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Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für einen mehrstufigen Kolbenverdichter, der zum Verdichten eines kompressiblen Arbeitsmediums, insbesondere Luft, für den Einsatz in einer Druckluftversorgungsvorrichtung in einem Kraftfahrzeug, geeignet ist.
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Kolbenverdichter bzw. Verdichter oder Luftpresser dienen der Kompression von Gasen, z. B. Luft, die als Arbeitsmedium zum Betrieb verschiedener Aggregate genutzt wird. Verdichter kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen zum Einsatz. Im Betrieb werden derartige Verdichter beispielsweise so eingesetzt, dass ein Druckluftbehälter mit komprimierter Luft befüllt wird bis ein vorgegebenes Druckniveau erreicht ist.
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Ein mehrstufiger Kolbenverdichter besteht im Wesentlichen aus einem Grundkörper, in dem Hubkolben angeordnet sind, und einem Zylinderkopf mit Ventilen und Kühlkanälen. Im Betrieb wird Umgebungsluft über einen Einlasskanal, eine Saugkammer und Ventile in den Arbeitsraum der ersten Verdichterstufe eingesaugt, verdichtet und anschließend über einen Zwischenkanal in einen weiteren bzw. nachfolgenden Arbeitsraum einer Verdichterstufe geleitet und dort weiter verdichtet. Bei einem zweistufigen Kolbenverdichter wird die komprimierte Luft anschließend über eine Luftaufbereitungseinheit oder Steuereinheit in den Druckluftbehälter geleitet.
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In einem Kraftfahrzeug erfolgt der Antrieb des Verdichters durch den Antriebsmotor des Fahrzeugs. In der Regel ist zwischen Antriebsmotor und Verdichter keine schaltbare Kupplung vorgesehen, sodass der Verdichter ständig mit angetrieben wird, was einen Energieverlust bzw. einen erhöhten Kraftstoffverbrauch im Nichtförderbetrieb darstellt.
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Zum Minimieren solcher Energieverluste bzw. zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs werden Regeleinrichtungen vorgesehen, die bei Erreichen eines Soll-Fülldruckes im Druckbehälter den Verdichter in einen Leerlaufbetrieb schalten, sodass zumindest keine Verdichtungsarbeit mehr anfällt.
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In beiden Schriften ist ein Leerlaufventil vorgesehen, das zwischen Saugkammer und Arbeitsraum der ersten Verdichterstufe angeordnet ist. In beiden Lösungen wird ein Bypass geöffnet, sodass vom Verdichter geförderte Luft wieder in die Saugkammer zurückströmt. Der Verdichter selbst läuft dann im sogenannten Leerlaufbetrieb.
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Die beiden Lösungen unterscheiden sich jedoch grundsätzlich bezüglich der Ansteuerung und dem Aufbau der Leerlaufventile. So ist dieses im ersten Fall selbstschließend und im zweiten Fall selbstöffnend ausgeführt. Beide Varianten haben ihre Vor- und Nachteile, dennoch hat es sich gezeigt, dass die Leerlaufverluste mit diesen Lösungen unter gewissen Randbedingungen nicht weit genug reduziert werden können.
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Eine der Aufgaben der Erfindung ist es, einen Zylinderkopf für einen mehrstufigen Kolbenverdichter vorzuschlagen, mit dem die Leerlaufeigenschaften des Kolbenverdichters weiter verbessert werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Zylinderkopf gemäß Anspruch 1 und einem mehrstufigen Kolbenverdichter gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und bevorzugte Lösungsvarianten sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird ein Zylinderkopf für einen mehrstufigen Kolbenverdichter zum Verdichten eines kompressiblen Arbeitsmediums, umfassend ein Zylinderkopfoberteil, ein Zylinderkopfunterteil und eine Ventilsitzplatte vorgeschlagen. In der Ventilsitzplatte sind der Einlass- und Auslassventile angeordnet, über die ein Arbeitsraum einer ersten Verdichterstufe und ein Arbeitsraum einer nachfolgenden Verdichterstufe befüllt oder entleert werden können. Teilbereiche des Zylinderkopfs bilden eine Saugkammer die einen Arbeitsmediumeinlass aufweist. Weiterhin ist eine Bypassöffnung in der Ventilsitzplatte vorgesehen, über die der Arbeitsraum der ersten Verdichterstufe mit der Saugkammer verbindbar ist, wobei in der Verbindung ein Leerlaufventil vorgesehen ist.
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Zur Verbesserung des Zylinderkopfes wird vorgeschlagen, dass eine zweite Bypassöffnung in der Ventilsitzplatte vorgesehen ist, über die der Arbeitsraum der nachfolgenden Verdichterstufe mit der Saugkammer verbindbar ist.
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Der Zylinderkopf ist insbesondere für einen Kolbenverdichter vorgesehen, wie er in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt. In diesen ist die Saugkammer über den Arbeitsmediumeinlass mit der Umgebungsluft bzw. der Fahrzeugfilterluft verbunden. Bei geöffneten Leerlaufventilen sind die Hubräume der Verdichterstufen über die Bypassöffnungen und der Saugkammer mit der Umgebung verbunden. Dadurch wird erreicht, dass der Kolbenverdichter im Leerlaufbetrieb, eine definierte Leistungsreduzierung aufweist, auch wenn die Druckleitung unter Druck bleibt..
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In einer möglichen Ausführung kann ein einziges Leerlaufventil beiden Bypassöffnungen zugeordnet sein. So wird erreicht, dass die Verbindung zwischen den Hubräumen und der Saugkammer, beim Umschalten vom Förderbetrieb, bei dem Druckluft in einen Druckluftbehälter gefördert wird, in den Leerlaufbetrieb und umgekehrt, gleichzeitig erfolgt.
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In einer weiteren möglichen Ausführung ist jeder Bypassöffnung ein Leerlaufventil zugeordnet. Dadurch könnten die Bypassöffnungen auch unabhängig voneinander geschaltet, geöffnet und geschlossen werden.
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Weiterhin können die Leerlaufventile in dem Zylinderkopf positioniert sein und die Ansteuerung der Ventile kann pneumatisch erfolgen. Sind die Leerlaufventile im Zylinderkopf integriert, können die Leerlaufventile einen Schließkörper umfassen der gegen eine Dichtfläche, die die Bypassöffnungen umschließt, bewegbar ist.
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Weiterhin können die Leerlaufventile eine Feder umfassen, die die Schließkörper in einer Schließstellung halten, wobei die Feder der einzelnen Leerlaufventile unterschiedlich ausgelegt sein können. Dadurch kann beispielsweise bei gleichzeitiger Ansteuerung eine unterschiedliche Schaltcharakteristik erreicht werden.
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Um weiterhin eine günstige Positionierung der Leerlaufventile zu ermöglichen, kann in der Ventilsitzplatte ein Entlastungskanal vorgesehen sein, der die zweite Bypassöffnung mit dem Arbeitsraum der nachfolgenden Verdichterstufe verbindet.
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Vorzugsweise können die Leerlaufventile über eine Steuerdruckleitung mit Druckluft beaufschlagbar sein, sodass die Schließkörper der Leerlaufventile gegen die Federkraft in eine Offenstellung bewegt werden.
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Alternativ kann aber auch jedes Leerlaufventil über eine separate Steuerdruckleitung mit Druckluft beaufschlagbar sein, sodass die Schließkörper unabhängig gegen die Federkraft in eine Offenstellung bewegt werden können.
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Vorteilhaft kann der beschriebene Zylinderkopf auf einem mehrstufigen Kolbenverdichter zum Verdichten kompressibler Medien angebaut sein. So ist es möglich bestehende Kolbenverdichter umzurüsten. Dazu müsste lediglich der alte Zylinderkopf gegen den erfindungsgemäßen Zylinderkopf ausgetauscht werden.
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Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes bzw. des Kolbenverdichters und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Skizzen näher erläutert. In diesen zeigen:
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1 das Schaltbild der verbesserten Leerlaufschaltung
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2 einen Kolbenverdichter im Betriebsmodus
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3 ein Leerlaufventil im Detail
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1 zeigt das Schaltbild der erfindungsgemäßen verbesserten Leerlaufschaltung für einen mehrstufigen Verdichter, hier dargestellt ein Kolbenverdichter mit zwei Verdichterstufen, die jeweils einen Arbeitsraum 18, 19 aufweisen. Der ersten Verdichterstufe, bzw. dem Arbeitsraum 18 der ersten Stufe ist die Saugkammer 4a, b zugeordnet. Über den Arbeitsmediumeinlass 14, die Saugkammer 4a, b, und ein nicht dargestelltes Einlassventil kann der Arbeitsraum 18 mit Arbeitsmedium, insbesondere Umgebungsluft, gefüllt werden.
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Der Zwischenkanal 21 zwischen den Hubräumen 18, 19 ist einmal über das Auslassventil (nicht dargestellt) mit dem Arbeitsraum 18 und auf der anderen Seite über ein Einlassventil (nicht dargestellt) mit dem Arbeitsraum 19 der zweiten Stufe verbunden.
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Die hier nicht dargestellten Einlass- und Auslassventile sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt. Zur Kühlung der aus der ersten Stufe abgeführten vorkomprimierten Luft ist in dem Zwischenkanal 21 ein Kühler mit einem Kühlkanal 10 vorgesehen, sodass dem Arbeitsraum der nachfolgenden Stufe verdichtete Luft mit einer geringeren Temperatur zugeführt werden kann.
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Die komprimierte Luft, die die nachfolgenden Stufe verlässt, wird über eine Luftaufbereitungungsvorrichtung mit Steuereinrichtung auch APU genannt, einem Druckluftbehälter zugeführt.
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Jeder Verdichterstufe ist ein Leerlaufventil 2a, b zugeordnet. Die Steuerung der Leerlaufventile erfolgt beispielsweise, wie hier dargestellt, über die Steuereinheit der APU, mittels der ein Ventil 22 angesteuert wird. In der hier dargestellten Schaltstellung des Ventils 22 schalten die Leerlaufventile 2a, b in die Leerlaufstellung. Das bedeutet, die Bypassöffnungen 23a, b zwischen den Hubräumen 18, 19 und der Saugkammerabschnitt 4c sind geöffnet. Es besteht somit eine Verbindung zwischen Umgebung am Arbeitsmediumeinlass und den Hubräumen 18, 19, wodurch bei einer Kolbenbewegung die Luft nicht mehr komprimiert wird.
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Die Druckluft für die Ansteuerung der Leerlaufventile 2a, b kann beispielsweise aus dem Druckluftbehälter entnommen werden.
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2 zeigt einen Kolbenverdichter im Betriebsmodus mit einem Zylinderkopf 1 in dem die Leerlaufventile 2 a, b positioniert sind. 3 zeigt eine mögliche Ausführung eines Leerlaufventiles im Detail. Die dargestellten Leerlaufventile 2a, b befinden sich in beiden Darstellungen in der Schließstellung. In dieser Stellung werden die Ventilkörper 12 durch die Feder 11 gegen die Ventilsitzplatte 9 gepresst. Die Bypassöffnungen 23a, b sind in dieser Stellung somit geschlossen.
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Zum Öffnen der Leerlaufventile 2a, b werden diese über den Steuerluftanschluss 14 und die Steuerdruckkammer 25 mit Druckluft beaufschlagt. Wie in 3 deutlich zu erkennen ist, gelangt die Druckluft von der Steuerdruckkammer 25 über den Verbindungskanal 5 in den Kolbenraum 27. Durch eine Druckbeaufschlagung bewegt sich der Ventilkörper 12, gegen die Federkraft entlang des Führungskörpers 13, in eine Offenstellung.
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Weiterhin ist zu erkennen, wie die Leerlaufventile in dem Zylinderkopfunterteil 6 angeordnet sind und wie sie an der Trennplatte 7 befestigt sind. Um den Aufbau einfach zu halten sind beide Leerlaufventile 2a, b in einen Teilbereich der Saugkammer 4c positioniert. Im Zylinderoberteil 8 ist die Steuerdruckkammer 25 angeordnet, über die beide Leerlaufventile gleichzeitig angesteuert werden, damit eine möglichst gleichzeitige Schaltung der Leerlaufventile erfolgt. Um die zum Arbeitsraum 19 versetzt angeordnete Bypassöffnung 23b mit dem Arbeitsraum 19 der nachfolgenden Stufe zu verbinden ist ein Entlastungskanal 3 in der Ventilsitzplatte vorgesehen.
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3 zeigt ein alternatives Leerlaufventil 2. Das dargestellte Leerlaufventil befindet sich in der Schließstellung. In dieser Stellung wird der Ventilkörper 12 durch die Feder 11 gegen die Ventilsitzplatte 9 gepresst. Die Bypassöffnung 23a, b ist in dieser Stellung somit geschlossen.
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Das Leerlaufventil umfassend im Wesentlichen ein Ventilkörper 12, ein Führungskörper 13 und ein Federelement 11. Durch diesen einfachen Aufbau ist das Leerlaufventil nur funktionsfähig, wenn es in einen Zylinderkopf eingebaut ist.
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So ist es notwendig, dass das Leerlaufventil 2 an einem Bauteil des Zylinderkopfes 1 befestigt ist, hier an der Trennplatte 7 des Zylinderkopfes 1. Weiterhin wird eine Gegendichtfläche 26b benötigt, gegen die der Ventilkörper 12 mit seiner stirnseitig angeordneten Dichtfläche 26a gepresst werden kann. Dies ist hier die Ventilsitzplatte 9 des Zylinderkopfes 1 bzw. des Verdichters.
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Das zentrale Bauteil des Leerlaufventils 2 ist der Führungskörper 13, der durch den einfachen Aufbau einteilig ausgeführt sein kann. Weiterhin weist der Führungskörper 13 im Wesentlichen vier Abschnitte auf. Den Befestigungsabschnitt 28, den Führungsabschnitt 29, den Kolbenabschnitt 30 und den Kopfabschnitt 31. Die Durchmesser der einzelnen Abschnitte sind derart zueinander abgestuft, dass die Montage sehr einfach ist und Fehler oder Funktionsstörungen praktisch ausgeschlossen werden können.
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Auch die Abdichtung des Kolbenraums 27 mittels der Dichtungspackete (23a, b) ist sehr einfach gelöst. Diese sind in Nuten eingelegt, jeweils zumindest ein Dichtungspacket 23a, b im Führungsabschnitt 29 und im Kolbenabschnitt 30. Bevorzugt besteht ein Dichtungspacket 23a, b aus einem Gleitring und O-Ring.
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Die Erfindung ist nicht auf einen zweistufigen Verdichter beschränkt. Vielmehr können auch mehr als zwei Stufen hintereinander geschaltet sein, wobei dann jeweils ein Leerlaufventil je Verdichterstufe vorgesehen sein kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderkopf
- 2 a, b
- Leerlaufventil
- 3
- Entlastungskanal
- 4a, b, c
- Saugkammer, Saugkammerkanal
- 5
- Verbindungskanal
- 6
- Zylinderkopfunterteil
- 7
- Trennplatte
- 8
- Zylinderkopfoberteil
- 9
- Ventilsitzplatte
- 10
- Kühlkanal
- 11
- Feder
- 12
- Ventilkörper
- 13
- Führungskörper
- 14
- Arbeitsmediumeinlass
- 15
- Arbeitsmediumauslass
- 16 a, b
- Hubkolben
- 17
- Verdichtergehäuse
- 18
- Arbeitsraumerste Stufe
- 19
- Arbeitsraumzweite Stufe
- 20
- Kühlwasseranschluss
- 21
- Zwischenkanal
- 22
- Ventil
- 23 a, b
- Bypassöffnung
- 24
- Steuerluft/Steuerluftanschluss
- 25
- Steuerdruckkammer
- 26a, b
- Dichtfläche/Gegendichtfläche
- 27
- Kolbenraum
- 28
- Befestigungsabschnitt
- 29
- Führungsabschnitt
- 30
- Kolbenabschnitt
- 31
- Kopfabschnitt
- 32
- Fase
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013001147 A1 [0006]
- DE 102009053133 A1 [0006]
