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Kolben für Tauchkolben-Verdichter, insbesondere zu Druckluftanlagen
in Kraftfahrzeugen Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für Tauchkolben-Verdichter,
insbesondere für mit Druckluft betriebene Anlagen in Kraftfahrzeugen, z. B. Druckluftbremsanlagen.
Diese Kolben sind durch in Ringnuten des Kolbenmantels eingesetzte Kolbenringe abgedichtet,
die von radial wirkenden, am Nutgrund sich abstützenden Federn gegen die Zylinderwand
gedrückt werden. Bei Verdichtern mit solchen Kolben ist der Verdichtungsraum besser
gegen den Kurbelwellenraum abgedichtet als bei Verdichtem mit den üblich,en selbst
spreizenden Kolbenringen, weil die Kolbenringe mit Federunterstützung über ihren
ganzen Umfang sehr gleichmäßig an der Zylinderwand anliegen. Dies ist besonders
wichtig bei Luftpressern für Kraftfahrzeu-Druckluftanlagen, vor allem solchen für
hohe Drücke, z. B. bei Stufenluftpressern, weil hier bei schlechter Abdichtung eine
zu große Ölentnahme aus dem auch den Luftpresser versorgenden Schmierölkreislauf
der Antriebsbrennkraftmaschine des Fahrzeugs eintreten kann und weil dann die mit
öl angereicherte Druckluft dazu führt, daß nicht genügend gekühlte Auslaßventile
des Luftpressers verkoken. Der Austausch der üblichen selbstspreizenden Kolbenringe
gegen solche mit radialer Federunterstützung hat hier zwar bereits einen beachtlichen
Fortschritt gebracht; bei längerer Betriebsdauer und schärferen Betriebsbedingungen
zeigen sich aber doch häufig wieder die alten Mängel.
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Durch eingehende systematische Untersuchung während einer großen Zahl
von Dauerversuchen, konnte nun unter Beibehaltung der genannten feder-C unterstützten
Kolbenrinae eine Lösun zum Ver-Z, 9
ringern des ölverbrauchs und der damit
verbundenen nachteiligen Folgen gefunden werden, und zwar ohne zusätzliche Mittel
und Mehrkosten. Zum Beheben des bisherigen Mangels werden gemäß der Erfindung die
für die Aufnahme der radial durch Federn unterstützten Kolbenringe vorgesehenen
Nuten so ausgebildet, daß deren Grundkreismittelpunkt exzentrisch zur Kolbenachse
liegt, und zwar so, daß die Rin.anuten dort, wo der Kolben durch die vom
Kurbeltrieb
herrührende, über das Pleuel am Kolbenbolzen wirkende Querkraft an die Zylinderwand
gedrückt wird, am tiefsten und auf der gegenüberlie-enden Seite am niedrigsten ist;
d. h., der Mittelpunkt des Grundkreises der Nuten ist von der Kolbenachse
entgegen der :erwähnten Querkraft verschoben.
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Die Erfindung ist im nachfolgenden an Hand von schematischen Vergleichsbildern
eines bisher für Luftpresser vorgesehenen Kolbens und eines solchen gemäß der Erfindung
unter Darstellung verschiedener Arbeitsstellungen erläutert. Im einzelnen zeigen
F i g. 1 bis 6 einen Kolben bisheriger Ausführung in seinem Zylinder
während -des Saughubs und Druckhubs je in drei Lagen, nämlich in der des
oberen und des unteren Totpunkts und in einer Mittellage, während die F i
g. 7 und 8 in Saughub- bzw. Druckhubmittellage einen gemäß der Erfindung
abgeänderten Kolben skizzieren, und F i g. 9 den neuen Kolben in seinem Zylinder
im Schnitt nach einer Querebene IX-IX der F i g. 7 in größerem Maßstab als
in den F i g. 7 und 8 zeigt.
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In einem Verdichterzylinder 1 ist ein zylindrischer Kolben
2 verschiebbar angeordnet, der von einer nicht dargestellten, im Uhrzeigersinn sich
drehenden Kurbelwelle über eine Pleuelstange und einen Kolbenbolzen aui. und ab
bewegt wird. In den Mantel dieses bekannten Kolbens sind Ringnuten 3 eingestochen,
deren zylindrischer Nutgrund 4 konzentrisch zur Kolbenachse und zum Kelbenmantel
verläuft. In diese nach oben und unten durch radiale Flanken 5, 6
begrenzten
Nuten sind handelsübliche Kolbenringe 7
mit Wellfedern 8 eingelegt.
Der Flankenabstand der Nuten ist um ein gewisses Maß größer als die axiale Ringstärke.
Die Wellfedern liegen mit ihren Wellenbergen an der Innenseite der Kolbenringe und
mit ihren Tälern am Nutgrund je unter radialer Spannung an. Infolge ihrer
Vielzahl von Wellen sorgen diese Federn, wie viele einzelne, radial gerichtete Schraubenfedern,
#dafür, daß die Kolbenringe mit ihrer Außenseite rund herum gut abschließend an
der Innenwand des Zylinders 1 gleiten. Die Federn sind außerdem stets bestrebt,
mit Hilfe der zugehörigen Kolb#enringe 7. den Kolben 2 in der Bohrung des
Zylinders 1 zu zentrieren, d. h. die Kolbenachse in der Zylinderachse
zu halten bzw. in diese zurückzuführen, wenn die insbesondere während des Verdichtungshubs
auftretenden Querbelastungen des Kolbens wieder wegfallen. Zur Vereinfachung der
Darstellun- sind in den F i g. 1 bis 8 fast durchweg C C
radial
gerichtete Einzelschraubenfedern eingezeichnet, mit denen sich die unterschiedlichen
radialen Spreizkräfte besser darstellen lassen.
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Bei Verdichtern mit Kolben der genannten Bauart lassen sich unter
anderem folgende Vorgänge feststellen: Bei Beginn des Saughubs wollen die Kolbenringe
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die Abwärtsbewegung des Kolbens 2 zunächst nicht mitmachen, bis sie von
den oberen Flanken 5 ihrer Ringauten 3 erfaßt und mitgenommen werden.
Dabei entsteht zwischen den unteren Flanken 6 der Ringnuten und den ihnen
zugekehrten Flanken ihrer Koffienringe je ein Spalt, der sich bis zum Maß
des Axialspiels der Kolbenringe vergrößert. Das beim Saughub durch die untere Kolbenringkante
von der Zylinderwand abgeschabte Schmieröl wird mitgenommen und ein Teil davon in
-die Radialspalte über den Nutflanken 6 und von dort in die Ringräume zwischen
den Kolbenringen 3 und dem jeweiligen Nutgrund 4 getrieben.
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Diese Olaufnahme in die Kolbenringnuten erstreckt sich über den ganzen
Saughub, wenn sie sich auch nicht gleichmäßig über den ganzen Kolbenumfang verteilt,
weil die beim Saughub zeitweise nach rechts unten ziehende Pleuelstange auch den
Kolben aus seiner Mittellage entsprechend dem Kolbenspiel s nach rechts verschiebt
und dabei über die rundum an der Zylinderwand bleibenden Kolbenringe# die Ringräume
zwischen diesen Ringen und dem Nutgrund verändert, so daß diese Räume vorübergehend
rechts schmäler und links breiter werden und dann wieder gegen Ende des Saughubs
die gleichmäßig breite Ringform annehmen.
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Am Ende A Saughubs (F i g. 3) steht der Kolben 2 wieder zentrisch
im Zylinder, die Ringräume in den Ringnuten 3 sind wieder ringsum gleich
breit und gleichmäßig mit Öl gefüllt. Es beginnt nach kurzem übergang der
Druckhub unter Umkehrung der Bewegungsrichtung des Kolbens. In dieser übergangsperiode
kann zwar ein Teil des in den Ringnuten angesammelten öls infolge seines Beharrungsvermögens
nach unten abströmen, der größere Teil dieses öls bleibt aber noch in den Nutringräumen,
die nun - beim beginnend-en Verdichtungshub des Kolbens - nach unten
gegen den Kurbelwellenraum hin abgeschlossen werden, weil die zurückbleibenden Kolbenringe
von den unteren Nutflanken 6 erfaßt werden und dann während des weiteren
Aufwärtshubs des Kolbens 2 dort angelegt bleiben (vgl. F i g. 4).
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Mit zunehmendem Verdichtungsweg wird der Kolben 2 vom hochlaufenden
Pleuel wieder nach rechts' an die Zylinderwand geschoben, und zwar infolge der vom
Kolben aufzubringenden Verdichtungsarbeit mit einer noch größeren Querkraft als
beim Saughub. Es tritt also wiederum eine Querverschiebung zwischen Nutgrund und
Kolbenring ein; auf der rechten Kolbenseite werden die Nutringräume kleiner und
auf der linken Kelbenseite größer. Dabei wird an den rechten Ringteilräumen
Öl verdrängt, das aber wegen der großen waagerechten Entfernung nicht oder
doch
nur zu einem Teil in die sich vergrößernden linken Ringteilräume ausweicht,
im übrigen jedoch auf kürzestem Weg unter dem Preßdruck von der Preßstelle
aus nach oben in den Spalt zwischen Kolbenmantel und Zylinderwand strömen will,
insbesondere sobald dieser Spalt gegen Ende des Druckhubs wieder breiter wird und
dem hochdrückenden Öl den Weg
frei macht. Infolgedessen spritzt aus
dem rechten Ringraum der oberen Kolbenringnut Öl in den Verdichtungsraum,
und aus den entsprechenden Ringräumen der nächsten Kolbenrin-nuten strömt jeweils
Öl zwischen Kolbenmantel und C Zylinderwand der darüberliegenden Kolbenringnut zu,
- die diese Öl-
menge beim nächsten Saughub aufnimmt und beim darauffolgenden
Druckhub wieder weiterfördert bzw. in den Verdichtungsraum ausspritzt.
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Es ist also festzustellen, daß bei den üblichen Kolben die Kolbenringe
in ihren Nuten wie Verdrängungsglieder von ölpumpen arbeiten, wobei je-
weils
die unteren Ringeden über ihnen liegenden Öl
zupumpen und der oberste Ring
seine ö1menge in den Verdichtungsraum spritzt. Von dort gelangt Öl
in unerwünschter
Menge zu den Ventilen, insbesondere zum Auslaßventil. Es entstehen beachtliche Schmierölverluste,
weil das über die Druckleitung mit der verdichteten Luft ausgestoßene
Öl nicht mehr in den Ölbehälter, z. B. die Kurbelwanne einer auch den Luftpresser
antreibenden Fahrzeugantriebsbrennkraftmaschine zurückkehrt, sondern über Flüssigkeitsablaßventile
des Luftleitungssystems ins Freie ausgestoßen wird. Außerdem verkoken bei zunehmender
Erwärmung, also bei höherer Verdichtung die Luft-Cr presserventile verhältnismäßig
schnell.
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Diese Erscheinungen lassen sich an laufenden Luftpressem üblicher
Bauart beim Beobachten des Verdichtungsvorgangs im Zylinderraum, beispielsweise
über Fenster im Zylinderkopf, und des Luftflusses im Leitungssystem feststellen.
Sie wirken sich besonders bei Verdichtern mit großem Kolbenspiel und hoher Luftverdichtung,
z. B. bei Stufenkolbenluftpressern, unangenehm aus.
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Versuche haben nun gezeigt, daß sich diese Mängel der bisherigen Kolbenausführungen
mit überraschend einfachen Maßnahmen beheben lassen, so daß die Verdichter selbst
wesentlich betriebssicherer werden und eine hohe Gebrauchsdauer erhalten. Diese
Maßnahmen gemäß der Erfindung verhindern die Pumpwirkunc, der Kolbenringe in ihren
Nuten, indem sie den Kolben ständig auf seiner Anlaufseite an der Wand des Verdichterzylinders
halten und ra#diale Raumänderungen innerhalb der Nuten unterbinden.
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Der Kolben 12 gemäß der Erfindung (F i g. 7 bis 9)
unterscheidet
sich dabei nur dadurch vom bekannten Kolben 1 (F i g. 1 bis
6), daß seine Ringnuten 13
exzentrisch zur Kolbenachse eingearbeitet
sind. Die Exzentrizität e des Nutgrundkreises gegenüber dem Kolbenmantel,
d. h. der Abstand zwischen der Achse a des zylindrischen Nutgrunds 14 und
der Kolbenachse b ist beim Ausführungsbeispiel größer als das Kolbenspiel
s gewählt und nach derjenigen Seite des Kolbens Gelege mit welcher der Kolben beim
Arbeiten sich seitlich von der Zylinderwand entfernen will. Infolge dieser seitlichen
Versetzung des Nutgrunds 14 ist beim montierten Kolben der Nutgrundabstand von der
ihm zugekehrten Innenwand des zugehörigen Kolbenrings 17 jetzt links kleiner
und rechts größer als beim bekannten Kolben. Die Wellfeder 18 ist also links
in einen kleineren Raum gepreßt als rechts, so daß sie an der linken Kolbenseite
stärker vorgespannt ist als an der rechten Kolbenseite und den Kolben ständig, und
zwar während des ganzen Saug- und Druckhubs des Kolbens auf der Seite der größeren
Nuttiefe ander Wand des Zylinders 1 hält und also praktisch jede radiale
Ringraumänderung beim Hoch- und Niedergang des Kolbens verhindert. Auch hier versucht
nämlich die
Wellfeder 18, die der Wellfeder 8 des
Kolbens 2 nach F i g. 1 entspricht, den Nutgrund 14 mit Hilfe des zugehörigen
Kolbenrings 17 gegenüber derZylinderwand zu zentrieren, was notwendig einen
entsprechenden Rechtsdruck des Kolbens 12 zur Folge hat, der auch im oberen und
unteren Totpunkt des Kolbens noch vorhanden ist. Das Pumpen der Kolbenringe, soweit
es durch relative Querverschiebungen dieser Ringe 17 bewirkt werden könnte,
bleibt somit beim Kolben 12 aus. Aus den F i g. 7 und 8 ist dieser
Erfolg deutlich erkennbar, denn diese Figuren zeigen, daß die freien Nutringräume
zwischen dem jeweiligen Nutgrund 14 und der Innenwand des zuaehörigen Kolbenrings
17 praktisch unverändert bleiben und lediglich eine axiale Verschiebung der
Kolbenringe 17 relativ zur oberen Nutflanke 15 oder zur unteren Nutflanke
16 eintritt, je nachdem der Kolben 12 saugt oder drückt. Die
ungleich verteilte Radialspannkraft der Wellfeder 18 und die Exzentrizität
der Ringnuten 13 sind in F i g. 9 gezeigt. An Stelle einer einfachen
Wellfeder kann natürlich auch eine in mehrere Radialdruckelemente aufgegliederte
Feder verwendet werden, wie solche aus der Praxis bekannt sind.