DE10355442A1 - Luftversorgungsanlage und Verfahren zur Kühlung einer oder mehrerer Baugruppen der Luftversorgungsanlage - Google Patents

Luftversorgungsanlage und Verfahren zur Kühlung einer oder mehrerer Baugruppen der Luftversorgungsanlage Download PDF

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Abstract

Die Kompressoren einer Luftversorgungsanlage sind einer großen Wärmeentwicklung ausgesetzt und müssen daher ständig gekühlt werden. DOLLAR A Dazu ist es bekannt, separate Kühlkreisläufe zu verwenden oder vom angesaugten Saugstrom des Kompressors einen Teilstrom abzuzweigen und zur Kühlung einzusetzen. Das geht aber zu Lasten der Kompressionsleistung. DOLLAR A Es wird daher eine Luftversorgungsanlage und ein entsprechendes Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Kühlkanäle (15) des Kompressors mit einer Druckmittelkammer der Luftversorgungsanlage verbunden sind, um so die nicht nutzbare Luftmenge zum Beispiel im Luftdruckspeicher (14) oder in den Luftverbrauchereinheiten zu nutzen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Luftversorgungsanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7. Luftversorgungsanlagen und Verfahren dieser Art werden beispielsweise für die Niveauregelung von Kraftfahrzeugen eingesetzt.
  • Eine solche Luftversorgungsanlage ist aus der EP 1 243 447 A2 bekannt. Diese Luftversorgungsanlage besteht im wesentlichen aus einer Luftversorgungseinheit und mehreren Luftfeder-Dämpfereinheiten zur Abstützung des Fahrzeugaufbaus.
  • Zur Luftversorgungseinheit gehören in der Hauptsache ein Kompressor und ein Luftdruckspeicher. Dabei besitzt der Kompressor eine erste Saugleitung mit einem Anschluss zur Atmosphäre und eine Speicherdruckleitung, die über einen Lufttrockner zu einem Luftdruckspeicher führt. Damit versorgt der Kompressor den Luftdruckspeicher mit frischer Luft aus der Atmosphäre. Der Kompressor besitzt obendrein über eine zweite Saugleitung Anschluss an die Luftfeder-Dämpfereinheiten. Über diese zweite Saugleitung und über seine Speicherdruckleitung füllt der Kompressor Druckluft aus den Luftfeder-Dämpfereinheiten in den Luftdruckspeicher um. Der Kompressor besitzt über eine dritte Saugleitung Anschluss an den Luftdruckspeicher und über eine Federdruckleitung Verbindung zu den Luftfeder-Dämpfereinheiten. Dadurch wird Druckluft aus dem Luftdruckspeicher in die Luftfeder-Dämpfereinheiten befördert.
  • Ein so verbauter Kompressor unterliegt einer starken Wärmeentwicklung, die zunächst in der Aufnahme von Strahlungswärme von anderen Aggregaten begründet wird. In der Hauptsache erwärmt sich der Kompressor aber durch die bei der Kompression des Gases freiwerdende Wärme. Diese Erwärmung tritt im verstärkten Maße bei mehrstufigen Kompressoren auf, wo mit höheren Drücken gearbeitet wird. Die hohe Wärmebelastung des Kompressors hat wesentliche Nachteile. So erhöht sich die Wasseraufnahmefähigkeit des verdichteten Gases, sodass dann größere Anstrengungen bei der nachfolgenden Trocknung des Gases unternommen werden müssen. Das verteuert die Luftversorgungsanlage. Die hohe Wärmebelastung führt aber auch dazu, dass nur hitzebeständige Materialien eingesetzt werden dürfen. Das verteuert den Kompressor. Ein wesentlicher Nachteil besteht aber darin, dass ein solcher, einer hohen Wärmeentwicklung unterliegenden Kompressor, längere Abkühlzeiten benötigt und daher nur relativ kurze Einschaltzeiten aufweist.
  • Es sind nun eine Reihe von Lösungen bekannt, das Zylindergehäuse bzw. den Zylinderkopf des Kompressors abzukühlen und so der Wärmeentwicklung entgegenzuwirken. So ist aus der DE 197 15 291 A1 bekannt, den Zylinderkopf eines Kompressors mit viel Material zu umgeben, damit er viel Wärme aufnehmen kann, und ihn mit äußeren Kühlrippen auszustatten, damit er der vorbeiströmende Umgebungsluft viel Oberfläche anbietet. Die materialintensive Ausführung verteuert aber den Kompressor in unvertretbarer Weise und die Kühlrippen sind immer dann ohne besondere Wirkung, wenn der Kompressor in einer ungünstigen Lage am Fahrzeug verbaut ist oder wenn das Fahrzeug längere Standzeiten aufweist.
  • In der DE 40 26 684 ist beispielsweise eine Einrichtung zur Leistungseinsparung bei einem Kolbenverdichter, insbesondere für die Drucklufterzeugung in Kraftfahrzeugen beschrieben, in der u.a. darauf verwiesen wird, dass der Zylinderkopf mit Kühlkanälen ausgestattet sein kann, in denen zur Kühlung des Kolbenverdichters dienendes Wasser oder eine sonstige Kühlflüssigkeit strömt. Diese Kühlung hat den Nachteil, dass ein se parater und zusätzlicher Kühlkreislauf erforderlich wird, der auf Grund der engen Platzverhältnisse an einem Fahrzeug schwer zu realisieren ist und der, wenn es denn möglich ist, die Herstellungskosten einer geschlossenen Luftversorgungsanlage unvertretbar erhöht.
  • In der DE 101 38 070 A1 ist nun ein Kolbenkompressor mit einem Kühlluftstrom beschrieben, der den vom Kompressor angesaugten Luftstrom aufteilt und einen Teil des Saugstromes zur Kühlung des Zylinderkopfes bzw. des Zylindergehäuses verwendet. Die Lösung ist konstruktiv schwierig zu realisieren, insbesondere dann, wenn es sich um einen mehrstufigen Kompressor handelt. Außerdem geht der aus dem Saugstrom abgezweigte Teilstrom der Leistungsbilanz des Kompressors verloren.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Baugruppen einer gattungsgemäßen Luftversorgungsanlage mit einem Luftstrom zu kühlen, ohne dass das Leistungsvermögen der Luftversorgungsanlage beeinträchtigt wird.
  • Diese Aufgabe wird vorrichtungsseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 und verfahrungsseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 7 gelöst. Zweckdienliche Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 6 und 8 bis 11.
  • Die neue Luftversorgungsanlage beseitigt die genannten Nachteile des Standes der Technik. Dabei liegt der besondere Vorteil darin, dass als Kühlluft eine bereits vorhandene Luftmenge verwendet wird und diese Luftmenge über das in der Luftversorgungsanlage vorhanden Leitungsnetz an die zu kühlenden Baugruppen herangeführt werden kann. Dazu können die nicht mehr nutzbaren Luftmengen des Luftdruckspeichers oder die der Luftfeder-Dämpfereinheiten verwendet werden. Dass macht die Kühlung zunächst unabhängig von fremden Kühlmedien und von einem separaten Kühlkreislauf. Luftversorgungsanlagen dieser Art sind demnach sehr kostengünstig in ihrer Herstel lung. Auf Grund der Nutzung der vorhandenen Luftversorgungsanlage sind keine zusätzlichen Baugruppen oder Leitungen erforderlich, wodurch kein zusätzlicher Einbauraum für die Luftversorgungsanlage erforderlich ist. Das ist gerade im Fahrzeugbau von großer Bedeutung, weil hier nur ein begrenzter Einbauraum zur Verfügung steht. Dabei kann es für ausgewählte Anwendungsfälle durchaus zweckmäßig sein, eine separate Versorgungsleitung einzusetzen. Damit kann eine problemlose Anpassung an bestimmte räumliche Bedingungen erreicht werden. Diese Art der Kühlung geht auch nicht zu Lasten des Saugstromes des Kompressors, sodass keine Leistungsminderung bei der Luftverdichtung auftritt. Von Vorteil ist auch, dass diese Kühlung bei jeder Art von Kompressor angewendet werden kann.
  • Es ist vorteilhaft, wenn die unter Druck stehende Luft aus dem Luftdruckspeicher oder den Luftfeder-Dämpfereinheiten in oder vor den Kühlkanälen bis auf das Niveau des Atmosphärendruckes zur Expansion gebracht wird, weil dadurch eine Herabsetzung der Lufttemperatur erreicht wird. Das verbessert den Kühleffekt.
  • Zweckmäßigerweise erfolgt die Kühlung während der Ruhephase des Kompressors. Die Kühlung kann aber auch während der Kompression erfolgen, wenn die erforderliche Luftmenge einer nicht an der Kompression beteiligten Druckkammer entnommen wird. Dadurch kann der Betrieb der Luftversorgungsanlage unbeeinträchtigt aufrechterhalten bleiben.
  • Die Erfindung soll anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Dazu zeigen:
  • 1: eine vereinfacht dargestellte Luftversorgungsanlage in einer ersten Ausführungsform mit einem inneren Kühlmittelstrom,
  • 2: die Luftversorgungsanlage in der ersten Ausführungsform mit einer modifizierten Nutzung des Kühlmittelstromes,
  • 3: die Luftversorgungsanlage in einer zweiten Ausführungsform mit einem externen Kühlmittelstrom und
  • 4: die Luftversorgungsanlage in einer dritten Ausführungsform, bei dem der Kolbenverdichter von einem externen Kühlmittelstrom angestrahlt wird.
  • Wie die 1 bis 4 zeigen, ist die Luftversorgungsanlage aus Anschaulichkeitsgründen sinnbildlich und vereinfacht dargestellt, bei der auf die Darstellung von für das Verständnis der Erfindung unwesentlichen Detailelementen verzichtet wurde. Danach besteht die Luftversorgungsanlage im wesentlichen aus einem Kolbenverdichter 1 und einem elektrischen Antriebsmotor 2, die beide über ein nicht näher dargestelltes mechanisches Getriebe zur Umwandlung der rotierenden Eingangsbewegung des Antriebsmotors 2 in eine oszillierende und lineare Ausgangsbewegung des Kolbenverdichters 1 verbunden sind. Der Kolbenverdichter 1 besteht aus einem Kurbelgehäuse 3, in dem das mechanische Getriebe untergebracht ist, und aus einem zylindrischen Verdichtergehäuse 4 mit einem zylindrischen Innenraum, in dem ein Verdichterkolben 5 mit einer Kolbenstange 6 eingepasst ist. Dabei ist die Kolbenstange 6 mit dem mechanischen Getriebe verbunden und der Verdichterkolben 5 teilt den zylindrischen Innenraum in einen Saugraum 7 und einen Druckraum 8. Der Saugraum 7 ist über eine durch das Kurbelgehäuse 3 und durch den Antriebsmotor 2 führende Saugleitung 9 mit der Atmosphäre verbunden. Das Verdichtergehäuse 4 besitzt einen Zylinderkopf 10, der den Druckraum 8 nach außen druckdicht verschließt und der über nicht dargestellte Verbindungselemente mit einem Lufttrockner 11 verbunden ist. Dabei besitzt der Druckraum 8 einen Druckanschluss 12, der zum einen über nicht dargestellte Druckleitungen Verbindung zu mehreren Luftfeder-Dämpfereinheiten hat und der zum anderen über den Lufttrockner 11 und einer entsprechenden Druckleitung 13 mit einem Luftdruckspeicher 14 verbunden ist.
  • Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der im Zylinderkopf 10 des Verdichtergehäuses 4 ein innerer Kühlkanal 15 ausgebildet ist, der einerseits mit dem Lufttrockner 11 und damit mit dem Luftspeicher 14 und andererseits über eine Atmosphärenleitung 16 und ein in dieser Atmosphärenleitung 16 angeordnetes und steuerbares 2/2-Wegeventil 17 mit der Atmosphäre verbunden ist. Zur Vergrößerung der inneren Wandflächen weist der Kühlkanal 15 eine schikanenhafte Kanalführung auf.
  • Die Wirkungsweise einer solchen Luftversorgungsanlage ist hinreichend bekannt und wird daher nur im Wesentlichen wiedergegeben.
  • Die drehende Bewegung des Antriebsmotors 2 wir durch das mechanische Getriebe in eine oszillierende Bewegung umgewandelt, die sich auf die Kolbenstange 6 und damit auf den Verdichterkolben 5 überträgt. Dabei verändern sich die Volumina des Saugraumes 7 und des Druckraumes 8 wechselweise, was bewirkt, dass sich in einer Bewegungsrichtung des Verdichterkolbens 5 die bereits vorher angesaugte Luft über nicht dargestellte Ventile aus dem Saugraum 7 in den Druckraum 8 verschiebt und in der entgegen gesetzten Bewegungsrichtung der Saugraum 7 mit frischer Luft füllt und dabei gleichzeitig die im Druckraum 8 befindliche Luft verdichtet und ausgestoßen wird. Die verdichtete Luft gelangt je nach den Stellungen von steuerbaren Wegeventilen zu den Luftfeder-Dämpfereinheiten oder über den Lufttrockner 11 und über die Druckleitung 13 in den Luftdruckspeicher 14, wo sie für einen späteren Gebrauch abgelagert wird. Zur Kühlung des Kolbenverdichters 1 wird das steuerbare 2/2-Wegeventil 17 in der Atmosphärenleitung 16 geöffnet, sodass die Druckluft aus dem Luftdruckspeicher 14 entweicht und entgegen der Befüllungsrichtung den Lufttrockner 11 durchströmt. Dabei gelangt die Druckluft durch den Kühlkanal 15 und dem geöffneten 2/2-Wegeventil 17 in die Atmosphäre. Während der Zeit des Durchströmens kommt es zum Wärmetausch zwischen dem wärmeren Zylinderkopf 10 und der kühleren Druckluft, wodurch dem Zylinderkopf 10 Wärme entzogen und diese in die Atmosphäre abgegeben wird. Dabei wird der Wärmetausch insbesondere durch die schikanenhafte Gestaltung des Kühlkanals 15 verbessert, weil damit die für den Wärmeübergang maßgebliche Verweildauer der Druckluft im Kühlkanal 15 verlängert und die Oberfläche des Kühlkanals 15 vergrößert werden.
  • In einer modifizierten Ausführungsform nach der 2 besitzt der Kühlkanal 15 des Zylinderkopfes 9 die gleichen Anschlüsse, wie sie in der 1 dargestellt sind. Die Atmosphärenleitung 16 führt jedoch nicht direkt in die Atmosphäre, sondern mündet in die durch das Kurbelgehäuse 3 und den Antriebsmotor 2 führende Saugleitung 9 und ist somit über die Saugleitung 9 mit der Atmosphäre verbunden.
  • Dadurch wird die aus dem Zylinderkopf 10 austretende Druckluft nicht unmittelbar in die Atmosphäre frei gegeben, sondern über die Atmosphärenleitung 16 zum Antriebsmotor 2 geführt, wo sie mit ihrem Restpotential an Wärmetauschfähigkeit zusätzlich Wärme aus dem Antriebsmotor 2 entzieht und danach über die Saugleitung 9 des Kompressors in die Atmosphäre austritt. So werden also das Verdichtergehäuse 4 und der Antriebsmotor 2 gleichzeitig mit dem gleichen Kühlmittelstrom gekühlt.
  • In einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß der 3 befindet sich der Kühlkanal 15 in einem Zylinderdeckel 18, der auf den Zylinderkopf 10 in wärmeübertragender Weise aufgeflanscht ist. Dabei ist der Kühlkanal 15 mit dem Luftdruckspeicher 14 über eine Speicherdruckleitung 19 verbunden, die an dem Lufttrockner 11 vorbei führt und in der ein steuerbares 2/2-Wegeventil 20 angeordnet ist. Auf der gegenüberliegenden Seite ist der Kühlkanal 15 wiederum mit der Atmosphärenleitung 16 verbunden, die direkt in die Atmosphäre führt.
  • Zur Kühlung des Kolbenverdichters 1 wird das steuerbare 2/2-Wegeventil 20 geöffnet, sodass die Druckluft aus dem Luftdruckspeicher 14 entweicht und über die Speicherdruckleitung 19 zum Kühlkanal 15 des Zylinderdeckels 18 gelangt. Hier findet wieder ein Wärmetausch statt, bei dem sowohl dem Zylinderdeckel 18 als auch dem Zylinderkopf 10 Wärme entzogen wird.
  • Die 4 zeigt nun ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem Zylinderkopf 10 wiederum in wärmeübertragender Weise mit einem Zylinderdeckel 18 ausgestattet ist. Im Bereich des Zylinderdeckels 18 befindet sich in freier Anordnung eine Luftdusche 21, die so angeordnet und ausgebildet ist, dass ein austretender Kühlluftstrom den Zylinderdeckel 18 möglichst vollflächig erfasst. Diese Luftdusche 21 ist über eine Speicherdruckleitung 22 und über ein in der Speicherdruckleitung 22 angeordnetes und steuerbares 2/2-Wegeventil 23 mit dem Luftdruckspeicher 14 verbunden.
  • Zur Kühlung des Kolbenverdichters 1 wird das steuerbare 2/2-Wegeventil 23 geöffnet, sodass die Druckluft aus dem Luftdruckspeicher 14 entweicht und über die Speicherdruckleitung 22 zur Luftdusche 21 gelangt. Dort tritt der Druckluftstrom ins Freie und trifft in breiter Front auf den Zylinderdeckel 18. Dabei wird dem Zylinderdeckel 18 und dem Zylinderkopf 10 wiederum Wärme entzogen.
  • Die in den 1 bis 4 beschriebene Entnahme von Druckluft zur Kühlung des Kompressors bzw. des Zylinderkopfes 10 des Kompressors kann anstatt aus dem Luftdruckspeicher 14 auch aus einer oder mehreren der weiteren Luftverbrauchereinheiten bestehend jeweils aus einer Luftfeder oder aus einer Luftfeder-Dämpfereinheit erfolgen.
  • 1
    Kolbenverdichter
    2
    Antriebsmotor
    3
    Kurbelgehäuse
    4
    Verdichtergehäuse
    5
    Verdichterkolben
    6
    Kolbenstange
    7
    Saugraum
    8
    Druckraum
    9
    Saugleitung
    10
    Zylinderkopf
    11
    Lufttrockner
    12
    Druckanschluss
    13
    Druckleitung
    14
    Luftdruckspeicher
    15
    Kühlkanal
    16
    Atmosphärenleitung
    17
    steuerbares 2/2-Wegeventil
    18
    Zylinderdeckel
    19
    Speicherdruckleitung
    20
    steuerbares 2/2-Wegeventil
    21
    Luftdusche
    22
    Speicherdruckleitung
    23
    steuerbares 2/2-Wegeventil

Claims (11)

  1. Luftversorgungsanlage, bestehend aus einer Luftversorgungseinheit zur Versorgung von einer oder mehreren Luftverbrauchereinheiten mit Luft aus der Atmosphäre und/oder aus einem Luftdruckspeicher (14) und zur Versorgung des Luftdruckspeichers (14) mit Luft aus der Atmosphäre oder aus den Luftverbrauchereinheiten, wobei zur Luftversorgungseinheit im wesentlichen ein angetriebener Kompressor gehört und der Kompressor mit Kühlkanälen (15) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (15) des Kompressors eingangsseitig mit einer Druckmittelkammer und ausgangsseitig mit der Atmosphäre verbunden sind und zwischen der Druckmittelkammer und der Atmosphäre ein Absperrventil angeordnet ist.
  2. Luftversorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckmittelkammer der Luftdruckspeicher (14) oder ein oder mehrere der Luftfedern oder Luftfeder-Dämpfereinheiten verwendet werden.
  3. Luftversorgungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung zwischen den Kühlkanälen (15) und der Druckmittelkammer in die vom Kompressor zur Druckmittelkammer führende Druckleitung (13) einmündet und das Absperrventil (17) in Strömungsrichtung hinter den Kühlkanälen (15) angeordnet ist.
  4. Luftversorgungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (15) über eine Atmosphärenleitung (16) mit der zwischen dem Kompressor und der Atmosphäre befindlichen und durch den Antriebsmotor (2) führenden Saugleitung (9) verbunden ist.
  5. Luftversorgungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung zwischen den Kühlkanälen (15) und dem Druckmittelspeicher (14) als eine separate Versorgungsleitung (19) ausgelegt ist und das Absperrventil (20) sich in dieser Versorgungsleitung (19) befindet.
  6. Luftversorgungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor an Stelle der Kühlkanäle (15) mit einer außen liegenden Kühlfläche ausgebildet ist und die Verbindungsleitung zwischen dieser Kühlfläche und dem Druckmittelspeicher als eine separate Versorgungsleitung (22) ausgelegt ist, wobei die Versorgungsleitung (22) in eine Luftdusche (21) mündet, die so angeordnet und ausgebildet ist, dass ein austretender Kühlluftstrom die außen liegende Kühlfläche möglichst vollflächig erfasst.
  7. Verfahren zur Kühlung einer oder mehrerer Baugruppen der Luftversorgungsanlage nach dem Anspruch 1, bei dem die Baugruppen zum Wärmeentzug mit einem Kühlluftstrom in Kontakt gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlluftstrom die in einem Druckmittelspeicher der Luftversorgungsanlage nicht nutzbare und unter Druck stehende Luft verwendet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die unter Druck stehende Luft im Bereich in oder vor den Kühlkanälen (15) zur Expansion gebracht wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansion bis auf das Niveau des Atmosphärendrucks erfolgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung während der Ruhephase des Kompressors erfolgt.
  11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung während der Kompression erfolgt, wobei die erforderliche Luft einer nicht an der Kompression beteiligten Druckkammer entnommen wird.
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