DE102017219341A1 - 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 innenumfangseitig im Zylinder (3) eine umlaufende Ringnut (6) ausgebildet, in der eine Leckageminimierungshülse (7) aufgenommen ist, die gemeinsam mit dem Zylinder (3) eine ringförmige Druckkammer (8) definiert, die mit dem Kompressionsraum (5) hydraulisch verbunden ist, so dass in der Druckkammer (8) der gleiche Druck wie im Kompressionsraum (5) herrscht und zwischen dem Kolben (4) und der Leckageminimierungshülse (7) über den gesamten Druckbereich hinweg ein Spalt und somit eine gewisse Strömung im Spalt erhalten bleibt. 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 encircling annular groove (6) is formed on the inner circumference side in the cylinder (3), in which a leakage minimizing sleeve (7) is accommodated, which together with the cylinder (3) defines an annular pressure chamber (8) which is hydraulically connected to the compression space (5) is connected, so that in the pressure chamber (8) the same pressure as in the compression chamber (5) prevails and between the piston (4) and the Leckageminimierungshülse (7) across the entire pressure range across a gap and thus maintain a certain flow in the gap ,
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
Bei dem Arbeitsfluid kann es sich insbesondere um einen flüssigen oder Leckageminimierungshülse 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 leakage minimizing sleeve 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
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 innenumfangseitig im Zylinder eine umlaufende Ringnut ausgebildet, in der eine Leckageminimierungshülse aufgenommen ist, die gemeinsam mit dem Zylinder eine ringförmige Druckkammer definiert, die mit dem Kompressionsraum hydraulisch verbunden ist. In der Druckkammer herrscht somit der gleiche Druck wie im Kompressionsraum. Zwischen dem Kolben und der Leckageminimierungshülse bleibt über den gesamten Druckbereich hinweg ein Spalt und somit eine gewisse Strömung im Spalt erhalten.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 encircling annular groove is formed on the inner circumference side in the cylinder, in which a leakage minimizing sleeve is accommodated, which together with the cylinder defines an annular pressure chamber which is hydraulically connected to the compression space. The pressure in the pressure chamber is therefore the same as in the compression chamber. Between the piston and the leakage minimizing sleeve a gap and thus a certain flow in the gap is maintained over the entire pressure range.
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 mit dem Kompressionsraum hydraulisch verbundenen Druckkammer an. Da der Druck außen an der Leckageminimierungshülse größer als innen ist, zieht sich die Hülse zusammen, was dazu führt, dass sich der zwischen dem Kolben und der Leckageminimierungshülse verbleibende Spalt verringert. Mit der Verringerung des Spalts nimmt auch die Leckage über den Spalt ab, so dass auf diesem Wege eine Erhöhung des Wirkungsgrads des Kolbenverdichters erreicht 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 pressure chamber hydraulically connected to the pressure chamber increases. Since the pressure on the outside of the leakage minimizing sleeve is greater than the inside, the sleeve contracts, causing the gap remaining between the piston and the leakage minimizing sleeve to decrease. With the reduction of the gap also decreases the leakage over the gap, so that in this way an increase in the efficiency of the reciprocating compressor is achieved.
Die Kontraktion der Leckageminimierungshülse erfolgt proportional zum Druckanstieg im Kompressionsraum bzw. in der Druckkammer. Das heißt, dass mit fortschreitendem Druckanstieg auch die Kontraktion zunimmt. Ursache hierfür ist der in Längsrichtung konstante Druck in der Druckkammer, während sich im Spalt zwischen der Leckageminimierungshülse und dem Kolben in Längsrichtung ein (näherungsweise) linearer Druckabfall einstellt. Der gewünschte Effekt der Spaltminimierung ist somit über den gesamten Druckbereich hinweg gegeben.The contraction of the leakage minimization sleeve is proportional to the pressure increase in the compression chamber or in the pressure chamber. This means that as the pressure increases, so does the contraction. This is due to the constant pressure in the longitudinal direction in the pressure chamber, while in the gap between the Leckageminimierungshülse and the piston in the longitudinal direction sets an (approximately) linear pressure drop. The desired effect of gap minimization is thus given over the entire pressure range.
Die Kontraktion der Leckageminimierungshülse wird zudem dadurch begünstigt, dass die Innenumfangsfläche kleiner als die Außenumfangsfläche der Hülse ist, so dass radial außen auf die Leckageminimierungshülse bereits aufgrund der größeren Fläche eine größere Druckkraft wirkt.The contraction of the leakage minimization sleeve is further facilitated by the fact that the inner peripheral surface is smaller than the outer peripheral surface of the sleeve, so that radially outward on the leakage minimization sleeve already due to the larger area a larger pressure force acts.
Die Leckageminimierungshülse gilt es von einer herkömmlichen Dichthülse zu unterscheiden. Denn durch die Hülse wird keine Abdichtung, sondern lediglich eine Spaltminimierung erreicht. Das heißt, das eine gewisse Strömung im Spalt erhalten bleibt. Auf diese Weise können Reibungsverluste minimiert werden. Vorzugsweise ist daher auch der Innendurchmesser der Leckageminimierungshülse über die gesamte Länge größer als der Außendurchmesser des Kolbens gewählt, so dass Verschleiß und Klemmen auf ein Minimum reduziert werden.The leakage minimization sleeve is to be distinguished from a conventional sealing sleeve. Because through the sleeve no seal, but only a gap minimization is achieved. This means that a certain flow is maintained in the gap. That way you can Friction losses are minimized. Preferably, therefore, the inner diameter of the Leckageminimierungshülse is chosen over the entire length greater than the outer diameter of the piston, so that wear and clamps are reduced to a minimum.
Darüber hinaus ermöglicht die Leckageminimierungshülse einen Ausgleich etwaiger fertigungsbedingter Durchmessertoleranzen, so dass zugleich die Fertigung des Kolbenverdichters vereinfacht wird.In addition, the leakage minimization sleeve allows compensation of any production-related diameter tolerances, so that at the same time the production of the reciprocating compressor is simplified.
Bevorzugt ist die Ringnut zumindest abschnittsweise auf Höhe des Kolbens innenumfangseitig im Zylinder angeordnet, um die gewünschte Leckageminimierung durch eine Minimierung des Spalts zwischen dem Kolben und der in der Ringnut aufgenommenen Leckageminimierungshülse zu bewirken.Preferably, the annular groove is arranged at least in sections at the level of the piston on the inner circumference side in the cylinder in order to effect the desired minimization of leakage by minimizing the gap between the piston and the leakage minimizing sleeve accommodated in the annular groove.
Ferner bevorzugt weist die Ringnut eine Höhe H1 auf, die größer als eine Höhe H2 der Leckageminimierungshülse ist. Das heißt, dass ein axialer Spalt zwischen der Leckageminimierungshülse und dem Zylinder verbleibt, über welche die erforderliche hydraulische Verbindung der Druckkammer mit dem Kompressionsraum herstellbar ist. Andernends liegt die Leckageminimierungshülse bevorzugt dichtend an dem Zylinder an, so dass eine Umgehung der Leckageminimierungshülse ausgeschlossen ist.Further preferably, the annular groove has a height H 1 , which is greater than a height H 2 of the leakage minimization sleeve. This means that an axial gap remains between the leakage minimization sleeve and the cylinder, via which the required hydraulic connection of the pressure chamber with the compression space can be established. At the other end, the leakage minimizing sleeve preferably rests sealingly against the cylinder, so that circumvention of the leakage minimizing sleeve is precluded.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in der Ringnut ein Federelement aufgenommen ist, mittels dessen die Leckageminimierungshülse gegen den Zylinder axial vorgespannt ist. Durch die axiale Vorspannung wird die Leckageminimierungshülse in axialer Richtung lagefixiert, so dass eine Umgehung der Leckageminimierungshülse dauerhaft ausgeschlossen ist. Die Vorspannkraft dient zugleich als initiale Dichtkraft in axialer Richtung.In a further development of the invention, it is proposed that a spring element be received in the annular groove, by means of which the leakage minimizing sleeve is axially biased against the cylinder. Due to the axial bias, the leakage minimizing sleeve is fixed in position in the axial direction, so that circumvention of the leakage minimization sleeve is permanently excluded. The biasing force also serves as an initial sealing force in the axial direction.
Zur axialen Vorspannung der Leckageminimierungshülse wird vorgeschlagen, dass das Federelement an einer Stirnfläche der Leckageminimierungshülse abgestützt ist. Als Federelement kann beispielsweise eine Schraubendruckfeder, eine Wellfeder oder eine Tellerfeder verwendet werden, die in die Ringnut eingesetzt wird, und zwar vorzugsweise in den zwischen der Leckageminimierungshülse und dem Zylinder verbleibenden axialen Spalt. Über die konkrete Gestaltung des Federelements ist sicherzustellen, dass die erforderliche hydraulische Verbindung der Druckkammer mit dem Kompressionsraum nicht unterbrochen oder beeinträchtigt wird.For axial prestressing of the leakage minimizing sleeve, it is proposed that the spring element is supported on an end face of the leakage minimizing sleeve. As a spring element, for example, a helical compression spring, a wave spring or a plate spring can be used which is inserted into the annular groove, and preferably in the remaining between the leakage minimization sleeve and the cylinder axial gap. On the specific design of the spring element is to ensure that the required hydraulic connection of the pressure chamber is not interrupted or impaired with the compression space.
Alternativ kann das Federelement als doppelte Bundhülse ausgebildet sein, die einen nach radial außen ragenden ersten Bund zur axialen Abstützung am Zylinder und einen nach radial innen ragenden zweiten Bund zur axialen Abstützung an der Leckageminimierungshülse aufweist. Über die Bundbuchse ist die Leckageminimierungshülse ebenfalls in ihrer axialen Lage fixiert. Um zugleich eine axiale Vorspannung der Leckageminimierungshülse zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass der zweite Bund der Bundbuchse nach Art eines Federarms ausgebildet ist und nur über eine ringförmige Kontur an der Stirnfläche der Leckageminimierungshülse anliegt. Über den federarmartig ausgebildeten zweiten Bund kann dann die axiale Vorspannkraft aufgebracht werden.Alternatively, the spring element may be formed as a double collar sleeve having a radially outwardly projecting first collar for axial support on the cylinder and a radially inwardly projecting second collar for axial support on the Leckageminimierungshülse. About the collar bush, the leakage minimization sleeve is also fixed in its axial position. In order to achieve at the same time an axial bias of the leakage minimization sleeve, it is proposed that the second collar of the collar bush is designed in the manner of a spring arm and rests only on an annular contour on the end face of the Leckageminimierungshülse. About the Federarmartig formed second collar then the axial biasing force can be applied.
Bevorzugt weist die Leckageminimierungshülse zur Abstützung am Zylinder eine stirnseitig angeordnete, im Wesentlichen eben ausgeführte ringförmige Aufstandsfläche auf, an die radial innen ein Konus anschließt. Über den Konus wird die Aufstandsfläche reduziert, die somit kleiner als die Stirnfläche am anderen Ende der Leckageminimierungshülse ist. Über die Reduzierung der Aufstandsfläche kann eine verbesserte Dichtwirkung erzielt werden. Vorzugsweise weist der Konus in radialer Richtung eine Breite b auf die größer als eine Breite a der Aufstandsfläche ist, so dass die Aufstandsfläche deutlich verkleinert wird. Bevorzugt beträgt das Verhältnis der Breite a zur Breite b 3:1. Auf diese Weise wird eine definierte lokale Aufstandsfläche geschaffen.Preferably, the leakage minimization sleeve for support on the cylinder has a frontally arranged, substantially planar annular contact surface, which is adjoined radially inwardly by a cone. Via the cone, the footprint is reduced, which is thus smaller than the end face at the other end of the Leckageminimierungshülse. By reducing the footprint an improved sealing effect can be achieved. Preferably, the cone in the radial direction has a width b which is greater than a width a of the contact surface, so that the contact surface is significantly reduced. The ratio of the width a to the width b is preferably 3: 1. In this way, a defined local footprint is created.
Darüber hinaus kann die der Aufstandsfläche der Leckageminimierungshülse gegenüber liegende Fläche am Zylinder derart geformt sein, dass der Kontaktbereich zwischen der Leckageminimierungshülse und dem Zylinder verringert wird. In diesem Fall kann die Stirnfläche der Leckageminimierungshülse auch eben ausgeführt sein.In addition, the area opposite the footprint of the leakage minimizing sleeve may be formed on the cylinder such that the contact area between the leakage minimizing sleeve and the cylinder is reduced. In this case, the end face of the leakage minimizing sleeve can also be made flat.
Der an der dem Kompressionsraum zugewandten Stirnfläche der Leckageminimierungshülse anliegende Druck führt zu einer hydraulischen Druckkraft, welche die Leckageminimierungshülse gegen den Zylinder drückt. Da an der anderen Stirnfläche der Leckageminimierungshülse, und zwar zumindest im Bereich radial innerhalb des Kontaktbereichs mit dem Zylinder bzw. der Aufstandsfläche, kein Kompressionsraumdruck anliegt, wird die Leckageminimierungshülse auf diese Weise in Anlage mit dem Zylinder gehalten. Aufgrund der in axialer Richtung bestehenden Kraftdifferenz kann ggf. auf ein Federelement zur axialen Vorspannung der Leckageminimierungshülse gänzlich verzichtet werden.The pressure applied to the end face of the leakage minimization sleeve facing the compression space leads to a hydraulic pressure force which presses the leakage minimization sleeve against the cylinder. Since no compression space pressure is applied to the other end face of the leakage minimizing sleeve, at least in the area radially inside the contact area with the cylinder or the contact area, the leakage minimization sleeve is held in contact with the cylinder in this manner. Due to the force difference existing in the axial direction, a spring element for axial prestressing of the leakage minimizing sleeve may possibly be dispensed with altogether.
Vorteilhafterweise ist der Zylinder mehrteilig ausgeführt und umfasst zumindest ein Oberteil und ein Unterteil, die vorzugsweise im Bereich der Ringnut axial aneinandergesetzt sind. Die mehrteilige Ausführung erleichtert die Herstellung der Ringnut, insbesondere, wenn die Ringnut in nur einem Teil, vorzugsweise im Oberteil, ausgebildet werden muss. Zudem kann die Ringnut als stirnseitig offene Nut ausgebildet werden, die durch das Ansetzen des weiteren Teil, vorzugsweise des Unterteils, in axialer Richtung geschlossen wird. Vor dem Fügen der beiden Teile werden das Federelement und die Leckageminimierungshülse in die Ringnut eingesetzt. Die mehrteilige Ausführung des Zylinders vereinfacht somit auch die Montage des Kolbenverdichters.Advantageously, the cylinder is designed in several parts and comprises at least one upper part and a lower part, which are preferably placed axially in the region of the annular groove. The multi-part design facilitates the production of the annular groove, in particular, when the annular groove in only one part, preferably in the upper part, must be formed. In addition, the annular groove can be formed as a frontally open groove, by attaching the other part, preferably the lower part in the axial Direction is closed. Before joining the two parts, the spring element and the leakage minimizing sleeve are inserted into the annular groove. The multi-part design of the cylinder thus simplifies the assembly of the reciprocating compressor.
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 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kolbenverdichters gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, -
2 einen vergrößerten Ausschnitt der1 im Bereich der im Zylinder ausgebildeten Ringnut, -
3 einen vergrößerten Ausschnitt der2 im Bereich der Abstützung des Federelements an der Leckageminimierungshülse, -
4 einen vergrößerten Ausschnitt der2 im Bereich der Abstützung der Leckageminimierungshülse am Zylinder, -
5 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform (beschränkt auf den Bereich der Ringnut), -
6 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform (beschränkt auf den Bereich der Ringnut) und -
7 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform.
-
1 a schematic sectional view of a piston compressor according to the invention according to a first preferred embodiment, -
2 an enlarged section of the1 in the region of the annular groove formed in the cylinder, -
3 an enlarged section of the2 in the area of support of the spring element on the leakage minimizing sleeve, -
4 an enlarged section of the2 in the area of support of the leakage minimizing sleeve on the cylinder, -
5 a schematic longitudinal section through a piston compressor according to the invention according to a second preferred embodiment (limited to the region of the annular groove), -
6 a schematic longitudinal section through a piston compressor according to the invention according to a third preferred embodiment (limited to the region of the annular groove) and -
7 a schematic longitudinal section through a piston compressor according to the invention according to a fourth preferred embodiment.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Der in der
Um die Leckage aus dem Kompressionsraum
Wie insbesondere der
Die Dichtwirkung wird vorliegend noch dadurch verstärkt, dass die Leckageminimierungshülse
Wie der
Den
Wie dem Ausführungsbeispiel der
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 2003/010446 A1 [0004]WO 2003/010446 A1 [0004]
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