DE102015225069A1

DE102015225069A1 - Zylinderkopf für mehrstufigen Kolbenverdichter

Info

Publication number: DE102015225069A1
Application number: DE102015225069.5A
Authority: DE
Inventors: Marius Burkauskas
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2035-12-15
Also published as: CN108368835A; WO2017102397A1; DE102015225069B4; CN108368835B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1) für einen mehrstufigen Kolbenverdichter zum Verdichten eines kompressiblen Arbeitsmediums, umfassend ein Zylinderkopfoberteil (8) und ein Zylinderkopfunterteil (6), wobei
– zwischen Zylinderkopfoberteil (8) und Zylinderkopfunterteil (6) eine Trennplatte (7) angeordnet ist,
– durch das Zylinderkopfunterteil (6) und die Trennplatte (7) ein Kühlkanal (1) gebildet wird, durch den ein Kühlmittel leitbar ist,
– im Zylinderkopf ein Zwischenkanal (2a, 3, 2b, 2c) vorgesehen ist, mittels dem der Hubraum (18) einer ersten Verdichterstufe mit dem Hubraum (19) einer nachfolgenden Verdichterstufe verbindbar ist.
Um die Zwischenkühlung des Arbeitsmediums zu verbessern wird vorgeschlagen, dass der Zwischenkanal (2a, 3, 2b, 2c) durch Überströmöffnungen (3) in der Trennplatte (7) geführt ist und Abschnittsweise zumindest teilweise durch das Zylinderkopfoberteil (8) und Zylinderkopfunterteil (6) begrenzt wird.

Description

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.
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 zu Einsatz. Im Betrieb werden derartige Verdichter beispielsweise so eingesetzt, dass ein Druckluftbehälter mit komprimierter Luft befüllt wird bis ein vorgegebenes Druckniveau erreicht ist.
Ein mehrstufiger Kolbenverdichter besteht im Wesentlichen aus einem Grundkörper, in dem Hubkolben angeordnet sind, und einem Zylinderkopf. Im Betrieb wird Umgebungsluft über einen Einlasskanal in die erste Verdichterstufe eingesaugt, verdichtet und anschließend über einen Zwischenkanal in eine weitere bzw. nachfolgende Verdichterstufe geleitet und dort weiter verdichtet. Bei einem zweistufigen Kolbenverdichter wird die komprimierte Luft anschließend über eine Luftaufbereitungseinheit in den Druckluftbehälter geleitet.
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 darstellt.
Zum Minimieren solcher Energieverluste werden Regeleinrichtungen vorgesehen, die bei Erreichen eines Soll-Fülldruckes im Druckbehälter den Verdichter in einen Leerlaufbetrieb schalten, sodass zumindest keine Verdichtungsarbeit mehr anfällt.
So kann ein Regelventil zwischen Verdichter und Druckluftbehälter oder ein Leerlaufventil zwischen Einströmkammer und erster Verdichterstufe angeordnet sein. In beiden Lösungen wird ein Bypass geöffnet, sodass vom Verdichter geförderte Luft in die Umgebung entweichen kann. Der Verdichter selbst läuft dann nur noch im Leerlaufbetrieb.
Ein derartiger Kolbenverdichter mit einem Leerlaufventil zwischen der Einlasskammer und der ersten Verdichterstufe wird beispielsweise in der DE10 2013 001 147 A1 beschrieben.
Die Verdichterstufen sind über einen Zwischenkanal verbunden. Um Verdichtungsarbeit einzusparen und um die Temperatur der komprimierten Luft nach der ersten sowie auch der letzten Verdichterstufe zu begrenzen befindet sich ein Wärmetauscher in diesem Zwischenkanal. Der Wärmetauscher besteht in der Regel aus einem Kühlkanal der im Zylinderkopf bzw. einem Bauteil des Zylinderkopfes integriert ist.
Eine der Aufgaben der Erfindung ist es, einen Zylinderkopf für einen mehrstufigen Kolbenverdichter vorzuschlagen, der eine verbesserte Kühlung des vorkomprimierten Arbeitsmediums ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Zylinderkopf gemäß Anspruch 1 und einem mehrstufigem Kolbenverdichter gemäß Anspruch 8 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und bevorzugte Lösungsvarianten sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen beschrieben.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagen Zylinderkopf umfasst ein Zylinderkopfoberteil und ein Zylinderkopfunterteil, eine zwischen Zylinderkopfoberteil und Zylinderkopfunterteil angeordnete Trennplatte, wobei durch das Zylinderkopfunterteil und die Trennplatte ein Kühlkanal gebildet wird, durch den ein Kühlmittel leitbar ist.
Weiterhin ist im Zylinderkopf ein Zwischenkanal vorgesehen, mittels dem der Hubraum einer ersten Verdichterstufe mit dem Hubraum einer nachfolgenden Verdichterstufe verbindbar ist. Dieser Zwischenkanal wird erfindungsgemäß durch Überströmöffnungen in der Trennplatte geführt, wobei der Zwischenkanal mehrere Abschnitte aufweist, die zumindest teilweise durch das Zylinderkopfoberteil und Zylinderkopfunterteil begrenzt werden.
Das Arbeitsmedium kann beim Einsatz des Verdichters in einem Kraftfahrzeug Umgebungsluft sein. Den Weg den die vorkomprimierte Luft aus der ersten Verdichterstufe zurücklegen muss um in die zweite Verdichterstufe zu gelangen führt erfindungsgemäß über zwei Ebenen im Zylinderkopf.
In der unteren Ebene wird der Zwischenkanal im Wesentlichen durch das Zylinderkopfunterteil begrenzt und in der oberen Ebene wird der Zwischenkanal im Wesentlichen durch das Zylinderkopfoberteil begrenzt. Diese Luftführung hat den Vorteil, dass sich der Weg bzw. die Verweildauer der vorkomprimierten Luft, die durch die Kompression relativ stark erhitzt wurde, im Zwischenkanal verlängert. Dadurch verlängert sich die Kühldauer und die Wärmeabfuhr über den Kühlkanal wird verbessert.
In einer bevorzugten Ausführung erfolgt die Begrenzung des Kühlkanals durch das Zylinderunterteil und die Trennplatte. Dadurch entstehen vorteilhaft zwei wesentliche Kühlflächen, eine am Zylinderunterteil und eine an der zum Zylinderoberteil zeigenden Trennplattenseite.
In einer bevorzugten Ausführung weist der Zwischenkanal eine Ausströmkammer, eine Zwischenkammer und eine Einströmkammer auf, wobei die Zwischenkammer durch das Zylinderkopfoberteil und die Trennplatte gebildet wird und die Ausströmkammer sowie die Einströmkammer zumindest teilweise durch das Zylinderkopfunterteil und die Trennplatte begrenzt sind. Die Zwischenkammer ist über die Überströmöffnungen mit der Ausströmkammer sowie der Einströmkammer verbunden.
Des Weiteren sind im Zylinderkopfunterteil neben der Ausströmkammer und der Einströmkammer eine Saugkammer und eine Druckkammer angeordnet. Wobei sich Saugkammer und Druckkammer vorzugsweise über beide Zylinderkopfteile erstrecken, wobei in der Trennplatte entsprechende Aussparungen vorgesehen sind.
Die bevorzugte Ausführung kann weiterhin so ausgeführt sein, dass die Zwischenkammer oberhalb der Ausströmkammer und der Einströmkammer angeordnet ist. Das heißt, die Zwischenkammer ist oberhalb der Trennplatte und die Ausströmkammer und Einströmkammer sind unterhalb der Trennplatte angeordnet. Idealerweise werden die Kammern oberhalb und unterhalb der Trennplatte durch die gleichen Trennplattenbereiche begrenzt.
In einer Ausführung kann der Kühlkanal über einen Kühlwassereinlass und einen Kühlwasserauslass am Zylinderkopfunterteil mit einem Kühlwasserkreislauf verbunden sein.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführung kann der Kühlkanal, der durch das Zylinderunterteil und die Trennplatte gebildet wird, zu min. 50%, vorzugsweise zu min. 70% in einem Bereich zwischen der Ausströmkammer und der Zwischenkammer verlaufen. Durch diese Anordnung wird die Kühlleistung in dem Bereich optimiert in dem die vorkomprimierte Luft eine relativ hohe Temperatur beim Verlassen der ersten Verdichterstufe hat.
Weiterhin kann der Kühlkanal zu min. 10%, vorzugsweise zu min. 20%, im Bereich der Druckkammer verlaufen. So wird vorteilhaft die komprimierte Luft nach dem Verlassen der Zweiten bzw. letzten Verdichterstufe gekühlt, bevor sie den Kolbenverdichter verlässt.
Mehrstufige Kolbenverdichter, zum Verdichten kompressibler Medien, können vorteilhaft mit einem Zylinderkopf entsprechend dem vorweg beschrieben Aufbau ausgerüstet sein. So können beispielsweise auch bestehende Verdichter umgerüstet werden, um deren Effizienz zu steigern.
Weiterhin kann der Zylinderkopf auf einer Ventilsitzplatte, mit Ventilen zum Einlass und mit Ventilen zum Auslass von Arbeitsmedium, angeordnet sein. Die Ventilsitzplatte kann weiterhin einen Kühlkanal aufweisen. Wobei der Kühlkanal auch mit dem Kühlkanal des Zylinderkopfs verbunden sein kann. Kühlmittel kann beispielsweise zuerst die Ventilsitzplatte und anschließend den Zylinderkopf durchströmen.
Weiterhin kann in der Ventilsitzplatte ein Entlastungskanal vorgesehen sein, mittels dem die Saugkammer mit dem Hubraum einer ersten Verdichterstufe und dem Hubraum einer nachfolgenden Verdichterstufe verbindbar ist, wobei zwischen den Hubräumen und dem Entlastungskanal schaltbare Leerlaufventile vorgesehen sind.
Diese Leerlaufventile können einzeln oder gleichzeitig ansteuerbar sein, sodass die Hubräume der Verdichterstufen zeitverzögert oder gleichzeitig mit der Saugkammer verbindbar sind.
Sind die Leerlaufventile geöffnet wird die durch die Verdichterstufen angesaugte Luft nicht mehr verdichtet und der Verdichter arbeitet in einem Leerlaufmodus, in dem keine Verdichterarbeit mehr anfällt. Dies ist besonders wichtig, wenn der Verdichter derart mit dem Antriebsmotor des Kraftfahrzeuges gekoppelt ist, dass dieser bei gefülltem Druckluftbehälter nicht abgekoppelt werden kann, also keine Kupplung vorgesehen ist.
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.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Skizzen näher erläutert.
In diesen zeigen:
1 einen Zylinderkopf ohne das Zylinderkopfoberteil
2 einen Schnitt A-A durch einen Kolbenverdichter
3 einen Schnitt B-B durch einen Kolbenverdichter
4 einen Schnitt C-C durch einen Kolbenverdichter
1 zeigt einen Zylinderkopf 1 ohne das Zylinderkopfoberteil 8, sodass man direkt auf die Trennplatte 7 blickt. Unterhalb der Trennplatte 7 sind das Zylinderkopfunterteil 6 und die Ventilsitzplatte 9 angeordnet. Wie dargestellt, werden durch das zwischen Ventilsitzplatte 9 und Trennplatte 7 angeordnete Zylinderkopfunterteil 6 vier Kammern gebildet. Auf der linken Seite die Saugkammer 4 und die Ausströmkammer 2a und auf der rechten Seite die Einströmkammer 2c sowie oben die Druckkammer 5. Weiterhin ist der Kühlkanal 10 zu erkennen, der durch die Trennplatte 7 und das Zylinderkopfunterteil 6 gebildet wird.
In dieser Ansicht ist weiterhin der Verlauf des Kühlkanals 10 zu erkennen. Der Verlauf des Kühlkanals ist derart gewählt, dass die größte Kühlleistung im Bereich der Ausströmkammer 2a und der hier nicht gezeigten Zwischenkammer 2b übertragen werden kann. Die Länge des Kühlkanals 10 in diesem Bereich kann beispielsweise 50% bis 70 % betragen. Ein weiterer wesentlicher Längenanteil des Kühlkanals 10 von 10% bis 20% kann beispielsweise im Bereich der Druckkammer verlaufen.
Vom Zwischenkanal sind hier nur die Ausströmkammer 2a, die Einströmkammer 2c und die Überströmöffnungen 3 dargestellt. Die Zwischenkammer 2b ist nicht dargestellt, sie verläuft aber über der Ausströmkammer 2a und der Einströmkammer 2c wie in 2 dargestellt. Weiterhin sind die Auslassventile 11a, b und Einlassventile 12a, b in der Ventilsitzplatte 9 angedeutet.
2 zeigt den Schnitt A-A durch den Kolbenverdichter mit dem Zylinderkopf 1. In dieser Ansicht ist der Zwischenkanal komplett zu erkennen. Der Zwischenkanal 2a, 3, 2b, 2c besteht aus mehreren Abschnitten, der Ausströmkammer 2a, der Zwischenkammer 2b und der Einströmkammer 2c, wobei die Kammern über die Überströmöffnungen 3 in der Trennplatte 7 verbunden sind.
Weiterhin ist zu erkennen, dass die Zwischenkammer 2b durch das Zylinderkopfoberteil 8 und die Trennplatte 7 gebildet wird. Die Ausströmkammer 2a sowie die Einströmkammer 2c werden durch das Zylinderkopfunterteil 6, die Trennplatte 7 und die Ventilsitzplatte 9 begrenzt.
Vorkomprimiertes Arbeitsmedium wird im Betrieb von dem Hubraum der ersten Stufe 18 über das Auslassventil 11b, den Zwischenkanal 2a, 3, 2b, 2c und das Einlassventil 12a in den Hubraum der zweiten Stufe 19 gedrückt. Der Strömungsverlauf durch den Zwischenkanal ist durch den Pfeil 13 angedeutet.
3 zeigt den Schnitt B-B durch den Kolbenverdichter. Dieser Schnitt ist so gelegt worden, dass der Kühlkanal 10 und dessen Wirkung besser verdeutlicht werden kann. Mittels dem Kühlmedium im Kühlkanal 10 kann, wie deutlich zu erkennen ist, eine Fläche der Trennplatte 7 und eine Fläche des Zylinderunterteils 6 gekühlt werden.
Gelangt im Betrieb vorkomprimiertes Arbeitsmedium über das Auslassventil 11b in die Ausströmkammer 2a wird dieses in einem ersten Schritt über die Kühlfläche des Zylinderunterteils 6 gekühlt. Entsprechend dem Strömungsverlauf durch den Zwischenkanal 13 bleibt das vorkomprimierte Arbeitsmedium aber auch in der Zwischenkammer 2b im Kontakt mit einer Kühlfläche.
Gegenüber dem Stand der Technik wird durch diese Strömungsführung 13 die Verweildauer im Zylinderkopf 1 und der Kontakt zu einer Kühlfläche, des durch die Kompression erhitzten Arbeitsmediums, im Zylinderkopf 1 verlängert.
In 4 ist der Schnitt C-C dargestellt. Dieser Schnitt geht im Wesentlichen durch die Saugkammer 4a, b und die Druckkammer 5a, b, wobei die Kammerhälften jeweils durch eine Öffnung in der Trennplatte 7 miteinander verbunden sind.
Über den Arbeitsmediumeinlass 14 gelangt Arbeitsmedium, wie Umgebungsluft in den Hubraum der ersten Stufe 18. An den Arbeitsmediumauslass 15 sind eine nicht dargestellte Arbeitsluftaufbereitungsvorrichtung und nachfolgend ein Druckspeicher angeschlossen. Zu erkennen ist auch der Kühlkanal 10 der einen Durchgangsbereich der Druckkammer 5 umschließt. Der Verlauf des Kühlkanals 10 ist so gewählt, dass ein Teilabschnitt des Kühlkanals 10 im Bereich der Druckkammer 5a, b verläuft.
Die Erfindung ist nicht auf einen zweistufigen Verdichter beschränkt. Vielmehr können auch mehr als zwei Stufen hintereinander geschaltet sein, wobei dann jeweils zwischen zwei Stufen ein Zwischenkanal vorgesehen ist, der über die zwei beschriebenen Ebenen verläuft und entsprechend gekühlt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Zylinderkopf
2a: Ausströmkammer
2b: Zwischenkammer
2c: Einströmkammer
3: Überströmöffnung
4a, b: Saugkammer
5a, b: Druckkammer
6: Zylinderkopfunterteil
7: Trennplatte
8: Zylinderkopfoberteil
9: Ventilsitzplatte
10: Kühlkanal
11a, b: Auslassventil
12a, b: Einlassventil
13: Strömung durch Zwischenkanal
14: Arbeitsmediumeinlass
15: Arbeitsmediumauslass
16a, b: Hubkolben
17: Verdichtergehäuse
18: Hubraum erste Stufe
19: Hubraum zweite Stufe
20: Kühlwassereinlass
21: Kühlwasserauslass
22: Entlastungskanal
23a, b: Leerlaufventil
24: Steuerluftanschluss
25: Steuerdruckkammer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013001147 A1 [0007]

Claims

Zylinderkopf (1) für einen mehrstufigen Kolbenverdichter zum Verdichten eines kompressiblen Arbeitsmediums, umfassend ein Zylinderkopfoberteil (8) und ein Zylinderkopfunterteil (6), wobei – zwischen Zylinderkopfoberteil (8) und Zylinderkopfunterteil (6) eine Trennplatte (7) angeordnet ist, – durch das Zylinderkopfunterteil (6) und die Trennplatte (7) ein Kühlkanal (10) gebildet wird, durch den ein Kühlmittel leitbar ist, – im Zylinderkopf ein Zwischenkanal (2a, 3, 2b, 2c) vorgesehen ist, mittels dem der Hubraum (18) einer ersten Verdichterstufe mit dem Hubraum (19) einer nachfolgenden Verdichterstufe verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkanal (2a, 3, 2b, 2c) durch Überströmöffnungen (3) in der Trennplatte (7) geführt ist und abschnittsweise zumindest teilweise durch das Zylinderkopfoberteil (8) und Zylinderkopfunterteil (6) begrenzt wird.
Zylinderkopf (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkanal (2a, 3, 2b, 2c) eine Ausströmkammer (2a), eine Zwischenkammer (2b) und eine Einströmkammer (2c) aufweist, wobei die Zwischenkammer (2b) durch das Zylinderkopfoberteil (8) und die Trennplatte (7) gebildet wird und die Ausströmkammer (2a) sowie die Einströmkammer (2c) zumindest teilweise durch das Zylinderkopfunterteil (6) und die Trennplatte (7) begrenzt sind, wobei die Zwischenkammer 2b über die Überströmöffnungen (3) mit der Ausströmkammer (2a) sowie der Einströmkammer (2c) verbunden ist.
Zylinderkopf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderkopfunterteil (6) neben der Ausströmkammer (2a) und der Einströmkammer (2c) weiterhin eine Saugkammer (4) und eine Druckkammer (5) aufweist, die zumindest teilweise durch das Zylinderunterteil begrenzt werden.
Zylinderkopf gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkammer (2b) oberhalb der Ausströmkammer (2a) und der Einströmkammer (2c) angeordnet ist.
Zylinderkopf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderkopfunterteil (6) ein Kühlwassereinlass (20) und ein Kühlwasserauslass (21) aufweist.
Zylinderkopf gemäß Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (3) zu min. 50%, vorzugsweise zu min. 70% in einem Bereich zwischen der Ausströmkammer (2a) und der Zwischenkammer (2b) verläuft.
Zylinderkopf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (3) zu min. 10%, vorzugsweise zu min. 20%, im Bereich der Druckkammer (5) verläuft.
Mehrstufiger Kolbenverdichter zum Verdichten kompressibler Medien umfassend einen Zylinderkopf (1) entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 7.
Mehrstufiger Kolbenverdichter gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (1) auf einer Ventilsitzplatte (9) mit Ventilen (11a, b) und (12a, b) angeordnet ist.
Mehrstufiger Kolbenverdichter gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsitzplatte (9) einen Kühlkanal aufweist.
Mehrstufiger Kolbenverdichter gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal mit dem Kühlkanal (10) des Zylinderkopfs (1) verbunden ist.
Zylinderkopf gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ventilsitzplatte (9) ein Entlastungskanal vorgesehen ist, mittels dem die Saugkammer (4) mit dem Hubraum (18) einer ersten Verdichterstufe und dem Hubraum (19) einer nachfolgenden Verdichterstufe verbindbar ist, wobei zwischen den Hubräumen (18, 19) und dem Entlastungskanal schaltbare Ventile vorgesehen sind.
Zylinderkopf gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile einzeln oder gleichzeitig ansteuerbar sind, sodass über diese die Hubräume (18, 19) zeitverzögert oder gleichzeitig mit der Saugkammer (4) verbunden werden können.