EP0804684B1 - Verdichter - Google Patents

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EP0804684B1
EP0804684B1 EP95939216A EP95939216A EP0804684B1 EP 0804684 B1 EP0804684 B1 EP 0804684B1 EP 95939216 A EP95939216 A EP 95939216A EP 95939216 A EP95939216 A EP 95939216A EP 0804684 B1 EP0804684 B1 EP 0804684B1
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EP
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piston
compressor according
compressor
working medium
supply
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EP95939216A
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Hans Baumgartner
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Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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Publication date
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/16—Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
    • F02B75/18—Multi-cylinder engines
    • F02B75/24—Multi-cylinder engines with cylinders arranged oppositely relative to main shaft and of "flat" type
    • F02B75/246—Multi-cylinder engines with cylinders arranged oppositely relative to main shaft and of "flat" type with only one crankshaft of the "pancake" type, e.g. pairs of connecting rods attached to common crankshaft bearing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts, not specific to groups F01B1/00 - F01B7/00
    • F01B9/02—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts, not specific to groups F01B1/00 - F01B7/00 with crankshaft
    • F01B9/026—Rigid connections between piston and rod; Oscillating pistons
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    • F04B27/02—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders arranged oppositely relative to main shaft
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    • F04B39/041—Measures to avoid lubricant contaminating the pumped fluid sealing for a reciprocating rod
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    • Y10T74/18248—Crank and slide
    • Y10T74/18256—Slidable connections [e.g., scotch yoke]

Definitions

  • the invention relates to a compressor for the compression of a working medium, in particular for production of compressed air, with at least one in a work area reciprocating piston to compress the Working medium, a drive device for reciprocation of the piston and with a feed device and a discharge device for supplying or removing the working medium, a crank loop drive being provided as the drive device.
  • Compressible substances such as gases are used as working media or vapors are used in conventional compressors mostly air is compressed. This compressed air is e.g. in trucks as a means of transmission in braking devices used.
  • the conventional plunger compressors with crank-connecting rod drive therefore require a considerable constructive Effort, a variety of components and a large one Space requirements. Furthermore, e.g. a change of location of the Inlet connection usually a complete constructive redesign of the compressor, since the piping of the inlet and the outlet pipes and the cooling pipes precisely matched due to the heat development have to be.
  • crank loop drives to use for internal combustion engines. So shows e.g. DE 32 18 311 C2 a crank loop drive, especially for a two-stroke internal combustion engine is provided which is operational even without oil lubrication is. Furthermore, DE 34 47 663 A1 describes a multi-cylinder internal combustion engine known in the implementation in a rotary motion by means of a crank loop drive he follows. Another embodiment of such a crank loop drive is described in DE 43 07 205 A1. Regarding the exact functional principle and regarding the operation of the crank loop drive can therefore full reference to the publications mentioned become.
  • crank loop drive offers the advantage that that the rotary motion of a crankshaft in a purely longitudinal motion the piston is converted. This enables one secure sealing of the sliding surface between the piston skirt and the bearing in the compressor block. If appropriate the teaching of DE-A-2 033 820, FR-A-364091 or BE-A-861533 a crank loop drive is provided as the drive device of the compressor, can be ensured that the work area opposite the crankcase is always adequately sealed, which has the decisive advantage that the work space used on both sides of the piston for the compression process and that no oil particles get into the work area can.
  • the object of the invention is to create a compressor in which the working space can be sealed in a simple manner.
  • the invention solves this problem by the subject matter of claim 1.
  • the workspace can be specified in claim 2 Development of the invention on both sides of the piston on the one hand as a pre-compression space and on the other hand as Serve the main compression space, i.e. the piston movement can e.g. serve as an ejection movement and at the same time for suction of still uncompressed working fluid on the rear of the piston.
  • the compression energy introduced into the dead volume is therefore not lost and therefore enables a significant higher efficiency or delivery rate.
  • a such an arrangement can e.g. the degree of delivery versus 55% with a conventional series compressor to 80% with Raise the crank loop compressor with pre-compression.
  • the degree of delivery is in the arrangement according to the invention determined by the volume of the pre-compression space.
  • the dead volume occurring here is due to the lower Pressure of less importance because the back-expanding Damage volume is not as extensive.
  • the working medium in the precompression room is almost completely in the Main compression space transferred and what occurs there Dead volume restores the energy introduced into it Support for the return movement of the piston and thus for the pre-compression.
  • An annular feed groove directed towards the work area according to the training specified in claim 5 the invention enables a uniform inflow of sucked in working medium in the precompression room.
  • the disc-shaped piston according to claim 7 is preferred with a large number of openings or through holes is formed, it is possible on overflow channels in the cylinder head.
  • the working medium can by the openings in the piston from the pre-compression chamber directly in be transferred to the main compression room. The constructive This reduces the effort for the cylinder head essential. Furthermore, the openings reduce the weight of the piston, which increases the size of the moving mass is lower.
  • the piston according to claim 9 at its openings preferably has a valve device allows overflow of the working medium and thereby but at the same time the pre-compression space from the main compression space be separated.
  • the working medium can only be in flow into the main compression space while the opposite direction is blocked.
  • Another advantage is that according to the claim 10 specified development of the invention by a crank loop drive without much effort two opposing ones Pistons can be driven. So it is possible with a simple construction a double compression cylinder to create and significantly increase performance.
  • This design also has the advantage that with only a few other parts e.g. a 2-, 4- or 8-cylinder version of the compressor is made possible.
  • the compressor can thus to corresponding performance requirements without major Effort to be adjusted.
  • crank loop drive allows a low one Piston speed, which enables dry running becomes. Furthermore, only small masses are moved and it there are only slight fluctuations in tangential force, which is why the strength requirements for the structure reduce.
  • the simple structure with only a few components of the compressor according to the invention allows inexpensive and easy manufacture and assembly. Like the installation space comparison with conventional compressors can also achieved a compact design with small dimensions become. Furthermore, a flexible redesign, e.g. of the Inlet device, according to the conditions of the site possible without great design effort.
  • a compressor 1 has a compressor block 2, a crank loop drive 3 and two cylinder heads 4 on.
  • the compressor block 2 has as a feed device for the working medium (namely air) an inlet pipe sleeve 5 and an inlet line system 6, and as a discharge device for the compressed or compressed working medium an outlet pipe sleeve 7 and an outlet pipe system 8; further an inner cavity 9 is provided.
  • working medium namely air
  • inlet pipe sleeve 5 and an inlet line system 6 and as a discharge device for the compressed or compressed working medium an outlet pipe sleeve 7 and an outlet pipe system 8; further an inner cavity 9 is provided.
  • the crank loop drive is in the inner cavity 9 of the compressor block 2 3 housed.
  • This has one Crank loop frame 10 on which a backdrop 11 is formed is.
  • a sliding block 12 is placed in the backdrop 11 guided.
  • the sliding block 12 is eccentrically guided on a crankshaft crank pin 13 and thus transforms e.g. through the crankshaft of an internal combustion engine a rotary motion applied to a truck in a longitudinal movement of the crank loop frame 10 around.
  • crank loop frame 10 Piston 14 attached. These lie on one axis and face each other. As a drive, a crank loop is used, the two pistons 14 lead one linear float out.
  • each of the cylinder heads 4 there is a working space 15 and an outlet duct 16 are formed.
  • a liner 17 In the work room 15 is a liner 17 attached.
  • valve lamellae are arranged such that they only one direction of flow into the working space 15 allow.
  • the piston 14 then reverses its direction of movement and moves onto the annular feed groove 6a of the inlet pipe system 6 to.
  • the valve plate 18 attached there prevents the air from flowing back. This will be pre-compressed and flows through openings 19 in the piston 14 and a valve device arranged behind it 20 in the resulting on the other side of the piston Working space.
  • the centers of the openings 19 are on the same radius around the center of the disc-shaped Piston 14 arranged and evenly distributed thereon.
  • the extent of the delivery quantity of the compressor 1 is determined by the amount of the in the 1st stage, the pre-compression stage, aspirated working medium determined. Because the working medium that is not so highly compressed at this stage Back expansion share from the dead spaces less. The order receives a much higher degree of delivery.
  • the valve plate 21 has such a bias on that they only at a certain, preset Pressure opens.
  • the compressed Air is finally expelled into the outlet duct 16 and flows through the discharge line system 8 of the compressor block 2 through the outlet pipe sleeve 7 as compressed air (Compressed air).
  • Precompaction is then carried out again during the return stroke Air through openings 19 and valve device 20 of the piston 14 inserted into the work space.
  • a second Compressors of the same type connected e.g. a 4-cylinder star arrangement are formed. From two to the Drive shaft connected 4-cylinder compressors can be used 8-cylinder compressors are trained and other possible combinations are always open. An individual Adaptation to the respective performance requirements thus possible without much effort.
  • the simple design of the compressor enables also an adaptation to individual circumstances without big design changes.
  • Another arrangement e.g. the inlet or outlet device can be easily be performed.
  • the crank loop drive 3 also has coated Backdrops 11, the dry running of the backdrop stone 12 enable.
  • pistons 30 become immediate through an off-center on a crankshaft that only is indicated indicated, mounted crank pin 33 driven.
  • Piston shaft 31 formed sliding surface 32 as a counter surface for the crank pin 33.
  • a backdrop and a sliding block are not necessary here.
  • the piston skirt 31 is in the area the sliding surface 32 formed such that a spring 34 can clamp the piston 30 against the crank pin 33. This also guarantees the piston return movement.
  • the remaining parts, in particular the compression section and the cylinders correspond to those of the first embodiment, so that reference is made to this.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter bzw. Kompressor zur Verdichtung eines Arbeitsmediums, insbesondere zur Erzeugung von Druckluft, mit zumindest einem in einem Arbeitsraum hin- und herbewegbaren Kolben zum Verdichten des Arbeitsmediums, einer Antriebseinrichtung zur Hin- und Herbewegung des Kolbens sowie mit einer Zuführeinrichtung und einer Abführeinrichtung zur Zufuhr bzw. Abfuhr des Arbeitsmediums, wobei als Antriebseinrichtung ein Kurbelschleifenantrieb vorgesehen ist.
Als Arbeitmedien werden komprimierbare Stoffe wie Gase oder Dämpfe verwendet, wobei in den herkömmlichen Kompressoren meist Luft verdichtet wird. Diese Druckluft wird z.B. in Lastkraftwagen als Übertragungsmittel in Bremseinrichtungen verwendet.
Es sind eine Vielzahl von Tauchkolben-Kompressoren mit Kurbel-Pleuel-Antrieb bekannt. Diese Verdichter arbeiten nach dem Prinzip des Kurbeltriebs und weisen üblicherweise eine Ölschmierung auf. Aufgrund der Schwingbewegung des Pleuels ist es bei diesen Verdichtern schwierig, den arbeitsraum gegenüber dem Kurbelraum abzudichten. Deshalb gelangt Ölleckage an den Kolbenringen vorbei in den Arbeitsraum und führt insbesondere am Auslaßventil zu Ölverkokung. Als Gegenmaßnahme hierzu sind in den herkömmlichen Verdichtern Kühlungseinrichtungen notwendig. Mit diesen wird die Luft- und Bauteiltemperatur reduziert und damit auch das Maß der Ölverkokung herabgesetzt. Die Notwendigkeit einer Kühlung, die meist als Wasser- oder Luftkühlung ausgeführt ist, bedingt aber einen erheblichen konstruktiven Aufwand und einen großen Bauraumbedarf.
Der konstruktive Aufwand erhöht sich weiter aus der Notwendigkeit, eine Erwärmung der angesaugten Luft durch die abzuführende, komprimierte Luft zu vermeiden. Je wärmer die angesaugte Luft ist, desto geringer wird der Liefergrad der Verdichters aufgrund der mit der Temperaturerhöhung einhergehenden Volumenausdehnung des Arbeitsmediums. Deshalb wird eine größtmögliche bauliche Trennung der Zuführund Abführleitungen für das Arbeitsmedium angestrebt.
Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen Kompressoren mit diesen einstufigen Verdichtern ist der niedrige Liefergrad. Dieser ist aufgrund des rückexpandlierenden Schadvolumens aus den Toträumen, der hohen Einlaßventilwiderstände wegen der notwendigen Druckstabilität des Ventils und der Aufheizung der Luft durch die ebenfalls im Zylinderkopf geführte heiße Auslaßluft begrenzt.
Die herkömmlichen Tauchkolben-Kompressoren mit Kurbel-Pleuel-Antrieb bedingen also einen erheblichen konstruktiven Aufwand, eine Vielzahl von Bauteilen und einen großen Bauraumbedarf. Ferner erfordert z.B. eine Lageänderung des Einlaßanschlusses meist eine völlige konstruktive Neugestaltung des Verdichters, da die Leitungsführung der Einlaß- und der Auslaßleitungen sowie der Kühlungsleitungen aufgrund der Wärmeentwicklugen genau aufeinander abgestimmt sein müssen.
Es ist im Stand er Technik bereits bekannt, Kurbelschleifenantriebe für Brennkraftmaschinen zu verwenden. So zeigt z.B. die DE 32 18 311 C2 einen Kurbelschleifenantrieb, der insbesondere für eine Zweitakt-Brennkraftmaschine vorgesehen ist, die auch ohne Ölschmierung betriebsfähig ist. Weiterhin ist aus der DE 34 47 663 A1 eine Mehrzylinder-Brennkraftkolbenmaschine bekannt, bei der die Umsetzung in eine Drehbewegung mittels eines Kurbelschleifenantrieb erfolgt. Eine weitere Ausführungsform eines solchen Kurbelschleifenantriebs wird in der DE 43 07 205 A1 beschrieben. Bezüglich des genauen Funktionsprinzips und hinsichtlich der Arbeitsweise des Kurbelschleifenantriebs kann daher vollinhaltlich auf die genannten Druckschriften verwiesen werden.
Der Kurbelschleifenantrieb bietet demmach den Vorteil, daß die Drehbewegung einer Kurbelwelle in eine reine Längsbewegung der Kolben umgewandelt wird. Dies ermöglicht ein sicheres Abdichten der Gleitfläche zwischen dem Kolbenschaft und der Lagerstelle im Verdichterblock. Wenn entsprechend der Lehre der DE-A-2 033 820, der FR-A-364091 oder der BE-A-861533 als Antriebseinrichtung des Verdichters ein Kurbelschleifenantrieb vorgesehen wird, kann sichergestellt werden, daß der Arbeitsraum gegenüber dem Kurbelraum stets ausreichend abgedichtet ist, was den entscheidenden Vorteil hat, daß der Arbeitsraum beidseits des Kolbens für den Verdichtungsvorgang genutzt werden kann und daß keine Ölpartikel in den Arbeitsraun gelangen können.
Dadurch wird eine Verkokung der Ventile, insbesondere des Auslaßventils, vermieden und es kann auf eine Kühlung verzichtet werden. Der erhebliche konstruktive Aufwand zur Gestaltung des Verlaufs der Kühlungskanäle entfällt somit völlig und die Bauform vereinfacht sich wesentlich.
Aufgabe der Erfindung ist es gegenüber der gattungsgemäßen BE-A-861 533 einen Verdichter zu schaffen, bei dem der Arbeitsraum auf einfacher Weise abdichtbar ist. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruches 1.
Der Arbeitsraum kann nach der im Anspruch 2 angegebenen Weiterbildung der Erfindung auf beiden Seiten des Kolbens zum einen als Vorverdichtungsraum und zum anderen als Hauptverdichtungsraum dienen, d.h. die Kolbenbewegung kann z.B. als Ausstoßbewegung dienen und gleichzeitig zum Ansaugen von noch unverdichtetem Arbeitsmedium auf der Kolbenrückseite.
Damit ergibt sich ein zweistufiger Verdichter, der das Arbeitsmedium zunächst vorverdichtet und anschließend in einem Hauptverdichtungshub ausstößt. Während beim herkömmlichen einstufigen Verdichter das aufgrund von Bauteiltoleranzen und der Wärmeausdehnung auftretende Totvolumen den Liefergrad wesentlich verschlechtert, ist für den zweistufigen Verdichter die Arbeit des Totvolumens nahezu unbedeutend, da die Rückexpansion des dortigen Arbeitsmediums direkt zur Vorverdichtung genutzt wird.
Die in das Totvolumen eingebrachte Verdichtungsenergie ist somit nicht verloren und ermöglicht deshalb einen wesentlich höheren Wirkungsgrad bzw. Liefergrad. Mit einer solchen Anordnung läßt sich z.B. der Liefergrad gegenüber 55% bei einem herkömmlichen Serienkompressor auf 80% beim Kurbelschleifenkompressor mit Vorverdichtung anheben.
Der Liefergrad wird in der erfindungsgemäßen Anordnung durch das Volumen des Vorverdichtungsraumes bestimmt. Das hier auftretende Totvolumen ist aber aufgrund des niedrigeren Drucks von geringerer Bedeutung, da das rückexpandierende Schadvolumen nicht so umfangreich ist. Das Arbeitsmedium im Vorverdichtungsraum wird nahezu völlig in den Hauptverdichtungsraum übergeführt und das dort auftretende Totvolumen setzt die darin eingebrachte Energie wieder zur Unterstützung der Rückbewegung des Kolbens und somit für die Vorverdichtung ein.
Die Ausbildung in einem hintereinander geschalteten Vor- und Hauptverdichtungsraum ermöglicht eine einfache Ventilanordnung. Jeder Verdichtungsraum benötigt daher gemäß der im Anspruch 3 angegebenen Weiterbildung der Erfindung nur jeweils eine Ventileinrichtung für die Zufuhr und eine Ventileinrichtung für die Abfuhr des Arbeitsmediums. Diese Ventileinrichtungen können zudem sehr einfach und betriebssicher gestaltet werden. Der konstruktive Aufwand verringert sich somit wesentlich und die bauliche Ausführungsform vereinfacht sich hierdurch erheblich.
Dadurch, daß der Raum beidseitig des Kolbens als Arbeitsraum Verwendung findet, ergibt sich der Vorteil, daß eine räumliche Trennung der Zuführeinrichtung von der Abführeinrichtung, wie z.B. eine Anordnung auf axial gegenüberliegenden Seiten des Kolbens gemäß der im Anspruch 4 angegebenen Weiterbildung der Erfindung, ermöglicht wird. Die Zuführeinrichtung kann also z.B. im Verdichterblock angeordnet werden, während die Abführeinrichtung im Zylinderkopf vorgesehen ist und die weitere Leitungsführung beliebig gewählt werden kann. Somit kann die Erwärmung des zugeführten Arbeitsmediums durch das aufgrund des Druckvorgangs erwärmte abgeführte Arbeitsmedium vermieden werden. Ein konstruktives Hauptproblem herkömmlicher Verdichter entfällt damit und die Bauweise des Verdichters vereinfacht sich wesentlich.
Eine auf den Arbeitsraum hin gerichtete ringförmige Zuführnut gemäß der im Anspruch 5 angegebenen Weiterbildung der Erfindung ermöglicht ein gleichmäßiges Einströmen des angesaugten Arbeitsmediums in den Vorverdichtungsraum.
Wenn der Kolben nach der im Anspruch 6 angegebenen Weiterbildung der Erfindung als kreisförmige Scheibe ausgebildet wird, so erlaubt dies eine einfache und kostengünstige Herstellung desselben. Ferner können die bewegten Massen und die Größe der Reibungsflächen gering gehalten werden.
Da der scheibenförmige Kolben gemäß Anspruch 7 vorzugsweise mit einer Vielzahl von Öffnungen bzw. Durchgangslöchern ausgebildet ist, ist es möglich auf Überströmkanäle im Zylinderkopf zu verzichten. Das Arbeitsmedium kann durch die Öffnungen im Kolben vom Vorverdichtungsraum direkt in den Hauptverdichtungsraum übergeleitet werden. Der konstruktive Aufwand für den Zylinderkopf verringert sich so wesentlich. Ferner wird durch die Öffnungen eine Gewichtsverminderung des Kolbens erreicht, womit die Größe der zu bewegenden Masse geringer wird.
Eine gleichmäßige Verteilung der Öffnungen auf dem Kolben gemäß der im Anspruch 8 angegebenen Weiterbildung der Erfindung ermöglicht eine ausgewogene Druckverteilung auf dem Kolben. Die Belastung auf die Lagerung wird somit nicht einseitig und der Verschleiß an den Laufflächen bleibt gering.
Dadurch, daß der Kolben gemäß Anspruch 9 an seinen Öffnungen vorzugsweise eine Ventileinrichtung aufweist, kann ein Überströmen des Arbeitsmediums ermöglicht und dabei aber gleichzeitig der Vorverdichtungsraum vom Hauptverdichtungsraum abgetrennt werden. Das Arbeitsmedium kann nur in den Hauptverdichtungsraum hineinströmen, während die Gegenrichtung gesperrt wird. Somit wird auf einfache Weise eine Trennung der Verdichtungsräume erreicht und gleichzeitig die Möglichkeit des direkten Übertritts des Arbeitsmediums ohne einen Umweg über Kanäle im Zylinderkopf genutzt. Damit vereinfacht sich die Bauweise des Verdichters weiter.
Die Ausbildung der Laufbuchse als Tiefziehteil erlaubt eine kostengünstige und präzise Führung des Kolbens.
Ferner ist es dadurch möglich, die Laufbuchse einstückig mit der Ventilplatte auszubilden. Dadurch vermindert sich der Montageaufwand.
Von weiterem Vorteil ist es, daß gemäß der im Anspruch 10 angegebenen Weiterbildung der Erfindung durch einen Kurbelschleifenantrieb ohne großen Aufwand zwei gegenläufige Kolben angetrieben werden können. Somit ist es möglich mit einer einfachen Bauweise einen Doppelverdichtungszylinder zu schaffen und die Leistung wesentlich zu erhöhen.
Diese Bauweise hat ferner den Vorteil, daß mit nur wenigen weiteren Teilen z.B. eine 2-, 4- oder 8-Zylinder-Version des Verdichters ermöglicht wird. Der Verdichter kann somit an entsprechende Leistungsanforderungen ohne großen Aufwand angepaßt werden.
Die Ausführung als Mehrzylinderanordnung führt weiterhin zu einem gleichmäßigeren Verlauf des Antriebsmomentes im Verhältnis zu den aufgrund der Baugröße und des konstruktiven Aufwands meist nur einzylindrig ausgeführten herkömmlichen Verdichtern.
Ferner erlaubt der Kurbelschleifenantrieb eine geringe Kolbengeschwindigkeit, wodurch ein Trockenlauf möglich wird. Weiterhin werden nur geringe Massen bewegt und es entstehen nur geringe Tangentialkraftschwankungen, weshalb sich die Festigkeitsanforderungen an den Aufbau wesentlich mindern.
Der einfache und nur wenige Bauteile aufweisende Aufbau des erfindungsgemäßen Verdichters erlaubt eine kostengünstige und einfache Herstellung und Montage. Wie der Bauraumvergleich mit herkömmlichen Verdichtern zeigt, kann zudem eine kompakte Bauform mit geringen Abmessungen erreicht werden. Ferner ist eine flexible Umgestaltung, z.B. der Einlaßeinrichtung, nach den Gegebenheiten des Einsatzortes ohne großen konstruktiven Aufwand möglich.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
  • Fig. 1 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Verdichters;
  • Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Verdichters mit einer vereinfachten Antriebsvorrichtung; und
  • Fig. 3 einen Bauraumvergleich mit einem herkömmlichen Kompressor.
    • Gemäß Fig.1 weist ein Verdichter 1 einen Verdichterblock 2, einen Kurbelschleifenantrieb 3 und zwei Zylinderköpfe 4 auf.
    Der Verdichterblock 2 weist als Zuführeinrichtung für das Arbeitsmedium (nämlich Luft) eine Einlaßrohrmuffe 5 und ein Einlaßleitungssystem 6, sowie als Abführeinrichtung für das komprimierte bzw. verdichtete Arbeitsmedium eine Auslaßrohrmuffe 7 und ein Auslaßleitungssystem 8 auf; ferner ist ein Innenhohlraum 9 vorgesehen.
    Im Innenhohlraum 9 des Verdichterblocks 2 ist der Kurbelschleifenantrieb 3 untergebracht. Dieser weist einen Kurbelschleifenrahmen 10 auf, auf dem eine Kulisse 11 ausgebildet ist. In der Kulisse 11 wird ein Kulissenstein 12 geführt. Der Kulissenstein 12 wird durch einen außermittig auf einer Kurbelwelle gelagerten Kurbelzapfen 13 geführt und wandelt so die z.B. durch die Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors eines Lastkraftwagens aufgebrachte Drehbewegung in eine Längsbewegung des Kurbelschleifenrahmens 10 um.
    Ferner sind am Kurbelschleifenrahmen 10 zwei scheibenförmige Kolben 14 befestigt. Diese liegen auf einer Achse und stehen einander gegenüber. Da als Antrieb eine Kurbelschleife verwendet wird, führen die beiden Kolben 14 eine lineare Hin- und Herbewegung aus.
    In den Zylinderköpfen 4 ist jeweils ein Arbeitsraum 15 und ein Auslaßkanal 16 ausgebildet. Im Arbeitsraum 15 ist eine Laufbuchse 17 befestigt.
    In Betrieb wird durch die Kolbenbewegung Luft in den Arbeitsraum 15 angesaugt. Die Luft strömt über die Einlaßrohrmuffe 5 und das Einlaßleitungssystem 6 über eine ringförmige Zuführnut 6a durch eine auf dem Verdichterblock 2 angeordnete Ventilplatte 18 in den Arbeitsraum 15. Auf der Ventilplatte 18 sind Ventillamellen derart angeordnet, daß sie nur eine Strömungsrichtung in den Arbeitsraum 15 hinein erlauben.
    Der Kolben 14 kehrt dann seine Bewegungsrichtung um und bewegt sich auf die ringförmige Zuführnut 6a des Einlaßleitungssystems 6 zu. Die dort angebrachte Ventilplatte 18 verhindert ein Zurückströmen der Luft. Diese wird somit vorverdichtet und strömt durch Öffnungen 19 im Kolben 14 und eine dahinter anliegend angeordnete Ventileinrichtung 20 in den sich nun auf der anderen Seite des Kolbens ergebenden Arbeitsraum. Die Zentren der Öffnungen 19 sind auf dem gleichen Radius um das Zentrum des scheibenförmigen Kolbens 14 angeordnet und gleichmäßig darauf verteilt.
    Das Ausmaß der Liefermenge des Verdichters 1 wird durch die Menge des in der 1. Stufe, der Vorverdichtungsstufe, angesaugten Arbeitsmediums bestimmt. Da das Arbeitsmedium in dieser Stufe nicht so hoch verdichtet wird, ist auch der Rückexpansionsanteil aus den Toträumen geringer. Die Anordnung erhält so einen wesentlich höheren Liefergrad.
    Die auf die andere Seite des Kolbens 14 übergeströmte Luft wird dann durch die neuerliche Umkehrung der Kolbenbewegung verdichtet und gegen eine integral mit der Laufbuchse 17 ausgebildete Ventilplatte 21 gedrückt. Dies ist möglich, da auch die Lamellen der Ventileinrichtung 20 auf den Kolben 14 nur eine Strömungsrichtung in den Hauptverdichtungsraum hinein zulassen.
    Die Ventilplatte 21 weist eine derartige Vorspannung auf, daß sie erst bei einem bestimmten, voreinstellbaren Druck öffnet. Beim Öffnen der Ventilplatte 21 wird die komprimierte Luft schließlich in den Auslaßkanal 16 ausgestoßen und strömt über das Auslaßleitungssystem 8 des Verdichterblocks 2 durch die Auslaßrohrmuffe 7 als verdichtet Luft (Druckluft) ab.
    Da auch die Lamellen der Ventilplatte 21 nur eine Strömungsrichtung zulassen, wird ein Zurückströmen der komprimierten Luft in den Arbeitsraum 15 beim Rückhub des Kolbens 14 vermieden.
    Die in den aufgrund der Bauteiltoleranzen und der Wärmeausdehnung vorliegenden Toträumen komprimierte Luft dehnt sich beim Rückhub des Kolbens 14 wieder aus und unterstützt den Rückhub und damit die Vorverdichtung der Luft auf der anderen Kolbenseite.
    Während des Rückhubs wird dann wieder vorverdichtete Luft durch die Öffnungen 19 und die Ventileinrichtung 20 des Kolbens 14 in den Arbeitsraum eingeführt.
    Da der Kolben 14 eine rein lineare Bewegung ausführt, kann ein Kolbenschaft 22 problemlos im Verdichterblock 2 geführt und mittels einer Dichtungseinrichtung 23 gegenüber dem Innenholraum 9 des Verdichterblocks 2, der den Kurbelschleifenantrieb 3 beherbergt, abgedichtet werden. Somit kann vermieden werden, daß Ölpartikel in den Arbeitsraum 15 gelangen und eine Ölverkokung der Ventileinrichtungen verursachen. Damit werden Einrichtungen zum Kühlen des Verdichters nicht benötigt und der konstruktive Aufwand verringert sich bedeutend.
    Durch eine weitere Dichtungseinrichtung 24, die umfangsseitig am Kolben 14 angeordnet ist, werden die Verdichtungsräume beidseits des Kolbens 14 gegeneinander abgedichtet.
    Da diese Anordnung nur eine relativ geringe Kolbengeschwindigkeit erfordert, ist ein Trockenlauf möglich. Auch deshalb ist keine Kühlungseinrichtung notwendig und die Bauweise vereinfacht sich weiter.
    An der Antriebswelle des erfindungsgemäßen Verdichters kann problemlos mit wenigen weiteren Bauteilen ein zweiter Verdichter derselben Bauart angeschlossen und so z.B. eine 4-Zylinder-Sternanordnung gebildet werden. Aus zwei an der Antriebswelle verbundenen 4-Zylinder-Verdichtern kann ein 8-Zylinder-Verdichter ausgebildet werden und weitere Kombinationsmöglichkeiten stehen jederzeit offen. Eine individuelle Anpassung an die jeweiligen Leistungsanforderungen ist somit ohne großen Aufwand möglich.
    Die einfache Ausgestaltung des Verdichters ermöglicht zudem eine Anpassung an individuelle Gegebenheiten ohne große konstruktive Änderungen. Eine andere Anordnung z.B. der Einlaß- oder Auslaßeinrichtung kann ohne großen Aufwand durchgeführt werden.
    Der Kurbelschleifenantrieb 3 weist ferner beschichtete Kulissen 11 auf, die einen Trockenlauf des Kulissensteins 12 ermöglichen.
    In Fig. 2 ist eine vereinfachte Ausführungsform eines Kurbelschleifenantriebs gezeigt; in dieser sind mit den gleichen Bezugszeichen jeweils die gleichen Teile bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform werden Kolben 30 unmittelbar durch einen außermittig auf einer Kurbelwelle, die nur angedeutet dargestellt ist, gelagerten Kurbelzapfen 33 angetrieben. In dieser Ausführungsform dient eine auf einem Kolbenschaft 31 ausgebildete Gleitfläche 32 als Gegenfläche für den Kurbelzapfen 33. Eine Kulisse und ein Kulissenstein sind hier nicht notwendig. Der Kolbenschaft 31 ist im Bereich der Gleitfläche 32 derart ausgebildet, daß eine Feder 34 den Kolben 30 gegen den Kurbelzapfen 33 spannen kann. Damit ist auch die Kolbenrückbewegung gewährleistet. Die übrigen Teile, insbesondere der Verdichtungsabschnitt und die Zylinder, entsprechen denen des ersten Ausführungsbeispiels, so daß hierauf verwiesen wird.
    In Fig. 3 ist die kompakte Bauform des erfindungsgemäßen Verdichters im Bauraumvergleich mit einem herkömmlichen Verdichter derselben Leistung gezeigt. Aus diesem Vergleich wird deutlich, daß der erfindungsgemäße Verdichter wesentlich weniger Platz beansprucht.
    Bezüglich weiterer, hier nicht näher beschriebener Merkmale, Vorteil und Wirkungen der Erfindung wird ausdrücklich auf die Zeichnung verwiesen.

    Claims (11)

    1. Verdichter (1) zur Verdichtung eines Arbeitsmediums, insbesondere zur Erzeugung von Druckluft, mit zumindest einem in einem Arbeitsraum (15) hin- und herbewegbaren Kolben (14) zum Verdichten des Arbeitsmediums, einer Antriebseinrichtung zur Hin- und Herbewegung des Kolbens (14) sowie mit einer Zuführeinrichtung und einer Abführeinrichtung zur Zufuhr bzw. Abfuhr des Arbeitsmediums, wobei als Antriebseinrichtung ein Kurbelschleifenantrieb (3) vorgesehen ist,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      der Kolben (14) in einer Laufbuchse (17) läuft, die als Tiefziehteil und einstückig mit einer Ventilplatte 5 (21) ausgebildet ist.
    2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsraum (15) durch den hin- und herbewegbaren Kolben (14) in einen Vorverdichtungsraum und einen Hauptverdichtungsraum unterteilt ist.
    3. Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverdichtungsraum und der Hauptverdichtungsraum nur jeweils eine Ventileinrichtung für die Zu- und Abführung des Arbeitsmediums aufweisen.
    4. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung und die Abführeinrichtung an - in Bewegungsrichtung des Kolbens (14) gesehen - einander gegenüberliegenden Seiten des Kolbens (14) des Kurbelschleifenantriebs (3) angeordnet sind.
    5. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung als in einem Verdichterblock (2) angeordnetes Einlaßleitungssystem (6) ausgebildet ist, wobei das Einlaßleitungssystem (6) mit einer zum Arbeitarauum hin gerichteten ringförmigen Zuführnut (6a) versehen ist.
    6. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (14) als kreisförmige Scheibe ausgebildet ist.
    7. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Kolben (14) eine Vielzahl von sich in axialer Richtung erstreckenden Öffnungen (19) ausgebildet sind.
    8. Verdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentren der Öffnungen (19) auf dem gleichen Radius um das Zentrum des Kolbens (14) liegen und gleichmäßig auf dem Kolben (14) verteilt sind.
    9. Verdichter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (14) mit einer an den Öffnungen (19) angeordneten Ventileinrichtung (20) versehen ist.
    10. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurbelschleifenantrieb (3) einen Doppelverdichtungszylinder mit zwei gegenläufige Kolben (14) antreibt.
    11. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter nach einem Baukastenprinzip, z.B. als 2-, 4- oder 8-Zylinder-Version, ausgeführt ist.
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