinderfesten
Zapfen 82 gelagert. Die Wellen 72, die in den
Hebeln vorzugsweise drehbar sind, stehen beidseitig aus den Hebeln 74 vor
und liegen beidseitig der Hebel 74 an den Ansätzen 70 der
Schieber 64 an. Es sind jeweils zwei Schließfedern 80 vorgesehen,
die beidseitig der Hebel 74 angeordnet sind. Mit dieser
Konstruktion wird erreicht, dass die Hebel 74 symmetrisch
belastet werden und ihre Lagerung nicht mit Kippmomenten belastet
wird. Wie aus 8 weiter ersichtlich ist, sind
die Schlitze 62 der Schieber 64 vorteilhafterweise
quer zu deren Bewegungsrichtung und in Bewegungsrichtung nebeneinander
angeordnet. Die Breite der Schlitze ist vorzugsweise etwa so groß wie der Zwischenraum
zwischen den Schlitzen, so dass in Schließstellung des jeweiligen Schiebers
eine ausreichende Überlappung
zwischen dem Schieber und der Stirnwand gegeben ist.
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Der
Zusammenbau des Hubkolbenverdichters geschieht wie folgt:
Zunächst wird
das eigentliche Triebwerk, wie in 3 dargestellt,
zusammengebaut, indem die Kurbelwellen 42, 44 und
die Gleitsteine 18 auf jeweils einem Kolbenboden 8 angeordnet
werden und der jeweils andere Kolbenboden 6 anschließend mittels der
Streben montiert wird, so dass die Baugruppe gemäß 3 entsteht.
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Über dem
Kolben 4 wird dann der Zylinder 2 angebracht,
der jeweils aus zwei mittig unterteilten Hälften besteht. Anschließend werden
die Schieber 64 in die Stirnwände 1, 2 eingesetzt,
die Ventiltriebe montiert und das Gehäuse 32 zusammengebaut
und derart am Zylinder 3 befestigt, dass die Trennwände 28 und 30 den
Zwischenraum zwischen dem Zylinder und dem Gehäuse in den Einlasskanal 38 und
den Auslasskanal 40 trennen. Der Zusammenbau eines Kolbenverdichters
mit mehreren Zylindern geschieht entsprechend.
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9 zeigt
einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter 92 an
die Ansaugseite eines Motorgehäuses
bzw. Zylinderkopfes 94 eines Verbrennungsmotors angeflanscht.
Mit 96 ist eine Riemenscheibe zum Antrieb einer der Kurbelwellen
bezeichnet. An der Ansaugöffnung 34 des
Gehäuses 32 kann
zusätzlich
eine nicht dargestellte Ansaugbaugruppe angeflanscht sein, die beispielsweise
eine Drosselklappe und/oder eine Einrichtung zum Messen der einströmenden Luftmenge
enthält.
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Die
Funktion des beschriebenen Verdichters ist folgende:
Vorteilhafterweise
wird der Verdichter im Zweitaktbetrieb betrieben. Wenn sich der
Kolben 4 gemäß 1 von
links nach rechts bewegt, werden das Einlassventil 20 und
das Auslassventil 26 derart betätigt, dass in die Arbeitskammer 10 Frischluft
einströmt und
aus der Arbeitskammer 12 komprimierte Frischluft bei zweckentsprechendem
Druckniveau ausgestoßen
wird. Das Einlassventil 22 und das Auslassventil 24 sind
bei der Bewegung von links nach rechts des Kolbens 5 vorteilhafterweise
zu. Bei der Bewegung des Kolbens von rechts nach links erfolgen
die Betätigungen
der Ventile in entgegengesetzter Weise, d. h. die Frischladungsströmung wird
dann vom Einlassventil 22 und Auslassventil 24 bestimmt,
wo hingegen die Ventile 20 und 26 bevorzugt zu
sind.
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Es
versteht sich, dass durch geeignete, an sich bekannte, Phasenverstelleinrichtungen und/oder
Hubverstelleinrichtungen die Einlassventile und Auslassventile derart
gesteuert werden können, dass
die geförderte
Luftmenge (Luftmassenstrom) an die jeweiligen, für eine Brennkraftmaschine erforderlichen
Betriebsbedingungen angepasst werden können und der Verdichter durch
zweckentsprechende Einstellung der jeweiligen Öffnungs- und Schließzeitpunkte
der Ventile relativ zu den Totpunkten der Kolbenbewegung mit hohem
Wirkungsgrad arbeitet.
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Mit
der geschilderten Ausbildung der Ventile als Schieberventile werden
unter Anderem folgende Vorteile erzielt:
Die Schieberventile
sowie die Bauteile zu deren Steuerung können als kostengünstige einfach
aufgebaute Bauteile ausgebildet werden. Zur Betätigung der Schieber ist nur
eine geringe Kraft erforderlich, wobei beim Bewegen des jeweiligen
Schiebers an ihm nur eine geringe Druckdifferenz wirksam ist. Sowohl
der Ventiltrieb als auch die Ventile selbst benötigen nur geringen Bauraum.
Aufgrund der geringen Bauteileanzahl und der kleinen zu bewegenden
Massen sind hohe Drehzahlen möglich.
Die Schieberventile ermöglichen
bei kleinem Hub große
Durchströmquerschnitte,
wodurch der Ladungswechsel und der Wirkungsgrad günstig beeinflusst
werden.
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Sowohl
die Schieber als auch der Zylinder und das Gehäuse können aus Metall, Kunststoff,
Verbundwerkstoff usw. sein.
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Die
Betätigung
der Schieber kann auf unterschiedlichste Weise erfolgen, beispielsweise,
wie erläutert,
mechanisch, wobei auch andere Mechanismen zur Übertragung des Nockenhubs in
eine Hubbewegung der Schieber möglich
sind und die Ventiltriebsteile zur Übertragung des Nockenhubs auf
den Ventilhub gehäusefest
montiert sein können.
Die Schieber können
auch als Drehschieber ausgebildet sein. Die Betätigung der Schieber kann elektrisch, pneumatisch
oder hydraulisch usw. erfolgen. Es können Ventilspielausgleichselemente
usw. integriert sein. Es müssen
nicht zwingend beide Einlassventile bzw. Auslassventile jeweils
von einem Nocken betätigt
werden. Die Konstruktion kann auch derart abgeändert werden, dass von einer
Nockenwelle jeweils ein Einlassventil und das daneben liegende Auslassventil
betätigt
werden, da beide, wie aus 1 ersichtlich,
gegenphasig öffnen
und schließen.
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Das
Gehäuse
des beschriebenen Hubkolbenverdichters ist vorteilhafterweise gekühlt, damit bei
der Verdichtung entstehende Kompressionswärme unmittelbar abgeführt wird.
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Im
beschriebenen Ausführungsbeispiel
wurde der Hubkolbenverdichter derart beschrieben, dass einem Kolben
jeweils zwei Kurbelwellen zugeordnet sind. Es versteht sich, dass
anstelle der beiden Kurbelwellen, die in Folge ihrer gegenläufigen Rotation einen
guten Massenausgleich zulassen, auch eine Kurbelwelle verwendet
werden kann, die beidseitig des Zylinders mit einer entsprechenden
Anzahl von Nocken zur Betätigung
der Ventile versehen sein kann.
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Zur
dynamischen Anpassung des Hubkolbenverdichters können zwischen der oder den
Kurbelwellen und den Ventilen Phasensteller vorgesehen sein. Zur
Veränderung
des Fördervolumens
können
Hubversteller vorgesehen sein.
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- 1
- Stirnwand
- 2
- Stirnwand
- 3
- Zylinder
- 4
- Kolben
- 6
- Kolbenboden
- 8
- Kolbenboden
- 10
- Arbeitskammer
- 12
- Arbeitskammer
- 14
- Strebe
- 16
- Führungsfläche
- 17
- Führungsfläche
- 18
- Gleitstein
- 20
- Einlassventil
- 22
- Einlassventil
- 24
- Auslassventil
- 26
- Auslassventil
- 28
- Trennwand
- 30
- Trennwand
- 32
- Gehäuse
- 34
- Ansaugöffnung
- 36
- Ausstoßöffnung
- 38
- Einlasskanal
- 40
- Auslasskanal
- 42
- Kurbelwelle
- 44
- Kurbelwelle
- 46
- Kurbelscheibe
- 48
- Kurbelscheibe
- 50
- Ausgleichsmasse
- 52
- Ausgleichsmasse
- 54
- Nocken
- 56
- Nocken
- 58
- Zahnrad
- 60
- Zahnrad
- 62
- Schlitz
- 64
- Schieber
- 66
- Schlitz
- 68
- Führungsnut
- 70
- Ansatz
- 72
- Welle
- 74
- Hebel
- 76
- Stößel
- 78
- Konsole
- 80
- Schließfeder
- 82
- Zapfen
- 92
- Kolbenverdichter
- 94
- Zylinderkopf
- 96
- Riemenscheibe