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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung soll anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Dazu zeigen:
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1:
eine vereinfacht dargestellte Luftversorgungsanlage in einer ersten
Ausführungsform
mit einem inneren Kühlmittelstrom,
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2:
die Luftversorgungsanlage in der ersten Ausführungsform mit einer modifizierten
Nutzung des Kühlmittelstromes,
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3:
die Luftversorgungsanlage in einer zweiten Ausführungsform mit einem externen
Kühlmittelstrom
und
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4:
die Luftversorgungsanlage in einer dritten Ausführungsform, bei dem der Kolbenverdichter
von einem externen Kühlmittelstrom
angestrahlt wird.
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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.
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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.
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Die
Wirkungsweise einer solchen Luftversorgungsanlage ist hinreichend
bekannt und wird daher nur im Wesentlichen wiedergegeben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- 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