DE102012015906A1

DE102012015906A1 - Verdichterzylinderkopf für einen Verdichter, Fahrzeug damit und Verfahren zum Kühlen sowie Herstellen eines derartigen Verdichterzylinderkopfes

Info

Publication number: DE102012015906A1
Application number: DE102012015906.4A
Authority: DE
Inventors: Faouzi Bouzidi; Achim Bruns; Konrad Feyerabend; Andreas Pretsch
Original assignee: Wabco GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Hannover GmbH
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-02-13
Also published as: WO2014023376A1; EP2882963A1; BR112015002956A2; US20150204323A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdichterzylinderkopf mit einem Zylinderkopfgehäuse 6, mit wenigstens einem Druckventil 18 mit einem zugehörigen Druckventilkanal 17 in dem Zylinderkopfgehäuse 6, wobei der Druckventilkanal 17 einen unterhalb des Verdichterzylinderkopfes angeordneten Verdichtungsraum 8 mit einem Druckraum 16 innerhalb des Verdichterzylinderkopfes verbindet. Ferner weist der Verdichterzylinderkopf ein einen oder mehrere Kanalabschnitte aufweisendes erstes Kühlmittelkanalsystem 24 innerhalb des Zylinderkopfgehäuses 6 auf, welches mit einem den Druckraum 16 umströmenden Kühlmittel füllbar ist. Dabei ist das Zylinderkopfgehäuse 6 mit dem darin angeordneten ersten Kühlmittelkanalsystem 24 einstückig mittels eines Gussverfahrens hergestellt und weitere Kühlmittelkanäle 34 sind jeweils beidseitig des wenigstens einen Druckventilkanals 17 angeordnet. Die weiteren Kühlmittelkanäle 34 sind jeweils an wenigstens zwei Stellen mit dem ersten Kühlmittelkanalsystem 24 verbunden. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Verdichter zum Erzeugen von Druckluft mit dem erfindungsgemäßen Verdichterzylinderkopf sowie ein Verfahren zum Kühlen und zum Herstellen eines derartigen Verdichterzylinderkopfes.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichterzylinderkopf mit einem Zylinderkopfgehäuse gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiter betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem den Verdichterzylinderkopf aufweisenden Verdichter zur Erzeugung von Druckluft. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen des Verdichterzylinderkopfes gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 10 sowie ein Verfahren zum Herstellen des Verdichterzylinderkopfes gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 11.
Kraftfahrzeuge, insbesondere Nutzfahrzeuge, weisen vermehrt Teilsysteme auf, welche mit Druckluft betrieben werden. Dies sind beispielsweise Bremssysteme und Luftfederungen. Eine Versorgung mit Druckluft erfolgt üblicherweise über eine Druckluftversorgungseinrichtung, welche einen Verdichter aufweist. Dieser Verdichter saugt Umgebungsluft an und komprimiert sie. Durch die Kompression wird die Luft erhitzt und gibt die Wärme an den Verdichter, insbesondere den Verdichterzylinderkopf, ab. Daher ist der Verdichterzylinderkopf üblicherweise mit einem Kühlsystem versehen, um eine Überhitzung des Verdichterzylinderkopfes zu vermeiden und um die komprimierte Luft für die Aufbereitung auf ein akzeptables Temperaturniveau zu kühlen.
DE 195 35 079 A1 zeigt einen Verdichter, bei dem in dem Mantel des Zylinderkopfes als Kanäle ausgebildete Kühlmittelräume angeordnet sind, die untereinander und über einen Kühlmittelanschluss mit einer Kühlmittelquelle verbunden sind.
Um die Kühlwirkung auch im Bodenbereich des Verdichterzylinderkopfes in der Nähe des Druckventils zu erzeugen, werden herkömmlicherweise separate Ventilplatten vorgesehen, auf denen das Druckventil befestigt ist.
DE 866 712 zeigt eine Ventilplatte für einen Verdichter, welche aus mehreren aufeinander geschichteten Blechen besteht. Das hat den Vorteil, dass durch Ausstanzungen in den einzelnen Blechen beim Aufeinanderschichten dieser Bleche Kanäle, insbesondere Kühlmittelkanäle, gebildet werden können. Nachteilig hierbei ist jedoch das relativ aufwendige Herstellungsverfahren einer derartigen Ventilplatte durch das zusätzliche Abdichten der einzelnen Bleche untereinander. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kühlung des Verdichterzylinderkopfes, insbesondere des Druckventilkanals, und eine Minderung der Verdichterendtemperatur der komprimierten Luft zu schaffen bei gleichzeitiger einfacher Herstellung eines derartigen Verdichterzylinderkopfes.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Verdichterzylinderkopf nach Anspruch 1, mit einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, mit einem Verfahren zum Kühlen des Verdichterzylinderkopfes nach Anspruch 10 sowie mit einem Verfahren zum Herstellen des Verdichterzylinderkopfes nach Anspruch 11.
Insbesondere löst die Erfindung die Aufgabe mit einem Verdichterzylinderkopf, welcher ein Zylinderkopfgehäuse mit wenigstens einem Druckventil mit einem zugehörigen Druckventilkanal in dem Zylinderkopfgehäuse aufweist, wobei der Druckventilkanal einen unterhalb des Verdichterzylinderkopfes angeordneten Verdichtungsraum mit einem Druckraum innerhalb des Verdichterzylinderkopfes verbindet. Ferner weist das Zylinderkopfgehäuse ein einen oder mehrere Kanalabschnitte aufweisendes Kühlmittelkanalsystem innerhalb des Zylinderkopfgehäuses auf, welches mit einem den Druckraum umströmendem Kühlmittel füllbar ist.
Erfindungsgemäß weist das Zylinderkopfgehäuse mit dem darin angeordneten Kühlmittelkanalsystem eine einstückige Bauform auf, welche mittels eines Gussverfahrens, insbesondere mittels eines Druckgussverfahrens, kostengünstig umgesetzt wird.
Ferner weist der erfindungsgemäße Verdichterzylinderkopf weitere Kühlmittelkanäle auf, insbesondere jeweils beidseitig des wenigstens einen Druckventilkanals angeordnete weitere Kühlmittelkanäle, wobei die weiteren Kühlmittelkanäle jeweils an zwei Stellen mit dem ersten Kühlmittelkanalsystem verbunden sind.
Durch die weiteren Kühlmittelkanäle wird vorteilhaft eine direkte Kühlung im Umfeld des Druckventilkanals erzeugt, wodurch sich eine geringere Wärmeeinstrahlung vom Verdichterzylinderkopf auf den Verdichterzylinder und die Verdichterzylinderwände ergibt.
Die Kühlung im direkten Umfeld des Druckventilkanals verringert vorteilhaft die Verformung des Verdichterzylinders und sorgt somit für eine bessere Luftqualität und einen geringeren Ölverbrauch. Mit dem erfindungsgemäßen Verdichterzylinder lassen sich ebenfalls vorteilhaft eine Verringerung von Verkokungserscheinungen sowie eine geringere Lufttemperatur am Auslass erzielen.
Ferner führt die erfindungsgemäße Kühlung mittels zusätzlicher weiterer Kühlmittelkanäle im Verdichterzylinderkopf zu einer geringen Verdichtungsendtemperatur der komprimierten Luft, was sich hinsichtlich der weiteren Aufbereitung der Druckluft, insbesondere der Lufttrocknung, als besonders vorteilhaft ergibt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Verdichterzylinderkopf einen Zylinderkopfdeckel auf, welcher derart ausgestaltet ist, um das Zylinderkopfgehäuse druckdicht zu verschließen. Ferner bildet der Zylinderkopfdeckel eine Druckdichte oberer Abdeckung des Kühlmittelkanals bzw. der Kühlmittelkanäle des ersten Kühlmittelkanalsystems. Der erfindungsgemäße Verdichterzylinderkopf mit einem derartigen Zylinderkopfdeckel stellt somit vorteilhaft eine einfach herstellbare Lösung dar, da der bzw. die Abschnitte des ersten Kühlmittelkanalsystems durch am Boden des Zylinderkopfgehäuses angegossene Stege im Gießverfahren gebildet werden, welche druckdicht von dem Zylinderkopfdeckel verschlossen werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Verdichterzylinderkopf eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung des ersten Kühlmittelkanalsystems in dem Zylinderkopfgehäuse auf, wobei die Ein- und Austrittsöffnung durch eine Deckfläche oder im Mantel des Zylinderkopfes angeordnet sind. Die Eintrittsöffnung dient dabei zum Einströmen des Kühlmittels und die Austrittsöffnung dient zum Ausströmen des Kühlmittels aus dem ersten Kühlmittelkanalsystem. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung beschränkt. Vielmehr sind beliebig viele Ein- und/oder Austrittsöffnungen zum Anschluss von weiteren Kühlmittelkreisläufen denkbar. Weiterhin ist es denkbar, dass die ersten Kühlmittelkanäle mit dem Zylinderkopfgehäuse am Zylinder fluidisch verbunden sind, und dass Ein- und/oder Austrittsöffnung im Bereich des Zylindergehäuses angeordnet sind.
Durch geeignetes Positionieren der Ein- und Austrittsöffnungen lassen sich vorteilhaft günstige Strömungseigenschaften des Kühlmittels erzeugen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die beidseitig des Druckventilkanals angeordneten weiteren Kühlmittelkanäle zueinander einen Abstand auf, der kleiner ist, als die Länge des Druckventils. Bevorzugt verlaufen die weiteren Kühlmittelkanäle jeweils zwischen dem Druckventilkanal und dem Befestigungselement zur Befestigung des Druckventils. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung von Druckventilen mit zwei Befestigungselementen beschränkt. Handelt es sich bei dem verwendeten Druckventil um ein kürzeres Druckventil mit nur einem Befestigungselement, wird erfindungsgemäß eine Wanddicke des Zylinderkopfgehäuses zwischen dem weiteren Kühlmittelkanal und dem Druckventilkanal von 2 mm bis 5 mm eingehalten. Durch diesen relativ geringen Abstand der weiteren Kühlmittelkanäle zu dem Druckventilkanal wird vorteilhaft eine große Kühlwirkung erzielt, da die Kühlung direkt an der Stelle erfolgt, an der die höchsten Temperaturen auftreten, nämlich im Boden des Zylinderkopfgehäuses am Druckventilkanal.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Verschließen von einem oder mehreren Abschnitten des ersten Kühlmittelkanalsystems vorgesehen, so dass eine mäanderförmige Strömung des Kühlmittels durch das erste Kühlmittelkanalsystem und den weiteren Kühlmittelkanälen in dem Boden des Zylinderkopfgehäuses erfolgt. Durch das Verschließen von einem oder mehreren Teilabschnitten wird vorteilhaft eine bessere Strömungseigenschaft erzielt, so dass auch in ungünstigen Betriebszuständen, wie beispielsweise ein geringer Kühlwasserstrom, eine hohe Verdichterlast und eine hohe Temperatur durch hohe Drehzahlen, ein Aufkochen des Kühlmittels und damit verbundene Kavitationen vorteilhaft vermieden werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Verdichterzylinderkopf an den weiteren Kühlmittelkanälen im Zylinderkopfgehäuse von außen Abdichtungen auf. Diese Abdichtungen erfolgen bevorzugt mittels Verkugelungen oder Deckel bzw. Kappen, welche in die Öffnung der weiteren Kühlmittelkanäle einpressbar und/oder verklebbar sind. Das Verschließen erfolgt dabei mit oder ohne eines Dichtmittels, insbesondere eines Flüssigdichtmittels zur Sicherung der Abdichtung. Das hat den Vorteil, dass die weiteren Kühlmittelkanäle nach außen im Zylinderkopfgehäuse druckdicht verschlossen sind und kein Kühlmittel entweichen kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die weiteren Kühlmittelkanäle eine Form im Querschnitt auf, deren Wandausdehnung auf der zum Druckventilkanal liegenden Seite größer ist als die nach oben und unten zeigenden Querschnittsseiten des weiteren Kühlmittelkanals. Insbesondere weisen die weiteren Kühlmittelkanäle eine ovale oder rechteckige Querschnittsform auf. Das hat den Vorteil, dass durch die größere Wandoberfläche nahe des Druckventilkanals eine größere Kühlwirkung am Druckventilkanal erzielt wird. Da über die Querschnittsform Einfluss auf die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels genommen werden kann, lässt sich durch eine geeignete Querschnittsform die Kühlung über die Regulierung der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels verbessern.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die weiteren Kühlmittelkanäle verschiedene Querschnitte, insbesondere verschiedene Querschnittsformen, auf. Bei unterschiedlicher Wanddicke zwischen dem Druckventilkanal und dem weiteren Kühlmittelkanal auf beiden Seiten des Druckventilkanals kann somit vorteilhaft durch Variation des Querschnittes des Kühlmittelkanals eine Korrelation von Kühlmittelkanaldurchmesser und zugehöriger Wandstärke vorgenommen werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil einer gleichmäßigen Kühlung des Druckventilkanals, wodurch sich Verformungen des Zylinders vermeiden lassen.
Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen weiteren Kühlmittelkanäle lässt sich ferner vorteilhaft durch verschiedene Durchmesser der weiteren Kühlmittelkanäle ein unterschiedlicher Wärmeeintrag an den unterschiedlichen Druckventilkanälen regulieren. Eine derartige Regulierung des Wärmeeintrags ist besonders vorteilhaft bei mehrstufigen Verdichtern.
Die Erfindung löst die o. g. Aufgabe ferner mit einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, welches mindestens einen Verdichter zum Erzeugen von Druckluft mit mindestens einem erfindungsgemäßen Verdichterzylinderkopf aufweist.
Des Weiteren löst die Erfindung die o. g. Aufgabe mit einem Verfahren zum Kühlen des erfindungsgemäßen Verdichterzylinderkopfes. Dazu wird das Kühlmittel durch eine Eintrittsöffnung im Zylinderkopfgehäuse in das erste Kühlmittelkanalsystem geführt. Dort wird das Kühlmittel durch wenigstens einen Abschnitt des ersten Kühlmittelkanalsystems im Zylinderkopfgehäuse sowie durch weitere, insbesondere jeweils beidseitig des Druckventilkanals, angeordnete Kühlmittelkanäle geleitet. Die weiteren Kühlmittelkanäle sind jeweils an wenigstens zwei Stellen direkt mit dem ersten Kühlmittelkanalsystem verbunden. Über eine Austrittsöffnung gelangt das Kühlmittel zurück in einen Kühlmittelkreislauf, beispielsweise der Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des ersten Kühlmittelkanalsystems und der weiteren Kühlmittelkanäle entsteht vorteilhaft eine Strömungsbewegung im Verdichterzylinderkopf, die im Wesentlichen parallel zur Zylinderdeckelfläche verläuft.
Durch den Verlauf des Kühlmittels nahe am Druckventilkanal, lässt sich der Verdichterzylinderkopf vorteilhaft dort kühlen, wo die höchsten Temperaturen auftreten. Dadurch lässt sich eine geringere Erwärmung des Zylinderkopfes und somit eine verringerte Erwärmung der Zylinderwand erzielen, was vorteilhaft zu einer geringeren Verformung des Zylinders sowie zu einer Verringerung der Verdichtungsendtemperatur der komprimierten Luft führt.
Schließlich löst die Erfindung die o. g. Aufgabe mit einem Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Verdichterzylinderkopfes. Dazu wird das Zylinderkopfgehäuse mit dem darin angeordneten Kühlmittelkanalsystem einstückig mittels eines Gussverfahrens, insbesondere mittels eines Druckgussverfahrens, hergestellt.
Bei dem Gussverfahren ist vorgesehen, am Boden des Zylinderkopfgehäuses angegossene Stege zur Bildung des ersten Kühlmittelkanalsystems zu erzeugen, wobei das erste Kühlmittelkanalsystem ein oder mehrere Kanalabschnitte aufweist. Das derart erzeugte erste Kühlmittelkanalsystem befindet sich im Wesentlichen in der Mantelfläche des Zylinderkopfgehäuses sowie in evtl. vorhandenen Wänden des Zylinderkopfgehäuses, die den Druckraum umgeben.
Im Boden des erfindungsgemäßen Zylinderkopfgehäuses werden weitere Kühlmittelkanäle, insbesondere jeweils beidseitig des Druckventilkanals, angeordnet, wobei die weiteren Kühlmittelkanäle jeweils an wenigstens zwei Stellen mit dem ersten Kühlmittelkanalsystem verbunden werden.
Ein derart einstückig ausgebildetes Zylinderkopfgehäuse ist mittels des Druckgussverfahrens und gleichzeitiger oder anschließender Einbringung der weiteren Kühlmittelkanäle in der Nähe der Druckventilkanäle besonders einfach und kostengünstig in der Herstellung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verlaufen die weiteren Kühlmittelkanäle im Wesentlichen parallel und werden mittels Schieber oder Kernzügen bei Druckgussverfahren quer im Boden des Zylinderkopfgehäuses erzeugt. Durch ein derartiges Herstellungsverfahren sind vorteilhaft konische oder pyramidenstumpfförmige, strömungsgünstige Kanalformen mit oder ohne Nachbearbeitung möglich. Bei der Nachbearbeitung wird die sich zwischen Schieber und Gussform gebildete Gusshaut durch Fräsen und/oder Bohren nachbearbeitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Nachbearbeitung der weiteren Kühlmittelsysteme 34 in einem Arbeitsschritt mittels geeignetem Bohr- und/oder Fräswerkzeug. Dabei werden die durch den Schieber gebildeten Kühlmittelkanäle 34 geglättet und mit dem ersten Kühlmittelkanalsystem 24 verbunden. Eine derartige Nachbearbeitung sorgt vorteilhaft für eine sichere Verbindung der weiteren Kühlmittelkanäle 34 mit dem ersten Kühlmittelkanalsystem 24.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung werden die weiteren Kühlmittelkanäle durch Bohrungen quer im Boden des Zylinderkopfgehäuses erzeugt. Auf diese Weise wird eine kostengünstige Herstellung des Verdichterzylinders erzielt. Weisen alle Bohrungen einen gleichen Durchmesser auf und sind alle Bohrungen parallel, ist die Herstellung besonders kostengünstig.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung werden die weiteren Kühlmittelkanäle durch Fräsen quer im Boden des Zylinderkopfgehäuses erzeugt. Durch derartiges Fräsen lassen sich verschiedene Durchmesser und verschiedene Formen in der Querschnittsfläche, insbesondere eine ovale oder rechteckige Querschnittsfläche, erzeugen. Das hat den Vorteil, dass die Fließmenge des Kühlmittels an unterschiedlichen Stellen reguliert werden kann, um eine spezielle Kühlwirkung zu erzielen.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus den anhand der Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Verdichterzylinderkopfes gemäß dem Stand der Technik in einem Längsschnitt,
2 eine Teildarstellung eines Schnittes durch einen Verdichterzylinderkopf mit zwei Druckventilen und
3 eine Draufsicht eines Schnittes durch die Teildarstellung des Verdichterzylinderkopfes gemäß 2.
1 zeigt eine schematische Teildarstellung eines Verdichters zum Erzeugen von Druckluft, insbesondere für Druckluftbremseinrichtungen von Kraftfahrzeugen gemäß dem Stand der Technik.
Zum Erzeugen von Druckluft ist ein Zylinder 2 dargestellt mit einem in Richtung der Längsachse des Zylinders 2 bewegbaren Kolben 4. Zwischen Kolben 4 und Zylinderkopfgehäuse 6 befindet sich ein Verdichtungsraum 8 in dem angesaugte Luft komprimiert wird.
Das Zylinderkopfgehäuse 6 ist mit dem Zylinder 2 verbunden, wobei zwischen Zylinderkopfgehäuse 6 und Zylinder 2 eine Zylinderkopfdichtung 10 angeordnet ist.
Ferner weist der Zylinderkopf einen Saugraum 12 und einen Saugventilkanal 13 auf, wobei am unteren Ende des Saugventilkanals 13 ein Saugventil 14 angeordnet ist. Außerdem weist der Zylinderkopf einen Druckraum 16 und einen Druckventilkanal 17 auf, wobei am oberen Ende des Druckventilkanals 17 ein Druckventil 18 angeordnet ist.
Zur Kühlung des Druckraums 16 sind im Mantel des Zylinderkopfgehäuses 6 und in einer Wand 20 zwischen Druckraum 16 und Saugraum 12 Kühlmittelkanäle 22 angeordnet, die untereinander zum Leiten eines Kühlmittels verbunden sind.
Um die Kühlmittelkanäle 22 von oben zu verschließen, weist der Verdichterzylinderkopf einen hier nicht dargestellten Zylinderkopfdeckel auf, welcher über eine mit einem Gewinde versehene Bohrung 23 lösbar mit dem Zylinderkopfgehäuse 6 verbunden ist.
Funktionsmäßig wird die zu verdichtende Luft über den Saugraum 12 und durch das Saugventil 14 aufgrund der Abwärtsbewegung des Kolbens 4 in dem Zylinder 2 angesaugt. Die Luft wird in den Verdichtungsraum 8 geführt, wo sie bei Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 verdichtet wird. Die verdichtete Luft wird durch den Druckventilkanal 17 und das Druckventil 18 in den Druckraum 16 gepresst, wo sie für einen nicht weiter dargestellten Verbraucher zur Verfügung steht. Die Funktionsweise des Verdichters ist in 1 durch Pfeile dargestellt.
Bei der Komprimierung der Luft in dem Verdichter wird diese Luft stark erwärmt, wobei die Erwärmung mit steigendem Förderdruck und steigender Umdrehungszahl des Verdichters wächst. Die Wärmeeinstrahlung wird vom Verdichterzylinderkopf auf den Zylinder 2 übertragen. Eine starke Erwärmung der Zylinderwände führt jedoch zu Verformungen und damit zu einem höheren Ölverbrauch. Ferner entstehen Verkokungen aufgrund der starken Erwärmung. Um die mit den bekannten Verdichtern erzeugte Kühlwirkung zu erhöhen, weist der erfindungsgemäße Verdichterzylinderkopf weitere Kühlmittelkanäle auf.
2 zeigt eine Teildarstellung eines Schnittes durch einen Verdichterzylinderkopf mit zwei Druckventilen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Zylinderkopfgehäuse 6 ist in einem Stück ausgeführt, insbesondere aus einem Aludruckgussteil. Zum Kühlen der komprimierten Luft in den Druckräumen 16 ist um die Druckräume 16 in dem Zylinderkopfgehäuse 6 ein erstes Kühlmittelkanalsystem 24 angeordnet, welches aus einem oder mehreren Kanalabschnitten besteht. Das in 2 dargestellte erste Kühlmittelkanalsystem 24 wird nach oben von einem hier nicht darstellten Zylinderkopfdeckel druckdicht verschlossen und weist hier nicht weiter dargestellte Ein- und Austrittsöffnungen auf.
Bevorzugt wird zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verdichterzylinderkopfes eine Gussform bereitgestellt, die die Form des Verdichterzylinderkopfgehäuses 6, des Druckraums 16, der Druckventilkanäle 17 und des ersten Kühlmittelkanalsystems 24 festlegt.
Das erste Kühlmittelkanalsystem 24 wird von einem gasförmigen oder flüssigen Kühlmittel durchströmt. In dieser Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Kühlmittel um Kühlwasser, insbesondere mit Zusätzen, z. B. zum Frost- und/oder Korrosionsschutz. Alternativ kann es jedoch zweckmäßig sein, anstatt Kühlwasser auch Kühlöl zu verwenden.
Der Boden des Zylinderkopfgehäuses 6 ist über den Verdichtungsraum 8 des Zylinders 2 angeordnet, so dass die komprimierte Luft durch die Druckventilkanäle 17 und die Druckventile 18 gepresst wird. Über den Druckventilkanälen 17 ist jeweils eine Ventillamelle 28 angeordnet, welche mittels geeigneter Befestigungselemente 30 gehalten wird. Ferner sind zwei Ventilfänger 32 dargestellt, welche in bekannter Weise zum Abfangen der gleichfalls dargestellten, die Druckventilkanäle 17 überdeckenden Ventillamellen 28 dienen. Grundsätzlich ist die Erfindung jedoch nicht auf eine besondere Ausführungsform des Druckventils 18 festgelegt.
Zur Verbesserung der Kühlung des Verdichterzylinderkopfes und der komprimierten Luft weist der erfindungsgemäße Verdichterzylinderkopf weitere Kühlmittelkanäle 34 auf, die jeweils beidseitig des Druckventilkanals 17 angeordnet sind. Sie kühlen vorteilhaft das Umfeld des Druckventilkanals 17, in dem wegen der höheren Strömungsgeschwindigkeit der Luft die meiste Wärme aus der warmen Luft in den Zylinderkopf abgegeben wird.
Die weiteren Kühlmittelkanäle 34 werden durch Bohren oder durch Fräsen in Querrichtung im Boden des Zylinderkopfgehäuses 6 erzeugt oder aber beim Gießvorgang des Zylinderkopfgehäuses 6 durch Schieber oder Kernzüge berücksichtigt.
Ist es bei der Herstellung der weiteren Kühlmittelkanäle 34 mittels Schieber beim Gussverfahren nicht möglich, die weiteren Kühlmittelkanäle 34 passend zu gießen, ist eine Nachbearbeitung der weiteren Kühlmittelkanäle 34 vorteilhaft. Da das Gussmittel geringfügig auch zwischen der Gussform und dem Schieber verläuft, wird der Schieber an der zweiten Verbindungsstelle eines Kühlmittelkanals der weiteren Kühlmittelkanäle 34 mit dem ersten Kühlmittelkanalsystem 24 nicht ganz bis zum Kühlmittelkanal des ersten Kühlmittelkanalsystems 24 herangeführt. Somit wird zumindest an der zweiten Verbindungsstelle die Bildung einer Gusshaut vermieden.
Die Nachbearbeitung erfolgt nach dem Gussverfahren mittels geeignetem Bohr- und/oder Fräswerkzeug, um die Gusshaut an der ersten Verbindungsstelle eines Kühlmittelkanals der weiteren Kühlmittelkanäle 34 mit dem ersten Kühlmittelkanalsystem 24 zu entfernen und eine Verbindung zwischen dem weiteren Kühlmittelkanal 34 und dem ersten Kühlmittelkanalsystem 24 an der zweiten Verbindungsstelle herzustellen. Dabei erfolgt die Nachbearbeitung bevorzugt in einem Arbeitsschritt durch die vom Schieber hinterlassene Öffnung im Zylinderkopfgehäuse 6, wobei der Öffnungsbereich extra geglättet wird, um eine bessere Oberflächengüte zu erzielen, damit die Öffnungen anschließend druckdicht verschlossen werden können.
Um die Schieber nach dem Gussverfahren aus dem Werkstück zu entfernen, weisen die Schieber eine sich mit zunehmender Schieberlänge verjüngende Querschnittsform auf, insbesondere eine konische Form. Dies erfordert zur Nachbearbeitung in einem Arbeitsschritt geeignetes Bohr- bzw. Fräswerkzeug, welches an die verschiedenen Durchmesser bzw. Querschnittsformen der weiteren Kühlmittelkanäle 34 angepasst ist, beispielsweise ein Fräswerkzeug, welches vorne einen kleinen Querschnitt aufweist und hinten einen großen Querschnitt.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel zur Nachbearbeitung der weiteren Kühlmittelkanäle 34 beschränkt. Vielmehr ist eine Nachbearbeitung mittels geeigneten Fräswerkzeugs auch von oben durch das erste Kühlmittelkanalsystem 24 möglich. Dies erfordert jedoch mehrere Arbeitsschritte zur Nachbearbeitung jeweils eines Kühlmittelkanals der weitern Kühlmittelkanäle 34.
Ferner ist es denkbar mit dem Schieber auch alle Verbindungsstellen zwischen dem Kühlmittelkanal 34 und dem ersten Kühlmittelkanalsystem 24 herzustellen.
Schließlich sorgt die Nachbearbeitung durch Glättung der weitern Kühlmittelkanäle 34 vorteilhaft für eine bessere Strömungseigenschaft des Kühlmittels.
Damit die weiteren Kühlmittelkanäle 34 möglichst nahe am Druckventilkanal 17 liegen, werden sie bevorzugt zwischen dem Druckventilkanal 17 und den Befestigungselementen 30 des Druckventils 18 angeordnet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine derartige Anordnung der weiteren Kühlmittelkanäle 34 beschränkt. Vielmehr sind jedwede Anordnungen der weiteren Kühlmittelkanäle 34 im nahen Umfeld des Druckventilkanals 17 denkbar, so dass der Abstand der von beiden Seiten des Druckventilkanals 17 angeordneten weiteren Kühlmittelkanäle 34 zueinander kleiner ist als die Länge des zugehörigen Druckventils 18.
3 zeigt eine Draufsicht eines Schnittes durch die Teildarstellung des erfindungsgemäßen Verdichterzylinderkopfes gemäß 2. Durch eine Eintrittsöffnung 36 strömt das Kühlmittel in das erste Kühlmittelkanalsystem 24 in das Zylinderkopfgehäuse 6. Das Kühlmittelkanalsystem 24 ist derart ausgelegt, so dass das Kühlmittel die über den Druckventilkanälen 17 liegenden Druckräume 16 (s. 2) umströmt. Durch eine Austrittsöffnung 38 strömt das Kühlmittel nach Durchströmen des Verdichterzylinderkopfes aus diesem heraus.
Das erste Kühlmittelkanalsystem 24 ist gemäß 3 mit weiteren Kühlmittelkanälen 34 verbunden. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den weiteren Kühlmittelkanälen 34 um im Wesentlichen parallele Bohrungen quer im Boden des Zylinderkopfgehäuses 6. Die Bohrungen verlaufen zwischen dem Druckventilkanal 17 und den Befestigungselementen 30 des Druckventils 18 derart, dass sie an zwei Stellen eine Verbindung mit dem ersten Kühlmittelkanalsystem 24 bilden.
Bevorzugt weisen die weiteren Kühlmittelkanäle 34 Verengungen auf, damit eine ausreichende Strömung des Kühlmittels durch die weiteren Kühlmittelkanäle 34 sichergestellt wird. Alternativ können auch einzelne Abschnitte des ersten Kühlmittelsystems 24 verschlossen werden, so dass das Kühlmittel mäanderförmig durch das erste Kühlmittelkanalsystem 24 und den weiteren Kühlmittelkanälen 34 geführt wird. Es ist auch denkbar, das erste Kühlmittelkanalsystem 24 bereits beim Gussvorgang derart auszubilden, dass nur einzelne Teilabschnitte des ersten Kühlmittelkanalsystems 24 erzeugt werden. Das hat den Vorteil, dass keine Abschnitte des ersten Kühlmittelkanalsystems 24 nachträglich verschlossen werden brauchen.
Der Durchmesser eines Kühlmittelkanals wirkt sich auf die Fließgeschwindigkeit und die Durchflussmenge des Kühlmittels und somit auf die Kühlwirkung aus. Der Durchmesser der weiteren Kühlmittelkanäle 34 kann beispielsweise der Lage des jeweiligen Kühlmittelkanals angepasst werden. Bei unterschiedlicher Wanddicke zwischen dem Druckventilkanal 17 und dem weiteren Kühlmittelkanal 34 auf beiden Seiten des Druckventilkanals 17 kann eine Korrelation von Kühlmittelkanaldurchmesser und Wanddicke erfolgen, so dass von beiden Seiten des Druckventilkanals 17 die gleiche Kühlwirkung erzielt wird. Eine gleichmäßige Kühlwirkung wirkt sich vorteilhaft auf etwaige Verformungen des Zylinders 2 aus.
Handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verdichterzylinderkopf um einen Zylinderkopf für einen mehrstufigen Verdichter, lassen sich durch verschiedene Durchmesser der weiteren Kühlmittelkanäle 34 unterschiedliche Wärmeerträge an den verschiedenen Druckventilkanälen 17 regulieren.
Die Bohröffnungen im Zylinderkopfgehäuse 6 werden durch Abdichtungen 40, insbesondere Verkugelungen oder Deckel, nach Außen verschlossen. Die Abdichtungen 40 werden in die Bohröffnungen eingepresst oder geklebt, wobei zum zusätzlichen Abdichten ein Flüssigdichtmittel verwendet werden kann.
Das Kühlmittel durchströmt somit nicht nur das erste Kühlmittelkanalsystem 24 in der oben angegeben Weise, sondern durchströmt auch die weiteren Kühlmittelkanäle 34 im nahen Umfeld der Druckventilkanäle 17. Dadurch wird die Kühlwirkung des erfindungsgemäßen Verdichterzylinderkopfes gegenüber einem herkömmlichen Verdichterzylinderkopf verbessert bei gleichzeitiger einfacher und kostengünstiger Herstellung.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf gebohrte, parallele weitere Kühlmittelkanäle 34 beschränkt. Vielmehr können die weiteren Kühlmittelkanäle 34 je nach Anforderung beliebig ausgestaltet sein.
Durch Fräsen oder bei Verwendung geeigneter Schieber im Gussverfahren lassen sich beispielsweise beliebige Querschnittsformen der weiteren Kühlmittelkanäle 34 erzeugen. Die Erfindung hat erkannt, dass durch eine ovale oder rechteckige Querschnittsform eine größere Wandoberfläche nahe des Druckventilkanals 17 erzeugt wird und somit eine größere Kühlwirkung erzielt werden kann.
Der erfindungsgemäße Verdichterzylinderkopf kann für einen Einzylinder-Verdichter wie auch für einen Mehrzylinder-Verdichter ausgebildet sein. Für den Fall, dass es sich bei dem Verdichter um einen Mehrzylinder-Verdichter handelt, werden die weiteren Kühlmittelkanäle 34 an allen Zylindern angeordnet, um eine gleichmäßige Kühlwirkung zu erzielen. Handelt es sich bei dem Verdichter um einen mehrstufigen Verdichter, können die weiteren Kühlmittelkanäle je nach bedarf an einzelnen Verdichterstufen oder an allen Verdichterstufen angeordnet sein.
Sämtliche in der vorstehenden Beschreibung sowie in den Ansprüchen genannten Merkmale sind erfindungsgemäß sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Offenbarung der Erfindung ist daher nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind alle Kombinationen von Einzelmerkmalen als offenbart zu betrachten.
Bezugszeichenliste

2: Zylinder
4: Kolben
6: Zylinderkopfgehäuse
8: Verdichtungsraum
10: Zylinderkopfdichtung
12: Saugraum
13: Saugventilkanal
14: Saugventil
16: Druckraum
17: Druckventilkanal
18: Druckventil
20: Wand
22: Kühlmittelkanäle
23: Bohrung
24: erstes Kühlmittelkanalsystem
28: Ventillamelle
30: Befestigungselement
32: Ventilfänger
34: weitere Kühlmittelkanäle
36: Eintrittsöffnung
38: Austrittsöffnung
40: Abdichtung (Verkugelung oder Deckel)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19535079 A1 [0003]
DE 866712 [0005]

Claims

Verdichterzylinderkopf mit einem Zylinderkopfgehäuse (6), mit wenigstens einem Druckventil (18) mit einem zugehörigen Druckventilkanal (17) in dem Zylinderkopfgehäuse (6), wobei der Druckventilkanal (17) einen unterhalb des Verdichterzylinderkopfes angeordneten Verdichtungsraum (8) mit einem Druckraum (16) innerhalb des Verdichterzylinderkopfes verbindet, und ein einen oder mehrere Kanalabschnitte aufweisendes erstes Kühlmittelkanalsystem (24) innerhalb des Zylinderkopfgehäuses (6), welches mit einem den Druckraum (16) umströmenden Kühlmittel füllbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderkopfgehäuse (6) mit dem darin angeordneten ersten Kühlmittelkanalsystem (24) einstückig mittels eines Gussverfahrens, insbesondere mittels eines Druckgussverfahrens, hergestellt ist und weitere Kühlmittelkanäle (34) im Zylinderkopfgehäuse (6), insbesondere jeweils beidseitig des wenigstens einen Druckventilkanals (17), angeordnet sind, wobei die weiteren Kühlmittelkanäle (34) jeweils an wenigstens zwei Stellen mit dem ersten Kühlmittelkanalsystem (24) verbunden sind.
Verdichterzylinderkopf nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Zylinderkopfdeckel, welcher derart ausgestaltet ist, um das Zylinderkopfgehäuse (6) sowie das erste Kühlmittelkanalsystem (24) druckdicht zu verschließen.
Verdichterzylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Eintrittsöffnung (36) und eine Austrittsöffnung (38) des ersten Kühlmittelkanalsystems (24) in dem Zylinderkopfgehäuse (6) zum Einströmen bzw. Ausströmen des Kühlmittels, wobei die Eintrittsöffnung (36) und die Austrittsöffnung (38) durch eine Deckfläche oder im Mantel des Zylinderkopfgehäuses (6) angeordnet sind.
Verdichterzylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der beiden beidseitig des Druckventilkanals (17) angeordneten weiteren Kühlmittelkanäle (34) zueinander kleiner ist, als die Länge des zu dem Druckventilkanals (17) zugehörigen Druckventils (18) oder eine Wanddicke des Zylinderkopfgehäuses (6) zwischen dem weiteren Kühlmittelkanal (34) und dem Druckventilkanal (17) 2 mm bis 5 mm beträgt.
Verdichterzylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verschließungen zur Bildung von Abschnitten in dem ersten Kühlmittelkanalsystem (24) derart, dass eine mäanderförmige Strömung des Kühlmittels durch das erste Kühlmittelkanalsystem (24) und den weiteren Kühlmittelkanälen (34) erfolgt.
Verdichterzylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Abdichtungen (40) von Öffnungen im Zylinderkopfgehäuse (6) der weiteren Kühlmittelkanäle (34), insbesondere mittels Verkugelungen oder Deckel, die einpressbar und/oder verklebbar sind.
Verdichterzylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Kühlmittelkanäle (34) eine Form im Querschnitt aufweisen, deren Wandausdehnung auf der zum Druckventilkanal (17) liegenden Seite größer ist als die nach oben und unten zeigenden Wandausdehnungen, insbesondere eine ovale oder rechteckige Form.
Verdichterzylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Kühlmittelkanäle (34) verschiedene Querschnitte, insbesondere Querschnittsflächen, aufweisen.
Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch einen Verdichter zum Erzeugen von Druckluft mit einem Verdichterzylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren zum Kühlen eines Verdichterzylinderkopfes, wobei der Verdichterzylinderkopf ein Zylinderkopfgehäuse (6) mit wenigstens einem Druckventil (18) mit einem zugehörigen Druckventilkanal (17) aufweist, welcher einen unterhalb des Verdichterzylinderkopfes angeordneten Verdichtungsraum (8) mit einem Druckraum (16) innerhalb des Verdichterzylinderkopfes verbindet, sowie ein einen oder mehrere Kanalabschnitte aufweisendes erstes Kühlmittelkanalsystem (24) innerhalb des Zylinderkopfgehäuses (6) aufweist, welcher mit einem den Druckraum (16) umströmenden Kühlmittel gefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel wenigstens abschnittsweise durch das erste Kühlmittelkanalsystem (24) sowie durch weitere Kühlmittelkanäle (34), insbesondere jeweils beidseitig des wenigstens einen Druckventilkanals (17) angeordnete weitere Kühlmittelkanäle (34), geleitet wird.
Verfahren zum Herstellen eines Verdichterzylinderkopfes, wobei der Verdichterzylinderkopf ein Zylinderkopfgehäuse (6) mit wenigstens einem Druckventil (18) mit einem zugehörigen Druckventilkanal (17) aufweist, welcher einen unterhalb des Verdichterzylinderkopfes angeordneten Verdichtungsraum (8) mit einem Druckraum (16) innerhalb des Verdichterzylinderkopfes verbindet, sowie ein einen oder mehrere Kanalabschnitte aufweisendes erstes Kühlmittelkanalsystem (24) innerhalb des Zylinderkopfgehäuses (6) aufweist, welches mit einem den Druckraum (16) umströmenden Kühlmittel füllbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderkopfgehäuse (6) mit dem darin angeordneten ersten Kühlmittelkanalsystem (24) einstückig mittels eines Gussverfahrens, insbesondere mittels eines Druckgussverfahrens, hergestellt wird und weitere Kühlmittelkanäle (34) im Zylinderkopfgehäuse (6), insbesondere jeweils beidseitig des wenigstens einen Druckventilkanals (17), angeordnet werden, wobei die weiteren Kühlmittelkanäle (34) jeweils an wenigstens zwei Stellen mit dem ersten Kühlmittelkanalsystem (24) verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Kühlmittelkanäle (34) im Wesentlichen parallel verlaufen und mittels Schieber oder Kernzügen beim Gussverfahren des Zylinderkopfgehäuses (6) hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nachbearbeitung der weiteren Kühlmittelkanäle (34) in einem Arbeitsschritt mittels geeignetem Bohrwerkzeug und/oder Fräswerkzeug erfolgt, wobei die durch den Schieber gebildeten weiteren Kühlmittelkanäle (34) geglättet und mit dem ersten Kühlmittelkanalsystem (24) verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Kühlmittelkanäle (34) mittels Bohrungen in dem Zylinderkopfgehäuse (6) hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Kühlmittelkanäle (34) in dem Zylinderkopfgehäuse (6) mittels eines Fräsverfahrens hergestellt werden.