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Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine oder Verdichter zur Verdichtung eines Fluides, insbesondere Umgebungsluft, für ein Druckluftsystem eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Zylindergehäuse, einen Kolben, der im Kolbenraum des Zylindergehäuses auf- und abwärts bewegbar ist und einen Zylinderkopf.
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Der Zylinderkopf eines derartigen Verdichters weist in der Regel eine Ventilträgerplatte auf, an der dann je Zylinder ein Lamellenventil befestigt ist. Dieses Lamellenventil weist Bereiche auf, die als Anschlagohr bekannt sind, wobei ein oder zwei Anschlagohren vorgesehen sein können, die jeweils eine Stützfläche aufweisen. In einer ersten Stellung des Lamellenventils liegt das Lamellenventil flächig an der Ventilträgerplatte an. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens, bei der das Lamellenventil durch die Saugkraft in Richtung der Abwärtsbewegung von der Ventilträgerplatte abgehoben wird, bewegt sich das Lamellenventil in eine zweite Stellung, bei der die Stützflächen auf Anschlagflächen aufschlagen, wodurch die Bewegung begrenzt wird.
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Die Anschlagflächen sind bei jeder Bewegung in die zweite Stellung, die Offenstellung des Ventils, einem Schlag ausgesetzt, bei dem ein Anschlagohr mit der Stützfläche auf die Anschlagfläche schlägt. Um dieser Belastung auf die Anschlagflächen wiederstehen zu können, ist es erforderlich, dass dieser Bereich eine erhöhte Dämpfungseigenschaft, Druckfestigkeit und Verschleißfestigkeit aufweist. Dies erreicht man, wenn das Zylindergehäuse beispielsweise aus Grauguss gefertigt wird oder wenn Einsteckbuchsen verwendet werden die entsprechende Eigenschaften aufweisen.
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Weiterhin werden Beschichtungen eingesetzt die die Verschleißfestigkeit verbessern. Ein weiteres Problem bei bestehenden Konstruktionen ist das Abscheren oder Abbrechen der Ohren. Durch das Aufeinanderschlagen der Bauteile bildet sich eine scharfe Kante zwischen Zylinderwand und Anschlagfläche, die dann eine Scherwirkung auf das Lamellenventil ausübt bis das Ohr abbricht. Dies führt regelmäßig zum Ausfall des Kompressors. Aus der
DE 10 2008 052 744 A1 ist ein Verfahren bekannt, mittels dem Formkörper hergestellt werden, die eine Anschlagfläche aufweisen. Durch das Herstellungsverfahren ist die Form der Anschlagfläche an die Verformung des Lamellenventils angepasst. Allerdings ist das Verfahren sehr aufwendig. Bekannt ist zudem, dass das Lamellenventil eine Haltelasche auf der gegenüberliegenden Seite der Ohren aufweist, mittels der das Lamellenventil zwischen der Ventilträgerplatte und dem Zylindergehäuse geklemmt bzw. gehalten wird. Die genaue Position des Lamellenventils wird dabei mittels zweier Stifte sichergestellt.
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Aus der
DE 10 2017 109 773 A1 ist eine weitere Lösung bekannt, bei der zwischen Zylindergehäuse und Zylinderkopf ein Zwischenelement mit Anschlagflächen vorgesehen ist. Als Zwischenteil ist hier ein Zwischenblech vorgesehen, dass durch Umformen hergestellt wird und einen Halteflächenbereich sowie Anschlagflächenbereiche aufweist. Tests haben ergeben, dass diese Lösung insbesondere bei Kompressoren mit sehr geringem Ölauswurf und relativ großem Ventilöffnungen nachteilig ist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Alternative vorzuschlagen, die die Betriebseigenschaften des Kompressors verbessern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hubkolbenmaschine entsprechend Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführung finden sich in den Unteransprüchen.
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Es wird eine Hubkolbenmaschine zur Verdichtung eines Fluides, insbesondere Umgebungsluft für ein Druckluftsystem eines Kraftfahrzeugs, vorgeschlagen, umfassend ein Zylindergehäuse mit einem Kolbenraum, einen Kolben, der im Kolbenraum auf- und abwärts bewegbar ist, und einen Zylinderkopf mit einer Ventilträgerplatte und einem daran befestigten Lamellenventil, wobei das Lamellenventil eine Stützlasche und eine Fixierlasche aufweist und wobei das Lamellenventil mittels einem Federelement im Bereich der Fixierlaschen gegen eine Dichtfläche an der Ventilträgerplatte bewegbar ist.
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Um die Betriebseigenschaften zu verbessern wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zwischen Zylindergehäuse und Ventilträgerplatte des Zylinderkopfs ein Funktionselement mit einer Aufschlagfläche angeordnet ist, wobei das Funktionselement eine Dicke zwischen 3 mm und 10 mm aufweist. Die Ausführung als separates Bauteil mit den Aufschlagflächen hat den Vorteil, dass das Funktionselement sehr leicht austauschbar und/oder an unterschiedliche Bedingungen anpassbar ist. Weiterhin sind sehr leicht weitere Funktionen in das Funktionselement integrierbar.
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In einer bevorzugten Ausführung kann weiterhin vorgesehen sein, dass in der Ventilträgerplatte ein Freiraum mit einer Stützfläche vorgesehen ist, die vorzugsweise derart ausgeführt ist, dass die Stützlasche des Lamellenventils in diesen Freiraum hineinbewegbar ist und sich an der Stützfläche abstützen kann.
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Weiterhin können am Funktionselement zumindest zwei Anschlagbereiche mit jeweils einer Anschlagfläche vorgesehen sein. In der Offenstellung des Lamellenventils, in der das Lamellenventil von der Ventilträgerplatte abgehoben ist, wird die Bewegung des Lamellenventils in den Kolbenraum durch die Auflage auf den Anschlagflächen begrenzt. Die Anschlagflächen sind dabei derart angeordnet, dass sich das Lamellenventil in der maximalen Offenstellung an die Anschlagflächen im Wesentlichen vollflächig anlegen.
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In der bevorzugten Ausführung weist der Kolbenraum zwei Raumbereiche auf, wobei der erste Raumbereich vom Zylindergehäuse und der zweite Raumbereich vom Funktionselement gebildet wird, wobei der Kolben in den zweiten Raumbereich bewegbar ist. Durch diese Ausführung ist es möglich, dass das Funktionselement auch eine größere Dicke aufweisen kann und so die Funktionalität wie auch die Herstellbarkeit verbessert wird.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass an der Ventilträgerplatte eine Führungskante und am Funktionselement eine Stützkante vorgesehen sind, wobei die Stützlasche zwischen diesen Kanten beweglich gelagert ist. Dabei ist unter beweglich zu verstehen, dass eine Bewegung des Lamellenventils, insbesondere der Stützlasche, möglich ist und ein Längenausgleich stattfinden kann, der bei der Durchbiegung des Lamellenventils auftritt, wenn sich das Lamellenventil in die Offenstellung bewegt.
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Die Stützkante ist zwischen Anschlagfläche und Aufschlagfläche am Funktionselement und die Führungskante ist zwischen der Stützfläche und der Dichtfläche an der Ventilträgerplatte angeordnet.
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Die Anschlagfläche ist weiterhin im Wesentlichen parallel zur Anschlagfläche anordnet, wobei die Flächen einen Abstand zueinander haben, der um 5% bis 20% größer ist als die Dicke des Lamellenventils im Bereich der Stützlasche.
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Weiterhin bevorzugt sind die Anschlagfläche und die Aufschlagfläche mit einem Winkel α zwischen 10° und 20° zur Dichtfläche angeordnet sind.
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Um die Aufschlagkräfte auf die Aufprallfläche gering zu halten, sind die Dichtflächen parallel zur Aufprallfläche angeordnet, wobei die Flächen ein Abstand zueinander haben, der um 5% bis 20% größer ist als die Dicke des Lamellenventils im Bereich der Stützlasche.
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Vorzugsweise sind die Stützkante und die Führungskante als abgerundete Kanten ausgeführt. Das Funktionselement kann aus einem Kunststoffmaterial bestehen, wobei insbesondere ein Polyetheretherketon (PEEK) verwendet werden kann. Ein Kunststoffmaterial reduziert den Verschleiß an Lamellenventil erheblich und kann mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt werden. Alternativ kann das Funktionselement aus einem metallischen Material besteht.
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Des Weiteren kann das Funktionselement als Ringelement oder als Zwischenscheibe ausgeführt sein. Bei der Ausführung als Ringelement könne ein für jede Verdichtungsstufe eines Kompressors angepasstes Funktionselement eingesetzt werden.
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Bei der Ausführung als Zwischenscheibe kann das Funktionselement auch Fluidkanalabschnitte aufweisen, durch die ein Fluidstrom vom Zylindergehäuse zum Zylinderkopf leitbar ist.
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In einer bevorzugten Ausführung kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Funktionselement beidseitig Dichtkonturen aufweist, die zusätzliche Dichtelemente zur Trennung von Kolbenraum und Fluidkanälen überflüssig machen. Dichtkonturen können Sicken oder mittels eines aufgetragenen Dichtmittels hergestellte Konturen sein.
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Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand der Figuren beschrieben. Die beiliegenden Figuren zeigen im Einzelnen:
- 1 Explosionsskizze von oben auf eine Hubkolbenmaschine
- 2 Explosionsskizze von unten auf die Ventilträgerplatte
- 3 Detaildarstellung der Anschlagssituation des Lamellenventils
- 4 Detailansicht auf eine Aufschlagfläche und Anschlagfläche
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In 1 und 2 ist jeweils eine Explosionsskizze zu sehen, in denen die Hubkolbenmaschine 1 oder der Kompressor einmal von oben und unten dargestellt ist. Der dargestellte Kompressor ist ein zweistufiger Kompressor mit einer Vorverdichterstufe und einer Nachverdichterstufe.
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Der Zylinderkopf 4 setzt sich aus mehreren Bauteilen zusammen, wobei der allgemeine Aufbau aus dem StdT im Wesentlichen bekannt ist. Lediglich die Ventilträgerplatte 5 und die dazugehörigen Lamellenventile 6a, b unterscheiden sich vom StdT. Jedes der Lamellenventile 6a, b weist eine Stützlasche 7a, b und eine Fixierlasche 8a, b auf und wird mittels einem Federelement 15a, b im Bereich der Fixierlaschen 8a, b gegen die Ventilträgerplatte 5 gedrückt, so dass die Lamellenventile 6a, b in der Schließstellung gegen die Ventilträgerplatte 5 bzw. die Dichtfläche 21 der Ventilträgerplatte 5 bewegt werden.
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Zwischen dem Zylindergehäuse 2 und dem Zylinderkopf 4 ist das Funktionselement 11 dargestellt. Das Funktionselement 11 ist hier als Platte ausgeführt, die neben den Aussparungen für den Kolben 14 auch Fluidkanäle 22 aufweist, durch die Kühlwasser und/oder komprimierte Luft zwischen Zylinderkopf 4 und Zylindergehäuse geleitet wird.
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In der Draufsicht auf das Funktionselement 11 sind weiterhin Vertiefungen dargestellt, die einmal zur Aufnahme der Fixierlaschen 8a, b und einmal zu Aufnahme der Stützlaschen 7a, b vorgesehen sind. In 1 sind auch Zentrierstifte zu erkennen mittels denen die Federelemente 15a, b und die Lamellenventile 6 a, b in Position gehalten werden, wie es auch aus dem StdT bekannt ist.
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Die Kolbenräume der beiden Stufen setzen sich aus jeweils zwei Raumbereichen zusammen, wobei die ersten Raumbereich 3a bzw. 3a' jeweils im Zylindergehäuse 2 und die zweiten Raumbereiche 3b bzw. 3b' jeweils im Funktionselement 11 angeordnet sind. Die Kolben 14a und 14b bewegen sich somit in beiden Raumbereichen 3a, b bzw. 3a', b'.
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Zur Abdichtung der Kolbenräume 3a, b, 3a'b' und der Fluidkanäle 22 zueinander können beidseitig des Funktionselementes 11 Dichtungen, insbesondere Metallsickendichtungen, eingesetzt werden, wobei die Dicke einer derartigen Dichtung mit in das Abstandsmaß der Flächen mit eingerechnet werden muss. Alternativ können die Dichtungskonturen auch direkt auf das Funktionselement aufgetragen oder eingearbeitet werden.
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In 3 wird eine Detaildarstellung der Anschlagssituation des Lamellenventils 6a gezeigt. Zu erkennen ist die Ventilträgerplatte 5 mit einem Ansaugkanal 20, der mittels dem Lamellenventil 6a gegenüber dem Kolbenraum 3a, b verschlossen ist. Das Lamellenventil befindet sich somit in der Schließstellung, in der es durch das hier nicht dargestellte Federelement 15a gehalten wird. Das Lamellenventil 6 liegt vollflächig auf der Dichtfläche 21 auf.
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Im Bereich der Stützlasche 7a ist in der Ventilträgerplatte ein Freiraum 24a vorgesehen in dem eine Stützfläche 12a vorgesehen ist. Die Stützfläche 12a ist in einem Winkel α zu Dichtfläche 21 angeordnet, wobei der Übergangsbereich zwischen den Flächen 12a, 21 durch die Führungskante 16a gebildet wird. Die Führungskante 16a ist vorzugsweise abgerundet. Der Winkel α kann zwischen 10° und 20 ° betragen.
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Das Funktionselement 11 weist im Bereich der Stützlasche 7a eine Vertiefung auf in der die Aufschlagfläche 10a und die Anschlagfläche 9a angeordnet sind. Dabei ist die Aufschlagfläche 10a im Wesentlichen parallel zur Dichtfläche 21 angeordnet sind, wobei die Flächen 10, 21 ein Abstand zueinander haben, der um 5% bis 20% größer ist als die Dicke des Lamellenventils 6a im Bereich der Stützlasche 7a. Dieses relativ geringe Übermaß hat den Effekt, dass die Stützlasche 7a eine kleine Bewegung in Hubrichtung machen kann, bevor sie auf die Aufschlagfläche 10a aufschlägt, wenn das Lamellenventil 6a in die Offenstellung bewegt wird.
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Die Anschlagfläche 9a ist in einem Winkel α zur Aufschlagfläche 10a bzw. Dichtfläche 21 angeordnet, wobei der Übergangsbereich zwischen den Flächen 10a, 9a durch die Stützkante 17a gebildet wird. Die Stützkante 17a ist vorzugsweise abgerundet. Die Anschlagfläche 9a ist im Wesentlichen parallel zur Stützfläche 12a angeordnet, wobei die Flächen 9a, 12a zueinander einen Abstand haben, der um 5% bis 20% größer ist als die Dicke des Lamellenventils 6a im Bereich der Stützlasche 7a.
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Durch diese geometrische Anordnung von Anschlagfläche 9a, und Stützfläche 10a zueinander, Winkel und Abstand, ergeben sich an der Ventilträgerplatte 5 eine Führungskante 16a und am Funktionselement 11 eine Stützkante 17a zwischen denen die Stützlasche 7a beweglich gelagert ist.
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Der Ablauf im Betrieb des Kompressors wird nachfolgend für eine Verdichterstufe beschrieben:
- - bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 14a wird das Lamellenventil 6a gegen die Dichtfläche 21 gedrückt und verschließt somit den Ansaugkanal 20;
- - bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 14a entsteht eine Saugwirkung, so dass Umgebungsluft über den Ansaugkanal 20 in den Kolbenraum 3a, b gesaugt wird, so dass das Lamellenventil 6a von der Dichtfläche 21 abgehoben wird;
- - Sobald die Stützlasche 7a auf der Aufschlagfläche 10a aufschlägt und die Strömungskräfte der Umgebungsluft auf das Lamellenventil 6a weiter zunehmen, biegt sich das Lamellenventil 6a durch und wird im Bereich der Stützlasche 7a von der Stützkante 17 a abgestützt;
- - mit stärker werdender Durchbiegung des Lamellenventils 6a kommt es schließlich dazu, dass die Stützlasche 7a mit ihrer Oberseite gegen die Stützfläche 12a und ihrer Unterseite gegen die Anschlagfläche 9a stößt bzw. an diesen anliegt;
- - Sobald der Kolben 14a wieder in die Aufwärtsbewegung übergeht, erfolgt eine Belastungsänderung und das Lamellenventil 6a wird im Bereich der Stützlasche 7a an der Führungskante 16a abgestützt bis das Lamellenventil 6a wieder vollflächig auf der Dichtfläche anliegt.
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Das geringfügig größere Abstandsmaß von Stützfläche 12a zur Anschlagfläche 10a gegenüber der Dicke der Stützlasche 7a führt dazu, dass die Stützlasche 7a zwischen den Flächen 9a und 12a geführt wird. Weiterhin ändern sich je nach Durchbiegung die Berührungsflächen mit der die Stützlasche 7a an einer der Flächen 9a, 12a anliegt. Die Stützlasche 7a ist somit zwischen der Stützkante 17a und der Führungskante 16a beweglich gelagert und auf der Seite der Fixierlasche 8a über die Stifte 25 und das Federelement geführt und in der Bewegung eingeschränkt.
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4 zeigt eine Detailansicht des Funktionselements 11. Zu erkennen ist die Aufschlagfläche 10a und die Anschlagfläche 9a die über die Stützkante 17a verbunden sind.
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Auf die Darstellung als Ringelement oder sogar als einlegbare Ringsegmente wird hier Aufgrund der gleiche Funktion verzichtet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hubkolbenmaschine
- 2
- Zylindergehäuse
- 3a,b
- Kolbenraum
- 4
- Zylinderkopf
- 5
- Ventilträgerplatte
- 6a, b
- Lamellenventil
- 7a, b
- Stützlasche
- 8a, b
- Fixierlasche
- 9a, b
- Anschlagfläche
- 10a, b
- Aufschlagfläche
- 11
- Funktionselement
- 12a, b
- Stützfläche
- 13
- Dichtung
- 14 a, b
- Kolben
- 15a, b
- Federelement
- 16a, b
- Führungskante
- 17a, b
- Stützkante
- 18a, b
- Anschlagbereiche
- 19
- Kolbenring
- 20
- Ansaugkanal
- 21
- Dichtfläche
- 22
- Fluidkanal
- 23
- Kühlkanal
- 24
- Freiraum
- 25
- Stift
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008052744 A1 [0004]
- DE 102017109773 A1 [0005]
