EP0725898B1

EP0725898B1 - Piston for gaseous media piston compressor

Info

Publication number: EP0725898B1
Application number: EP19950929853
Authority: EP
Inventors: Helmut Thurner
Original assignee: Magna BDW Technologies GmbH
Current assignee: Magna BDW Technologies GmbH
Priority date: 1994-08-17
Filing date: 1995-08-11
Publication date: 1998-03-04
Anticipated expiration: 2015-08-11
Also published as: EP0725897B1; EP0725898A1; DE4429097A1; AT163734T; AT163735T; WO1996005429A1; EP0725897A1; WO1996005430A1; ES2113211T3; ES2113212T3

Abstract

A piston (58) is disclosed for piston compressors for compressing gaseous media, preferably air, having a piston rod that moves back and forth within a cylinder and is rigidly fixed to a piston provided with a passage for the gaseous medium to be sucked from the lower side of the piston. The passage further has an inlet valve that opens when the piston (58) moves downwards and closes when the piston moves upwards (58). This inlet valve consists of openings (80) made of several aligned parts and located in ring-shaped grooves arranged on both sides of main bodies (76) made of plastics. The top ring-shaped grooves may be covered by the ring-shaped valve lid (81).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter für gasförmige Medien und einen Kolben für einen solchen Verdichter, insbesondere einen mit einem Elektromotor angetriebenen Luft-Kolbenverdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Verdichter ist in der DE-GM 17 48 885 oder der DE 36 16 968 Al beschrieben. The present invention relates to a piston compressor for gaseous media, and a piston for such a compressor, in particular a generator driven by an electric motor-air piston compressor according to the preamble of claim 1. Such a compressor is disclosed in DE-GM 17 48 885 or DE 36 16 968 Al described. Das DE-GM beschreibt einen Kolben für Saug- und Druckpumpen, der vollständig aus Kunststoff hergestellt ist und dessen Mantelflächen in Saugrichtung kegelig eingezogen sind. The DE-GM describes a piston for suction and pressure pump, which is completely made of plastic and whose lateral surfaces are drawn in conically in the suction direction. Der Ventildeckel hat Dichtnoppen, die in Öffnungen passen, wenn der geschlossene Zustand erreicht wird. The valve cover has sealing knobs which fit into apertures when the closed state is achieved.

In der DE 36 16 968 A1 wird ein Taumelkolbenkompressor beschrieben, der zwar mehrteilig aufgebaut ist und eine Dichtlippe aus Kunststoff aufweist, aber dessen Luftführung an der Dichtlippe am Umfang vorbeigeführt wird, was Dichtungsprobleme auslöst. In DE 36 16 968 A1 a wobble piston compressor is described which, although multi-part construction and has a sealing lip made of plastic, but the air guide is guided past the sealing lip on the periphery, which causes sealing problems.

Beide Schriften zum Stand der Technik beschreiben als Einlaßventil wirkende Kolben, die ohne Federbelastung auskommen und bei denen die Ventilstellung von der Kolbenbewegung abgeleitet wird. Both documents describe the prior art acts as a inlet valve plunger that work without spring-loading, and in which the valve position is derived from the piston movement. Dennoch eignen sie sich nicht für den hier vorgesehenen Zweck Nevertheless, they are not suitable for the intended purpose here

Grundsätzlich besteht die Aufgabe, einen kleinbauenden Kolbenverdichter hoher Leistung verfügbar zu machen, der in der Lage ist, innerhalb kurzer Zeit hohe Volumenströme zur Verfügung zu stellen. Basically, the task of making a small-sized piston compressors high power available that is able to provide high flow rates are available within a short time. Da die elektrische Energie für den Antrieb an dem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges entnommen werden soll, ist die Antriebsleistung begrenzt. Since the electric power for driving to the electrical system of a motor vehicle is to be removed, the drive power is limited. Deshalb ist ein besonders guter Wirkungsgrad erforderlich. Therefore, a particularly high efficiency is required. Dies wiederum bedingt einen Betrieb auf niedrigem Temperaturniveau. This in turn requires an operation at a low temperature level.

In der DE 23 11 048 Al ist ein kleines Aggregat beschrieben, das als Baueinheit in Kraftfahrzeuge eingesetzt wird, um Druckluft für verschiedene Zwecke zur Verfügung zu stellen, und zwar weitgehend eine solche Druckluft, die nicht notwendigerweise - wie bei Druckluftbremsen - über einen Druckluftspeicher geleitet wird, sondern mit der zugleich während der Erzeugung Arbeit geleistet, beispielsweise irgendwelche Aggregate wie Scheibenwischer o. ä. angetrieben werden oder in ein System einer Luftfederung eingeleitet wird. In DE 23 11 048 Al a small unit is described, which is used as a unit in motor vehicles to provide compressed air for various purposes, quite such a compressed air, not necessarily - as with air brakes - routed through a compressed air reservoir is, but made with the same time during the production of work, for example, any units are driven as wiper o. ä., or is introduced into a system of an air suspension. Selbstverständlich können auch Luftdruckspeicher aufgefüllt werden. Of course, air pressure accumulator can be filled.

Es besteht die Aufgabe, einen Kolben für einen Hochleistungsverdichter verfügbar zu machen, der auch im Dauerbetrieb seine Kolben- und Ventileigenschaft beibehält. There is the task of making a piston for a high-performance compressor available, which retains its piston and valve characteristic even in continuous operation. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus der Kombination der Kennzeichen des Hauptanspruches. The solution of this problem arises from the combination of the characteristics of the main claim.

Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Kolbenkopf radial außen eine stirnseitig gebildete Ringnut aufweist, die zur Aufnahme einer schraubenförmig gewickelten Feder bestimmt ist. An embodiment of the invention is that the piston head outside radially an annular groove formed face side which is intended to receive a helically wound spring. Dadurch wird der äußere Teil des- Kolbenkopfes elastisch gegen die Zylinderwand gedrückt. Thereby, the outer part is pressed DES piston head elastically against the cylinder wall. Es kann daher auf Kolbenringe und auf eine Schmierung verzichtet werden. It can therefore be dispensed with piston rings and lubrication. Diese Wendelfeder sorgt für eine gleichmäßige Anlage der aus Kunststoff bestehenden Mantelfläche an der Zylinder-Innenwand. This helical spring ensures a uniform contact of the plastic shell surface of the cylinder inner wall. Der sich bei Aufwärtsbewegung an der Kolbenoberseite aufbauende Druck des Gases kommt zusätzlich auch innerhalb der Ringnut zur Wirkung und unterstützt die radial nach außen gerichtete Verspannung durch die Wendelfeder. The building up of the piston top on the upstream pressure of the gas is also within the annular groove to the action and supports the radially outwardly directed tension by the coil spring. Die Wendelfeder kann durch einen darunter befindlichen flachen Metallring unterstützt werden, der als Metalleinlage im Kunststoff dessen radiale Ausdehnung begrenzt, die Abmessung und Gestaltung des Kolbens klein hält und damit zur Verkleinerung des schädlichen Raumes beiträgt. The coil spring may be supported by an underlying flat metal ring which limits its radial extent than the metal insert in the plastic, which maintains the size and design of the piston small and thus contributes to the reduction of the harmful space.

Die Ringnut definiert eine dünnwandige Dichtlippe, mit der der Kolbenkopf an der Zylinderwand anliegt. The annular groove defines a thin-walled sealing lip, which abuts with the piston head to the cylinder wall. Die radial außerhalb der Ringnut bestehende Dichtlippe gestattet, daß der Kolben infolge der thermischen Erhitzung wächst, sich also radial gegenüber der Zylinderwand dehnt. The radially outside the annular groove existing sealing lip allows the piston due to thermal heating growing, so expands radially against the cylinder wall. Da die Dichtlippe durch die Wendelfeder elastisch gegen die Zylinderwand gespannt ist, kann sich ferner die Kolbenkopf-Hauptmasse infolge des durch die Ringnut bestehenden Freiraums relativ zur Dichtlippe bewegen. Since the sealing lip is urged by the coil spring elastically against the cylinder wall, the piston head main mass may move relative to the sealing lip further due to the existing annular groove through the clearance. Da die Dichtlippe dünnwandig ist, kann der bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens entwickelte Radialdruck unmittelbar wirken. Since the sealing lip is thin-walled, which developed during the upward movement of the piston radial pressure can act directly. Die Abdichtung auf der zwischen Dichtlippe und Zylinderwand bestehenden Fläche ist infolge der radialen Anpressung dann am besten, wenn sich der Kolben seinem oberen Totpunkt nähert, der Gasdruck also seinen Höchstwert erreicht. The seal on the existing between the sealing lip and the cylinder wall surface is then best due to the radial contact pressure when the piston approaches its top dead center, so the gas pressure reaches its maximum value. Die Ringnut ist in dieser Stellung geringfügig verengt. The annular groove is narrowed slightly in this position. Derartige Dichtlippen haben bei Kolbenverdichtern kleiner Konstruktion eine Wanddicke von beispielsweise 0,4 bis 1,0 mm. Such sealing lips have to piston compressors of small construction, a wall thickness of for example 0.4 to 1.0 mm.

Der Kolbenkopf kann in weiterer Ausgestaltung eine stumpfkegelige Mantelfläche haben. The piston head may have a frustoconical lateral surface in a further embodiment. Der Kolben hat in seinem unteren Bereich einen kleineren Außendurchmesser als in seinem oberen Bereich. The piston has in its lower region has a smaller outer diameter than in its upper region. Der Kolben ist mit der Kolbenstange oder dem Pleuel fest verbunden. The piston is fixedly connected to the piston rod or the connecting rod. Bei dieser hier gemäß der Erfindung benutzten Ausführungsform gibt es zwischen Kolben und Pleuel kein Gelenk. In this here used according to the invention embodiment there is no joint between piston and connecting rod. Diese Verbindung ist starr und führt zu einem ständigen Verkanten des Kolbens gegenüber der Kolbenwand während seiner Auf- und Abbewegung. This connection is rigid and leads to a constant tilting of the piston relative to the piston wall during its up and down movement. Durch die konische Ausbildung des Kolbenmantels bleiben die Reibflächen des Kolbens auf die Berührungsfläche der oberen Dichtlippe begrenzt, so daß der Kolben sehr leicht und ohne Schmierung bewegt werden kann. Due to the conical shape of the piston skirt, the friction surfaces of the piston be limited to the contact area of the upper sealing lip, so that the piston can be moved very easily and without lubrication. Auch der untere Kolbenrand kann stirnseitig in einer dem oberen Kolbenrand vergleichbaren Weise mit einer Ringnut und einer darin aufgenommenen Wendelfeder versehen werden. And the lower edge of the piston can be frontally provided in a comparable manner to the upper edge of the piston with an annular groove and received therein helical spring. Vorzugsweise ist die Ringnut jedoch bei stumpfkegeliger Ausbildung der Mantelfläche an der oberen Stirnseite des Kolbenkopfes gebildet, da die Erfordernisse hinsichtlich der Abdichtung in diesem Bereich am größten sind. Preferably, the annular groove is formed in frusto-conical form, however, the circumferential surface of the upper end face of the piston head, as the requirements concerning the sealing in this area are the greatest.

Schließlich gehört es zur Ausgestaltung der Erfindung, daß der breiteste Durchmesser des Mantels im Bereich der Ringnut liegt. Finally, it belongs to the embodiment of the invention that the widest diameter of the cladding is in the range of the annular groove. Unabhängig von dem Ort der Ringnut und der Gestaltung des Mantels ist es günstig, die Ringnut an dem breitesten Durchmesser des Mantels anzuordnen, um in diesem Bereich eine wirksame durch die Wendelfeder verstärkte Anpressung an die Zylinder-Innenwand zu erreichen. Regardless of the location of the annular groove and the design of the sheath, it is favorable to arrange the annular groove on the breitesten diameter of the cladding in order to achieve an effective reinforced by the helical spring pressing against the cylinder inner wall in this area.

Weitere Einzelheiten der Erfindung lassen sich den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung entnehmen. Further details of the invention may be found in the claims and the following description. Einzelheiten, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels. Details, features, advantages and application possibilities of the present invention will become apparent from the description of an embodiment illustrated in the drawings.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 Fig. 1: einen Schnitt längs der Schnittlinie III - III in Figur 2 durch einen Kolben gemäß der Erfindung, und shows a section along the line III - III in Figure 2 by a piston according to the invention, and
Fig. 2 Fig. 2: eine schematische Draufsicht auf den Kolben in Richtung der Pfeile IV - IV gemäß Fig. 1. a schematic plan view of the piston in the direction of arrows IV - IV of FIG. 1.

Der eigentliche Kolbenverdichter mit einem Elektromotor als Antrieb ist in der Zeichnung nicht dargestellt. The actual reciprocating compressor with an electric motor as a drive is not shown in the drawing. Der Elektromotor weist eine Antriebswelle auf. The electric motor has a drive shaft. Die Welle schließt in einem Exzenter ab. The shaft terminates in an eccentric. An dem Exzenter befindet sich ein Lager eines Pleuels 56. is located on the eccentric bearing of a connecting rod, a 56th

Das Pleuel 56 trägt das Lager an seinem unteren Ende, wobei das Lager durch die Drehung der Antriebswelle kreisförmig geführt wird. The connecting rod 56 supports the bearing at its lower end, wherein the bearing is made to circle by rotation of the drive shaft. An seinem anderen Ende trägt das Pleuel 56 einen Kolben 58, der in einem Zylinder zur Hin- und Herbewegung angeordnet ist. At its other end the rod 56 carries a piston 58 which is arranged in a cylinder for reciprocation.

Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters wird das Pleuel 56 über die mit seinem unteren Kopf in Verbindung stehende Antriebswelle in eine kreisförmige Bewegung versetzt, während sein oberer Kopf mit dem Kolben 58 in dem Zylinder hin- und hergeführt wird. During operation of the reciprocating compressor according to the invention, the connecting rod 56 is displaced over the communicating with its lower end drive shaft in a circular movement, while its upper head back to the piston 58 in the cylinder and is brought hither. Beim Aufwärtshub des Kolbens 58 wird dabei das im Zylinderraum befindliche Gas komprimiert, bis es einen Verdichtungsraum einnimmt. On the upstroke of the piston 58 while the gas in the cylinder chamber is compressed, until it assumes a compression chamber. Zu diesem Zeitpunkt oder kurz davor öffnet ein federbelastetes Auslaßventil, so daß das komprimierte Gas über einen Stutzen abgeführt wird. At this time or shortly before opening a spring-loaded outlet valve so that the compressed gas is discharged through a nozzle. Nach Erreichen der oberen Totpunktstellung des Kolbens 58 geht dieser in seinen Rückhub über, wobei über eine im Kurbelgehäuse gebildete Ansaugöffnung das zu komprimierende Gas in das Kurbelgehäuse und nachfolgend durch den Kolben 58 in den oberen Zylinderraum eingesaugt wird. After reaching the top dead center position of the piston 58 that moves in its return stroke, wherein the gas to be compressed in the crankcase and is subsequently sucked by the piston 58 into the upper cylinder space via a suction port formed in the crankcase. Bei Erreichen seiner unteren Totpunktstellung geht der Kolben 58 in seinen Vorwärtshub über, wobei der Einsaugvorgang zum Ende kommt. When it reaches its bottom dead center position of the piston 58 passes into its forward, the intake process comes to an end.

Der Kolben 58 ist gemäß Figuren 1 und 2 als Ansaugventil ohne Ventilfeder ausgebildet und fest mit dem Pleuel 56 durch eine Schraube 82 verbunden. The piston 58 is formed in accordance with Figures 1 and 2 as the intake valve without a valve spring and is fixedly connected to the connecting rod 56 by a screw 82nd Wie in Fig. 1 und 2 zu sehen ist, ist der Kolben 58 so aufgebaut, daß er einen unmittelbar an der Pleuelstange 56 aufgesetzten Kolbenteller 72 aus Metall aufweist. As can be seen in Fig. 1 and 2, the piston 58 is so constructed that it has a directly mounted on the connecting rod 56 piston plate 72 made of metal. Der Kolbenteller 72 hat die Form einer kreisrunden Scheibe mit leicht kegeliger Form. The piston plate 72 has the shape of a circular disk with a slightly conical shape. In der Mitte befindet sich ein Befestigungsloch 73 für eine Schraube 82. Axial zur Schraube 82 sitzt ein mehrfach abgestufter Mittelteil 74. Mit einer Stufe 75 wird ein eigentlicher Kolbenkopf 76 geklemmt, für dessen Zentrierung der Kolbenteller 72 ein Ringteil 75 aufweist. In the center there is a mounting hole 73 for a screw 82. Axial to the screw 82 sits a multiple stepped central portion 74. By a step 75 an actual piston head 76 is clamped, 72 has a ring portion 75 for the centering of the piston plate. Der Kolbenkopf 76 besteht aus Kunststoff, vorzugsweise Polytetrafluorethylen, und hat eine zentrale Aussparung, durch die der Mittelteil 74 in montierter Stellung hindurchgreift. The piston head 76 is made of plastic, preferably polytetrafluoroethylene, and has a central recess through which the central part 74 passes engages in the mounted position. Stirnseitig und radial außen weist der Kolbenkopf 76 eine Ringnut 78 auf, die an seiner Peripherie so gebildet ist, daß sie eine dünnwandige ringförmige Dichtlippe 79 definiert. The end face and radially on the outside, the piston head 76 an annular groove 78 which is formed at its periphery so as to define a thin-walled annular sealing lip 79th In der Ringnut 78 ist ein Wendelfederring 77 eingesetzt, welcher die Dichtlippe 79 radial nach außen spannt. In the annular groove 78 is a helical spring ring is inserted 77, wherein the sealing lip 79 clamped radially outward. Der Wendelfederring 77 wird von einer ebenfalls ringförmigen Metalleinlage 71 aus Flachmetall unterstützt, die zugleich zur Aussteifung und thermischen Entlastung des Kunststoffkolbens dient. The coil spring ring 77 is supported by a likewise annular metal insert 71 made of flat metal, which also serves to stiffen and thermal relief of the plastic piston.

Sowohl der Kolbenteller 72 als auch das Kunststoffteil 76 sind mit ringförmig und zueinander axial fluchtenden Luftdurchlaßöffnungen 80 versehen, auf denen oben ein vom Mittelteil 74 gehaltener flacher Metallring 81 als einfacher Einlaßventildeckel aufliegt. Both the piston head 72 and the plastic part 76 are provided with annular and axially mutually aligned air passage openings 80, where above a value held by the middle part 74 rests flat metal ring 81 as a simple inlet valve cover. Der Einlaßventildeckel 81 ist entlang des Mittelteils 74 beweglich, und zwar so, daß bei der in der linken Seite der Darstellung von Fig. 1 durch den Pfeil P _u angedeuteten schnellen Aufwärtsbewegung der Kolbenstange oder des Pleuels 56, der Deckel 81 die Öffnung 80 schließt und die Luft in den über dem Kolben 58 liegenden Raum hineinverdichtet. The inlet valve cover 81 is movable along the central part 74, in such a way that when _u is indicated in the left hand side of the illustration of FIG. 1 by the arrow P rapid upward movement of the piston rod or the connecting rod 56, the lid 81, the opening 80 closes and the air compressed in the space above the piston 58. Auf der rechten Seite der Darstellung von Fig. 1 ist die entgegengesetzte Bewegung des Pleuels in Richtung des Pfeiles P _d angedeutet. On the right side of the illustration of FIG. 1, the opposite movement of the connecting rod is indicated in the direction of arrow P _d. In diesem Fall liegt der Deckel 81 an der oberen Begrenzung des Mittelteiles 74 an und gibt die Öffnung 80 frei. In this case the lid 81 is applied to the upper boundary of the central portion 74 and the orifice 80 free. Es kann Luft in den Zylinder 60 nachfließen, die beim nächsten Hub verdichtet wird. It can flow air into the cylinder 60, which is compressed the next stroke. Die fluchtenden Öffnungen 80 befinden sich innerhalb des aus Kunststoff gebildeten Kolbenkopfes 76 in zwei oben und unten eingearbeiteten Ringnuten. The aligned apertures 80 are formed within the plastic piston head 76 in two upper and lower annular grooves incorporated.

Claims

A piston compressor for gaseous media, preferably air, with a piston rod which moves back and forth within a cylinder (60) and has a piston (58) rigidly fixed thereto, said piston including a passage (80) for the gaseous medium to be sucked from the lower side of the piston with an inlet valve (80) which opens during the downward movement of the piston and closes during its upward movement, said piston (58) further including a disk (72) and a piston head (76) which can be mounted thereon, in which at least one recess is formed which serves as a passage, said recess being able to be covered by a ring-shaped disk (81) which is movable within said piston as a function of the piston movement,
characterized in
that said piston head (76) is made of plastics and that said piston disk (72) has a plurality of annularly arranged passages (80) which are aligned with identical openings (80) arranged in said piston head (76) at an axial distance above them, said openings (80) in the piston head (76) being in ring-shaped grooves provided in the upper and lower surface of the piston head (76), respectively, said upper ring-shaped groove being covered by the thin ring-shaped disk (81) which can be moved up and down axially along a fixed central portion (74).
The piston for use in a piston compressor for gaseous media, preferably air, with a piston rod which moves back and forth within a cylinder (60) and has a piston (58) rigidly fixed thereto, said piston including a passage (80) for the gaseous medium to be sucked from the lower side of the piston with an inlet valve (80) which opens during the downward movement of the piston and closes during its upward movement, said piston (58) further including a piston disk (72) and a piston head (76) which can be mounted thereon, in which at least one recess is formed which serves as a passage, said recess being able to be covered by a ring-shaped disk (81) which is movable within said piston as a function of the piston movement,
characterized in
that said piston head (76) is made of plastics and that said piston disk (72) has a plurality of annularly arranged passages (80) which are aligned with identical openings (80) arranged in said piston head (76) at an axial distance above them, said openings (80) in the piston head (76) being ring-shaped grooves provided in the upper and lower surface of the piston head (76), respectively, said upper ring-shaped groove being covered by the thin ring-shaped disk (81) which can be moved up and down axially along a fixed central portion (74), and that said piston head (76) has a further ring-shaped groove (78) on its face which extends radially on the outside and which accommodates a helical spring (77) therein.
The piston of claim 2
characterized in
that said further ring-shaped groove (78) defines a thin-walled sealing lip (79) via which the piston head (76) contacts the cylinder wall.
The piston of claims 2 and 3
characterized in
that said piston head (76) has an obtuse-tapered piston skirt.
The piston of claim 4
characterized in
that diameter of the piston skirt is widest adjacent said further ring-shaped groove (78).