DE102019104856A1 - Kolbenkompressor - Google Patents

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    • F04B5/02Machines or pumps with differential-surface pistons with double-acting pistons

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolbenkompressor (1) zur Versorgung eines Druckluftsystems mit Druckluft, aufweisend einen zylindrischen Kolben (2), welcher in einem mit einem Kurbelgehäuse (4) verbundenen Zylindergehäuse (3) axial zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt bewegbar angeordnet ist, eine in dem Kurbelgehäuse (4) drehbar gelagert angeordnete Kurbelwelle (16), welche mittels eines Pleuels (17) mit dem Kolben (2) verbunden ist und durch die der Kolben (2) zur Drucklufterzeugung antreibbar ist, weiter aufweisend zwei Verdichtungsräume (5, 6), welche als ein oberhalb des Kolbens (2) angeordneter Hauptverdichtungsraum (5) und ein unterhalb des Kolbens (2) angeordneter Vorverdichtungsraum (6) ausgebildet sind, sowie ein aerostatisches Lager (20), welches radial zwischen dem Kolben (2) und dem Zylindergehäuse (3) ausgebildet ist und zum Aufbauen sowie zur Aufrechterhaltung eines Luftpolsters für eine reibungsarme Bewegung des Kolbens (2) in dem Zylindergehäuse (3) durch Kompressionsbewegungen desselben über den Vorverdichtungsraum (6) mit Druckluft versorgbar ist, wobei die Druckluftversorgung des aerostatischen Lagers (20) selbstregulierend ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kolbenkompressor zur Versorgung eines Druckluftsystems mit Druckluft, aufweisend einen zylindrischen Kolben, welcher in einem mit einem Kurbelgehäuse verbundenen Zylindergehäuse axial zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt bewegbar angeordnet ist, eine in dem Kurbelgehäuse drehbar gelagert angeordnete Kurbelwelle, welche mittels eines Pleuels mit dem Kolben verbunden ist und durch die der Kolben zur Drucklufterzeugung antreibbar ist, weiter aufweisend zwei Verdichtungsräume, welche als ein oberhalb des Kolbens angeordneter Hauptverdichtungsraum und ein unterhalb des Kolbens angeordneter Vorverdichtungsraum ausgebildet sind, sowie ein aerostatisches Lager, welches radial zwischen dem Kolben und dem Zylindergehäuse ausgebildet ist und zum Aufbauen sowie zur Aufrechterhaltung eines Luftpolsters für eine reibungsarme Bewegung des Kolbens in dem Zylindergehäuse durch Kompressionsbewegungen desselben über den Vorverdichtungsraum mit Druckluft versorgbar ist. Dieser Kolbenkompressor kann auch mehrere Kolben und jeweils zugeordnete Zylindergehäuse aufweisen.
  • Kolbenkompressoren werden zunehmend als unabhängig angetriebene Aggregate mit intelligenter Steuerung benötigt, da konventionell über einen Antriebsstrang oder ein externes Antriebsaggregat angetriebene Kompressoren die benötigte Druckluft aufgrund eines effizienten Energiemanagements der Antriebsquelle, wie beispielsweise in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, häufig nur temporär oder in unzureichender Menge bereitstellen können. Ein eigenständiger Kolbenkompressor ist beispielsweise der von einem eigenen Elektromotor angetriebene, antriebsstrangunabhängige Kolbenkompressor WABCO e-comp™. Allerdings haben auch solche Kolbenkompressoren ebenso wie die meisten stationären Druckluftanlagen den Nachteil, dass die bewegten Komponenten, insbesondere der in einem Zylindergehäuse geführte Kolben, eine Ölschmierung benötigen, um die Reibung zwischen dem Kolben und dem Zylindergehäuse zu verringern. Durch die Ölschmierung wird die erzeugte Druckluft mehr oder weniger stark mit Ölpartikeln kontaminiert, welches häufig hohe Kosten für eine aufwendige Filterung sowie für regelmäßige Wartungsintervalle verursacht. Bei weniger guter Filterung kann die Umwelt durch mit Ölpartikeln versetzte Druckluft verunreinigt werden, sobald diese das Druckluftsystem verlassen hat.
  • Die DE 10 2014 013 442 A1 zeigt einen Kolbenkompressor, beispielsweise zur Versorgung eines Druckluftsystems eines Kraftfahrzeugs mit Druckluft, bei dem in einem Kurbelgehäuse eine Kurbelwelle drehbar gelagert ist. Die Kurbelwelle treibt über ein Pleuel einen zylindrischen Kolben an, welcher entlang einer zylindrischen Lauffläche eines mit dem Kurbelgehäuse verbundenen Zylindergehäuses axial bewegbar geführt ist. Die axiale Hin- und Her-Bewegung des Kolbens wird durch die mit dem Kolben mittels eines Pleuels gelenkig verbundene rotierende Kurbelwelle bewirkt. Oberhalb des Kolbens ist ein Verdichtungsraum ausgebildet, welcher von einem Zylinderkopf verschlossen ist. Zum Verdichten von Luft wird diese bei einem Ansaughub über einen Ansaugkanal des Zylinderkopfes in den Verdichtungsraum angesaugt. Zum Auslassen von verdichteter Luft wird diese bei einem Verdichtungshub über einen Auslasskanal des Zylinderkopfes ausgeschoben. Die Ein- und Auslasskanäle öffnen und schließen dabei über ein Ansaugventil und ein Druckventil. Unterhalb des Kolbens ist ein mit Öl zumindest teilweise gefüllter wannenförmiger Raum ausgebildet, aus dem während des Betriebs des Kolbenkompressors aufspritzendes Öl an die innere Lauffläche des Zylindergehäuses gelangt und dabei die Kolbenoberfläche sowie einen zum Abstreifen von Öl mit dem Kolben verbundenen Kolbenring schmiert. Nachteilig daran ist, dass Ölpartikel über den Kolben beziehungsweise über den Kolbenring in die ausgeschobene Druckluft gelangen und diese kontaminieren können. Weiterhin nachteilig ist, dass der Kolben lediglich in einer axialen Bewegungsrichtung Kompressionsarbeit leistet, wodurch die Effizienz des Kolbenkompressors nicht optimal ist.
  • Aus der Kältemaschinentechnik für Klimaanlagen und für Haushaltsgeräte sind mit vergleichsweise geringem Druck und geringen Volumina arbeitende ölfreie Kolbenkompressoren zur Verdichtung eines Kältemittels in einem Kühlkreislauf bekannt, bei denen ein Kolben reibungsarm mittels eines aerostatischen Lagers geführt ist. Bei einem aerostatischen Lager, welches auch als Luftlager bezeichnet wird, wird in einen Spalt zwischen der Lauffläche des Zylindergehäuses und der Kolbenoberfläche Luft eingeblasen. Der dadurch entstehende Staudruck verhindert bei der Relativbewegung der beiden Lagerkörper deren unmittelbare Berührung. Um den Staudruck beziehungsweise das durch diesen Staudruck aufgebaute Luftpolster aufrechtzuerhalten, muss bei einem aerostatischen Lager fortwährend Arbeit zum Zuführen von Lagerluft geleistet werden. Die nötige Druckluft für das aerostatische Lager kann von dem Kolbenkompressor selbst erzeugt werden. Beispielhaft für Kolbenkompressoren mit einem derartigen aerostatischen Lager seien die US 2014 311 337 A1 und die US 2014 318 365 A1 genannt. Diese Kolbenkompressoren werden allerdings jeweils mittels eines Linearmotors angetrieben, der eher für geringere Förderleistungen geeignet ist. Über Einzelheiten zum Antrieb des Kolbens geben die beiden genannten Druckschriften keine Auskunft.
  • Vor diesem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenkompressor vorzustellen, der kontaminationsfreie, insbesondere ölfreie Druckluft erzeugt und dabei effizient sowie reibungsarm arbeitet. Dieser Kolbenkompressor soll weitgehend wartungsfrei und zudem kostengünstig in der Herstellung sein. Insbesondere soll ein solcher Kolbenkompressor als ein eigenständiges, kompaktbauendes Druckluftaggregat mindestens für Drücke und Förderleistungen geeignet sein, wie sie in Druckluftanlagen von Fahrzeugen benötigt werden.
  • Die gestellte Aufgabe wird durch einen Kolbenkompressor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Der Erfindung lag die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Kombination der Vorteile einer reibungsarmen und ölfreien aerostatischen Lagerung des Kolbens sowie die Vorteile eines für hohe Drücke und Förderleistungen geeigneten direkten Antriebs des Kolbens durch eine Kurbelwelle über ein Pleuel ein verbesserter Kolbenkompressor zur Verfügung gestellt werden kann. Die aerostatische Lagerung des Kolbens in dem Zylindergehäuse und der Verzicht auf einen Ölkreislauf mit Ölpumpe und Ölsumpf innerhalb des Kurbelgehäuses erlauben die Nutzung des Kurbelgehäuses zusätzlich zum Zylindergehäuse zur Drucklufterzeugung, wobei durch die Kolbenhübe gleichzeitig mit der Drucklufterzeugung auch das aerostatische Lager mit Druckluft versorgt werden kann. Dabei ermöglichen ventilgeregelte Ein- und Auslässe des Kolbenkompressors sowie pneumatische Verbindungen innerhalb des Kolbenkompressors sowohl eine Regelung der Drucklufterzeugung als auch eine Selbstregulierung des Druckes für das aerostatische Lager.
  • Die Erfindung betrifft demnach einen Kolbenkompressor zur Versorgung eines Druckluftsystems mit Druckluft, aufweisend einen zylindrischen Kolben, welcher in einem mit einem Kurbelgehäuse verbundenen Zylindergehäuse axial zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt bewegbar angeordnet ist, eine in dem Kurbelgehäuse drehbar gelagert angeordnete Kurbelwelle, welche mittels eines Pleuels mit dem Kolben verbunden ist und durch die der Kolben zur Drucklufterzeugung antreibbar ist, weiter aufweisend zwei Verdichtungsräume, welche als ein oberhalb des Kolbens angeordneter Hauptverdichtungsraum und ein unterhalb des Kolbens angeordneter Vorverdichtungsraum ausgebildet sind, sowie ein aerostatisches Lager, welches radial zwischen dem Kolben und dem Zylindergehäuse ausgebildet ist und zum Aufbauen sowie zur Aufrechterhaltung eines Luftpolsters für eine reibungsarme Bewegung des Kolbens in dem Zylindergehäuse durch Kompressionsbewegungen desselben über den Vorverdichtungsraum mit Druckluft versorgbar ist.
  • Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Druckluftversorgung des aerostatischen Lagers selbstregulierend ausgebildet ist.
  • Bei einem Kompressionszyklus des Kolbenkompressors wird während einer Abwärtsbewegung des Kolbens Luft in den Hauptverdichtungsraum angesaugt und gleichzeitig zuvor in den Vorverdichtungsraum angesaugte Luft in einer ersten Verdichtungsstufe vorverdichtet. Anschließend wird über einen an den Vorverdichtungsraum angeschlossenen Überlaufkanal zunächst das aerostatische Lager und bei einer weiteren Abwärtsbewegung des Kolbens kurz vor Erreichen oder bei Erreichen des unteren Totpunktes der Hauptverdichtungsraum mit der im Vorverdichtungsraum vorverdichteten Luft versorgt. Bei einer folgenden Aufwärtsbewegung des Kolbens wird die zuvor im Hauptverdichtungsraum angesaugte Luft sowie die über den Vorverdichtungsraum zusätzlich in den Hauptverdichtungsraum eingeströmte vorverdichtete Luft in einer zweiten Verdichtungsstufe verdichtet, wobei der Überlaufkanal dann abgesperrt ist. Bei der weiteren Aufwärtsbewegung des Kolbens wird bei Erreichen des oberen Totpunktes die verdichtete Luft schließlich an einem Ausgang des Hauptverdichtungsraumes einem Verbraucher zur Verfügung gestellt.
  • Unter einer Abwärtsbewegung des Kolbens wird eine den Hauptverdichtungsraum vergrößernde Bewegung des Kolbens verstanden, wobei die Kurbelwelle über das Pleuel eine Zugkraft auf den Kolben ausübt. Unter einer Aufwärtsbewegung des Kolbens wird eine den Hauptverdichtungsraum verkleinernde Bewegung des Kolbens verstanden, wobei die Kurbelwelle über das Pleuel eine Schubkraft auf den Kolben ausübt. In gleichem Sinne können Auf- und Abwärtsbewegungen durch die Begriffe Hin- und Her-Bewegungen ersetzt werden. Dementsprechend können die auf den Kolben bezogenen Begriffe „oben“ und „unten“ beziehungsweise „oberhalb“ und „unterhalb“ durch „links und „rechts“ ersetzt werden.
  • Demnach wird ein trockenlaufender Kolbenkompressor vorgeschlagen, bei dem ein luftgelagerter Kolben mit einem Kurbelwellenantrieb kombiniert wird. Durch diesen Aufbau kann der Kolbenkompressor ölfreie Druckluft bei Drücken und Förderleistungen wie sie für Druckluftsysteme in Kraftfahrzeugen, beispielsweise in Bussen und Lastkraftwagen, benötigt werden, bereitstellen.
  • In dem Kurbelgehäuse unterhalb des Kolbens befindet sich die Kurbelwelle. Die Lagerung der Kurbelwelle und das Pleuellager können zweckmäßigerweise eine nach außen abgedichtete Dauerschmierung aufweisen. Dadurch ist der Freiraum unterhalb des Kolbens vollständig schmiermittelfrei. Abgesehen von dem sogenannten Schadraum kann somit das Raumvolumen unterhalb des Kolbens zusätzlich zur Luftverdichtung genutzt werden. Diejenige Luft, welche im Vorverdichtungsraum bei der Abwärtsbewegung des Kolbens, also wenn das Pleuel den Kolben in Richtung des Vorverdichtungsraums zieht, verdichtet wird, versorgt zunächst das aerostatische Lager, um ein den Kolben umgebendes Luftpolster aufzubauen. Das Luftpolster wird während der ersten Takte des Kolbens aufgebaut und anschließend durch fortwährende Druckluftzufuhr in das aerostatische Lager sowie Druckluftabfuhr aus dem aerostatischen Lager heraus aufrechterhalten. Die Zufuhr vorverdichteter Luft aus dem Vorverdichtungsraum hin zu dem aerostatischen Lager ist über einen Verbindungskanal mit einem Rückschlagventil geregelt, welches bei Erreichen eines höheren Druckes als in der hohlzylindrischen Druckkammer des aerostatischen Lagers öffnet und sonst die Verbindung absperrt.
  • Die überschüssige und nicht zum Aufbau des Luftpolsters benötigte vorverdichtete Luft kann vorteilhaft für einen erhöhten Anfangsdruck in dem Hauptverdichtungsraum oberhalb des Kolbens genutzt werden. Zu diesem Zweck ist der Vorverdichtungsraum über einen Überlaufkanal mit dem Hauptverdichtungsraum verbunden, wobei die Verbindung abhängig von der momentanen Stellung des Kolbens von diesem freigegeben oder gesperrt ist. Durch das Überströmen der nicht für das aerostatische Lager genutzten vorverdichteten Luft wird der Anfangsdruck im Hauptverdichtungsraum erhöht, also ebenfalls vorverdichtet. Gleichzeitig wird der maximale Druck im Vorverdichtungsraum begrenzt. Die Begrenzung des Vorverdichtungsdruckes wirkt auf das aerostatische Lager selbstregulierend und bedarf für dieses keiner weiteren Regelung. Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens, also wenn das Pleuel den Kolben in Richtung zum Hauptverdichtungsraum schiebt, wird der aufgrund des übergeströmten Vorverdichtungsdruckes schon leicht erhöhte Druck im Hauptverdichtungsraum weiter bis zum Erreichen des oberen Totpunkts des Kolbens erhöht, an dem die verdichtete Luft über ein Ventil in eine Versorgungsleitung für Verbraucher ausgeschoben wird.
  • Der Kolbenkompressor arbeitet bei dieser Anordnung besonders effizient, weil der Kolben in beiden Hubrichtungen Luft ansaugt und Luft verdichtet. Durch die aerostatische Lagerung ist die Hubbewegung des Kolbens nahezu reibungsfrei. Da der Kolben ölfrei gelagert ist, ist die erzeugte Druckluft ölfrei. Es entstehen daher kein Schmiermittelverbrauch, keine Umweltbelastung und keine Folgekosten durch Wartungsintervalle. Zugleich wird das aerostatische Lager selbstregulierend während der Hubbewegungen des Kolbens stabilisiert. Der direkte Kurbelwellenantrieb ermöglicht hohe Drücke und große Fördermengen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das aerostatische Lager eine zylindrische Laufbuchse aufweist, deren Mantel zumindest in Teilbereichen luftdurchlässig ausgebildet ist. Die Laufbuchse ist zwischen einer radial inneren Mantelfläche des Zylindergehäuses und der radial äußeren Mantelfläche des zylindrischen Kolbens angeordnet sowie mit dem Zylindergehäuse verbunden ist, sodass zwischen einer radial inneren Mantelfläche der Laufbuchse und der radial äußeren Mantelfläche des Kolbens ein Luftspalt zum Aufbauen und Aufrechterhalten eines Luftpolsters zwischen der radial inneren Mantelfläche des Zylindergehäuses und der radial äußeren Mantelfläche des Kolbens verbleibt.
  • Durch die Laufbuchse werden der Aufbau eines Staudrucks und die Aufrechterhaltung eines stabilen Luftpolsters des aerostatischen Lagers in dem Bereich der Laufbuchse, welcher vom Kolben bei seiner Axialbewegung immer vollständig überdeckt wird, vorteilhaft unterstützt. Demnach kann die Laufbuchse an ihrer Oberfläche Mikrostrukturen sowie den Mantel der Laufbuchse radial durchdringende Öffnungen und Mikrodüsen aufweisen, durch die Luft hindurchtreten kann, so dass sich das Luftpolster an der Kolbenoberfläche ausbilden kann. Derjenige Teil der Laufbuchse, welcher vom Kolben bei seiner Axialbewegung immer vollständig überdeckt wird, kann alternativ aus einem porösen Material bestehen, welches ebenfalls einen radialen Luftdurchtritt durch die Laufbuchse ermöglicht. Die Laufbuchse ist somit zumindest in Teilbereichen luftdurchlässig ausgebildet.
  • Zur Durchleitung von überschüssiger vorkomprimierter Druckluft aus dem Vorverdichtungsraum hin zu dem Hauptverdichtungsraum kann die Laufbuchse zusätzlich größere Überlauföffnungen aufweisen, welche axial oberhalb und/oder axial unterhalb ihres porösen und/oder Mikrodüsen und Öffnungen aufweisenden Abschnitts ausgebildet sind. Diese Überlauföffnungen sind mit wenigstens einem gehäuseseitigen Überlaufkanal strömungstechnisch verbunden, sodass die für die Ausbildung und Aufrechterhaltung des Luftpolsters nicht benötigte vorkomprimierte Druckluft von dem Vorverdichtungsraum über den Überlaufkanal und die Überlauföffnungen in den Hauptverdichtungsraum gelangen kann. Hierdurch ist das aerostatische Lager nach der Ausbildung des gewünschten Luftpolsters hinsichtlich eines Druckluftüberschusses vom Verdichtungsraum und vom Hauptverdichtungsraum entkoppelt.
  • Die Laufbuchse erstreckt sich innerhalb des Zylindergehäuses in axialer Richtung vorzugsweise über einen größeren, etwa mittleren Teil des Zylinderraumes. Die Laufbuchse ist dabei derart angeordnet, dass die Außenmantelfläche des Kolbens bei seiner Axialbewegung immer von der Laufbuchse radial überdeckt ist.
  • Das aerostatische Lager wird über Zuführkanäle im Zylindergehäuse beziehungsweise im Kurbelgehäuse von der radialen Außenseite der Laufbuchse her mit der im Vorverdichtungsraum zu verdichteten Luft versorgt. Außerdem sind gegenüber der radialen Außenseite der Laufbuchse im Zylindergehäuse beziehungsweise im Kurbelgehäuse Abführkanäle vorgesehen, die zur Entlüftung des aerostatischen Lagers dienen. Dadurch wird der Staudruck des Luftpolsters im Betrieb des Kolbenkompressors stabilisiert.
  • Damit sich ein stabiles, quasi statisches Luftpolster ausbildet, wird ein ständiger Druck von mehreren 105 Pa benötigt. Um den Druckverlust des aerostatischen Lagers möglichst gering zu halten, ist daher der Luftspalt beziehungsweise die Breite des Luftpolsters des aerostatischen Lagers möglichst klein ausgebildet, idealerweise im Bereich wenigen µm Spaltbreite. Dadurch kann eine einwandfreie Funktion des aerostatischen Lagers gewährleistet werden.
  • Der Kolben kann teilweise in das mit dem Zylindergehäuse verbundene, beispielsweise einstückig ausgebildete, Kurbelgehäuse hineinragen. Dadurch kann der Kolben im Vergleich zu konventionellen über Kurbelwellen angetriebenen Kolbenkompressoren axial verlängert ausgebildet sein. Die Länge der Laufbuchse kann dem verlängerten Kolben angepasst sein. Dadurch ergibt sich eine zusätzliche Vergrößerung der wirksamen Oberfläche des aerostatischen Lagers. Durch die relativ große axiale Länge der Laufbuchse in Kombination mit einer geringen Breite des Luftspaltes wird eine ausreichende Begrenzung des Druckverlustes der Verdichtungsräume ohne zusätzliche Dichtungsmittel oder weitere Maßnahmen erreicht. Bei der Verdichtung in den beiden Verdichtungsräumen sowie des dadurch entstehenden Druckanstiegs wird gleichzeitig durch die Bewegung des Kolbens die axiale Länge des Luftspalts größer, welches zur weiteren Entkopplung der Verdichtungsräume zu dem aerostatischen Lager führt. Auf zusätzliche reibungsbehaftete mechanische Dichtungen, wie beispielsweise Kolbenringe, kann daher vollständig verzichtet werden, was sich kostensparend auswirkt und zudem eine völlig berührungslose Bewegung des Kolbens im Zylindergehäuse ermöglicht.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kolben Ausnehmungen aufweist, derart, dass sich im Axialschnitt des Kolbens ein H-Profil oder ein zu einem H-Profil ähnliches Profil ergibt.
  • Ausnehmungen im Kolben können vorteilhaft dessen Gewicht reduzieren. Das Zylindergehäuse und/oder ein das Zylindergehäuse abdeckender Zylinderkopf sowie das mit dem Zylindergehäuse verbundene Kurbelgehäuse oder ein dieses abdeckender, dem ersten Zylinderkopf diametral gegenüberliegender zweiter Zylinderkopf, können an die H-Form des Kolbens angepasste, im Axialschnitt U-förmige Vorsprünge aufweisen, welche teilweise in das H-Kolbenprofil hineinragen. Die Ein- und Auslassventile des Hauptverdichtungsraums und des Vorverdichtungsraums können entsprechend der H-Form des Kolbens in das Innere des Zylindergehäuses verlegt sein. Dadurch ergibt sich eine besonders kompakte und gewichtsparende Bauform des Kolbenkom pressors.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kolben und/oder die Laufbuchse aus Keramik hergestellt sind. Damit die Breite des Luftspalts zwischen der Laufbuchse und dem Kolben über einen praxisnahen großen Temperaturbereich möglichst konstant bleibt, können auch der Kolben und die Laufbuchse aus Keramik hergestellt sein, beispielsweise aus einer technischen Keramik, etwa basierend auf Aluminiumoxid. Technische Keramik weist einen niedrigen Temperaturausdehnungskoeffizient auf. Somit ist die Luftspaltbreite des aerostatischen Lagers nahezu temperaturunabhängig. Zudem kann durch Bauteile aus Keramik das Gewicht des Kolbenkompressors vorteilhaft weiter verringert sein.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kolbenkompressor eine Antriebsmaschine für einen direkten Antrieb der Kurbelwelle aufweist. Demnach kann der trockenlaufende Kolbenkompressor vorteilhaft mit einem eigenen Antrieb, beispielsweise mit einem bürstenlosen Gleichstrom-Außenläufermotor versehen werden, dessen Rotor direkt mit der Kurbelwelle verbunden ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Kolbenkompressor eine integrierte elektronische Steuerung aufweist. Demnach kann die elektronische Regelung des Antriebsmotors des trockenlaufenden Kolbenkompressors durch eine integrierte Elektronik erfolgen. Der Kolbenkompressor ist somit mit relativ geringem Aufwand in eine jeweilige Anwendung implementierbar. Es wird lediglich ein Stromanschluss benötigt, ohne weitere Steuerungsmittel. Möglich ist ein Anschluss an ein Datenbussystem, über das der Kompressor ein- und ausgeschaltet sowie Betriebsparameter, wie beispielsweise die Drehzahl, vorgegeben werden können. Die elektronische Steuerung kann mit einem sensorgestützten Überlastschutz verbunden sein, der bei Überschreiten von vorgegebenen erlaubten Temperatur-, Druck- und/oder Betriebsdauergrenzwerten eine zumindest temporäre Abschaltung des Kolbenkompressors auslöst, um eine Beschädigung des Kolbenkompressors zu vermeiden.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kolbenkompressor eine Kühlungseinrichtung aufweist. Durch Anordnen von Kühlrippen außen an Zylinder- und Kurbelgehäuse ist eine effektive Abstrahlung der durch den Kompressionsprozess erzeugten Wärme erreichbar, so dass zumindest bei vielen Anwendungen auf einen internen oder externen Öl- oder Wasserkreislauf zur Kühlung des Kolbenkompressors verzichtet werden kann. Insbesondere kann ein den Hauptverdichtungsraum verschließender Zylinderkopf ein oder mehrere Wärmerohre, ein sogenanntes Heatpipes aufweisen, über die entstehende Wärme in das Zylinder- und Kurbelwellengehäuse, welche als Wärmesenken wirksam sind, abgeleitet werden kann. Zudem kann auf dem Kolbenkompressor, falls erforderlich, zusätzlich ein Ventilator angeordnet sein, der durch eine gezielte Anströmung mit Umgebungsluft die Kühlleistung der Kühlrippen durch Konvektion erhöht. Außerdem kann in den Ventilator ein Gegengewicht zum Ausgleich der durch die Kolbenbewegung erzeugten Gewichtsverlagerungen integriert sein, um Schwingungen und Geräuschbildung im Kompressorbetrieb zu mindern.
  • Durch die vorgenannten Maßnahmen ist der Kolbenkompressor als ein leistungsstarkes, antriebsstrangunabhängiges Druckluftaggregat einsetzbar. Besonders vorteilhaft wird der Einsatz des erfindungsgemäßen Kolbenkompressors für Nutzfahrzeuge und Busse mit Hybrid- oder Elektroanriebe sein. Selbstverständlich kann der Kolbenkompressor auch ohne eigenen Antrieb, beispielsweise in einem konventionellen Antriebsstrang vorteilhaft zum Einsatz kommen. Die Erfindung ist auch nicht auf den Fahrzeugbereich beschränkt, sondern kann bei nahezu beliebigen anderen Anwendungen, bei denen ölfreie Druckluft in relativ großen Mengen gefragt ist, vorteilhaft eingesetzt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Kolbenkompressors kann schließlich vorgesehen sein, dass der in der hohlzylindrischen Druckkammer des aerostatischen Lagers aufrechterhaltene und regulierte Druck über einen Auslass einer externen Anwendung zur Verfügung gestellt wird. Demnach ist es möglich, den stabilisierten Druck des aerostatischen Lagers zusätzlich nach außerhalb des Zylindergehäuses beziehungsweise des Kurbelgehäuses zu leiten, um dort beispielsweise ein Gaskissen aufzubauen, auf dem der gesamte Kolbenkompressor schwingungsisoliert gelagert werden kann. Außerdem kann der stabilisierte Druck des aerostatischen Lagers zusätzlich als Vorsteuerdruck zur Ansteuerung von Ventileinrichtungen verwendet werden. Das aerostatische Lager des Kolbenkompressors erhält damit vorteilhaft eine Zweitfunktion und eine Drittfunktion.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
    • 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Kolbenkompressor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
    • 2 eine perspektivische Ansicht einer Laufbuchse des Kolbenkompressors gemäß 1, und
    • 3 eine schematische Längsschnittdarstellung eines Kolbenkompressors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
  • Einige Bauelemente in den Figuren stimmen überein, sodass sie mit denselben Bezugsziffern versehen sind.
  • Demnach weist der in 1 dargestellte Kolbenkompressor 1, bei dem es sich beispielsweise um einen Druckluftkompressor für eine Bremsanlage eines Nutzfahrzeugs handeln kann, einen Kolben 2 auf, der in einem Zylindergehäuse 3 axial beweglich angeordnet ist. Das Zylindergehäuse 3 ist vorliegend mit einem Kurbelgehäuse 4 verbunden.
  • Oberhalb einer Kolbenoberseite 2a des Kolbens 2 ist im Zylindergehäuse 3 ein Hauptverdichtungsraum 5 ausgebildet, der von einem nicht explizit dargestellten oberen ersten Zylinderkopf 7 nach oben hin abgeschlossen ist. Der erste Zylinderkopf 7 weist einen ersten Ansaugkanal 8 zum Ansaugen von Umgebungsluft in den Hauptverdichtungsraum 5 auf, wobei der erste Ansaugkanal 8 mittels eines als Rückschlagventil ausgebildeten ersten Einlassventils 9 bei einem bestimmten Unterdruck im Hauptverdichtungsraum 5 freigegeben und ansonsten gesperrt ist. Der erste Zylinderkopf 7 weist außerdem einen Auslasskanal 10 zum Ausschieben von verdichteter Druckluft auf, der mittels eines als Rückschlagventil ausgebildeten Auslassventils 11 bei einem bestimmten Überdruck im Hauptverdichtungsraum 5 freigegeben und ansonsten abgesperrt ist.
  • Unterhalb einer Kolbenunterseite 2b des Kolbens 2 ist ein dem Kurbelgehäuse 4 zugehöriger Vorverdichtungsraum 6 ausgebildet, der von einem nicht explizit dargestellten unteren zweiten Zylinderkopf 12 nach unten hin abgeschlossen ist. Der zweite Zylinderkopf 12 weist einen zweiten Ansaugkanal 13 zum Ansaugen von Umgebungsluft in den Vorverdichtungsraum 6 auf. Der zweite Ansaugkanal 13 ist mittels eines als Rückschlagventil ausgebildeten zweiten Einlassventils 14 bei einem bestimmten Unterdruck im Vorverdichtungsraum 6 freigegeben und ansonsten gesperrt. Die beiden Ansaugkanäle 8, 13 sind in dem Zylindergehäuse 3 vorzugsweise mit einem nicht dargestellten gemeinsamen Ansaugkanal verbunden, der über einen im oder am Zylindergehäuse 3 integrierten Luftfilter mit der Außenumgebung des Kolbenkompressors 1 verbunden ist.
  • Die Kolbenunterseite 2b weist außerdem eine in 1 nur vereinfacht dargestellte Ausnehmung 15 auf, die mit einem nicht dargestellten radialen Durchbruch im Kurbelgehäuse 4 beziehungsweise im zweiten Zylinderkopf 12 fluchtet. Darin ist die Kurbelwelle 16 platzsparend drehbar gelagert aufgenommen. Die Kurbelwelle 16 ist antriebsseitig mit einer nicht dargestellten Antriebsmaschine, beispielsweise mit einem Elektromotor verbunden. Abtriebsseitig ist die Kurbelwelle 16 mittels eines Pleuels 17 und eines Kolbenbolzens 18 mit dem Kolben 2 gelenkig verbunden. Im Betrieb des Kolbenkompressors 1 wird durch die rotierende Kurbelwelle 16 eine axiale Auf- und Abbewegung beziehungsweise Hin- und Her-Bewegung des Kolbens 2 bewirkt.
  • Der Kolbenkompressor 1 weist ein aerostatisches Lager 20, im Folgenden kurz Luftlager 20 genannt, auf. Das Luftlager 20 dient zur trockenen, also ölfreien und reibungsarmen Führung des Kolbens 2 in dem Zylindergehäuse 3. Dazu ist das Luftlager 20 mit einer in 2 hinsichtlich ihres Aufbaus deutlicher erkennbaren Laufbuchse 21 versehen. Der zylindrische Mantel 22 der Laufbuchse 21 ist mikrostrukturiert ausgebildet oder mikrostrukturiert bearbeitet. Im vorliegenden Beispiel weist die äußere Mantelfläche 23 der Laufbuchse 21 eine Vielzahl von in Längsrichtung parallel zueinander verlaufenden Kanälen 24, 25 auf, von denen einige als Zuführkanäle 25 dienen, welche jeweils mit einer Vielzahl von den Mantel 22 radial durchdringenden Mikrodüsen 25a versehen sind. Durch diese Zuführkanäle 25 beziehungsweise deren Mikrodüsen 25a gelangt vorverdichtete Luft vom Vorverdichtungsraum 6 über noch zu erläuternde Kanäle 37, 35 zur Ausbildung eines Luftpolsters des Luftlagers 20 nach radial innen hin zur radialen Außenseite des Kolbens 2.
  • Zwischen jeweils zwei dieser Zuführkanäle 25 ist ein Entlüftungskanal 24 im Mantel 22 der Laufbuchse 21 ausgebildet. Diese Entlüftungskanäle 24 weisen jeweils Öffnungen 24a auf, welche den Mantel der Laufbuchse 21 ebenfalls radial durchdringen. Durch diese Öffnungen 24a kann überschüssige Druckluft aus dem Bereich des Luftpolsters des Luftlagers 20 zurück nach radial außen gelangen, um von dort über die Entlüftungskanäle 24 in der Laufbuchse 21, einen gehäuseseitigen Luftlagerauslass 38 und einen gehäuseseitigen Luftlagerauslasskanal 39 abgeführt zu werden. Mittels der Zuführkanäle 25 und deren Mikrodüsen 25a sowie mittels der Entlüftungskanäle 24 und deren Öffnungen 24a wird eine radial selbststabilisierende Wirkung des Luftlagers 20 erreicht.
  • Die erwähnten Öffnungen 24a und Mikrodüsen 25a sind in diesem Ausführungsbeispiel an der inneren Mantelfläche 26 der Laufbuchse 21 mit einer Vielzahl von Mikroeinkerbungen 27 strömungstechnisch verbunden, welche beispielswiese ein Zickzackmuster, Pfeilspitzenmuster oder Fischgrätenmuster aufweisen können. Durch die derart verteilt angeordneten Mikroeinkerbungen 27 beziehungsweise Austrittsöffnungen an der inneren Mantelfläche 26 der Laufbuchse 21 kann sich dort ein einziges homogenes Luftpolster oder mehrere Luftpolster für den Kolben 2 ausbilden.
  • Wie die 1 und 2 außerdem verdeutlichen, weist die Laufbuchse 21 axial nahe zum Hauptverdichtungsraum 5 zwei Überlauföffnungen 19a, 19b auf. Deutlich erkennbar sind diese Überlauföffnungen 19a, 19b jeweils in einem solchen axialen Bereich der Laufbuchse 21 ausgebildet, welcher weder luftdurchlässig porös ist, noch Zuführkanäle 25 oder Entlüftungskanäle 24 aufweist. Über diese jeweils einen vergleichsweise großen Öffnungsquerschnitt aufweisenden Überlauföffnungen 19a, 19b kann vorverdichtete Luft vom Vorverdichtungsraum 6 kommend direkt in den Hauptverdichtungsraum 5 einströmen. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn der Kolben 2 soweit in Richtung zum unteren Totpunkt der Kolbenbewegung bewegt ist, dass dieser die in den Hauptverdichtungsraum 5 mündenden Überlauföffnungen 19a, 19b freigibt. Außerdem muss der Druck der im Vorverdichtungsraum 6 komprimierten Luft derart hoch sein, damit ein in dem Überlaufkanal 37 angeordnetes Rückschlagventil 44 in Richtung zum Hauptverdichtungsraum 5 öffnet.
  • In 1 ist zu erkennen, dass die Laufbuchse 21 radial zwischen einer inneren Mantelfläche 28 des Zylindergehäuses 3 und der äußeren Mantelfläche 29 des zylindrischen Kolbens 2 angeordnet ist. Die Laufbuchse 21 ist vorliegend in einer zylindrischen Ausnehmung 30 des Zylindergehäuses 3 eingefügt und darin fixiert. Zwischen der radial inneren Mantelfläche 31 der Laufbuchse 21 und der radial äußeren Mantelfläche 29 des Kolbens 2 ist ein geringer Luftspalt 32 ausgebildet. Der hohlzylindrische Luftspalt 32 hat lediglich eine Breite von weniger als 50µm. Zur besseren Erkennbarkeit ist der Luftspalt 32 in 1 daher überhöht dargestellt.
  • Die Laufbuchse 21 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 entlang eines Teils der axialen Länge ihrer äußeren Mantelfläche 23 radial außen von einer im Mantel des Zylindergehäuse 3 ausgenommenen ringförmigen Druckkammer 34 umgeben, über welche das Luftlager 20 mit komprimierter Luft versorgt wird. Ausgehend von dieser Druckkammer 34 kann Druckluft den luftdurchlässigen Mantel 22 der Laufbuchse 21 über die genannten Mikrodüsen 25a in den Zuführkanälen 24 durchdringen und den Luftspalt 32 zur Bildung eines die äußere Mantelfläche 29 des Kolbens 2 umgebenden Luftpolsters mit Druckluft aus dem Vorverdichtungsraum 6 speisen. Die Druckkammer 34 ist über einen Radialkanal 35 mit dem erwähnten Überlaufkanal 37 verbunden, welcher auch den Vorverdichtungsraum 6 und den Hauptverdichtungsraum 5 miteinander verbindet. An seinem oberen Ende mündet der Überlaufkanal 37 wie geschildert in die beiden radial gegenüber ausgebildeten Überlauföffnungen 19a, 19b der Laufbuchse 21. In dem Radialkanal 35 ist ein als Rückschlagventil ausgebildetes Luftlagerventil 36 angeordnet, welches die Verbindung zwischen dem Überlaufkanal 37 und der Druckkammer 34 öffnet, wenn der Druck im Überlaufkanal 37 höher ist als der Druck in der Druckkammer 34, und ansonsten schließt.
  • Abhängig von der momentanen Stellung des Kolbens 2 ist die Verbindung zwischen dem Vorverdichtungsraum 6 und dem Hauptverdichtungsraum 5 über den Überlaufkanal 37 freigegeben oder durch den Kolben 2 gesperrt. In der in 1 gezeigten Stellung befindet sich der Kolben 2 gerade im oder nahe an einem unteren Totpunkt der kurbelwellengesteuerten Kolbenbewegung. In dieser Stellung ist die genannte Verbindung über die hierbei offenen Überlauföffnungen 19a, 19b freigegeben.
  • Wie schon kurz erwähnt, weist das Luftlager 20 einen Luftlagerauslass 38 auf, über den der Druck im Luftlager 20 begrenzt wird. Der Luftlagerauslass 38 umgibt ringförmig die äußere Mantelfläche 33 der Laufbuche 21, sodass aus dem Luftspalt 32 Druckluft über den Mantel 22 der Laufbuchse 21 und deren Entlüftungskanäle 24 nach radial außen abgeführt werden kann. Der Luftlagerauslass 38 steht mit dem schon erwähnten radialen Luftauslasskanal 39 in Verbindung, welcher die Druckluft aus dem Zylindergehäuse 3 herausführt.
  • Zur Reduzierung des Volumens des Schadraumes im Bereich des Vorverdichtungsraumes 6 und des Überlaufkanals 37 kann der Vorverdichtungsraum 6 wie in 1 dargestellt über ein Rückschlagventil 44 mit dem Überlaufkanal 37 verbunden sein. Dieses Rückschlagventil 44 öffnet dann in Richtung zum Hauptverdichtungsraum 5, wenn der Druck im Vorverdichtungsraum 6 höher ist als im Überlaufkanal 37.
  • Die Funktionsweise des geschilderten Kolbenkompressors 1 ist wie folgt:
    • Durch die rotierende Kurbelwelle 16 führt der Kolben 2 zyklische Auf- und Abwärtsbewegungen aus, bei denen wechselweise in dem Hauptverdichtungsraum 5 sowie in dem Vorverdichtungsraum 6 Luft angesaugt, verdichtet und ausgestoßen wird. Während einer Abwärtsbewegung des Kolbens 2 öffnet das erste Einlassventil 9 aufgrund eines Unterdrucks des sich vergrößernden Volumens des Hauptverdichtungsraumes 5, und über den ersten Ansaugkanal 8 wird Luft in den Hauptverdichtungsraum 5 angesaugt. Gleichzeitig wird Luft mittels des Kolbens 2 in dem sich verkleinernden Vorverdichtungsraum 6 verdichtet, wobei das zugehörige zweite Ansaugventil 14 geschlossen ist. Die im Vorverdichtungsraum 6 verdichtete Luft strömt nach dem Öffnen des Rückschlagventils 44 in den Überlaufkanal 37 und erhöht in diesem den Druck, da der Kolben 2 die pneumatische Verbindung über die Überlauföffnungen 19a, 19b zwischen dem Hauptverdichtungsraum 5 und dem Überlaufkanal 37 in seiner momentanen Position oberhalb der in 1 gezeigten Stellung verschießt.
  • Durch den Überdruck im Überlaufkanal 37 öffnet das Luftlagerventil 36 des Luftlagers 20 und Druckluft strömt in die Druckkammer 34 des Luftlagers 20 ein, worauf dort ebenfalls ein Überdruck entsteht. Aufgrund des Überdrucks in der Druckkammer 34 durchströmt Druckluft den Mantel 22 der Laufbuchse 21, so dass sich ein Luftpolster in dem hohlzylindrischen Luftspalt 32 zwischen der Laufbuchse 21 und dem Kolben 2 beginnt aufzubauen. Sobald der Kolben 2 den unteren Totpunkt bei einem bestimmten Kurbelwinkel der Kurbelwelle 16 erreicht hat, sind der Überlaufkanal 37 und die Überlauföffnungen 19a, 19b zum Hauptverdichtungsraum 5 wie in 1 dargestellt nicht mehr durch den Kolben 2 blockiert. Aufgrund des höheren Druckes im Vorverdichtungsraum 6 strömt folglich vorverdichtete Druckluft in den Hauptverdichtungsraum 5, wodurch der Anfangsdruck im Hauptverdichtungsraum 5 bereits vor dem nächsten Verdichtungszyklus leicht erhöht ist.
  • Wenn der Kolben 2 den unteren Totpunkt durchquert hat und beginnt sich aufwärts zu bewegen, wird über den unteren Ansaugkanal 13 des sich vergrößernden Vorverdichtungsraums 6 Luft angesaugt. Während das zugehörige Einlassventil 14 aufgrund des Unterdruckes im Vorverdichtungsraum 6 geöffnet ist, schließt das Luftlagerventil 36, und der Kolben 2 blockiert bei seiner Aufwärtsbewegung die Verbindung über die beiden Überlauföffnungen 19a, 19b des Überlaufkanals 37 zum Hauptverdichtungsraum 5. Folglich wird die bereits vorverdichtete Luft im Hauptverdichtungsraum 5 bei der weiteren Aufwärtsbewegung des Kolbens 2 zunehmend verdichtet. Wenn der Druck in der Hauptverdichtungskammer 5 einen höheren Wert erreicht als in dem dort angeschlossenen Auslasskanal 10, öffnet sich das Auslassventil 11 des Hauptverdichtungsraums 5 und die Druckluft strömt nach außen in Richtung einer angeschlossenen Druckleitung einer Anwendung, beispielsweise zum Befüllen eines Druckspeichers einer pneumatischen Bremsanlage.
  • Das Luftpolster des Luftlagers 20 baut sich während der ersten Takte des Kolbens 2 nach dem Einschalten des Kolbenkompressors 1 auf. Dazu strömt komprimierte Luft durch den mikrostrukturierten Mantel 22 der Laufbuchse 21 in den hohlzylindrischen Luftspalt 32 zwischen der Außenmantelfläche des Kolbens 2 und der Innenmantelfläche 31 der Laufbuchse 21 hinein. Sofern der Kolben 2 aufgrund des etwas pendelnden Antriebs durch das Pleuel aus seiner genau koaxialen Lage in Bezug zur inneren Mantelfläche 28 des Zylindergehäuses 3 ausgelenkt wird, vergrößert sich auf einer Seite des Kolbens 2 der Luftspalt 32, so dass wegen eines nur vergleichsweise geringen Nachströmens von Druckluft über die Mikrodüsen dort der Luftdruck abnimmt. Auf der radial gegenüberlegenden Seite des Kolbens 2 verkleinert sich die Breite des Luftspalts 32, und über die Öffnungen 24a in den dortigen Entlüftungskanälen 24 der Laufbuchse 21 kann die Luft nicht schnell genug abströmen. In der Folge steigt der Luftdruck dort an. Durch die unterschiedlichen Drücke im Luftspalt 32 werden radial auf den Kolben 2 wirkende Kräfte erzeugt, die diesen in eine zur Laufbuchse 32 koaxiale Ausrichtung bewegen.
  • 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Kolbenkompressors 40 mit den Merkmalen der Erfindung. Dieser Kolbenkompressor 40 ist funktionsgleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet und muss daher nicht im Detail erneut beschrieben werden. Wichtig ist lediglich, dass der Kolbenkompressor 40 in diesem Beispiel im Unterschied einen Kolben 41 aufweist, der zur Gewichtseinsparung teilweise ausgehöhlt ist. Demnach ähnelt der Kolben 41 in diesem Ausführungsbeispiel im Axialschnitt einem H-Profil. Ein oberer Zylinderkopf 42, welcher den Hauptverdichtungsraum 5 nach oben hin abschließt, weist im Axialschnitt ein dem H-Profil des Kolbens 41 angepasstes U-Profil auf. Ein unterer Zylinderkopf 43, welcher den Vorverdichtungsraum 6 nach unten hin abschließt, weist ebenfalls im Axialschnitt ein dem H-Profil des Kolbens 41 angepasstes U-Profil auf. Der Hauptverdichtungsraum 5 und der Vorverdichtungsraum 6 sowie die zugehörigen Ein- und Auslassventile 9, 11, 14 sind platzsparend ins Innere des Zylindergehäuses 3 verlegt. Der Überlaufkanal 37 ist der veränderten Lage der Verdichtungsräume 5, 6 angepasst angeordnet. Außerdem besteht die Laufbuchse 21* aus einem porösen, in beide Richtungen luftdurchlässigen Material. Im Übrigen entspricht der Kolbenkompressor 40 weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel.
  • Der Kolben 41 befindet sich bei dem Beispiel gemäß 3 gerade im oberen Totpunkt. In dieser Stellung ist die Verbindung über den Überlaufkanal 37 und den Überlauföffnungen 19a, 19b zwischen dem Vorverdichtungsraum 6 und dem Hauptverdichtungsraum 5 durch den Kolben 41 blockiert. Die Funktionsweise des Kolbenkompressors 40 gemäß 3 gleicht der zuvor beschriebenen Funktionsweise des Kolbenkompressors 1 gemäß 1.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Kolbenkompressor (1. Ausführungsform)
    2
    Kolben (1. Ausführungsform)
    2a
    Kolbenoberseite
    2b
    Kolbenunterseite
    3
    Zylindergehäuse
    4
    Kurbelgehäuse
    5
    Hauptverdichtungsraum
    6
    Vorverdichtungsraum
    7
    Oberer Zylinderkopf (1. Ausführungsform)
    8
    Erster Ansaugkanal
    9
    Erstes Einlassventil
    10
    Auslasskanal
    11
    Auslassventil
    12
    Unterer Zylinderkopf (1. Ausführungsform)
    13
    Zweiter Ansaugkanal
    14
    Zweites Einlassventil
    15
    Ausnehmung der Kolbenunterseite
    16
    Kurbelwelle
    17
    Pleuel
    18
    Kolbenbolzen
    19a
    Erste Überlauföffnung der Laufbuchse
    19b
    Zweite Überlauföffnung der Laufbuchse
    20
    Aerostatisches Lager, Luftlager
    21
    Laufbuchse gemäß erstem Ausführungsbeispiel
    21*
    Laufbuchse gemäß zweitem Ausführungsbeispiel
    22
    Mantel der Laufbuchse
    23
    Äußere Mantelfläche der Laufbuchse
    24
    Entlüftungskanäle am Mantel der Laufbuchse
    24a
    Öffnungen in den Entlüftungskanälen 24
    25
    Zuführkanäle am Mantel der Laufbuchse
    25a
    Mikrodüsen in den Zuführkanälen 25
    26
    Innere Mantelfläche der Laufbuchse
    27
    Mikroeinkerbungen am Mantel der Laufbuchse
    28
    Innere Mantelfläche des Zylindergehäuses
    29
    Äußere Mantelfläche des Kolbens
    30
    Zylindrische Ausnehmung am Zylindergehäuse
    31
    Innere Mantelfläche der Laufbuchse
    32
    Luftspalt
    34
    Druckkammer des Luftlagers
    35
    Radialkanal des Luftlagers
    36
    Luftlagerventil
    37
    Überlaufkanal
    38
    Luftlagerauslass
    39
    Luftlagerauslasskanal
    40
    Kolbenkompressor (2. Ausführungsform)
    41
    Kolben (2. Ausführungsform)
    42
    Oberer Zylinderkopf (2. Ausführungsform)
    43
    Unterer Zylinderkopf (2. Ausführungsform)
    44
    Rückschlagventil im Überlaufkanal
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102014013442 A1 [0003]
    • US 2014311337 A1 [0004]
    • US 2014318365 A1 [0004]

Claims (9)

  1. Kolbenkompressor (1, 40) zur Versorgung eines Druckluftsystems mit Druckluft, aufweisend einen zylindrischen Kolben (2, 41), welcher in einem mit einem Kurbelgehäuse (4) verbundenen Zylindergehäuse (3) axial zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt bewegbar angeordnet ist, eine in dem Kurbelgehäuse (4) drehbar gelagert angeordnete Kurbelwelle (16), welche mittels eines Pleuels (17) mit dem Kolben (2, 41) verbunden ist und durch die der Kolben (2, 41) zur Drucklufterzeugung antreibbar ist, weiter aufweisend zwei Verdichtungsräume (5, 6), welche als ein oberhalb des Kolbens (2, 41) angeordneter Hauptverdichtungsraum (5) und ein unterhalb des Kolbens (2, 41) angeordneter Vorverdichtungsraum (6) ausgebildet sind, sowie ein aerostatisches Lager (20), welches radial zwischen dem Kolben (2, 41) und dem Zylindergehäuse (3) ausgebildet ist und zum Aufbauen sowie zur Aufrechterhaltung eines Luftpolsters für eine reibungsarme Bewegung des Kolbens (2, 41) in dem Zylindergehäuse (3) durch Kompressionsbewegungen desselben über den Vorverdichtungsraum (6) mit Druckluft versorgbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftversorgung des aerostatischen Lagers (20) selbstregulierend ausgebildet ist.
  2. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser derartig ausgebildet ist, bei einem Kompressionszyklus des Kolbenkompressors (1, 40) während einer Abwärtsbewegung des Kolbens (2, 41) Luft in den Hauptverdichtungsraum (5) angesaugt und gleichzeitig zuvor in den Vorverdichtungsraum (6) angesaugte Luft in einer ersten Verdichtungsstufe vorverdichtet wird, dass anschließend über einen Überlaufkanal (37) des Vorverdichtungsraums (6) zunächst das aerostatische Lager (20) und bei der weiteren Abwärtsbewegung des Kolbens (2, 41) bei Erreichen des unteren Totpunktes der Hauptverdichtungsraum (5) mit der im Vorverdichtungsraum (6) vorverdichteten Luft versorgt wird, dass bei einer folgenden Aufwärtsbewegung des Kolbens (2, 41) die zuvor im Hauptverdichtungsraum (5) angesaugte Luft sowie die über den Vorverdichtungsraum (6) zusätzlich in den Hauptverdichtungsraum (5) eingeströmte vorverdichtete Luft in einer zweiten Verdichtungsstufe verdichtet wird, und dass bei der weiteren Aufwärtsbewegung des Kolbens (2, 41) bei Erreichen des oberen Totpunktes die verdichtete Luft schließlich an einem Ausgang des Hauptverdichtungsraumes (5) einem Verbraucher zur Verfügung gestellt wird.
  3. Kolbenkompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das aerostatische Lager (20) eine zylindrische Laufbuchse (21, 21*) aufweist, deren Mantel (22) zumindest in Teilbereichen luftdurchlässig ausgebildet ist, wobei die Laufbuchse (21, 21*) zwischen einer inneren Mantelfläche (28) des Zylindergehäuses (3) und einer äußeren Mantelfläche (29) des zylindrischen Kolbens (2, 41) angeordnet und mit dem Zylindergehäuse (3) verbunden ist, so dass zwischen einer inneren Mantelfläche (31) der Laufbuchse (21, 21*) und der äußeren Mantelfläche (29) des Kolbens (2, 41) ein Luftspalt (32) zum Aufbauen und Aufrechterhalten eines Luftpolsters zwischen der inneren Mantelfläche (28) des Zylindergehäuses (3) und der äußeren Mantelfläche (29) des Kolbens (2, 41) verbleibt.
  4. Kolbenkompressor einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (41) Ausnehmungen aufweist, derart, dass sich im Axialschnitt des Kolbens (41) ein H-Profil oder ein zu einem H-Profil ähnliches Profil ergibt.
  5. Kolbenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2, 41) und/oder die Laufbuchse (21, 21*) aus Keramik hergestellt sind.
  6. Kolbenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkompressor (1, 40) eine Antriebsmaschine für einen direkten Antrieb der Kurbelwelle (16) aufweist.
  7. Kolbenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkompressor (1, 40) eine integrierte elektronische Steuerung aufweist.
  8. Kolbenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkompressor (1, 40) eine Kühlungseinrichtung aufweist.
  9. Kolbenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Luftpolster des aerostatischen Lagers (20) aufrechterhaltene und regulierte Druck über einen Auslass einer externen Anwendung zur Verfügung gestellt werden kann.
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