DE102020112664A1

DE102020112664A1 - Hubkolbenkompressor zur Erzeugung ölfreier Druckluft

Info

Publication number: DE102020112664A1
Application number: DE102020112664.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Busch
Original assignee: OET GmbH
Current assignee: OET GmbH
Priority date: 2020-05-11
Filing date: 2020-05-11
Publication date: 2021-11-11
Also published as: EP4150211A1; WO2021228598A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenkompressor zur Erzeugung ölfreier Druckluft mit wenigstens einem Führungskolben (22) und einem Druckerzeugungskolben (32), wobei der Führungskolben (22) mit einer Taumelscheibe (14) gekoppelt ist und der Druckerzeugungskolben (32) ölfrei in einem Druckerzeugungszylinder (31) geführt ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Führungskolben (22) in einem Führungszylinder (21) geführt und über eine Koppelstange (24) mit dem Druckerzeugungskolben (32) verbunden ist, wobei die Koppelstange (24) durch wenigstens ein Abdichtelement (43) geführt ist, das einen Triebwerksraum (11) und einen Verdichtungsraum (33) voneinander abdichtet und der Führungskolben (22) als Kreuzkopfführung für die Koppelstange (24) wirkt, und wobei ein elektrischer Antrieb (12) im Triebwerksraum (11) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Druckluftanlage eines Lastkraftfahrzeugs mit einem solchen Hubkolbenkompressor sowie die Verwendung eines solchen Hubkolbenkompressors in einer Druckluftanlage eines Lastkraftfahrzeuges.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenkompressor zur Erzeugung ölfreier Druckluft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Druckluftanlage eines Lastkraftwagens mit einem solchen Hubkolbenkompressor sowie die Verwendung eines Hubkolbenkompressors als Drucklufterzeuger in einer Druckluftanlage eines Lastkraftfahrzeugs.
Hubkolbenkompressoren zur Erzeugung von ölfreier Druckluft sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. So beschreiben beispielsweise EP 0 994 252 B1 und EP 0 859 151 B1 Hubkolbenkompressoren, die eine auf einer Welle angeordnete Taumelscheibe umfassen, welche auf mehrere Führungskolben wirkt. Die Führungskolben sind direkt mit Druckerzeugungskolben verbunden, die innerhalb eines Druckerzeugungszylinders geführt sind. Um zu vermeiden, dass Druckluft aus dem Druckerzeugungszylinder in einen Triebwerksraum gelangt, in welchem die Taumelscheibe angeordnet ist, ist der Führungskolben durch Dichtelemente geführt.
Die direkte Verbindung zwischen dem Führungskolben und dem Druckerzeugungskolben hat jedoch Nachteile. Insbesondere können durch die Taumelscheibe Kippmomente auf den Führungskolben ausgeübt werden, die bei der schnellen und mehrfachen Bewegung des Führungskolbens durch die Dichtelemente und einen daraus resultierenden leichten Verkippen des Führungskolbens zu einem höheren Verschleiß der Dichtelemente führen kann. Somit kann bei bekannten Hubkolbenkompressoren die Dichtigkeit der Druckerzeugungszylinder nicht über einen langen Zeitraum gewährleistet werden.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Hubkolbenkompressoren besteht darin, dass diese einen Antrieb benötigen, der außerhalb des Gehäuses des Hubkolbenkompressors angeordnet ist. In Kraftfahrzeugen, in welchen immer weniger Bauraum zur Verfügung steht, beispielsweise aufgrund der zwischenzeitlich erforderlichen Vielzahl von Abgasreinigungsaggregaten, hat dies Nachteile.
Aus US 3,749,523 A ist ebenfalls ein Hubkolbenkompressor zur Erzeugung von Druckluft bekannt. Bei diesem Hubkolbenkompressor ist die Taumelscheibe beidseitig mit jeweils mehreren Druckkolben verbunden. Das hat den Nachteil, dass einerseits an den Druckkolben vorbei in den Bereich der Taumelscheibe Druckluft entweichen kann. Andererseits benötigt der bekannte Hubkolbenkompressor aufgrund der doppelten Anzahl von Druckerzeugungszylindern, die sich zudem gegenüberliegen, einen hohen Bauraum.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hubkolbenkompressor zur Erzeugung ölfreier Druckluft anzugeben, der kompakt gestaltet ist und über eine lange Lebensdauer eine hohe Dichtigkeit gewährleistet. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung eine Druckluftanlage eines Lastkraftfahrzeugs mit einem solchen Hubkolbenkompressor sowie die Verwendung eines solchen Hubkolbenkompressors als Drucklufterzeuger in einer Druckluftanlage eines Lastkraftfahrzeugs anzugeben.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf den Hubkolbenkompressor durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1, im Hinblick auf die Druckluftanlage durch den Gegenstand des Patentanspruchs 15 und im Hinblick auf die Verwendung eines Hubkolbenkompressors durch den Gegenstand des Patentanspruchs 16 gelöst.
So beruht die Erfindung auf dem Gedanken, einen Hubkolbenkompressor zur Erzeugung ölfreier Druckluft mit wenigstens einem Führungskolben und einem Druckerzeugungskolben anzugeben, wobei der Führungskolben mit einer Taumelscheibe gekoppelt ist und der Druckerzeugungskolben ölfrei in einem Druckerzeugungszylinder geführt ist. Erfindungsgemäß ist der Führungskolben in einem Führungszylinder geführt und über eine Koppelstange mit dem Druckerzeugungskolben verbunden. Die Koppelstange ist durch wenigstens ein Abdichtelement geführt, das einen Triebwerksraum und einen Verdichtungsraum voneinander abdichtet. Der Führungskolben wirkt ferner als Kreuzkopfführung für die Kolbenstange. Im Triebwerksraum ist außerdem ein elektrischer Antrieb angeordnet.
Im Unterschied zum Stand der Technik sind also bei dem erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressor der Druckerzeugungskolben und der Führungskolben durch eine Koppelstange verbunden, wobei der Führungskolben in einem Führungszylinder geführt ist und eine Kreuzkopfführung für die Kolbenstange bildet. Dadurch ist eine stabile Führung der Kolbenstange gewährleistet, die durch das Abdichtelement geführt ist. Fluchtfehler oder etwaig auftretende Kippelemente beeinträchtigen so die Abdichtung nicht. Das reduziert den Verschleiß des Abdichtelements und sorgt für eine lange Lebensdauer des Hubkolbenkompressors. Darüber hinaus sind auf diese Weise hohe Kräfte übertragbar, so dass dauerhaft Druckluft mit einem hohen Druck erzeugbar ist.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung wird durch die Integration eines elektrischen Antriebs in den Triebwerksraum erreicht. Auf diese Weise bildet der erfindungsgemäße Hubkolbenkompressor eine kompakte integrierte Einheit, die alle Komponenten zur Erzeugung von Druckluft enthält. Dies reduziert nicht nur den Aufwand für den Einbau eines Drucklufterzeugers in einem Fahrzeug, insbesondere einem Lastkraftfahrzeug, sondern ermöglicht auch eine einfache Nachrüstung bestehender Fahrzeuge. Zudem lässt sich ein solcher elektrisch angetriebener Hubkolbenkompressor, der kompakt aufgebaut ist, auch gut bei Fahrzeuganhängern einsetzen. Mit zunehmender Elektrifizierung des Antriebstrangs auch bei Lastkraftfahrzeugen, ist es zudem förderlich, wenn der Drucklufterzeuger elektrisch betrieben ist. Insofern bietet der erfindungsgemäße Hubkolbenkompressor die Voraussetzungen, um auch bei elektrisch oder teilelektrisch, insbesondere hybridelektrisch, angetriebenen Lastkraftfahrzeugen zum Einsatz zu gelangen.
Der Triebwerksraum, in dem der elektrische Antrieb angeordnet ist, kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung von einem Triebwerksgehäuse umschlossen sein. Auf diese Weise ist der Triebwerksraum insgesamt hermetisch abgeschlossen, so dass darin Öl zum Schmieren der bewegten Teile, insbesondere des Führungskolbens zirkulieren kann. Das Triebwerksgehäuse fördert außerdem den einfachen Einbau des Hubkolbenkompressors in ein Fahrzeug und dient zudem als Geräuschdämmung.
Bei einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors ist vorgesehen, dass der Druckerzeugungszylinder beidseitig jeweils ein Einlassventil und ein Auslassventil aufweist, so dass der Druckerzeugungskolben beidseitig druckerzeugend wirksam ist. Durch die beidseitige Druckerzeugung wird die Effizienz des Hubkolbenkompressors erheblich gesteigert. Insbesondere kann so die Ausgabe von Druckluft in einer höheren Kontinuität erzeugt werden, da bei jeder Bewegung des Druckerzeugungskolbens, unabhängig von dessen Bewegungsrichtung, eine Verdichtung erfolgt.
Der Druckerzeugungszylinder kann in einem Zylinderblock angeordnet sein, der auf einer dem Triebwerksraum zugewandten Seite durch eine erste Ventilplatte und auf einer dem Triebwerksraum abgewandten Seite durch eine zweite Ventilplatte abgedeckt ist. Insgesamt können also zwei Ventilplatten vorgesehen sein, die den Zylinderblock beidseitig abdecken. Diese Gestaltung hat in der Produktion erhebliche Vorteile, da keine Einzelventile in den Zylinderblock integriert werden müssen. Vielmehr werden ganze Ventilplatten verwendet, die alle Ventile für alle im Zylinderblock angeordneten Druckerzeugungszylinder enthalten. Dies sorgt für einen einfachen und sehr wartungsfreundlichen Aufbau des Hubkolbenkompressors.
Vorzugsweise begrenzt der Druckerzeugungskolben in dem Druckerzeugungszylinder zwei Verdichtungsräume, wobei die erste Ventilplatte ein erstes Einlassventil und ein erstes Auslassventil bildet, die einem ersten Verdichtungsraum zugeordnet sind. Die zweite Ventilplatte kann ein zweites Einlassventil und ein zweites Auslassventil bilden, die dem zweiten Verdichtungsraum zugeordnet sind. Insoweit weist vorzugsweise jede Ventilplatte jeweils ein Einlassventil und ein Auslassventil auf, so dass sichergestellt ist, dass der Druckerzeugungskolben beidseitig druckerzeugend wirksam ist. Es handelt sich also um einen doppelt wirksamen Druckerzeugungskolben. Die hier beschriebenen Verdichtungsräume sind jeweils in ihrer Größe veränderbar, nämlich durch die Bewegung des Druckerzeugungskolbens.
Der Führungszylinder ist in einem Führungsblock angeordnet, der mit dem Triebwerksraum, insbesondere dem Triebwerksgehäuse, verbunden ist. Die Bereitstellung eines separaten Führungsblocks dient ebenfalls dem einfachen Aufbau des Hubkolbenkompressors und ermöglicht auch eine einfache Herstellung des Hubkolbenkompressors. Durch die Verbindung des Führungsblocks mit dem Triebwerksraums ist gewährleistet, dass im Triebwerksraum zirkulierendes Öl auch in dem Führungsblock zirkuliert, insbesondere im Führungszylinder, so dass eine Schmierung zwischen dem Führungskolben und dem Führungszylinder erfolgt. Insofern ist bevorzugt vorgesehen, dass das Abdichtelement zwischen dem Führungsblock und dem Zylinderblock angeordnet ist, so dass in den Zylinderblock, insbesondere in dem Druckerzeugungszylinder, kein Öl eindringt. Im Wesentlichen kann der Hubkolbenkompressor also in eine ölfreie Seite und eine ölführende Seite unterteilt werden. Die ölfreie Seite umfasst jedenfalls den Druckerzeugungszylinder. Die ölführende Seite umfasst wenigstens den Triebwerksraum und den Führungszylinder.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors sind die erste Ventilplatte mit einem ersten Zylinderkopf und die zweite Ventilplatte mit einem zweiten Zylinderkopf abgedeckt, wobei der erste Zylinderkopf mindestens einen ersten Gassammelraum und der zweite Zylinderkopf mindestens einen zweiten Gassammelraum aufweisen. Die Gassammelräume sind vorzugsweise so ausgelegt, dass sie als Windkessel wirken und so die Pulsationen, die durch die Erzeugung der Druckluft mittels der bewegten Druckerzeugungskolben auftreten, abdämpfen. In den Gassammelräumen wird also die erzeugte Druckluft gesammelt und nahezu kontinuierlich an das weitere Druckluftsystem abgegeben.
Der Zylinderblock kann außerdem einen Verbindungsraum aufweisen, der den ersten Gassammelraum des ersten Zylinderblocks mit dem zweiten Gassammelraum des zweiten Zylinderblocks verbindet. Auf diese Weise werden die durch den doppelt wirksamen Druckerzeugungskolben erzeugten Druckluftanteile zunächst zusammengeführt, bevor sie aus dem Hubkolbenkompressor in ein Druckluftsystem abgeben werden. Der Verbindungsraum kann außerdem eine Windkesselfunktion bereitstellen, um die Druckluftschwankungen durch die pulsierend erzeugte Druckluft zu glätten und so weiter dazu beitragen, dass im Wesentlichen ein kontinuierlicher Druckluftstrom in das Druckluftsystem abgegeben wird.
Der zweite Zylinderkopf weist vorzugsweise eine Auslassöffnung für Druckluft und/oder eine Einlassöffnung für Umgebungsluft auf. Über die Einlassöffnung für Umgebungsluft wird dem Hubkolbenkompressor Luft mit niedrigem Druck (Niederdruckluft) zugeführt, die dann mittels des Hubkolbenkompressors komprimiert und als Luft mit relativ höherem Druck (Hochdruckluft) über die Ausgangsöffnung abgegeben wird. Die Einlassöffnung ist dabei nicht unbedingt zur Umgebung hin offen, sondern kann auch mit einem Druckluftsystem verbunden sein, wenn der Hubkolbenkompressor in einem geschlossenen Druckluftkreislauf eingebunden ist.
Der erste Zylinderkopf kann einen ersten Gasansaugraum und der zweite Zylinderkopf einen zweiten Gasansaugraum aufweisen, wobei der Zylinderblock wenigstens einen Luftzufuhrkanal aufweist, der den zweiten Gasansaugraum mit dem ersten Gasansaugraum verbindet. Vorzugsweise mündet die Einlassöffnung für Niederdruckluft in den zweiten Gasansaugraum. Der zweite Gasansaugraum sammelt somit Niederdruckluft, so dass ausreichend Niederdruckluft zum Ansaugen über den Druckerzeugungskolben verfügbar ist. Da der Druckerzeugungskolben vorzugweise doppelt wirksam ist, ist der Luftzufuhrkanal vorgesehen, der den zweiten Gasansaugraum mit dem ersten Gasansaugraum verbindet, wobei auch der erste Gasansaugraum Niederdruckluft sammelt, um sie zur Drucklufterzeugung mittels des Druckerzeugungskolbens verfügbar zu machen. Der Luftzufuhrkanal im Zylinderblock kann als ringförmiger Kanal ausgebildet sein.
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors ist vorgesehen, dass der Triebwerksraum, insbesondere wenigstens das Triebwerksgehäuse, flüssigkeitsgekühlt, insbesondere wassergekühlt ist. Konkret kann das Triebwerksgehäuse wenigstens einen Kühlkanal aufweisen. Ferner kann im Führungsblock und/oder in wenigstens einem Zylinderkopf wenigstens ein Kühlkanal vorgesehen sein. Die Kühlkanäle führen vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit. Die Kühlflüssigkeit kann Wasser sein. Auf diese Weise ist eine gute und wirkungsvolle Kühlung des Hubkolbenkompressors erreichbar. Zudem dient die Integration von Kühlkanälen in das Triebwerksgehäuse und/oder dem Führungsblock und/oder einen der Zylinderköpfe dem kompakten Aufbau des Hubkolbenkompressors.
Ferner kann eine Kühlhülle mit Kühlkanälen vorgesehen sein, die das Triebwerksgehäuse, den Führungsblock, den Zylinderblock, die erste Ventilplatte, die zweite Ventilplatte, den ersten Zylinderkopf und/oder den zweiten Zylinderkopf ummantelt. Insbesondere kann die Kühlhülle die gesamte Außenumfangsfläche des Hubkolbenkompressors ummanteln. Bei dieser Variante kann auf Kühlkanäle im Triebwerksgehäuse verzichtet werden, obwohl diese zusätzlich auch vorgesehen sein können.
Bei einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors ist eine schall- und/oder vibrationsabsorbierende Schutzumhüllung vorgesehen, die sich um die Kühlhülle erstreckt. Eine solche Schall- und/oder Vibrationsisolierung ist insbesondere für die Integration des Hubkolbenkompressors in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen interessant, da hier kleinste Vibrationen auffällig erscheinen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn bei einer Variante des erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors der erste Verdichtungsraum und der zweite Verdichtungsraum desselben Druckerzeugungszylinders und/oder mehrerer erster Verdichtungsräume und/oder zweiter Verdichtungsräume verschiedener Druckerzeugungszylinder miteinander so fluidverbunden sind, dass eine zweistufige Verdichtung bewirkt wird. Generell kann vorgesehen sein, dass der Hubkolbenkompressor mehrere Druckerzeugungszylinder aufweist, die jeweils einen ersten Verdichtungsraum und einen zweiten Verdichtungsraum bilden. Dabei können beispielsweise alle ersten Verdichtungsräume die über den ersten Gasansaugkanal angesaugte Niederdruckluft vorverdichten, so dass in den ersten Gassammelraum eine Luft mit mittleren Druck (Mitteldruckluft) gesammelt wird. Die Mitteldruckluft kann dann von dem ersten Gassammelraum an den zweiten Gasansaugraum geleitet werden. Vom zweiten Gassammelraum gelangt die Mitteldruckluft dann in den zweiten Verdichtungsraum und wird dort weiter zu einer Hochdruckluft verdichtet. Die Hochdruckluft gelangt in den zweiten Gassammelraum und von dort an die Auslassöffnung.
Ein nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft eine Druckluftanlage eines Lastkraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybrid- oder vollelektrischen Lastkraftfahrzeugs, mit einem zuvor beschriebenen Hubkolbenkompressor. Wie bereits erläutert, ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors in einer Druckluftanlage eines zumindest teilelektrisch betriebenen Lastkraftfahrzeugs besonders vorteilhaft, da der Hubkolbenkompressor mit seinem elektrischen Antrieb mit wenig Aufwand in ein solches Lastkraftfahrzeug integriert werden kann.
Insofern wird gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung eine Verwendung eines zuvor beschriebenen Hubkolbenkompressors als Drucklufterzeuger in der Druckluftanlage eines Lastkraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybrid- oder vollelektrischen Lastkraftfahrzeugs, offenbart und beansprucht. Die Druckluftanlage kann insbesondere eine Druckluftbremsanlage eines Lastkraftfahrzeuges sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

1: eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
2: einen Längsschnitt durch den Hubkolbenkompressor gemäß 1;
3: das Detail X des Hubkolbenkompressors gemäß 2;
4: eine Explosionsdarstellung der ersten Ventilplatte des Hubkolbenkompressors gemäß 1; und
5: eine Explosionsdarstellung der zweiten Ventilplatte des Hubkolbenkompressors gemäß 1.

1 zeigt in der Explosionsansicht den Hubkolbenkompressor mit einem Triebwerksgehäuse 10, einem Führungsblock 20, einem ersten Zylinderkopf 40, einem Zylinderblock 30 und einem zweiten Zylinderkopf 50. Zwischen dem ersten Zylinderkopf 40 und dem Zylinderblock 30 ist eine erste Ventilplatte 60 angeordnet. Zwischen dem Zylinderblock 30 und dem zweiten Zylinderkopf 50 ist eine zweite Ventilplatte 70 angeordnet. Ferner weist der Hubkolbenkompressor ein Elektronikgehäuse 80 auf, das am Triebwerksgehäuse 10 angebracht ist. Das Elektronikgehäuse 80 umschließt einen Elektronikraum 81, der elektronische Bauteile, beispielsweise einen Inverter, für den elektrischen Antrieb 12 des Hubkolbenkompressors aufnimmt.
Das Triebwerksgehäuse 10 umschließt einen Triebwerksraum, der den elektrischen Antrieb 12, eine Antriebswelle 13 und eine Taumelscheibe 14 aufnimmt. Die Antriebswelle 13 ist im Triebwerksraum durch Wellenlager 15 gelagert. Im Führungsblock 20 sind Führungszylinder 21 angeordnet, in welchen Führungskolben 22 geführt sind. Die Führungskolben 22 sind ferner mit der Taumelscheibe 14 gelenkig gekoppelt.
Im Zylinderblock 30 sind ferner Druckerzeugungszylinder 31 vorgesehen, in welchen Druckerzeugungskolben 32 geführt sind. Die Druckerzeugungskolben 32 sind jeweils mit einer Koppelstange 24 mit einem der Führungskolben 22 verbunden. Der Zylinderblock 30 ist beidseitig durch Ventilplatten 60, 70 abgeschlossen. Die Ventilplatten 60, 70 umfassen einen Aufbau aus jeweils drei Schreiben, die unterschiedliche Funktionen erfüllen.
So weist die erste Ventilplatte 60 eine erste Auslassventilscheibe 61 und eine erste Einlassventilscheibe 62 auf, die auf gegenüberliegenden Seiten einer ersten Haltescheibe 63 angeordnet sind. Die zweite Ventilplatte 70 umfasst eine zweite Auslassventilscheibe 71 und eine zweite Einlassventilscheibe 72, die auf gegenüberliegenden Seiten einer zweiten Haltescheibe 73 angeordnet sind.
Der zweite Zylinderkopf 50 weist eine seitliche Einlassöffnung 53 auf. Die seitliche Einlassöffnung 53 mündet in einen zweiten Gasansaugraum 51. Der zweite Gasansaugraum 51 ist ringförmig ausgebildet und verläuft um einen zweiten Gassammelraum 52, der zentral im zweiten Zylinderkopf 50 ausgebildet ist. Ferner weist der zweite Zylinderkopf 50 einen ringförmigen Luftzufuhrkanal 36 auf, der sich außen um den zweiten Gasansaugraum 51 erstreckt.
Der Aufbau des Hubkolbenkompressors nach dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist gut in 2 erkennbar. Insbesondere ist zu sehen, dass der Hubkolbenkompressor modulartig aufgebaut ist, wobei die einzelnen Module durch das Triebwerksgehäuse 10, den Führungsblock 20, den ersten Zylinderkopf 40, den Zylinderblock 30, den zweiten Zylinderkopf 50 sowie das Elektronikgehäuse 80 gebildet sind.
Das Triebwerksgehäuse 10 umschließt bzw. begrenzt einen Triebwerksraum 11, in dem der elektrische Antrieb 12, die Antriebswelle 13 und die Taumelschraube 14 angeordnet sind. Das Triebwerksgehäuse 10 ist direkt mit dem Führungsblock 20 verbunden, in welchen Führungszylinder 21 und darin geführte Führungskolben 22 angeordnet sind. Die Führungskolben 22 erstrecken in den Triebwerksraum 11 und sind mit der Taumelscheibe 14 gelenkig verbunden.
An den Führungsblock 20 schließt sich unmittelbar der erste Zylinderkopf 40 an. Der erste Zylinderkopf 40 weist Durchführungen für jeweils eine Koppelstange 24 auf, die sich vom Führungskolben 22 zum Druckerzeugungskolben 32 erstreckt und diese verbindet. Im ersten Zylinderkopf 40 ist außerdem ein Abdichtelement 43 angeordnet, durch welches die Koppelstange 24 geführt ist. Das Abdichtelement 43 dichtet die Koppelstange 24 ab. Insbesondere sorgt das Abdichtelement 43 für eine öldichte und luftdichte Trennung zwischen einer ölführenden Seite des Hubkolbenkompressors und einer ölfreien Seite des Hubkolbenkompressors. Die ölführende Seite des Hubkolbenkompressors umfasst das Triebwerksgehäuse 10 und den Führungsblock 20. Der erste Zylinderkopf 40, der Zylinderblock 30 und der zweite Zylinderkopf 50 gehören der ölfreien Seite des Hubkolbenkompressors an.
Im ersten Zylinderkopf 40 sind ferner ein erster Gasansaugraum 41 und ein erster Gassammelraum 42 ausgebildet. Der erste Gasansaugraum 41 ist vorzugsweise als Ringraum ausgebildet und gewährt Zugang zu allen Druckerzeugungszylindern 31. Ebenso ist der erste Gassammelraum 42 vorzugsweise mit allen Druckerzeugungszylindern 31 fluidverbunden.
Der Zylinderblock 30 umfasst die Druckerzeugungszylinder 31, in welchen die Druckerzeugungskolben 32 geführt sind. Ferner ist im Zylinderblock 30 ein zentraler Verbindungsraum 35 vorgesehen, der den ersten Gassammelraum 42 des ersten Zylinderkopfs 40 mit dem zweiten Gassammelraum 52 des zweiten Zylinderkopfs 50 verbindet. Um die Druckerzeugungszylinder 31 herum ist im Zylinderblock 30 ferner ein Luftzufuhrkanal 36 ausgebildet. Der Luftzufuhrkanal 36 ist vorzugsweise als umlaufender Kanal um den Umfang des Zylinderblocks 30 ausgebildet. Im Wesentlichen bildet der Luftzufuhrkanal 36 einen Ringkanal, wobei dieser nicht vollständig kreisförmig ist, sondern für Montagebohrungen entsprechende Ausformungen aufweist, wie dies in 1 erkennbar ist. Der Luftzufuhrkanal 36 verbindet den zweiten Gasansaugraum 51 des zweiten Zylinderkopfs 50 mit dem ersten Gasansaugraum 41 des ersten Zylinderkopfs 40.
Der zweite Zylinderkopf 50 weist den zweiten Gasansaugraum 51 auf, der über die Einlassöffnung 53 eine Verbindung nach außen hat. Die Einlassöffnung 53 kann dabei zur Umgebung hin offen oder mit einer Rückführung eines Druckluftsystems verbunden sein. Ferner ist im zweiten Zylinderkopf 50 der zweite Gassammelraum 52 angeordnet, der mit einer Auslassöffnung 54 fluidverbunden ist.
Die Druckerzeugungszylinder 31 im Zylinderblock 30 weisen jeweils zwei variable Verdichtungsräume 33, 34 auf. Bei dem Betriebszustand des Hubkolbenkompressors, wie er in 2 dargestellt ist, ist der Druckerzeugungskolben 32 im oberen Druckerzeugungszylinder 31 an seinem oberen Totpunkt, so dass der zweite Verdichtungsraum 34 nicht mehr erkennbar ist. Der erste Verdichtungsraum 33 weist hingegen sein maximales Volumen auf. Für den in 2 unten dargestellten Druckerzeugungszylinder 31 gilt das Gegenteilige. Der erste Verdichtungsraum 33 ist nicht erkennbar, da der Druckerzeugungskolben 32 den unteren Totpunkt erreicht hat. Der zweite Verdichtungsraum 34 weist jedoch sein maximales Volumen auf.
Die erste Ventilplatte 60 ist zwischen dem ersten Zylinderkopf 40 und dem Zylinderblock 30 angeordnet. Die erste Ventilplatte 60 umfasst ein erstes Einlassventil 64, das ersten Gasansaugraum 41 mit dem ersten Verdichtungsraum 33 verbindet. Ferner ist in der ersten Ventilplatte 60 ein erstes Auslassventil 65 ausgebildet, das den ersten Verdichtungsraum 33 mit dem ersten Gassammelraum 42 verbindet.
Die zweite Ventilplatte 70 ist im Wesentlichen analog aufgebaut. Sie weist ein zweites Einlassventil 74 auf, das den zweiten Gassammelraum 51 mit dem zweiten Verdichtungsraum 34 verbindet. Ferner umfasst die zweite Ventilplatte 70 ein zweites Auslassventil 75, das den zweiten Verdichtungsraum 34 mit dem zweiten Gassammelraum 52 verbindet.
In 2 gut zu erkennen sind auch die Kühlkanäle 16, die zur Kühlung des Hubkolbenkompressors genutzt werden. Die Kühlkanäle 16 erstrecken sich vorzugsweise ringförmig über den Umfang des Hubkolbenkompressors. Insbesondere ist im Bereich des Triebwerksgehäuses 10, insbesondere im Bereich des elektrischen Antriebs 12, ein Kühlkanal 16 ausgebildet. Ein weiterer Kühlkanal 16 ist im Führungsblock 20 ausgebildet, wobei sich dieser Kühlkanal 16 auch in den ersten Zylinderkopf 40 erstreckt.
3 zeigt einen Detailausschnitt des Hubkolbenkompressors im Bereich des Führungsblocks 20 des ersten Zylinderkopfs 40 und des Zylinderblocks 30. Besonders gut zu erkennen ist die Verbindung der Koppelstange 24 mit dem Führungskolben 22. Der Führungskolben 22 umfasst eine Gewindebohrung, in die ein Gewindefortsatz 25 der Koppelstange 24 eingreift. Die Gewindeverbindung ist erheblich kürzer als der Führungskolben 22, wodurch Fluchtfehler, die sich gegebenenfalls bei der Herstellung des Hubkolbenkompressors ergeben, automatisch ausgeglichen werden. Ferner weist die Koppelstange 24 in der Nähe des Führungskolbens 22 eine Ringkerbung 26 auf. Die Ringkerbung 26 ist dabei so positioniert, dass sie das Abdichtelement 43, das im ersten Zylinderkopf 40 angeordnet ist, im Betrieb nicht erreicht. Die Ringkerbung 26 trägt ebenfalls zum Ausgleich etwaig auftretender Fluchtfehler bei.
Der Führungskolben 22 liegt gleitend an der Innenwand des Führungszylinders 21 an. Zur Abdichtung ist ein Dichtungsring 23 vorgesehen, der in einer Ringnut des Führungskolbens 22 angeordnet ist. Die über eine beträchtliche Länge bestehende Gleitverbindung zwischen dem Führungskolben 22 und dem Führungszylinder 21 sorgt für eine Kreuzkopfführung für die Koppelstange 24. So ist auch bei Unwuchten in der Taumelscheibe sichergestellt, dass kaum Kippmomente auf die Koppelstange 24 wirken, so dass diese gut und kontinuierlich linear geführt ist. Damit ist wiederrum gewährleistet, dass der Verschleiß des Abdichtelements 43 gering ist und so eine Abdichtung des Triebwerkraums 11 gegenüber dem ersten Verdichtungsraum 33 bzw. zwischen der ölführenden Seite und der ölfreien Seite des Hubkolbenkompressors gewährleistet ist.
In 4 ist die erste Ventilplatte 60 nochmals im Detail dargestellt. Es ist erkennbar, dass die erste Ventilplatte 60 eine erste Auslassventilscheibe 61, eine erste Einlassventilscheibe 62 und eine dazwischen angeordnete Haltescheibe 63 aufweist. Die Haltescheibe 63 umfasst mehrere Bohrungen, insbesondere für jeden Druckerzeugungszylinder 31 eine Einlassbohrung 29, zwei Auslassbohrungen 28 und eine Durchführung 27. Die Durchführung 27 dient dazu, die Koppelstange 24 durch die erste Ventilplatte 60 zu führen. Auf der Einlassbohrung 29 liegt das erste Einlassventil 64 auf. Das erste Einlassventil 64 ist, wie vorzugsweise alle Ventile der beiden Ventilplatten 60, 70, als Flatterventil ausgebildet. Die Auslassbohrungen 28 sind bei der ersten Ventilplatte 60 durch jeweils ein erstes Auslassventil 65 abgedeckt. Die erste Ventilplatte 60 weist also für jeden Druckerzeugungszylinder 31 zwei erste Auslassventile 65 auf.
Zentral in der ersten Ventilplatte 60 ist eine Öffnung vorgesehen, die dafür sorgt, dass der erste Gassammelraum 42 Zugang zum Verbindungsraum 35 erhält.
Die zweite Ventilplatte 70, die in 5 dargestellt ist, weist einen ähnlichen Aufbau auf. So umfasst die zweite Ventilplatte 70 eine zweite Auslassventilscheibe 71, eine zweite Einlassventilscheibe 72 und eine dazwischen angeordnete zweite Haltescheibe 73. Die zweite Auslassventilscheibe 71 umfasst mehrere zweite Auslassventile 75. Im Unterschied zur ersten Auslassventilscheibe 61, die für jeden Druckerzeugungszylinder 31 zwei erste Auslassventile 65 vorsieht, weist die zweite Auslassventilscheibe 71 ein einziges zweites Auslassventil 75 für jeden Druckerzeugungszylinder 31 auf.
Die zweite Einlassventilscheibe 72 umfasst mehrere zweite Einlassventile 74. Die Haltescheibe 73 weist im Wesentlichen analog zur ersten Haltescheibe 63 mehrere Einlassbohrungen 29 auf, die von den zweiten Einlassventilen 74 abgedeckt sind. Ferner sind in der zweiten Haltescheibe 73 mehrere Auslassbohrungen 28 vorgesehen, die von den zweiten Auslassventilen 75 abgedeckt sind. Im Unterschied zur ersten Haltescheibe 63 ist bei der zweiten Haltescheibe 73 für jeden Druckerzeugungszylinder 31 nur eine Auslassbohrung 28 vorgesehen. Eine Durchführung 27 wie bei der ersten Haltescheibe 63 ist bei der zweiten Haltescheibe 73 nicht erforderlich, da die Koppelstange 24 vor der zweiten Ventilplatte 70 endet.
Die Funktionsweise des Hubkolbenkompressors erklärt sich anhand von 2 besonders anschaulich. Der Hubkolbenkompressor bewirkt eine Verdichtung von Druckluft, die ausschließlich im ölfreien Abschnitt des Hubkolbenkompressors zirkuliert.
Die Druckluft gelangt als Niederdruckluft zunächst über die Einlassöffnung 53 in den zweiten Gasansaugraum 51. Der zweite Gasansaugraum 51 sammelt die Niederdruckluft und gibt diese über den Luftzuführkanal 36 an den ersten Gasansaugraum 41 weiter. Im ersten Gasansaugraum 41, im zweiten Gasansaugraum 51 und im Luftzufuhrkanal 36 liegt somit Niederdruckluft vor. Wenn nun der Druckerzeugungskolben 32 im Druckerzeugungszylinder 31 von einem Totpunkt zum nächsten geführt wird, so wird einerseits aus einem der Gasansaugräume 41, 51 Niederdruckluft angesaugt. Bei der Darstellung gemäß 2 ist beispielsweise der obere Druckerzeugungskolben in seinem oberen Totpunkt angelangt, so dass der erste Verdichtungsraum 33 mit Niederdruckluft gefüllt ist. Beim Ansaugvorgang öffnet sich das entsprechende Einlassventil 64, 65 und lässt so aus dem jeweils zugeordneten Gasansaugraum 41, 51 Niederdruckluft in den jeweiligen Verdichtungsraum 33, 34 einströmen.
Bei der Bewegung des Druckerzeugungskolbens 32 erfolgt einerseits ein Ansaugen von Niederdruckluft aus dem jeweils zugeordneten Gasansaugraum 41, 51. Gleichzeitig verdrängt der Druckerzeugungskolben 32 zuvor im gegenüberliegenden Verdichtungsraum 34 angesaugte Niederdruckluft und erzeugt dadurch eine Hochdruckluft. Bei der Darstellung gemäß 2 ist beispielsweise erkennbar, dass der zweite Verdichtungsraum 34 zunächst Niederdruckluft enthält. Sobald der Druckerzeugungskolben 32 vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt, also in Richtung des zweiten Zylinderkopfs 50, bewegt wird, wird der Verdichtungsraum 34 verkleinert, wodurch die darin enthaltene Niederdruckluft komprimiert wird. Durch diese Verdichtung entsteht Hochdruckluft, die über das zweite Auslassventil 75 in den zweiten Gassammelraum 52 gelangt.
Hochdruckluft, die bei einer gegenläufigen Bewegung des Druckerzeugungskolbens 32, also in Richtung zum ersten Zylinderkopf 40, erzeugt wird, gelangt über das erste Auslassventil 65 in den ersten Gassammelraum 42. Über den Verbindungsraum 35 gelangt die Hochdruckluft aus dem ersten Gassammelraum 42 in den zweiten Gassammelraum 52. Die insgesamt im zweiten Gassammelraum 52 gesammelte Hochdruckluft verlässt den Hubkolbenkompressor dann über die Auslassöffnung 54.
Der in 2 dargestellte Hubkolbenkompressor ist im Wesentlichen als einstufiger Hubkolbenkompressor ausgelegt. Das bedeutet, dass die über die Einlassöffnung 53 eintretende Niederdruckluft lediglich einmal verdichtet und als Hochdruckluft 52 ausgegeben wird. Es ist allerdings auch möglich, den Hubkolbenkompressor als zwei- oder mehrstufigen Hubkolbenkompressor auszulegen. So können beispielsweise insgesamt sechs Druckerzeugungszylinder 31 vorgesehen sein, wobei drei Druckerzeugungszylinder 31 eine Vorverdichtung zu einem Mittelluftdruck durchführen, wobei den anderen drei Druckerzeugungszylindern 31 diese Mitteldruckluft über die Einlassventile 64, 74 zugeführt wird. Die anderen Druckerzeugungszylinder 31 verdichten dann diese Mitteldruckluft weiter zu einer Hochdruckluft.
Alternativ ist es auch möglich, dass jeder einzelne Druckerzeugungszylinder 31 einerseits eine Vorverdichtung und andererseits eine Nachverdichtung durchführt. So können beispielsweise alle ersten Verdichtungsräume 33 eine Niederdruckluft zu einer Mitteldruckluft verdichten und alle zweiten Verdichtungsräume 34 dann die Mitteldruckluft zu einer Hochdruckluft nachverdichten. Der Hubkolbenkompressor ist vorzugsweise zu ausgelegt, dass eine Hochdruckluft mit einem Druck von mindestens 10 bar erzeugbar ist.
Wie aus 2 außerdem ersichtlich ist, weisen der erste Gassammelraum 42, der Verbindungsraum 35 und der zweite Gassammelraum 52 jeweils vergleichsweise große Volumina auf, wogegen der Durchmesser der Auslassöffnung 54 insbesondere gegenüber dem zweiten Gassammelraum 52 kleiner ist. Dadurch wird ein Windkesseleffekt in den Gassammelräumen 42, 52 und dem Verbindungsraum 53 erreicht. Das bedeutet, dass die pulsierend aus den Druckerzeugungszylindern 31 ausgestoßene Druckluft hinsichtlich Ihrer Druckschwankungen geglättet wird. Der Windkesseleffekt sorgt also dafür, dass über die Austrittsöffnung 52 relativ kontinuierlich eine Hochdruckluft abgegeben wird.
Bezugszeichenliste

10: Triebwerksgehäuse
11: Triebwerksraum
12: elektrischer Antrieb
13: Antriebswelle
14: Taumelscheibe
15: Wellenlager
16: Kühlkanal
20: Führungsblock
21: Führungszylinder
22: Führungskolben
23: Dichtungsring
24: Koppelstange
25: Gewindefortsatz
26: Ringkerbung
27: Durchführung
28: Auslassbohrung
29: Einlassbohrung
30: Zylinderblock
31: Druckerzeugungszylinder
32: Druckerzeugungskolben
33: erster Verdichtungsraum
34: zweiter Verdichtungsraum
35: Verbindungsraum
36: Luftzufuhrkanal
40: erster Zylinderkopf
41: erster Gasansaugraum
42: erster Gassammelraum
43: Abdichtelement
50: zweiter Zylinderkopf
51: zweiter Gasansaugraum
52: zweiter Gassammelraum
53: Einlassöffnung
54: Auslassöffnung
60: erste Ventilplatte
61: erste Auslassventilscheibe
62: erste Einlassventilscheibe
63: erste Haltescheibe
64: erstes Einlassventil
65: erstes Auslassventil
70: zweite Ventilplatte
71: zweite Auslassventilscheibe
72: zweite Einlassventilscheibe
73: zweite Haltescheibe
74: zweites Einlassventil
75: zweites Auslassventil
80: Elektronikgehäuse
81: Elektronikraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0994252 B1 [0002]
EP 0859151 B1 [0002]
US 3749523 A [0005]

Claims

Hubkolbenkompressor zur Erzeugung ölfreier Druckluft mit wenigstens einem Führungskolben (22) und einem Druckerzeugungskolben (32), wobei der Führungskolben (22) mit einer Taumelscheibe (14) gekoppelt ist und der Druckerzeugungskolben (32) ölfrei in einem Druckerzeugungszylinder (31) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungskolben (22) in einem Führungszylinder (21) geführt und über eine Koppelstange (24) mit dem Druckerzeugungskolben (32) verbunden ist, wobei die Koppelstange (24) durch wenigstens ein Abdichtelement (43) geführt ist, das einen Triebwerksraum (11) und einen Verdichtungsraum (33) voneinander abdichtet und der Führungskolben (22) als Kreuzkopfführung für die Koppelstange (24) wirkt, und wobei ein elektrischer Antrieb (12) im Triebwerksraum (11) angeordnet ist.
Hubkolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Triebwerksraum (11) von einem Triebwerksgehäuse (12) umschlossen ist.
Hubkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckerzeugungszylinder (31) beidseitig jeweils ein Einlassventil (64, 74) und ein Auslassventil (65, 75) aufweist, so dass der Druckerzeugungskolben (32) beidseitig druckerzeugend wirksam ist.
Hubkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckerzeugungszylinder (31) in einem Zylinderblock (30) angeordnet ist, der auf einer dem Triebwerksraum (11) zugewandten Seite durch eine erste Ventilplatte (60) und auf einer dem Triebwerksraum (11) abgewandten Seite durch eine zweite Ventilplatte (70) abgedeckt ist.
Hubkolbenkompressor nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckerzeugungskolben (32) in dem Druckerzeugungszylinder (31) zwei Verdichtungsräume (33, 34) begrenzt, wobei die erste Ventilplatte (60) ein erstes Einlassventil (64) und ein erstes Auslassventil (65) bildet, die einem ersten Verdichtungsraum (33) zugeordnet sind, und wobei die zweite Ventilplatte (70) ein zweites Einlassventil (74) und ein zweites Auslassventil (75) bildet, die dem zweiten Verdichtungsraum (34) zugeordnet sind.
Hubkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungszylinder (21) in einem Führungsblock (20) angeordnet ist, der mit dem Triebwerksraum (11), insbesondere dem Triebwerksgehäuse (10), verbunden ist.
Hubkolbenkompressor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ventilplatte (60) mit einem ersten Zylinderkopf (40) und die zweite Ventilplatte (70) mit einem zweiten Zylinderkopf (50) abgedeckt sind, wobei der erste Zylinderkopf (40) mindestens einen ersten Gassammelraum (42) und der zweite Zylinderkopf (50) mindestens einen zweiten Gassammelraum (52) aufweisen.
Hubkolbenkompressor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderblock (30) einen Verbindungsraum (35) aufweist, der den ersten Gassammelraum (42) des ersten Zylinderkopfs (40) mit dem zweiten Gassammelraum (52) des zweiten Zylinderkopfs (50) verbindet.
Hubkolbenkompressor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zylinderkopf (50) eine Auslassöffnung (54) für Druckluft und/oder eine Einlassöffnung (53) für Niederdruckluft aufweist.
Hubkolbenkompressor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass erste Zylinderkopf (40) einen ersten Gasansaugraum (41) und der zweite Zylinderkopf (50) einen zweiten Gasansaugraum (51) aufweisen, wobei der Zylinderblock (30) wenigstens einen Luftzufuhrkanal (36) aufweist, der den zweiten Gasansaugraum (52) mit dem ersten Gasansaugraum (41) verbindet.
Hubkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Triebwerksraum (11), insbesondere wenigstens das Triebwerksgehäuse (10), flüssigkeitsgekühlt, insbesondere wassergekühlt, ist.
Hubkolbenkompressor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlhülle mit Kühlkanälen vorgesehen ist, die das Triebwerksgehäuse (10), den Führungsblock (20), den Zylinderblock (30), die erste Ventilplatte (60), die zweite Ventilplatte (70), den ersten Zylinderkopf (40) und/oder den zweiten Zylinderkopf (50), insbesondere eine gesamte Außenumfangsfläche des Hubkolbenkompressors, ummantelt.
Hubkolbenkompressor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine schall- und/oder vibrationsabsorbierende Schutzumhüllung vorgesehen ist, die sich um die Kühlhülle erstreckt.
Hubkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdichtungsraum (33) und der zweite Verdichtungsraum (34) desselben Druckerzeugungszylinders (31) und/oder mehrere erste Verdichtungsräume (33) und/oder mehrere zweite Verdichtungsräume (34) verschiedener Druckerzeugungszylinder (31) miteinander so fluidverbunden sind, dass eine zweistufige Verdichtung bewirkt wird.
Druckluftanlage eines Lastkraftfahrzeugs, insbesondere eines hybrid- oder vollelektrischen Lastkraftfahrzeugs, mit einem Hubkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verwendung eines Hubkolbenkompressors nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Drucklufterzeuger in einer Druckluftanlage, insbesondere Druckluftbremsanlage, eines Lastkraftfahrzeugs, insbesondere eines hybrid- oder vollelektrischen Lastkraftfahrzeugs.