DE102018130400A1

DE102018130400A1 - Kolbenkompressor mit querkraftfreiem Kolben

Info

Publication number: DE102018130400A1
Application number: DE102018130400.5A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Nabtesco Itg GmbH
Current assignee: Nabtesco Itg GmbH
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2020-06-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kompressor, umfassend einen Zylinderblock mit einer Ansaugöffnung für unkomprimierte Luft, einer Zylinderbohrung und einem in der Zylinderbohrung hin und her beweglichen Kolben, der in der Zylinderbohrung querkraftfrei geführt ist, sowie mit einer Auslassöffnung für komprimierte Luft, außerdem eine Kompressoranordnung mit einem solchen Kompressor sowie ein Fahrzeug mit einer derartigen Kompressoranordnung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kompressor mit querkraftfreiem Kolben.
Herkömmliche Kompressoren weisen 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 dem Antrieb des Kompressors dient. Die Zylinderbohrung ist durch einen Zylinderkopf verschlossen, wodurch zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf ein Kompressionsraum gebildet ist. Bei mehrzylindrigen Kompressoren kann ein einzelner Zylinderkopf alle Zylinderbohrungen verschließen. 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.
Zur Verbindung zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf dienen üblicherweise Schraubverbindungen, von denen für jeden Zylinder jeweils mehrere über den Umfang der Zylinderbohrung verteilt angeordnet sind, d.h. die Befestigung des Zylinderkopfes am Zylinderblock erfolgt an diskreten Punkten um die Zylinderbohrung herum. Die Schraubverbindungen können durch am Zylinderblock angebrachte Standbolzen realisiert sein, an denen der Zylinderkopf mittels Muttern verschraubt wird, oder durch Schrauben, die durch den Zylinderkopf hindurch in den Zylinderblock eingeschraubt werden.
Die unveröffentlichte DE 10 2018 106 450.0 beschreibt hingegen einen Kompressor, der einen Zylinderblock mit einer Zylinderbohrung und einem in der Zylinderbohrung hin und her beweglichen Kolben sowie einem die Zylinderbohrung verschließenden Zylinderkopf aufweist, wobei jeder Zylinderbohrung ein eigener Zylinderkopf zugeordnet ist und der Zylinderblock und der Zylinderkopf mittels einer einzelnen Verschraubung miteinander verbunden sind, die ein die Zylinderbohrung umschließendes Gewinde aufweist.
Die Möglichkeit, mittels Hypozykloidgetrieben translatorische in rotatorische und umgekehrt rotatorische in translatorische Bewegungsabläufe umzuwandeln, ist bereits seit langer Zeit bekannt. Hierbei ist vor allem die Hypozykloidvariante interessant, bei deren Ausführung der Radius des großen, meist feststehenden Kreises dem Durchmesser des abrollenden Kreises entspricht. Hierbei laufen Punkte, die genau auf der Höhe des Durchmessers des inneren Kreises liegen, bei einer Abrollbewegung auf einer exakt linearen Bahn. Die Strecke dieses linearen Bewegungsablaufes entspricht dem Wirkdurchmesser des äußeren Kreises. Das Geschwindigkeitsprofil der linear bewegten Punkte des inneren abrollenden Kreises auf Höhe des Wirkdurchmessers besitzt einen cosinusförmigen Verlauf. DE 20 2015 007 594 U1 beschreibt ein Hypozykloidgetriebe für Kolbenmaschinen mit einem vollständigen Ausgleich der Massenkräfte und -momente, einer Reduzierung der Reibleistung und einer Verstellmechanik des Kolbenhubs mit konstantem Verdichtungsraum oder variablem Verdichtungsverhältnis.
Weiterhin wurde in EP 2 990 646 A1 eine Kompressoranordnung zur Verdichtung eines Volumenstroms eines kompressiblen Mediums von einem Anfangsdruck auf einen zum Anfangsdruck höheren Enddruck beschrieben, der einen mehrstufigen ersten Kompressor zur Verdichtung eines ersten Teilvolumenstroms des kompressiblen Mediums von dem Anfangsdruck auf den Enddruck mit mindestens einer stromaufwärts angeordneten ersten Kompressorstufe und mindestens einer stromabwärts angeordneten zweiten Kompressorstufe umfasst, wobei jede Kompressorstufe einen Medieneintritt zum Ansaugen des Mediums und einen Medienaustritt zum Ausstoßen des Mediums aufweist, und wobei der Medienaustritt einer Kompressorstufe mit dem Medieneintritt der stromabwärts nächsten Kompressorstufe durch eine Zwischenkammer verbunden ist und sich in jeder Zwischenkammer jeweils ein Zwischendruck des ersten Teilvolumenstroms einstellt, wobei ein zweiter Kompressor mit mindestens einer, einen Medieneintritt und einen Medienaustritt aufweisenden, Kompressorstufe zur Verdichtung eines zweiten Teilvolumenstroms des Mediums auf einen Zwischendruck des ersten Teilvolumenstroms vorgesehen ist, wobei mindestens ein Medienaustritt des zweiten Kompressors mit einer Zwischenkammer des ersten Kompressors verbunden ist.
Vorgeschlagen wird ein Kompressor, der einen Zylinderblock mit einer Ansaugöffnung für unkomprimierte Luft, einer Zylinderbohrung und einem in der Zylinderbohrung hin und her beweglichen Kolben umfasst, der in der Zylinderbohrung querkraftfrei geführt ist, sowie mit einer Auslassöffnung für komprimierte Luft. Die querkraftfreie Führung des Kolbens kann vorteilhaft dadurch realisiert werden, dass der Kolben durch ein Hypozykloidgetriebe oder durch einen Kurbeltrieb mit einem Kreuzkopf angetrieben ist.
Die querkraftfreie Führung und Lagerung des Kolbens in diesem Grundtyp des vorgeschlagenen Kompressors ermöglicht es, den Kompressor ölfrei, d.h. ungeschmiert, zu betreiben, und zwar insbesondere dann, wenn die Zylinderlauffläche, d.h. die Innenfläche der Zylinderbohrung bzw. der Zylinderlaufbuchse, mit einer reibungsmindernden Beschichtung wie beispielsweise Hart-Eloxal, Nikasil, Keramik oder dergleichen versehen ist. Außerdem kann der Kompressor, abhängig von den Verdichtungsverhältnissen, gegebenenfalls ohne Kühlung betrieben werden und der Kolben oder/und der Zylinderblock oder/und der Zylinderkopf aus alternativen Materialien wie beispielsweise aus Kunststoff gefertigt werden. Der vorgeschlagene Kompressor kann als Basis einer modular aufgebauten Reihe verschiedener Kompressortypen dienen, bei denen durch Variation anderer technischer Merkmale, wie nachfolgend näher beschrieben, und deren Kombination mit dem vorgeschlagenen Grundtyp, Kompressoren dargestellt werden können, die verschiedene Antriebsarten, verschiedene Kolbendurchmesser oder/und Hübe, und damit verschiedene Hubräume aufweisen. Der Kompressor kann beispielsweise mechanisch, d.h. durch direktes Anlegen eines Drehmoments, oder elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch, d.h. beispielsweise durch einen Elektromotor, Ölmotor oder Luftmotor angetrieben sein, wobei diese Antriebskomponenten auch in den jeweiligen Kompressor integriert sein können. Auf der Basis dieses Grundtyps können außerdem sowohl einzylindrige als auch mehrzylindrige Kompressoren, die jeweils einstufig oder mehrstufig ausgeführt sein können, dargestellt werden. Weiterhin können basierend auf dem oben beschriebenen Grundtyp Kompressoren, bei denen der oder die Kolben einfach- oder doppeltwirkend sind, dargestellt werden. Einige der hier kurz zusammengefassten Aspekte des vorgeschlagenen Kompressors werden nachfolgend näher erläutert:

Beispielsweise kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass mindestens ein Kolben doppeltwirkend ist. Bei einem doppeltwirkenden Kolben befindet sich ein erster Arbeitsraum (Verdichtungsraum) oberhalb des Kolbens und ein zweiter Arbeitsraum (Verdichtungsraum) unterhalb des Kolbens. Weist der Kompressor zwei oder mehr Zylinder auf, so kann beispielsweise nur ein Kolben doppeltwirkend sein. Alternativ können auch zwei oder mehr Kolben doppeltwirkend ausgeführt sein.

In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Zylinderbohrung eine Stufenbohrung mit zwei Zylinderstufen unterschiedlichen Durchmessers ist und der Kolben ein Stufenkolben mit zwei Kompressorstufen unterschiedlichen Durchmessers ist und jede Kompressorstufe in einer Zylinderstufe geführt ist. Ein Stufenkolben ist ein Kolben, der stufenförmig mit mehreren verschiedenen Durchmessern ausgebildet ist. Zusammen mit entsprechend abgestuften Zylindern lassen sich damit mehrere Arbeitsräume (Verdichtungsräume) bilden.
Vorteilhaft kann weiterhin vorgesehen sein, dass zwischen dem Zylinderblock und einer ersten Kompressorstufe größeren Durchmessers ein erster Arbeitsraum mit einem ersten Einlassventil und einem ersten Auslassventil gebildet ist, zwischen dem Zylinderblock und einer zweiten Kompressorstufe kleineren Durchmessers ein zweiter Arbeitsraum mit einem zweiten Einlassventil und einem zweiten Auslassventil gebildet ist, und das erste Auslassventil mit dem zweiten Einlassventil strömungsleitend verbunden ist. Dabei kann beispielsweise zwischen den beiden Kompressorstufen ein ringförmiger, dritter Arbeitsraum ausgebildet sein, der strömungsleitend sowohl mit dem Medieneintritt, d.h. der Ansaugöffnung für unkomprimierte Luft, als auch mit dem ersten Einlassventil verbunden ist. Der Stufenkolben ist somit doppeltwirkend.
Bewegt sich der Stufenkolben aufwärts in Richtung des oberen Totpunkts, so fördert die erste Kompressorstufe durch Verkleinerung des dritten Arbeitsraums vorkomprimierte Luft zum ersten Einlassventil und befüllt so den ersten Arbeitsraum, in dem die Luft anschließend bei einer Abwärtsbewegung des Stufenkolbens in Richtung des unteren Totpunkts verdichtet und durch das erste Auslassventil zur zweiten Kompressorstufe befördert wird, während gleichzeitig der dritte Arbeitsraum sich vergrößert und von der Ansaugöffnung für unkomprimierte Luft frische, unkomprimierte Luft ansaugt, die im nachfolgenden Aufwärtstakt wiederum vorverdichtet wird, usw. usf.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung weist der Kompressor mindestens einen Zylinderblock mit einer Zylinderbohrung und einem in der Zylinderbohrung hin und her beweglichen Kolben sowie einem die Zylinderbohrung verschließenden Zylinderkopf auf, wobei jeder Zylinderbohrung ein eigener Zylinderkopf zugeordnet ist und der Zylinderblock und der Zylinderkopf mittels einer einzelnen Verschraubung miteinander verbunden sind, die ein die Zylinderbohrung umschließendes Gewinde aufweist.
Eine „einzelne Verschraubung“ bedeutet dabei, dass erfindungsgemäß nicht mehr wie bisher an mehreren Punkten Schraubverbindungen angeordnet werden. Auf Stehbolzen oder Schrauben zur Befestigung des Zylinderkopfes kann daher vollständig verzichtet werden. Vielmehr ist der Zylinderkopf nur durch eine einzige Verschraubung mit dem Zylinderblock verbunden. Diese Verschraubung umfasst ein die Zylinderbohrung umschließendes Gewinde, d.h. das Gewinde der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verschraubung ist konzentrisch zur Zylinderbohrung angeordnet. Dies bedeutet, dass der Zylinderkopf selbst eine kreisrunde Außenkontur haben muss, weshalb bei dem vorgeschlagenen Kompressor auch dann, wenn dieser mehrere Zylinder aufweist, jeder Zylinderbohrung ein eigener Zylinderkopf zugeordnet ist, der gegebenenfalls für den abgedeckten Kompressionsraum das Einlassventil und das Auslassventil aufweist. Der äußere kreisringförmige Rand des Zylinderkopfes kann dabei vorteilhaft gleichzeitig als Dichtfläche genutzt werden, die - mit oder ohne einem dazwischen angeordneten Dichtring - auf eine korrespondierende kreisringförmige Dichtfläche des Zylinderblocks gepresst wird.
Da das Gewinde in jedem Fall die Zylinderbohrung umschließt und in jeder Gestaltungsvariante einen konstanten Abstand zur Zylinderbohrung aufweist, bildet sich über den gesamten Umfang der Zylinderbohrung eine konstante Anpresskraft aus. Lokale Verformungen des Zylinderkopfes, die bei der diskreten Anordnung mehrerer Schrauben zu den beschriebenen Dichtheitsproblemen führen können, werden bei dem vorgeschlagenen Kompressor vollständig verhindert. Auch die üblicherweise verwendeten, typspezifischen und kostspieligen Zylinderkopfdichtungen können entfallen und beispielsweise durch elastische O-Ringe, d.h. standardisierte, kostengünstige und typunabhängige Massenprodukte ersetzt werden. Auch höhere Betriebstemperaturen führen nicht, wie bei herkömmlichen Kompressoren, zu Undichtigkeiten. Der vorgeschlagene Zylinderkopf ermöglicht eine besonders einfache Montage und Demontage des Kompressors. Gegenüber mehreren diskreten Verschraubungen wird zur Montage ein geringeres Anzugsmoment benötigt, das dennoch zu einer höheren Flächenpressung und somit zu einer verlässlicheren Abdichtung führt.
Gemäß einer Ausgestaltung kann der Zylinderblock ein Außengewinde aufweisen. Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass der Zylinderkopf ein Innengewinde aufweist und mittels dieses Innengewindes mit dem Außengewinde des Zylinderblocks verschraubt ist. Um die Montage und Demontage zu erleichtern, kann weiter vorgesehen sein, dass der Zylinderkopf an seiner Außenseite Schlüsselflächen aufweist. Bei dieser Ausgestaltung wird der Zylinderkopf selbst bei der Montage oder Demontage gedreht, weil er selbst einen Teil des Gewindes der Verschraubung trägt.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Zylinderkopf mittels einer ein Innengewinde aufweisenden Überwurfmutter mit dem Außengewinde des Zylinderblocks verschraubt ist. Dabei steht der Zylinderkopf still und die Überwurfmutter wird relativ zum Zylinderblock gedreht. Dies hat den Vorteil, dass zwischen dem Zylinderkopf und einer zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock angeordneten Dichtung, beispielsweise einem elastischen O-Ring, keine Relativbewegung stattfindet, so dass die Dichtung bei der Montage und Demontage des Zylinderkopfs nicht auf Schub beansprucht wird. Bei dieser Ausgestaltung kann weiter vorgesehen sein, dass die Überwurfmutter an ihrer Außenseite Schlüsselflächen aufweist, welche die Montage und Demontage vereinfachen.
In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Zylinderblock in der Zylinderbohrung ein Innengewinde und der Zylinderkopf ein Außengewinde aufweist und der Zylinderkopf in die Zylinderbohrung eingeschraubt ist. Hierbei kann die äußere, kreisringförmige Dichtfläche des Zylinderkopfes beispielsweise mit der oberen, ebenfalls kreisringförmigen Stirnfläche einer in der Zylinderbohrung angeordneten Zylinderlaufbuchse dichtend zusammenwirken, wobei zwischen den beiden Dichtflächen wiederum eine Dichtung, beispielsweise einem elastischen O-Ring, angeordnet sein kann. Bei dieser Ausgestaltung kann weiter vorgesehen sein, dass der Zylinderkopf an seiner Außenseite Schlüsselflächen aufweist, welche die Montage und Demontage vereinfachen.
Vorgeschlagen wird weiterhin eine Kompressoranordnung zur Verdichtung eines Volumenstroms eines kompressiblen Mediums von einem Anfangsdruck auf einen zum Anfangsdruck höheren Enddruck, der einen mehrstufigen ersten Kompressor zur Verdichtung eines ersten Teilvolumenstroms des kompressiblen Mediums von dem Anfangsdruck auf den Enddruck mit mindestens einer stromaufwärts angeordneten ersten Kompressorstufe und mindestens einer stromabwärts angeordneten zweiten Kompressorstufe umfasst, wobei jede Kompressorstufe einen Medieneintritt zum Ansaugen des Mediums und einen Medienaustritt zum Ausstoßen des Mediums aufweist, und wobei der Medienaustritt einer Kompressorstufe mit dem Medieneintritt der stromabwärts nächsten Kompressorstufe durch eine Zwischenkammer verbunden ist und sich in jeder Zwischenkammer jeweils ein Zwischendruck des ersten Teilvolumenstroms einstellt, wobei ein zweiter Kompressor mit mindestens einer, einen Medieneintritt und einen Medienaustritt aufweisenden, Kompressorstufe zur Verdichtung eines zweiten Teilvolumenstroms des Mediums auf einen Zwischendruck des ersten Teilvolumenstroms vorgesehen ist, wobei mindestens ein Medienaustritt des zweiten Kompressors mit einer Zwischenkammer des ersten Kompressors verbunden ist.
Dabei kann der erste Kompressor beispielsweise ein zweistufiger Kolbenverdichter sein und der zweite Kompressor kann beispielsweise ein einstufiger Kolbenverdichter sein.
Sowohl der erste Kompressor als auch der zweite Kompressor können jeweils mechanisch, d.h. durch direktes Anlegen eines Drehmoments, oder elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch, d.h. beispielsweise durch einen Elektromotor, Ölmotor oder Luftmotor angetrieben sein, wobei diese Antriebskomponenten auch in den jeweiligen Kompressor integriert sein können.
Insbesondere bei Verwendung der Kompressoranordnung in einem Fahrzeug kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der erste Kompressor mechanisch und der zweite Kompressor elektrisch angetrieben ist, beispielsweise indem der erste Kompressor in den Antriebsstrang des Fahrzeugs integriert ist und durch die vom Antriebsaggregat bereitgestellte Leistung angetrieben wird, und weiter beispielsweise indem der zweite Kompressor in das Bordnetz des Fahrzeugs integriert ist und durch die vom Bordnetz bereitgestellte elektrische Leistung angetrieben wird, so dass bedarfsweise ein schnelles Zu- und Abschalten des zweiten Kompressors möglich ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird weiterhin ein Fahrzeug vorgeschlagen, das einen Antriebsstrang mit einem Antriebsaggregat zur Bereitstellung von mechanischer und elektrischer Leistung, welches durch Drehmomentübertragungsmittel mit den Rädern des Fahrzeugs verbunden ist, eine mit der bereitgestellten Leistung betreibbare Druckluftversorgungseinrichtung sowie mit der Druckluftversorgungseinrichtung verbundene Druckluftverbraucher umfasst, wobei die Druckluftversorgungseinrichtung eine Kompressoranordnung der oben beschriebenen Art aufweist. Das kompressible Medium ist in diesem Fall Luft, die aus der Umgebung angesaugt, verdichtet und den Druckluftverbrauchern des Fahrzeugs bereitgestellt wird.
Unter dem Antriebsstrang eines Fahrzeuges werden in der Kraftfahrzeugtechnik alle Komponenten verstanden, die im Fahrzeug zur Erzeugung und Übertragung des Drehmoments auf die Straße dienen, d.h. beispielsweise ein Verbrennungsmotor, eine Kupplung, ein Fahrzeuggetriebe, Gelenkwellen, Differentialgetriebe, die Antriebswellen oder Steckachsen sowie die Räder. Darüber hinaus weisen Fahrzeuge üblicherweise ein Bordnetz auf, das einen Generator, einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einen Akkumulator, sowie elektrische Verbraucher umfasst, die mittels Leitungen untereinander verbunden sind, wobei der Generator üblicherweise mechanisch in den Antriebsstrang eingebunden ist, d.h. von dem Verbrennungsmotor angetrieben ist.
Vorteilhaft ist dabei vorgesehen, dass der erste Kompressor mechanisch in den Antriebsstrang eingebunden ist und der zweite Kompressor elektrisch in das Bordnetz eingebunden ist, so dass der erste Kompressor direkt mit dem Drehmoment des Antriebsaggregats versorgt wird und der zweite Kompressor schnell und einfach zugeschaltet werden kann, wenn ein erhöhter Druckluftbedarf auftritt.
Es versteht sich jedoch von selbst, dass der zweite Kompressor nicht notwendigerweise elektrisch angetrieben sein muss, sondern ebensogut mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch angetrieben sein kann, solange der zweite Kompressor unabhängig vom ersten Kompressor betreibbar ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der zweite Kompressor mit einer im Vergleich zum ersten Kompressor deutlich höheren Drehzahl betreibbar ist.
Bei einer beispielhaften Motordrehzahl im Bereich zwischen 600 und 1700 U/min und einem beispielhaften Übersetzungsverhältnis zwischen Motor und erstem Kompressor (Hauptkompressor) von 1:1,4 würde der erste Kompressor bei einer Motordrehzahl von 1000 U/min. mit 1400 U/min. laufen. Dieser erste Kompressor ist geeignet, eine ausreichende Luftmenge für den mittleren Bedarf an Druckluft bereitzustellen, d.h. für den Bedarf des Fahrzeugs ohne nur ausnahmsweise auftretende Spitzenbedarfe.
Wenn der zweite Kompressor (Nebenkompressor) wie hier vorgeschlagen unabhängig vom ersten Kompressor (Hauptkompressor), insbesondere mit einer deutlich höheren Drehzahl betreibbar ist, so führt dies, wenn der zweite Kompressor vorschlagsgemäß in eine Zwischenkammer des ersten Kompressors hinein verdichtet, dazu, dass der Nebenkompressor einerseits relativ geringe Volumina verdichten muss und andererseits gegen einen relativ geringen Druck arbeiten muss. Beide Tatsachen führen dazu, dass der zweite Kompressor extrem klein und leicht sowie gegebenenfalls ohne Kühlung und ohne Schmierung ausgeführt werden kann.
Die Erfindung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass ein heute üblicher zweistufiger Kolbenverdichter eines Nutzfahrzeugs, der in den Antriebsstrang eingebunden ist, durch einen sehr kleinen, elektrisch angetriebenen, schnell (beispielsweise mit 6000 U/min.) laufenden, ungekühlten und ungeschmierten zweiten Kompressor ergänzt wird, der Luft komprimiert und in eine Zwischenkammer zwischen der ersten und zweiten Kompressorstufe des ersten Kompressors hinein fördert. Der zweite Kompressor kann dabei beispielsweise so ausgeführt sein wie die Kompressoren, die heute bei sogenannten Pannensets verwendet werden, die anstelle eines Ersatzrades mitgeführt werden. Derartige Kompressoren sind als Standardteil erhältlich, sehr preiswert und leicht. Sie sind unabhängig vom ersten Kompressor betreibbar, laufen mit sehr hohen Drehzahlen und können so einen zweistufigen ersten Kompressor, der für sich genommen nur mittlere Luftbedarfe abdecken kann, so ergänzen, dass die gesamte Druckluftversorgungseinrichtung bedarfsweise schlagartig auch Spitzenbedarfe abdeckt.
Die Druckluftversorgungseinrichtung kann weiterhin einen Druckluftbehälter zur Speicherung von Druckluft mit Enddruck aufweisen. In diesem Fall ist der Medienaustritt der stromabwärts letzten Kompressorstufe des ersten Kompressors pneumatisch mit dem Druckluftbehälter verbunden und befüllt diesen mit der erzeugten Druckluft. Aus dem Druckluftbehälter werden die Druckluftverbraucher mit Druckluft gespeist.
Weiter kann vorgesehen sein, dass der zweite Kompressor automatisch zugeschaltet wird, wenn der kumulierte Druckluftbedarf der Druckluftverbraucher einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet.
Diesem Aspekt der Erfindung liegt der Ansatz zu Grunde, dass in eine Zwischenkammer eines mindestens zweistufig arbeitenden ersten Kompressors, beispielsweise eines Hubkolbenkompressors, durch einen kleinen einstufig arbeitenden zweiten Kompressor oder Nebenkompressor zusätzliche Luft eingeblasen und damit die Förderleistung des Hauptkompressors zur Deckung eines Spitzenbedarfes erhöht wird.
Bei Nutzung der Erfindung können sowohl die spezifischen Investitionskosten als auch die spezifischen Betriebskosten gesenkt werden.
Der durchschnittliche Luftbedarf wird durch einen kleineren zweistufig arbeitenden Zweizylinderhauptkompressor abgedeckt. Der Spitzenbedarf wird durch Zuschaltung eines kleinen Nebenkompressors, der mit hoher Drehzahl arbeitet, abgedeckt. Die Einschaltdauer dieses Nebenkompressors ist nur ein geringer Bruchteil von der Einschaltdauer des Hauptkompressors.
Zusammenfassung:

1. Einschaltung des Nebenkompressors nur zur Abdeckung des Spitzenbedarfes.
2. Der Nebenkompressor muss, da er in die Zwischenkammer des Hauptkompressors fördert, nur ca. die Hälfte des Enddruckes der gesamten Anlage aufbringen. Die Druckerhöhung bis auf den Enddruck der Anlage übernimmt die 2. Stufe des Hauptkompressors.
3. Die Baugröße des Nebenkompressors kann sehr klein gehalten werden, da hinsichtlich Drehzahl andere Freiheitsgrade bestehen und die Förderleistung direkt proportional zur Drehzahl ist.
4. Der Nebenkompressor arbeitet energetisch deutlich effizienter (kleine Baugröße, geringe Gegendrücke).
5. Das Gesamtsystem der Kompressoranordnung, das aus erstem Kompressor (Hauptkompressor) und zweitem Kompressor (Nebenkompressor) besteht, kann mit standardisierten Baugruppen realisiert werden. Die Herstellkosten des Druckluftsystems, bestehend aus einem relativ kleinen Hauptkompressor und einem Nebenkompressor zur Abdeckung der Spitzenlast, der außerdem nur gegen einen niedrigeren Druck als den Systemdruck der Gesamtanlage arbeiten muss, sind deutlich geringer als ein spezieller großer Hauptkompressor, der überwiegend nur mit geringem Auslastungsgrad arbeitet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen

1 einen Kompressor mit querkraftfreiem und doppeltwirkendem Einfachkolben,
2 einen Kompressor mit querkraftfreiem Stufenkolben mit zwei Kompressorstufen, von denen eine Kompressorstufe doppeltwirkend ist,
3A bis 3C und 4 einen Kompressor mit einer Zylinderkopfbefestigung herkömmlicher Bauart,
5A bis 5C und 6 einen Kompressor mit vorschlagsgemäßer Zylinderkopfbefestigung.
7 den schematischen Aufbau der vorgeschlagenen Kompressoranordnung, und
8 eine konkrete Ausgestaltung der Kompressoranordnung gemäß 6.

1 zeigt schematisch den Aufbau eines einzylindrigen, einstufigen Kompressors mit einem querkraftfrei in der Zylinderbohrung 21 des Zylinderblocks 2 geführten Kolben 4. Die Hubbewegung des Kolbens 4 wird dabei durch ein in einem Antriebsgehäuse 1 angeordneten Hypozykloidgetriebe 11 erzeugt, das auf eine Schubstange 12 wirkt, an deren oberem Ende der Kolben 4 angeordnet ist.
Der Kolben 4 ist doppeltwirkend ausgeführt, d.h. es befinden sich ein erster Arbeitsraum 43 oberhalb des Kolbens 4 und ein zweiter Arbeitsraum 43 unterhalb des Kolbens 4. Jeder Arbeitsraum 43 wird von einem Medieneintritt 22 her durch ein Einlassventil 31 mit unkomprimierter Luft gespeist und gibt nach dem Arbeitstakt die komprimierte Luft durch ein Auslassventil 32 und einen Medienaustritt 23 ab. Der Kompressor erzeugt einen doppelt so großen Volumenstrom wie ein baugleicher Kompressor, bei dem der Kolben nur einfachwirkend ausgeführt ist.
Hiervon unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel gemäß 2 dadurch, dass es sich um einen einzylindrigen, zweistufigen Kompressor handelt. Wiederum erfolgt der Antrieb durch ein in einem Antriebsgehäuse 1 angeordnetes Hypozykloidgetriebe 11, das den Kolben 4 querkraftfrei in der Zylinderbohrung 21 des Zylinderblocks 2 führt.
Der Kolben 4 ist als Stufenkolben mit einer ersten Kompressorstufe 41 größeren Durchmessers und einer zweiten Kompressorstufe 42 geringeren Durchmessers ausgeführt. Ein erster Arbeitsraum 43 mit einem ersten Einlassventil 31 und einem ersten Auslassventil 32 befindet sich unterhalb der ersten Kompressorstufe 41 und ein zweiter Arbeitsraum 43 mit einem zweiten Einlassventil 31 und einem zweiten Auslassventil 32 befindet sich oberhalb der zweiten Kompressorstufe 42. Das Auslassventil 32 der ersten Kompressorstufe 41 ist mit dem Einlassventil 31 der zweiten Kompressorstufe 42 strömungsleitend verbunden, d.h. es handelt sich um einen zweistufigen Kompressor, bei dem die Luft nacheinander in zwei Stufen verdichtet wird. Die erste Kompressorstufe 41 ist außerdem doppeltwirkend ausgeführt, indem oberhalb der ersten Kompressorstufe 41 ein dritter Arbeitsraum 43 angeordnet ist, der strömungsleitend sowohl mit dem Medieneintritt 22, d.h. der Ansaugöffnung für unkomprimierte Luft, als auch mit dem Einlassventil 31 der ersten Kompressorstufe 41 verbunden ist.
Bewegt sich der Stufenkolben 4 aufwärts in Richtung des oberen Totpunkts, so fördert die erste Kompressorstufe 41 durch Verkleinerung des dritten Arbeitsraums 43 vorkomprimierte Luft zum ersten Einlassventil 31 und befüllt so den ersten Arbeitsraum 43, in dem die Luft anschließend bei einer Abwärtsbewegung des Stufenkolbens 4 in Richtung des unteren Totpunkts auf einen Zwischendruck verdichtet und durch das Auslassventil 32 der ersten Kompressorstufe 41 zum Einlassventil 31 der zweiten Kompressorstufe 42 befördert wird, während gleichzeitig der dritte Arbeitsraum 43 sich vergrößert und vom Medieneintritt 22 frische, unkomprimierte Luft ansaugt, die im nachfolgenden Aufwärtstakt wiederum vorverdichtet wird, während gleichzeitig im zweiten Arbeitsraum 43 die durch die erste Kompressorstufe 41 auf den Zwischendruck verdichtete Luft weiter bis auf den Enddruck verdichtet wird, wonach die komprimierte Luft durch den Medienaustritt 23 abgegeben wird.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis der Durchmesser der ersten Kompressorstufe 41 und der zweiten Kompressorstufe 42 ungefähr d₁:d₂= 2. Die Luft wird beispielsweise mit einem Druck von p_S1= 1 bar bei einer Temperatur ϑ_S1= 20 °C in den ersten Arbeitsraum 43 eingelassen und auf den Zwischendruck p_S2=5,5 bar verdichtet, wobei die Luft zwischen der ersten Kompressorstufe 41 und der zweiten Kompressorstufe 42 eine Temperatur von ϑ_S2= 100 °C erreicht. Im zweiten Arbeitsraum 43 wird die Luft schließlich auf den Enddruck p_D2= 11...16 bar verdichtet und schließlich durch den Medienaustritt 23 abgegeben.
Bei dem in 3A-C in drei Ansichten und in 4 in einer Längsschnittansicht des Zylinderblocks 2 und Zylinderkopfes 5 dargestellten Kompressor handelt es sich um einen Einzylinder-Kompressor, bei dem der Zylinderblock 2 einstückig mit dem Kurbelgehäuse 1 hergestellt ist. In der Gesamtansicht ist das Ende der zum Antrieb des Kompressors dienenden Kurbelwelle 11 erkennbar.
Der Zylinderkopf 5 ist mittels mehrerer Schrauben 53 durch den Zylinderkopf 5 hindurch mit dem Zylinderblock 2 verschraubt, wofür der Zylinderblock 2 Gewindebohrungen 24 aufweist, wie aus der Längsschnittansicht in 4 ersichtlich ist. Die Schrauben 53 sind auf einem Lochkreis angeordnet, der konzentrisch zur Zylinderbohrung 21 angeordnet ist und einen größeren Durchmesser als diese aufweist. Würde es sich um einen Kompressor mit zwei oder mehr Zylindern handeln, so könnten alle Zylinderbohrungen durch einen gemeinsamen Zylinderkopf verschlossen werden.
Aufgrund der an mehreren diskreten Punkten erfolgten Verschraubung von Zylinderkopf 5 und Zylinderblock 2 ist die Anpresskraft zwischen Zylinderkopf 5 und Zylinderblock 2 an den Verschraubungsstellen am größten und die Anpresskraft sinkt aufgrund der Elastizität der verschraubten Komponenten mit wachsendem Abstand von den Schrauben 53.
5A-C zeigen eine beispielhafte Ausgestaltung des vorgeschlagenen Kompressors in drei Ansichten und 6 zeigt eine Längsschnittansicht von Zylinderblock 2 und Zylinderkopf 5 dieses Kompressors, bei dem anstelle einer Mehrzahl diskreter, punktförmiger Verschraubungsstellen eine einzelne Verschraubung zwischen Zylinderkopf 5 und Zylinderblock 2 realisiert ist. Auch hier handelt es sich um einen Einzylinder-Kompressor, bei dem der Zylinderblock 2 einstückig mit dem Kurbelgehäuse 1 hergestellt ist, und das Ende der zum Antrieb des Kompressors dienenden Kurbelwelle 11 ist sichtbar.
Der Zylinderblock 2 weist an seinem oberen Ende ein Außengewinde 25 auf. Der Zylinderkopf 5 hat eine kreisrunde Außenkontur und die Unterseite bildet eine kreisringförmige Dichtfläche. Darüber befindet sich an der Außenseite des Zylinderkopfes 5 ein kreisringförmiger Sims 54. Dieser kreisringförmige Sims 54 wird von einer Überwurfmutter 6 mit einem nach innen ragenden Flansch 62 übergriffen, die ein Innengewinde 61 aufweist, das mit dem Außengewinde 25 des Zylinderblocks 2 verschraubt ist, d.h. der Zylinderkopf 5 ist mittels der Überwurfmutter 6 mit dem Außengewinde 25 des Zylinderblocks 2 verschraubt. Das Gewinde 25, 61 umschließt somit die Zylinderbohrung 21, und der Zylinderkopf 5 wird durch diese einzelne Verschraubung auf dem Zylinderblock 2 gehalten und verschließt die Zylinderbohrung 21 zur Bildung eines Arbeitsraums 43.
Durch diese einzelne, über den gesamten Umfang des Zylinderkopfes 5 gleichmäßig wirkende Verschraubung ist die Anpresskraft zwischen Zylinderkopf 5 und Zylinderblock 2 über den gesamten Zylinderquerschnitt entlang der Dichtflächen konstant.
Würde es sich um einen Kompressor mit zwei oder mehr Zylindern handeln, so müsste jede Zylinderbohrung durch einen eigenen Zylinderkopf verschlossen werden, d.h. jeder Zylinderbohrung ist ein eigener Zylinderkopf zugeordnet.
Die Überwurfmutter 6 weist an ihrer Außenseite Schlüsselflächen 63 zur Vereinfachung der Montage und Demontage auf.
7 zeigt den schematischen Aufbau der vorgeschlagenen Kompressoranordnung, und 8 eine konkrete Ausgestaltung der Kompressoranordnung gemäß 7. Ein erster Kompressor 7 weist zwei Kompressorstufen, nämlich eine erste Kompressorstufe 41 und eine zweite Kompressorstufe 42, auf. Vor (d.h. stromaufwärts) der ersten Kompressorstufe 41 befindet sich eine Saugkammer 74, in der der Anfangsdruck herrscht, und hinter (d.h. stromabwärts) der zweiten Kompressorstufe 42 befindet sich eine Druckkammer 75, in der der gewünschte Enddruck herrscht. Zwischen erster Kompressorstufe 41 und zweiter Kompressorstufe 42 ist eine Zwischenkammer 73 angeordnet, in der ein Zwischendruck herrscht.
Die erste Kompressorstufe 41 weist einen Medieneintritt 22 mit einem Einlassventil 31 und einem Auslassventil 32 auf und die zweite Kompressorstufe 42 weist ebenfalls ein Einlassventil 31, ein Auslassventil 32 und einen Medienaustritt 23 auf.
Das zu komprimierende Medium, genauer ein erster Teilvolumenstrom des zu komprimierenden Mediums, tritt durch den Medieneintritt 22 in die Saugkammer 74, von der Saugkammer 74 durch das Einlassventil 31 in die erste Kompressorstufe 41 des ersten Kompressors 7 ein, verlässt die erste Kompressorstufe 41 durch das Auslassventil 32 und gelangt dadurch in die Zwischenkammer 73.
Die Zwischenkammer 73, die zweite Kompressorstufe 42 und die Druckkammer 75 sind durch eine Kühleinrichtung 76 gekühlt.
Ein zweiter Kompressor 8, der unabhängig vom ersten Kompressor 7 betreibbar und bedarfsweise zu- und abschaltbar ist, ist ausgangsseitig mit der Zwischenkammer 73 des ersten Kompressors 7 verbunden und lädt damit die zweite Kompressorstufe 42 des ersten Kompressors 7 auf, so dass ein zweiter Teilvolumenstrom des zu komprimierenden Mediums in die Zwischenkammer 73 gelangt.
Der Gesamtvolumenstrom aus erstem Teilvolumenstrom und zweitem Teilvolumenstrom tritt durch das Einlassventil 31 in die zweite Kompressorstufe 42 des ersten Kompressors 7 ein, die eingangsseitig mit der Zwischenkammer 73 verbunden ist, wird dort komprimiert und tritt mit Enddruck durch das Auslassventil 32 der zweiten Kompressorstufe 42 in die Druckkammer 75 und danach aus dem Medienaustritt 23 aus.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsgehäuse, Kurbelgehäuse
11: Hypozykloidgetriebe, Kurbelwelle
12: Schubstange
2: Zylinderblock
21: Zylinderbohrung
22: Medieneintritt
23: Medienaustritt
24: Gewindebohrung
25: Außengewinde
31: Einlassventil
32: Auslassventil
4: Kolben
41: erste Kompressorstufe
42: zweite Kompressorstufe
43: Arbeitsraum
5: Zylinderkopf
53: Schraube
54: Sims
6: Überwurfmutter
61: Innengewinde
62: Flansch
63: Schlüsselfläche
7: erster Verdichter
71: erste Verdichterstufe
72: zweite Verdichterstufe
73: Zwischenkammer
74: Saugkammer
75: Druckkammer
76: Kühleinrichtung
8: zweiter Verdichter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018106450 [0004]
DE 202015007594 U1 [0005]
EP 2990646 A1 [0006]

Claims

Kompressor, umfassend einen Zylinderblock mit einer Ansaugöffnung für unkomprimierte Luft, einer Zylinderbohrung und einem in der Zylinderbohrung hin und her beweglichen Kolben, der in der Zylinderbohrung querkraftfrei geführt ist, sowie mit einer Auslassöffnung für komprimierte Luft.
Kompressor nach Anspruch 1, bei dem der Kolben durch ein Hypozykloidgetriebe oder durch einen Kurbeltrieb mit einem Kreuzkopf angetrieben ist.
Kompressor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mindestens ein Kolben doppeltwirkend ausgeführt ist.
Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem • die Zylinderbohrung eine Stufenbohrung mit zwei Zylinderstufen unterschiedlichen Durchmessers ist und • der Kolben ein Stufenkolben mit zwei Kompressorstufen unterschiedlichen Durchmessers (d1, d2) ist und • jede Kompressorstufe in einer Zylinderstufe geführt ist.
Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem • zwischen dem Zylinderblock und einer ersten Kompressorstufe größeren Durchmessers (d1) ein erster Arbeitsraum mit einem ersten Einlassventil und einem ersten Auslassventil gebildet ist, • zwischen dem Zylinderblock und einer zweiten Kompressorstufe kleineren Durchmessers (d2) ein zweiter Arbeitsraum mit einem zweiten Einlassventil und einem zweiten Auslassventil gebildet ist, und • das erste Auslassventil mit dem zweiten Einlassventil strömungsleitend verbunden ist.
Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zwischen den beiden Kompressorstufen ein ringförmiger, dritter Arbeitsraum gebildet ist, der strömungsleitend sowohl mit der Ansaugöffnung für unkomprimierte Luft als auch mit dem ersten Einlassventil verbunden ist.
Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Kolben oder/und der Zylinderblock aus Kunststoff gefertigt sind.
Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem die Zylinderbohrung verschließenden Zylinderkopf, wobei jeder Zylinderbohrung ein eigener Zylinderkopf zugeordnet ist und der Zylinderblock und der Zylinderkopf mittels einer einzelnen Verschraubung miteinander verbunden sind, die ein die Zylinderbohrung umschließendes Gewinde aufweist.
Kompressor nach Anspruch 8, bei dem der Zylinderblock ein Außengewinde aufweist.
Kompressor nach Anspruch 9, bei dem der Zylinderkopf ein Innengewinde aufweist und mittels dieses Innengewindes mit dem Außengewinde des Zylinderblocks verschraubt ist.
Kompressor nach Anspruch 10, bei dem der Zylinderkopf an seiner Außenseite Schlüsselflächen aufweist.
Kompressor nach Anspruch 9, bei dem der Zylinderkopf mittels einer ein Innengewinde aufweisenden Überwurfmutter mit dem Außengewinde des Zylinderblocks verschraubt ist.
Kompressor nach Anspruch 12, bei dem die Überwurfmutter an ihrer Außenseite Schlüsselflächen aufweist.
Kompressor nach Anspruch 8, bei dem der Zylinderblock in der Zylinderbohrung ein Innengewinde und der Zylinderkopf ein Außengewinde aufweist und der Zylinderkopf in die Zylinderbohrung eingeschraubt ist.
Kompressor nach Anspruch 14, bei dem der Zylinderkopf an seiner Außenseite Schlüsselflächen aufweist.
Kompressoranordnung zur Verdichtung eines Volumenstroms eines kompressiblen Mediums von einem Anfangsdruck auf einen zum Anfangsdruck höheren Enddruck, umfassend • einen mehrstufigen Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Verdichtung eines ersten Teilvolumenstroms des kompressiblen Mediums von dem Anfangsdruck auf den Enddruck mit mindestens einer stromaufwärts angeordneten ersten Kompressorstufe und mindestens einer stromabwärts angeordneten zweiten Kompressorstufe, • wobei jede Kompressorstufe einen Medieneintritt zum Ansaugen des Mediums und einen Medienaustritt zum Ausstoßen des Mediums aufweist, • wobei der Medienaustritt (112) einer ersten Kompressorstufe mit dem Medieneintritt der stromabwärts nächsten zweiten Kompressorstufe durch eine Zwischenkammer verbunden ist und sich in jeder Zwischenkammer jeweils ein Zwischendruck des ersten Teilvolumenstroms einstellt, und • ein zweiter Kompressor mit mindestens einer, einen Medieneintritt und einen Medienaustritt aufweisenden, Kompressorstufe zur Verdichtung eines zweiten Teilvolumenstroms des Mediums auf einen Zwischendruck des ersten Teilvolumenstroms vorgesehen ist, wobei mindestens ein Medienaustritt des zweiten Kompressors mit einer Zwischenkammer des ersten Kompressors verbunden ist.
Kompressoranordnung nach Anspruch 16, bei der der zweite Kompressor unabhängig vom ersten Kompressor betreibbar ist.
Kompressoranordnung nach Anspruch 16 oder 17, bei der der zweite Kompressor ungekühlt und ungeschmiert ist.
Kompressoranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei der der zweite Kompressor mit einer Drehzahl betreibbar ist, die mindestens doppelt so groß ist wie die Drehzahl des ersten Kompressors.
Kompressoranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei der der erste Kompressor mechanisch und der zweite Kompressor elektrisch angetrieben ist.
Fahrzeug mit Rädern, umfassend • einen Antriebsstrang mit einem Antriebsaggregat zur Bereitstellung von mechanischer und elektrischer Leistung, das durch Drehmomentübertragungsmittel mit den Rädern des Fahrzeugs verbunden ist, • eine mit der bereitgestellten Leistung betreibbare Druckluftversorgungseinrichtung sowie • mit der Druckluftversorgungseinrichtung verbundene Druckluftverbraucher, • wobei die Druckluftversorgungseinrichtung eine Kompressoranordnung gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19 aufweist.
Fahrzeug nach Anspruch 21, bei dem der erste Kompressor mechanisch in den Antriebsstrang eingebunden ist und der zweite Kompressor elektrisch in das Bordnetz eingebunden ist.
Fahrzeug nach Anspruch 21 oder 22, bei dem die Druckluftversorgungseinrichtung mindestens einen Druckluftbehälter zur Speicherung von Druckluft mit Enddruck aufweist und der Medienaustritt der stromabwärts letzten Kompressorstufe des ersten Kompressors pneumatisch mit dem mindestens einen Druckbehälter verbunden ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 21 bis 23, bei dem der zweite Kompressor automatisch zugeschaltet wird, wenn der kumulierte Druckluftbedarf der Druckluftverbraucher einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet.