DE102017219326A1 - piston compressor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter (1) zum Verdichten eines Arbeitsfluids, insbesondere eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs, umfassend einen in einer Bohrung (2) eines Zylinders (3) hin und her beweglichen Kolben (4), der innerhalb der Bohrung (2) einen mit dem Arbeitsfluid befüllbaren Kompressionsraum (5) begrenzt. Erfindungsgemäß ist im Zylinder (3) eine ringförmige Druckkammer (6) ausgebildet, die mit dem Kompressionsraum (5) hydraulisch verbunden und zur Bohrung (2) hin durch einen elastisch verformbaren Wandabschnitt (7) des Zylinders (3) begrenzt ist. The invention relates to a reciprocating compressor (1) for compressing a working fluid, in particular a liquid or gaseous fuel, comprising a piston (4) reciprocating in a bore (2) of a cylinder (3) and forming a piston within the bore (2) limited with the working fluid fillable compression chamber (5). According to the invention an annular pressure chamber (6) is formed in the cylinder (3), which is hydraulically connected to the compression space (5) and limited to the bore (2) through an elastically deformable wall portion (7) of the cylinder (3).
Description
Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter zum Verdichten eines Arbeitsfluids mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a reciprocating compressor for compressing a working fluid having the features of the preamble of claim 1.
Bei dem Arbeitsfluid kann es sich insbesondere um einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas („Natural Gas“ = NG), handeln. Dient das Erdgas dem Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wird es an Bord des Kraftfahrzeugs in der Regel in flüssiger Form („Liquefied Natural Gas“ = LNG) in einem Tank mitgeführt. Bevor das Erdgas in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingeblasen wird, wird es verdichtet. Hierin ist eine bevorzugte Anwendung des vorliegend vorgeschlagenen Kolbenverdichters zu sehen.The working fluid may in particular be a liquid or gaseous fuel, such as natural gas (NG). If the natural gas is used for operating an internal combustion engine of a motor vehicle, it is usually carried on board the motor vehicle in liquid form ("liquefied natural gas" = LNG) in a tank. Before the natural gas is injected into a combustion chamber of the internal combustion engine, it is compressed. Here is a preferred application of the presently proposed reciprocating compressor to see.
Darüber hinaus kann der vorgeschlagene Kolbenverdichter zum Verdichten beliebiger gasförmiger und/oder flüssiger Medien eingesetzt werden, so dass der vorliegend gewählte Begriff „Kolbenverdichter“ auch Kolbenpumpen umfasst.In addition, the proposed reciprocating compressor can be used for compressing any gaseous and / or liquid media, so that the presently selected term "reciprocating compressor" also includes piston pumps.
Stand der TechnikState of the art
Aus der
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenverdichter bereitzustellen, der einen verbesserten Wirkungsgrad besitzt. Um dies zu erreichen, soll die Leckage im Bereich eines Ringspalts zwischen dem Kolben und dem Zylinder des Kolbenverdichters minimiert werden. Der Kolbenverdichter soll auf diese Weise auch zum Verdichten eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs, wie beispielsweise Erdgas, auf Hochdruck (vorzugsweise etwa 600 bar) geeignet sein.The present invention has for its object to provide a reciprocating compressor, which has an improved efficiency. To achieve this, the leakage in the region of an annular gap between the piston and the cylinder of the reciprocating compressor should be minimized. The reciprocating compressor should in this way also be suitable for compressing a liquid or gaseous fuel, such as natural gas, to high pressure (preferably about 600 bar).
Zur Lösung der Aufgabe wird der Kolbenverdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.To solve the problem, the reciprocating compressor is proposed with the features of claim 1. Advantageous developments of the invention can be found in the dependent claims.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der zum Verdichten eines Arbeitsfluids, insbesondere eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs, vorgeschlagene Kolbenverdichter umfasst einen in einer Bohrung eines Zylinders hin und her beweglichen Kolben, der innerhalb der Bohrung einen mit dem Arbeitsfluid befüllbaren Kompressionsraum begrenzt. Erfindungsgemäß ist im Zylinder eine ringförmige Druckkammer ausgebildet, die mit dem Kompressionsraum hydraulisch verbunden und zur Bohrung hin durch einen elastisch verformbaren Wandabschnitt des Zylinders begrenzt ist.The piston compressor proposed for compressing a working fluid, in particular a liquid or gaseous fuel, comprises a piston which can be moved back and forth in a bore of a cylinder and which delimits within the bore a compression space which can be filled with the working fluid. According to the invention an annular pressure chamber is formed in the cylinder, which is hydraulically connected to the compression space and limited to the bore through an elastically deformable wall portion of the cylinder.
Durch die Hubbewegung des Kolbens kommt es im Kompressionsraum zu einer Kompression des eingeschlossenen Arbeitsfluids. Das heißt, dass der Druck im Kompressionsraum ansteigt. Zugleich steigt der Druck in der im Zylinder ausgebildeten ringförmigen Druckkammer an, da diese mit dem Kompressionsraum hydraulisch verbunden ist. Aufgrund der elastischen Verformbarkeit des die Druckkammer begrenzenden Wandabschnitts verformt sich dieser und bewegt sich dabei in Richtung des Kolbens. In Abhängigkeit vom Druck im Kompressionsraum bzw. in der Druckkammer kann dabei der Wandabschnitt zur Anlage am Kolben gelangen. In jedem Fall jedoch verengt der Kolben einen zwischen dem Kolben und dem Zylinder verbleibenden Ringspalt, in dem ein in Längsrichtung (näherungsweise) linearer Druckabfall auftritt, so dass die Leckage über den Ringspalt minimiert wird.The stroke of the piston causes compression of the trapped working fluid in the compression space. This means that the pressure in the compression chamber increases. At the same time, the pressure in the cylinder-shaped annular pressure chamber increases, since it is hydraulically connected to the compression space. Due to the elastic deformability of the pressure chamber limiting wall portion this deformed and thereby moves in the direction of the piston. Depending on the pressure in the compression chamber or in the pressure chamber, the wall section can reach the piston. In any case, however, the piston narrows an annular gap remaining between the piston and the cylinder, in which a longitudinal (approximately) linear pressure drop occurs, so that the leakage across the annular gap is minimized.
Die elastische Verformung des Wandabschnitts erfolgt proportional zum Druckanstieg im Kompressionsraum bzw. in der Druckkammer. Das heißt, dass mit fortschreitendem Druckanstieg auch die Verformung zunimmt.Ursache hierfür ist der in Längsrichtung konstante Druck in der Druckkammer, während sich im Ringspalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder ein Druckabfall einstellt. Der gewünschte Effekt der Spaltminimierung ist somit über den gesamten Druckbereich hinweg gegeben.The elastic deformation of the wall portion is proportional to the pressure increase in the compression chamber or in the pressure chamber. This means that as the pressure increases, the deformation also increases. The reason for this is the constant pressure in the longitudinal direction in the pressure chamber, while a pressure drop occurs in the annular gap between the piston and the cylinder. The desired effect of gap minimization is thus given over the entire pressure range.
Mittels der druckabhängigen Spaltminimierung mit einem möglichst gleichmäßigen Spalt in Längsrichtung kann die Leckage über den Ringspalt aus dem Kompressionsraum im Betrieb des Kolbenverdichters deutlich verringert werden. Das heißt, dass die Verluste aufgrund Leckage minimal sind, so dass der Kolbenverdichter einen hohen Wirkungsgrad besitzt.By means of the pressure-dependent gap minimization with the most uniform possible gap in the longitudinal direction, the leakage can be significantly reduced via the annular gap from the compression chamber during operation of the reciprocating compressor. This means that the losses due to leakage are minimal, so that the reciprocating compressor has a high efficiency.
Ferner können mittels der druckabhängigen Spaltminimierung fertigungsbedingte Durchmessertoleranzen kompensiert werden, so dass die Fertigung des Kolbenverdichters vereinfacht wird.Furthermore, production-related diameter tolerances can be compensated by means of the pressure-dependent gap minimization, so that the production of the reciprocating compressor is simplified.
Um die gewünschte Spaltminimierung zu erzielen, ist die ringförmige Druckkammer zumindest abschnittsweise auf Höhe des Kolbens angeordnet. Ferner wird vorgeschlagen, dass die ringförmige Druckkammer konzentrisch in Bezug auf die Bohrung angeordnet ist. Das heißt, dass der elastisch verformbare Wandabschnitt umlaufend die gleiche Dicke aufweist, so dass eine über den Umfang gleichmäßige Verformung des Wandabschnitts erreicht wird.In order to achieve the desired gap minimization, the annular pressure chamber is at least arranged in sections at the height of the piston. It is also proposed that the annular pressure chamber is arranged concentrically with respect to the bore. That is, the elastically deformable wall portion circumferentially has the same thickness, so that over the circumference uniform deformation of the wall portion is achieved.
Bevorzugt die ringförmige Druckkammer über mindestens einen im Zylinder ausgebildeten Kanal mit dem Kompressionsraum hydraulisch verbunden. Der Kanal dient der Befüllung der Druckkammer mit Arbeitsfluid, wobei das Arbeitsfluid dem Kompressionsraum entnommen wird. Der Kanal kann hierzu unmittelbar oder mittelbar über den zwischen dem Kolben und dem Zylinder verbleibenden Ringspalt mit dem Kompressionsraum verbunden sein.Preferably, the annular pressure chamber is hydraulically connected to the compression space via at least one channel formed in the cylinder. The channel is used to fill the pressure chamber with working fluid, wherein the working fluid is removed from the compression chamber. For this purpose, the channel can be connected to the compression space directly or indirectly via the annular gap remaining between the piston and the cylinder.
Der mindestens eine der Befüllung dienende Kanal ist derart zu dimensionieren, dass eine schnelle Befüllung und damit ein schneller Druckaufbau in der Druckkammer erzielbar ist. Durch mehrere über den Umfang der Bohrung gleichmäßig verteilt angeordnete Kanäle, beispielsweise in Form von Radialbohrungen, kann zudem eine gleichmäßige Befüllung der Druckkammer sichergestellt werden.The at least one of the filling serving channel is to be dimensioned such that a rapid filling and thus a rapid pressure build-up in the pressure chamber can be achieved. By a plurality of evenly distributed over the circumference of the bore channels arranged, for example in the form of radial bores, also a uniform filling of the pressure chamber can be ensured.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass der Kanal als Ringkanal ausgeführt ist und die Druckkammer mit dem zwischen dem Kolben und dem Zylinder verbleibenden Ringspalt verbindet. Der Ringkanal ermöglicht eine besonders schnelle und zudem gleichmäßige Befüllung der Druckkammer. Vorzugsweise ist der Ringkanal an einem Ende der Druckkammer ausgebildet ist, so dass der elastisch verformbare Wandabschnitt an einem Ende freigestellt ist. Durch das freigestellte Ende kann sich der Wandabschnitt leichter elastisch verformen.Alternatively, it is proposed that the channel is designed as an annular channel and connects the pressure chamber with the remaining between the piston and the cylinder annular gap. The annular channel allows a particularly fast and also uniform filling of the pressure chamber. Preferably, the annular channel is formed at one end of the pressure chamber, so that the elastically deformable wall portion is free at one end. Due to the free end of the wall section can easily deform elastically.
Bevorzugt weist die ringförmige Druckkammer umlaufend eine gleichbleibende Breite und/oder eine gleich bleibende Höhe auf. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung der ringförmigen Druckkammer.Preferably, the annular pressure chamber circumferentially on a constant width and / or a constant height. This simplifies the production of the annular pressure chamber.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die ringförmige Druckkammer über ihre Höhe einen variierenden Innendurchmesser aufweist. Vorzugsweise wird der Innendurchmesser in Richtung eines als Ringkanal ausgebildeten Kanals, welcher der Befüllung der Druckkammer mit dem Arbeitsfluid dient, kleiner. Das heißt, dass der elastisch verformbare Wandabschnitt an seinem freigestellten Ende eine geringere Dicke besitzt, so dass die elastische Verformbarkeit des freigestellten Endes weiter verbessert wird. Sofern der elastisch verformbare Wandabschnitt kein freigestelltes Ende aufweist, weist er vorzugsweise in einem mittigen Bereich seine geringste Dicke auf. Auf diese Weise kann ein radiales Aufwölben des elastisch verformbaren Wandabschnitts bei Druckbeaufschlagung unterstützt werden.It is also proposed that the annular pressure chamber has a varying inner diameter over its height. Preferably, the inner diameter in the direction of a channel formed as an annular channel, which serves to fill the pressure chamber with the working fluid, smaller. That is, the elastically deformable wall portion has a smaller thickness at its exposed end, so that the elastic deformability of the exposed end is further improved. If the elastically deformable wall section does not have an exposed end, it preferably has its smallest thickness in a central area. In this way, a radial buckling of the elastically deformable wall portion can be supported when pressurized.
Vorteilhafterweise ist die ringförmige Druckkammer an zumindest einem Ende gerundet. Die endseitige Rundung wirkt Spannungen (Kerbspannungen) entgegen, so dass die Festigkeit des Zylinders erhalten bleibt. Vorzugsweise sind beide Enden gerundet, so dass die Druckkammer über eine Rundung in den mindestens einen Kanal, vorzugsweise Ringkanal, übergeht. Die Rundung erleichtert die Befüllung der Druckkammer mit dem Arbeitsfluid, da der Zulauf strömungsoptimiert ist.Advantageously, the annular pressure chamber is rounded at at least one end. The final rounding counteracts stresses (notch stresses), so that the strength of the cylinder is maintained. Preferably, both ends are rounded, so that the pressure chamber via a rounding in the at least one channel, preferably annular channel transitions. The rounding facilitates the filling of the pressure chamber with the working fluid, since the inlet is flow-optimized.
Zur Ausbildung der ringförmigen Druckkammer kann der Zylinder ein- oder mehrteilig ausgeführt sein. Die einteilige Ausführung vereinfacht die Montage des Kolbenverdichters, da weniger Teile zu montieren sind und zudem weniger Dichtstellen anfallen. Der einteilig ausgeführte Zylinder ist vorzugsweise in einem additiven Fertigungsprozess, insbesondere in einem 3D-Druckverfahren, hergestellt worden, da diese Verfahren die Ausbildung von Hohlräumen vereinfachen. Ist der Zylinder mehrteilig ausgeführt, sind vorzugsweise die mehreren Teile derart aneinandergesetzt und miteinander verbunden, dass sie gemeinsam die im Zylinder ausgebildete ringförmige Druckkammer begrenzen.To form the annular pressure chamber, the cylinder can be designed in one or more parts. The one-piece design simplifies the installation of the reciprocating compressor, since fewer parts have to be assembled and, in addition, fewer seals are produced. The one-piece cylinder has preferably been produced in an additive manufacturing process, in particular in a 3D printing process, since these processes simplify the formation of cavities. If the cylinder is designed in several parts, preferably the plurality of parts are placed against each other and connected to each other so that together they define the annular pressure chamber formed in the cylinder.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Kompressionsraum über ein Einlassventil mit einer Fluidversorgung und/oder über ein Auslassventil mit einer Druckleitung verbindbar ist. Über das Einlassventil gelangt das Arbeitsfluid in den Kompressionsraum, wo es mittels des Kolbenhubs verdichtet wird. Das verdichtete Arbeitsfluid kann anschließend über das Auslassventil und der hieran anschließenden Druckleitung einem Fluidspeicher zugeführt werden, wobei es sich vorzugsweise um einen Hochdruckspeicher für einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, handelt, der unter hohem Druck in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Denn aufgrund der verringerten Leckage über den zwischen dem Kolben und dem Zylinder verbleibenden Ringspalt können hohe Drücke im Kompressionsraum erreicht werden, so dass sich der vorgeschlagene Kolbenverdichter insbesondere als LNG-Verdichter für die mobile Anwendung in einem Kraftfahrzeug eignet.Furthermore, it is proposed that the compression space can be connected via an inlet valve to a fluid supply and / or via an outlet valve to a pressure line. The working fluid enters the compression chamber via the inlet valve, where it is compressed by means of the piston stroke. The compressed working fluid can then be fed via the outlet valve and the subsequent pressure line to a fluid reservoir, which is preferably a high-pressure accumulator for a liquid or gaseous fuel, such as natural gas, which is injected under high pressure into the combustion chamber of an internal combustion engine. Because of the reduced leakage over the remaining between the piston and the cylinder annular gap high pressures in the compression chamber can be achieved, so that the proposed reciprocating compressor is particularly suitable as an LNG compressor for mobile application in a motor vehicle.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
-
1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, -
2 einen vergrößerten Ausschnitt der1 im Bereich des Kanals und der Druckkammer, -
3 a) und b) jeweils einen schematischen Längsschnitt durch den Kolbenverdichter der1 in verschiedenen Betriebszuständen, -
4 a) und b) jeweils einen vergrößerten Ausschnitt der2 im Bereich der Druckkammer mit unverformtem und mit verformtem Wandabschnitt, -
5 a) und b) jeweils einen schematischen Längsschnitt durch eine Druckkammer eines erfindungsgemäßen Kolbenverdichters gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, -
6 a) und b) jeweils einen schematischen Längsschnitt durch einen Zylinder für einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter bei einteilig und mehrteilig ausgeführtem Zylinder und -
7 einen schematischen Längsschnitt durch einen Zylinder für einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter mit Darstellung des Druckprofils.
-
1 a schematic longitudinal section through a piston compressor according to the invention according to a preferred embodiment, -
2 an enlarged section of the1 in the area of the channel and the pressure chamber, -
3 a) and b) in each case a schematic longitudinal section through the piston compressor of1 in different operating states, -
4 a) and b) each have an enlarged section of the2 in the area of the pressure chamber with undeformed and with deformed wall section, -
5 a) and b) in each case a schematic longitudinal section through a pressure chamber of a piston compressor according to the invention according to a further preferred embodiment, -
6 a) and b) in each case a schematic longitudinal section through a cylinder for a piston compressor according to the invention in one-piece and multi-part executed cylinder and -
7 a schematic longitudinal section through a cylinder for a piston compressor according to the invention with representation of the pressure profile.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Der in den
Um die Leckage aus dem Kompressionsraum
Der Druckanstieg in der ringförmigen Druckkammer
Wie beispielhaft in den
Den
Den
Der die Druckkammer
Die einteilige Zylindervariante wird vorzugsweise in einem additiven Fertigungsverfahren gefertigt. An den Enden weist die Druckkammer
Die zweiteilige Zylindervariante mit einem Oberteil
Bei beiden Zylindervarianten weist die ringförmige Druckkammer
Um die Befüllung der Druckkammer
Der
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