DE102018124757A1

DE102018124757A1 - Elektrisch angetriebene Verdichteranordnung

Info

Publication number: DE102018124757A1
Application number: DE102018124757.5A
Authority: DE
Inventors: Jörg Nickl; Eberhard Bredel
Original assignee: Nabtesco Itg GmbH
Current assignee: Nabtesco Automotive Corp Jp
Priority date: 2018-10-08
Filing date: 2018-10-08
Publication date: 2020-04-09
Anticipated expiration: 2038-10-09
Also published as: DE102018124757B4; CN116025540A; CN111005855B; CN111005855A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrisch angetriebene Verdichteranordnung, umfassend
- einen Kompressor (1), der mindestens einen Zylinderblock (12) mit mindestens einer Zylinderbohrung aufweist, in der ein Kolben hin und her beweglich angeordnet ist und der mittels eines Pleuels mit einer Kurbelwelle verbunden ist, die in einem Kurbelgehäuse (11) drehbar gelagert ist, wobei die Zylinderbohrung durch einen Zylinderkopf (13) verschlossen ist, wodurch zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf (13) ein Kompressionsraum gebildet ist und wobei der Zylinderkopf (13) mindestens ein Einlassventil und ein mindestens ein Auslassventil aufweist,
- einen Elektromotor (2) mit einem Motorgehäuse (21), einem Stator und einem Rotor, der eine drehbar gelagerte Rotorwelle aufweist, wobei
- die Rotorwelle des Elektromotors (2) und die Kurbelwelle des Kompressors (1) kupplungslos fest miteinander verbunden oder einstückig ausgeführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an elektrisch angetriebenen Verdichteranordnungen, die einen Kompressor und einen Elektromotor umfassen.
Kompressoren weisen mindestens einen Zylinderblock mit einer oder mehreren Zylinderbohrungen auf, in denen je ein Kolben hin und her beweglich ist. Der Kolben ist mittels eines Pleuels mit einer Kurbelwelle verbunden, die in einem Kurbelgehäuse drehbar gelagert ist und die dem Antrieb des Kompressors dient. Die Zylinderbohrung ist durch einen Zylinderkopf verschlossen, wodurch zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf ein Kompressionsraum gebildet ist. Um unkomprimierte Luft in den Kompressionsraum einzuleiten und komprimierte Luft aus dem Kompressionsraum herauszuleiten, weist der Zylinderkopf üblicherweise für jede Zylinderbohrung mindestens ein Einlassventil und ein Auslassventil auf.
Elektrisch angetriebene Verdichteranordnungen weisen neben dem Kompressor einen Elektromotor auf, der in vielen Fällen an das Kurbelgehäuse angeflanscht ist. Diese Flanschverbindung muss abgedichtet werden.
Die Rotorwelle des Elektromotors ist dabei üblicherweise mittels einer Kupplung mit der Kurbelwelle des Kompressors verbunden. Die Kupplung ist ein zusätzliches Bauteil, das sich auf den Preis der Verdichteranordnung auswirkt.
Wird eine derartige Verdichteranordnung in einem Fahrzeug verwendet, so wird sie üblicherweise in den Ölkreislauf des Fahrzeugs eingebunden, um die Lager der Kurbelwelle und des Pleuels sowie die Reibpaarung Kolben-Zylinderbohrung zu schmieren. Anderenfalls wird ein eigener Ölkreislauf mit einer eigenen Ölpumpe hinzugefügt, was wiederum die Kosten in die Höhe treibt.
Um die verdichtete Luft - insbesondere bei zweistufigen Kompressoren - zu kühlen, wird meist ein zusätzlicher Wärmetauscher mit einem eigenen, elektrisch angetriebenen Lüfter verwendet, der groß ist und die Gesamtkosten der Verdichteranordnung in die Höhe treibt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine elektrisch angetriebene Verdichteranordnung dahingehend zu verbessern, dass deren Bauraumbedarf gesenkt, ihr Aufbau stark vereinfacht und die Verdichteranordnung daher kostengünstig herstellbar ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, Probleme mit der Abdichtung zu vermeiden. Eine andere Aufgabe besteht darin, die Schmierung zu vereinfachen und von Nebenaggregaten unabhängig zu machen. Noch eine weitere Aufgabe besteht darin, die Kühlung der durch den Kompressor verdichteten Luft zu vereinfachen.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die in den Ansprüchen beschriebenen Verdichteranordnungen.
Vorgeschlagen wird dazu eine elektrisch angetriebene Verdichteranordnung, umfassend einen Kompressor, der mindestens einen Zylinderblock mit mindestens einer Zylinderbohrung aufweist, in der ein Kolben hin und her beweglich angeordnet ist und der mittels eines Pleuels mit einer Kurbelwelle verbunden ist, die in einem Kurbelgehäuse drehbar gelagert ist, wobei die Zylinderbohrung durch einen Zylinderkopf verschlossen ist, wodurch zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf ein Kompressionsraum gebildet ist und wobei der Zylinderkopf mindestens ein Einlassventil und ein mindestens ein Auslassventil aufweist, und einen Elektromotor mit einem Motorgehäuse, einem Stator und einem Rotor, der eine drehbar gelagerte Rotorwelle aufweist.
Eine solche Verdichteranordnung kann erfindungsgemäß gemäß einem oder mehreren der nachfolgend beschriebenen Aspekte weitergebildet sein, um eine oder mehrere der oben beschrieben Aufgaben zu lösen, wobei die verschiedenen beschriebenen Aspekte in beliebiger Weise kombiniert sein können.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung kann bei einer solchen Verdichteranordnung vorgesehen sein, dass die Rotorwelle des Elektromotors und die Kurbelwelle des Kompressors kupplungslos fest miteinander verbunden oder einstückig ausgeführt sind. Durch die vorgeschlagene Ausführung einer mit der Rotorwelle des Elektromotors zu einer Einheit kombinierten Kurbelwelle des Kompressors kann auf die sonst übliche Kupplung zwischen Kompressor und Elektromotor verzichtet werden, so dass die Verdichteranordnung kostengünstiger herstellbar ist.
In einer zweiten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Kurbelgehäuse des Kompressors und das Motorgehäuse des Elektromotors einstückig ausgeführt sind. Hierdurch wird erreicht, dass die Verdichteranordnung insgesamt kleiner baut als bei einem Kompressor mit angeflanschtem Elektromotor. Gleichzeitig kann auf die Abdichtung zwischen Kompressor und Elektromotor verzichtet werden, wodurch die Verdichteranordnung zuverlässiger und kostengünstiger herstellbar ist. Beispielsweise kann der Stator des Elektromotors einfach in das kompakte, einstückige Gehäuse eingepresst werden. Anschließend kann der Rotor auf die Rotorwelle geschoben und darauf arretiert werden.
Die vorgeschlagene Verdichteranordnung kann weiterhin beispielsweise so ausgeführt sein, dass der Kompressor zwei Zylinderbohrungen mit je einem Kolben aufweist, die als zwei Verdichterstufen in Reihe geschaltet sind, wobei ein Auslassventil der ersten Verdichterstufe mit einem Einlassventil der zweiten Verdichterstufe kommunizierend verbunden ist. Dabei kann jede Zylinderbohrung in einem eigenen Zylinderblock angeordnet sein, und beide Zylinderblöcke mit dem Kurbelgehäuse verbunden und durch je einen Zylinderkopf verschlossen sein. Die Anordnung der Zylinderblöcke kann beispielsweise V-förmig sein.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Elektromotor in an sich bekannter Weise einen von der Rotorwelle angetriebenen Lüfter aufweist, der im Betrieb einen Luftstrom zur Kühlung des Elektromotors erzeugt, wobei außerdem ein von dem Kompressor verdichteter Luftstrom zur Kühlung durch einen in dem vom Lüfter des Elektromotors erzeugten Luftstrom angeordneten Wärmetauscher geleitet wird.
Besonders vorteilhaft umfasst der Wärmetauscher mindestens ein Lamellenrohr, welches das Motorgehäuse mit geringem Abstand zumindest teilweise umgreifend angeordnet ist. Dadurch kann auf die aufwändige Installation eines separaten Wärmetauschers mit einem eigenen, elektrisch angetriebenen Lüfter verzichtet werden.
Um die Kühlleistung besonders effektiv zu erhöhen, kann bei einem zweistufigen Kompressor beispielsweise vorgesehen sein, dass der von dem Kompressor verdichtete Luftstrom von einem Auslassventil der ersten Verdichterstufe durch einen ersten Wärmetauscher zu einem Einlassventil der zweiten Verdichterstufe geleitet wird und von einem Auslassventil der zweiten Verdichterstufe durch einen zweiten Wärmetauscher zu einer Entnahmestelle geleitet wird.
Dabei kann in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Verdichteranordnung ein Außengehäuse aufweist, das den von dem Lüfter des Elektromotors erzeugten Luftstrom über den oder die Wärmetauscher leitet. Dieses Außengehäuse kann außerdem wesentlich dazu beitragen, die Geräuschemissionen des Kompressors zu dämpfen.
Um auf eine externe Schmierung des Kompressors verzichten zu können, ist in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass bei der vorgeschlagenen Verdichteranordnung im Kurbelgehäuse des Kompressors ein Ölsumpf vorgesehen ist und an der Kurbelwelle oder am Pleuellager mindestens ein Finger zur Realisierung einer Schleuderschmierung angeordnet ist. Dadurch muss die Verdichteranordnung weder in einen Ölkreislauf eines Fahrzeugs eingebunden sein, noch wird ein separater Ölkreislauf mit einer eigenen Ölpumpe benötigt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass bei der vorgeschlagenen Verdichteranordnung im Kurbelgehäuse des Kompressors ein Ölsumpf vorgesehen und eine von der Kurbelwelle angetriebene Ölpumpe zur Realisierung einer Druckumlaufschmierung angeordnet ist.
Auch in dieser Ausgestaltung kann auf eine externe Ölpumpe verzichtet werden und der Bauraum des Kompressors wird optimal ausgenutzt.
Eine solche Ölpumpe kann beispielsweise ein sich von der Kurbelwelle nach unten erstreckendes Ölpumpenpleuel mit einem Ölführungskanal und einem integrierten Ölauslassventil und einen an dem unteren Ende des Ölpumpenpleuels angeordneten Ölpumpenkolben umfassen, der in einem Ölpumpenzylinder mit einem Öleinlassventil geführt ist, wobei das Öleinlassventil im Ölsumpf angeordnet ist.
Der Ölsumpf befindet sich im unteren Teil des Kurbelgehäuses des Kompressors. Die Ölpumpe saugt durch das Ölpumpeneinlassventil Schmierstoff aus dem Ölsumpf in den Ölpumpenzylinder und fördert diesen durch den Ölführungskanal aufwärts zur Kurbelwelle.
Von dort aus wird der Schmierstoff zu den Lagern der Kurbelwelle oder/und des oder der Pleuel des Kompressors geführt. Die Lagerstellen werden geschmiert, der Schmierstoff tritt aus und fließt zurück in den Ölsumpf.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen

1 und 2 zwei verschiedene perspektivische Darstellungen des Ausführungsbeispiels einer Verdichteranordnung mit einem zweistufigen Luftkompressor 1 mit einer Zwischenkühlung zwischen der ersten Verdichterstufe und der zweiten Verdichterstufe sowie mit einer Nachkühlung nach der zweiten Verdichterstufe, und
3 eine schematische Darstellung einer von der Kurbelwelle angetriebenen, im Kurbelgehäuse des Kompressors angeordnete Ölpumpe.

Die Motorwelle des Elektromotors 2 und die Kurbelwelle 14 des Kompressors 1 sind ohne eine Kupplung fest miteinander verbunden und bilden eine Einheit. Damit entfällt die sonst allgemein übliche Kupplung zwischen dem Elektromotor 2 und dem Kompressor 1. Das Motorgehäuse 21 des Elektromotors 2 und das Kurbelgehäuse 11 des Kompressors 1 sind darüber hinaus als ein Bauteil ausgeführt. Außerdem sind auch die beiden V-förmig angeordneten Zylinderblöcke 12 des Kompressors 1 mit dessen Kurbelgehäuse 11 einstückig ausgeführt, und jeder Zylinderblock 12 verfügt über einen eigenen Zylinderkopf 13. Rotor und Stator des Elektromotors 2 sind in das Motorgehäuse 21 des Elektromotors 2 eingepresst.
Die Kühlung der verdichteten Luft erfolgt mittels eines Luftstroms, der durch einen Lüfter 22 des Elektromotors 2 erzeugt wird, der an der dem Kompressor 1 gegenüberliegenden Seite des Elektromotors 2 angeordnet ist und gleichzeitig auch den Elektromotor 2 kühlt. Die verdichtete Luft fließt durch Wärmetauscher 3, die spezielle Lamellenrohre umfassen, die besonders gerippt sind und damit eine große Oberfläche aufweisen. Der Luftstrom wird von einem Auslassventil der ersten Verdichterstufe durch einen ersten Wärmetauscher zu einem Einlassventil der zweiten Verdichterstufe geleitet und von einem Auslassventil der zweiten Verdichterstufe durch einen zweiten Wärmetauscher zu einer Entnahmestelle geleitet. Die Lamellenrohre 3 umschließen den Elektromotor 2 und werden somit von dem Luftstrom, der vom Lüfter 22 des Elektromotors 2 erzeugt wird, umspült und dadurch gekühlt. Ein separater Wärmetauscher wie sonst üblich entfällt somit.
Das Schmiersystem ist als geschlossenes System ausgeführt, wie in 3 dargestellt. Eine externe Ölpumpe für die Lager ist nicht erforderlich. Die Ölschmierung wird über die Kurbelwelle 14 des Kompressors 1 realisiert, die eine im Kurbelgehäuse 11 angeordnete Ölpumpe 4 antreibt, welche eine Druckumlaufschmierung realisiert. Die Ölpumpe 4 befindet sich vollständig im Gehäuse des Kompressors und verfügt über keinerlei externe Komponenten.
Der Schmierstoff befindet sich als Ölsumpf 5 im unteren Teil des Kurbelgehäuses 11. Die Ölpumpe 4 saugt aus diesem Ölsumpf 5 den Schmierstoff und drückt diesen aufwärts zur Kurbelwelle 14. Durch Druck verteilt sich der Schmierstoff zu den einzelnen Lagerstellen. Die Lagerstellen werden geschmiert, der Schmierstoff tritt aus, die Schwerkraft befördert diesen zurück in den Ölsumpf 5. Im Kreislauf kann ein (hier nicht dargestellter) Filter angeordnet sein, welcher Schwebepartikel abtrennt und bindet. Durch geeignete Gestaltung des Ölsumpfes 5 und des Kurbelgehäuses 11 erfolgt die Kühlung des Schmierstoffes durch Umspülung mit Umgebungsluft.
Die Ölpumpe ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Tauchkolbenmaschine ausgeführt. Sie besteht aus dem Ölpumpenpleuel 41, dem Ölpumpenkolben 44 und dem Ölpumpenzylinder 45 mit einem im Ölsumpf 5 angeordneten Ölpumpeneinlassventil 46.
Der Kurbeltrieb ist dadurch realisiert, dass das Ölpumpenpleuel 41 mit seinem Pleuelauge 42 auf der Kurbelwelle 14 sitzt und durch diese angetrieben wird. Das Ölpumpenpleuel 41 weist in seiner Längsrichtung einen Ölführungskanal 43 auf, der sich auch durch den Ölpumpenkolben 44 erstreckt. Im konkreten Fall ist der Ölpumpenkolben 44 als Kugelkolben ausgeführt. Der Ölpumpenzylinder 45 weist an seiner Unterseite ein im Ölsumpf 5 angeordnetes Ölpumpeneinlassventil 46 auf, das im konkreten Fall als Lamelle auf einer Ventilsitzplatte ausgeführt ist.
Wenn der Ölpumpenkolben 44 sich nach oben bewegt, saugt er durch das darunter befindliche Ölpumpeneinlassventil 46 Öl in die Kammer des Ölpumpenzylinders 45 zwischen Ölpumpenkolben 44 und Ölpumpeneinlassventil 46.
Bei der darauffolgenden Abwärtsbewegung des Ölpumpenkolbens 44 schließt sich das Ölpumpeneinlassventil 46, im Ölpumpenzylinder 45 entsteht Druck, dieser entweicht in den Ölführungskanal 43 des Ölpumpenpleuels 41 und das Öl strömt durch das integrierte Ölauslassventil in die Kurbelwelle.
Bezugszeichenliste

1: Kompressor
11: Kurbelgehäuse
12: Zylinderblock
13: Zylinderkopf
14: Kurbelwelle
2: Elektromotor
21: Motorgehäuse
22: Lüfter
3: Wärmetauscher
4: Ölpumpe
41: Ölpumpenpleuel
42: Pleuelauge
43: Ölführungskanal
44: Ölpumpenkolben
45: Ölpumpenzylinder
46: Ölpumpeneinlassventil
5: Ölsumpf

Claims

Elektrisch angetriebene Verdichteranordnung, umfassend - einen Kompressor (1), der mindestens einen Zylinderblock (12) mit mindestens einer Zylinderbohrung aufweist, in der ein Kolben hin und her beweglich angeordnet ist und der mittels eines Pleuels mit einer Kurbelwelle (14) verbunden ist, die in einem Kurbelgehäuse (11) drehbar gelagert ist, wobei die Zylinderbohrung durch einen Zylinderkopf (13) verschlossen ist, wodurch zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf (13) ein Kompressionsraum gebildet ist und wobei der Zylinderkopf (13) mindestens ein Einlassventil und ein mindestens ein Auslassventil aufweist, - einen Elektromotor (2) mit einem Motorgehäuse (21), einem Stator und einem Rotor, der eine drehbar gelagerte Rotorwelle aufweist, wobei - die Rotorwelle des Elektromotors (2) und die Kurbelwelle (14) des Kompressors (1) kupplungslos fest miteinander verbunden oder einstückig ausgeführt sind.
Verdichteranordnung nach Anspruch 1, bei der das Kurbelgehäuse (11) des Kompressors (1) und das Motorgehäuse (21) des Elektromotors (2) einstückig ausgeführt sind.
Verdichteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Kompressor (1) zwei Zylinderbohrungen mit je einem Kolben aufweist, die als zwei Verdichterstufen in Reihe geschaltet sind, wobei ein Auslassventil der ersten Verdichterstufe mit einem Einlassventil der zweiten Verdichterstufe kommunizierend verbunden ist.
Verdichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Elektromotor (2) einen von der Rotorwelle angetriebenen Lüfter (22) aufweist, der im Betrieb einen Luftstrom zur Kühlung des Elektromotors (2) erzeugt, wobei ein von dem Kompressor (1) verdichteter Luftstrom zur Kühlung durch einen in dem Luftstrom des Lüfters (22) angeordneten Wärmetauscher (3) geleitet wird.
Verdichteranordnung nach Anspruch 4, bei der der Wärmetauscher (3) mindestens ein Lamellenrohr umfasst, welches das Motorgehäuse (21) mit geringem Abstand zumindest teilweise umgreifend angeordnet ist.
Verdichteranordnung nach Anspruch 3 und 4, bei der der von dem Kompressor (1) verdichtete Luftstrom von einem Auslassventil der ersten Verdichterstufe durch einen ersten Wärmetauscher zu einem Einlassventil der zweiten Verdichterstufe geleitet wird und von einem Auslassventil der zweiten Verdichterstufe durch einen zweiten Wärmetauscher zu einer Entnahmestelle geleitet wird.
Verdichteranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, die ein Außengehäuse aufweist, das den von dem Lüfter (22) des Elektromotors erzeugten Luftstrom über den oder die Wärmetauscher (3) leitet.
Verdichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der im Kurbelgehäuse (11) des Kompressors (1) ein Ölsumpf vorgesehen ist und an der Kurbelwelle (14) oder am Pleuellager mindestens ein Finger zur Realisierung einer Schleuderschmierung angeordnet ist.
Verdichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der im Kurbelgehäuse (11) des Kompressors (1) ein Ölsumpf (5) vorgesehen und eine von der Kurbelwelle (14) angetriebene Ölpumpe (4) zur Realisierung einer Druckumlaufschmierung angeordnet ist.
Verdichteranordnung nach Anspruch 9, bei der die Ölpumpe (4) ein sich von der Kurbelwelle (14) nach unten erstreckendes Ölpumpenpleuel (41) mit einem Ölführungskanal (43) und einen an dem unteren Ende des Ölpumpenpleuels (41) angeordneten Ölpumpenkolben (44) umfasst, der in einem Ölpumpenzylinder (45) mit einem Öleinlassventil (46) geführt ist, wobei das Öleinlassventil (46) im Ölsumpf (5) angeordnet ist.