EP1394413A1 - Hubkolbenverdichter für gasförmige Medien mit verringerter Bauhöhe - Google Patents

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EP1394413A1
EP1394413A1 EP02019521A EP02019521A EP1394413A1 EP 1394413 A1 EP1394413 A1 EP 1394413A1 EP 02019521 A EP02019521 A EP 02019521A EP 02019521 A EP02019521 A EP 02019521A EP 1394413 A1 EP1394413 A1 EP 1394413A1
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EP
European Patent Office
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longitudinal axis
piston
cylinder
axis
reciprocating compressor
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EP02019521A
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EP1394413B1 (de
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Uwe Dr. Folchert
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Continental Teves AG and Co OHG
Original Assignee
Continental AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/12—Casings; Cylinders; Cylinder heads; Fluid connections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/0005—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00 adaptations of pistons
    • F04B39/0022—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00 adaptations of pistons piston rods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/0094—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00 crankshaft

Definitions

  • the present invention relates to a reciprocating compressor for gaseous media, in particular for a level control system in motor vehicles according to the preamble of Claim 1.
  • Such a reciprocating compressor is known from the German patent DE19903025C2 known.
  • the reciprocating compressor described in this document for gaseous Media has a movable within a cylinder piston.
  • An outside of the Cylinder lying end of the piston is about a crankshaft with a drive shaft connected to an electric motor.
  • the reciprocating compressor and the drive device are each disposed in a compressor housing and a drive device housing.
  • On the compressor housing in the region of the piston is a tubular, integral with the Compressor housing formed extension piece, wherein the compressor housing and the drive device housing are integrally formed.
  • the one from this Publication known and designed in a conventional design reciprocating compressor has the disadvantage of a large design and high friction of the piston ring on the Cylinder run, especially in the intake stroke.
  • a reciprocating compressor which drives a piston engine via a drive motor.
  • One Working space of a cylinder has a volume which is between a minimum value and a maximum value pulses. Separated, with inlet and outlet and outlet ports, a medium is introduced through the inlet and through the outlet cast out.
  • the working space of the cylinder is one of a crankcase enclosed crankshaft space upstream.
  • the crankshaft space is connected to the environment, wherein the air inlet valve is a rotary valve and synchronous to the rotational movement of Crankshaft is controllable.
  • the rotary valve is integrated into the intake manifold Upstream suction filter.
  • the intake manifold, the intake filter and the rotary valve form a single unit.
  • Also known from this document and in Conventional design designed reciprocating compressor has the disadvantage of a large Construction and high friction of the piston ring on the cylinder bore especially in the intake stroke.
  • the object of the invention is a reciprocating compressor with a low profile and a To provide reduced friction of the piston ring on the cylinder bore.
  • the pivot angle of the piston ring relative to the cylinder bore and thus the Piston ring longitudinal axis with respect to the longitudinal axis of the cylinder bore is with respect Deformation, pressure load and thus tightness of the piston ring to a maximum limited permissible value. This is especially true in the upward movement of the piston (the compression stroke), because then increased demands for deformation, Pressure load and thus tightness at the contact point piston ring and Cylinder run are made.
  • the advantage of the invention is in particular to see that as a result, the height of the reciprocating compressor by reducing reduces the connecting rod length and correspondingly reduced length of the cylinder bore can be, without the piston ring unduly high stress and the maximum permissible swivel angle in the compression stroke to exceed.
  • the reduced height the reciprocating compressor can be reduced by a reduction of the connecting rod length and achieve corresponding reduced length of the cylinder bore, wherein the longitudinal axis of the Cylinder track is arranged offset from the first axis of space, so that the maximum swivel angle of the piston ring with respect to the cylinder bore in Compression stroke does not exceed the maximum permissible value.
  • Another advantage The invention can be seen in particular in that the maximum pivot angle in Suction stroke where there is no increased requirement for the piston ring with regard to deformation, Pressure load and tightness are made greater than the maximum allowable Swivel angle is what leads to a reduction of friction and an improvement of the Intake process in the intake stroke leads.
  • the Longitudinal axis of the cylinder bore relative to the first axis of space is offset in parallel.
  • the longitudinal axis of the cylinder bore perpendicular to the longitudinal axis of the motor drive shaft which is production technology easy can be produced.
  • the cylindrical Component is rotationally symmetric and thus - especially from standard components - simple to be finished.
  • the Longitudinal axis of the cylinder bore does not intersect the pivot point of the drive shaft.
  • One Advantage of the development of the invention is that thereby the pivot angle of the Piston ring against the cylinder bore, especially in the compression stroke within a wide range can be adjusted.
  • the angle between the longitudinal axis of the Cylinder bore and the first axis of space may comprise a very wide range, by choosing a very low or a very high value.
  • the Longitudinal axis of the cylinder bore is pivoted relative to the first spatial axis.
  • One Advantage of the development of the invention is that thereby the pivot angle of the Piston ring against the cylinder bore especially in the compression stroke on best can be adjusted and the maximum reduction in the height of the Reciprocating compressor is achieved.
  • Another advantage of the invention is that the pivot angle of the piston ring relative to the cylinder bore in particular in the compression stroke over the largest possible distance of the compression and / or Suction stroke within a for the tightness of the piston ring to Cylinder runway, the piston ring wear and / or the Kolbenringlebensdauer optimal range moves.
  • the Longitudinal axis of the cylinder bore relative to the first axis of space by an angle is pivoted between 0.5 ° and 7 °.
  • the Intersection of the longitudinal axis of the cylinder bore with the first axis of space in the area the up and down movement of the piston is within the cylinder bore.
  • the Intersection of the longitudinal axis of the cylinder track with the first axis of space in the middle the range of up and down movement of the piston within the cylinder bore lies.
  • the Intersection of the longitudinal axis of the cylinder track with the first axis in the upper space Inversion point of the piston is within the cylinder bore.
  • the Surface of the end piece of the cylinder head which is oriented towards the crankcase, has a spherical or barrel-shaped contour and the outer surface of the curvature of the spherical or barrel-shaped contour is oriented towards the crankcase, so that the Dead space is reduced and thus the efficiency and efficiency of the Reciprocating compressor is increased.
  • FIG. 1 describes a reciprocating compressor 10 of conventional design.
  • Cylinder head 20 is in this embodiment in one piece with a cylindrical Component 56 is formed and has an outlet channel 22.
  • the outlet channel 22 becomes the Drier housing 28 closed by an outlet valve 24, which consists of a Elastomer body, a leaf valve or the like.
  • One in the cylinder head 20 attached valve spring 26 presses the outlet valve 24 at no or little Pressure gradient on the sealing seat of the outlet channel 22 and closes this for Dryer housing 28 out.
  • the function of a dryer is especially for air well known and will not be described in detail here.
  • the cylindrical component 56 has a cylinder bore 58 with a high Surface finish on and is connected at one end to a crankcase 42.
  • the cylinder head 20 and the cylindrical member 56 may also be separate Components are manufactured.
  • the cylindrical component 56 may be made a standard component, such as a pipe, are produced inexpensively. By means of a Press connection or the like, the cylinder head 20 with the cylindrical Component 56 connected.
  • crankshaft 38 In the crankcase 42, a crankshaft 38 is arranged, which with a pin in the Inner ring of a bearing 36 is pressed. The outer ring of the bearing 36 is in the Crank hammers attached.
  • the crankshaft 38 has a crankshaft journal 44, which serves to receive a bearing 40 and thus a connecting rod 50.
  • the bearing 40 is firmly connected to the connecting rod 50 and is by means of a screw 46 and a disc 48th or the like fixed to the crankshaft journal 44.
  • the connecting rod 50 has a Longitudinal axis 64, which in this embodiment with the longitudinal axis of a fixed connected to the connecting rod 50 piston 60 and the longitudinal axis of a piston 60th fixed piston ring 54 matches.
  • the piston 60 is together with the connecting rod 50 as a so-called oscillating piston executed, i. the piston 60 is rigidly connected to the connecting rod 50.
  • an inlet channel 62 is arranged, which communicates with the compression space Room connects to the crankcase 42 out.
  • the inlet channel 62 is at the Upward movement of the piston 60 (compression stroke) from an inlet valve 66 to closed, so that no air from the compression space to the interior of the Crankcase 42 can flow, and is in the downward movement of the piston 60th (Ansaughub) open so that air from the interior of the crankcase 42 for Compaction space can flow.
  • the inlet channel 62 and so that the inlet valve 66 are arranged in the cylinder head 20.
  • the inlet valve 66 as shown in this embodiment, as a leaf valve or in known Be designed as an elastomeric valve body with or without valve spring.
  • the symmetry axis of the bearing 36 coincides with a drive shaft 31 a fixed to the Crankshaft 38 connected drive shaft 34 of the drive unit match.
  • the Drive unit is formed in this embodiment of an electric motor whose function is known and will not be described in detail. It is the use of everyone other known drive technology, such as a pneumatic or hydraulic drive, possible.
  • the drive shaft 34 of the electric motor is on the stored one side in the bearing 36 and on the other side in a bearing 32.
  • the Bearing 32 is fixed in a motor housing 30 which fixed to the crankcase 42nd connected is.
  • FIG. 2 shows schematically the kinematics of a reciprocating compressor.
  • a schematic illustrated piston 228 and a schematically illustrated connecting rod 230 are in the upper Dead center of the piston 228 shown. In this position, there is also a fulcrum of the crankshaft journal 44 (s.Fig.1) in the upper reversal point 231.
  • a first spatial axis 222 intersects the upper reversal point 231 of the crankshaft journal 44 (s.Fig.1) and a pivot point 232 of the drive shaft 31 (s.Fig.1).
  • a longitudinal axis 220 of the cylindrical member 56 and the cylinder barrel 58 intersects the pivot 232 the drive axis 31 (s.Fig.1) not, but is compared to the first spatial axis 222 to an angle 238 pivoted.
  • the pivot angle 238 is in one Range between 0.5 ° and 7 °.
  • the pivot point of the crankshaft journal 44 (s.Fig.1) describes at a turn around 360 ° about the pivot point 232 of the drive axle 31 (s.Fig.1) a movement circle 234, which has a radius which corresponds to the eccentricity of the crankshaft 38 (see FIG. equivalent.
  • the direction of movement 239 of the pivot point of the crankshaft journal 44 (s.Fig.1) runs counterclockwise.
  • Between the top of the piston 228 and the surface of the cylinder head 224 is the smallest possible gap, which is the Represents dead volume of the reciprocating compressor.
  • the area of the cylinder head 224 is perpendicular to the first spatial axis 222.
  • a misalignment of this is the first Room axis 222 possible, for example, the surface of the cylinder head 224 perpendicular extend to the longitudinal axis of the cylinder bore, so that the dead volume as low as possible is held.
  • the figure 2a also shows schematically the kinematics of a reciprocating compressor.
  • Piston 228 is shown in its bottom dead center.
  • the crankshaft journal 44 (s.Fig.1) is in its lower reversal point 235.
  • the intersection 221 of Longitudinal axis 220 of the cylinder bore 58 with the first spatial axis 222 is within the Cylinder run and within a range of movement 226 of the piston 228th
  • FIG. 3 shows the piston 228 and the connecting rod 230 in the maximum pivoting position in the compression stroke.
  • the crankshaft connection of the fulcrum of the Drive axis 232 to the pivot point of the crankshaft journal
  • the longitudinal axis 64 of the piston ring not shown, which in this Embodiment identical to the longitudinal axis of the piston 228 and the connecting rod 230th is, relative to the longitudinal axis 220 of the cylinder bore 58 has a pivot angle 236 on.
  • the swivel angle 236 corresponds to the maximum swivel angle of Piston ring to the cylinder bore 58 in the compression stroke.
  • FIG. 4 shows the piston 228 and the connecting rod 230 in the maximum pivoting position in the intake stroke.
  • the crankshaft connection of the fulcrum of the Drive axis 232 to the pivot point of the crankshaft journal
  • the longitudinal axis 64 of the piston ring not shown, which in this Embodiment identical to the longitudinal axis 64 of the piston 228 and the connecting rod 230th is, relative to the longitudinal axis 220 of the cylinder bore 58 has a pivot angle 240 on.
  • the swivel angle 240 corresponds to the maximum swivel angle of Piston ring to the cylinder bore 58 in the intake stroke.
  • the maximum pivot angle 236 in the compression stroke is smaller than that maximum swivel angle 240 in the intake stroke.
  • Figure 5 shows the piston 228 and the connecting rod 230 in a position during the Verdichtungshubes shortly before top dead center.
  • the longitudinal axis 64 of the piston ring, of the piston 228 and / or the connecting rod 230 is at the time shown in Fig.5 identical to the longitudinal axis 220 of the cylinder barrel 58.
  • the piston 228 facing surface of the cylinder head 224 round or cylindrically shaped.
  • the outer contour of the rounding of the surface 224 points respectively in the direction of the piston, so that the dead volume is as low as possible.
  • the middle-point the rounding or the longitudinal axis of the cylinder of the surface 224 lies on or intersects Preferably, the longitudinal axis 220 of the cylinder bore 58. It is also conceivable that the first spatial axis 222 or another axis the center of the rounding or the Longitudinal axis of the cylinder of the surface 224 intersects.
  • FIG. 6 shows schematically the kinematics of an embodiment of a Reciprocating compressor according to claim 2.
  • the longitudinal axis 220 of the cylinder bore 58 is offset parallel to the first space axis 222 and does not intersect the fulcrum 232 of the drive shaft 31 (s.Fig.1).
  • the parallel Displacement of the longitudinal axis 220 to the first spatial axis 222 can either so be made that the longitudinal axis 242 of the connecting rod 230 in two points during the suction stroke (as shown) or in two points during the compression stroke with the longitudinal axis 220 of the cylinder barrel 58 match.
  • the longitudinal axis 242 of the connecting rod 230 and the longitudinal axis 244 of the piston 228 and / or the piston ring is not identical.
  • the axis 244 of the piston 228 and / or the piston ring have a different pivot angle relative to the longitudinal axis 220 of the Cylinder runway 58, as the longitudinal axis 242 of the connecting rod 230.
  • this Embodiment agrees the longitudinal axis 220 of the cylinder bore 58 in the upper Dead center with the longitudinal axis 244 of the piston or the piston ring match, so that a very low dead volume arises.

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Abstract

Hubkolbenverdichter für gasförmige Medien, insbesondere für eine Niveauregelanlage in Kraftfahrzeugen, wobei der maximale Schwenkwinkel der Kolbenringlängsachse gegenüber der Längsachse der Zylinderlaufbahn bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens kleiner ist, als bei der Abwärtsbewegung des Kolbens und dass die Längsachse der Zylinderlaufbahn gegenüber der ersten Raumachse versetzt ist. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hubkolbenverdichter für gasförmige Medien, insbesondere für eine Niveauregelanlage in Kraftfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiger Hubkolbenverdichter ist aus der deutschen Patentschrift DE19903025C2 bekannt. Der in dieser Druckschrift beschriebene Hubkolbenverdichter für gasförmige Medien weist einen innerhalb eines Zylinders bewegbaren Kolben auf. Ein außerhalb des Zylinders liegendes Ende des Kolbens ist über eine Kurbelwelle mit einer Antriebswelle eines Elektromotors verbunden. Der Kolbenverdichter und die Antriebsvorrichtung sind jeweils in einem Verdichtergehäuse und einem Antriebsvorrichtungsgehäuse angeordnet. Am Verdichtergehäuse ist im Bereich des Kolbens ein rohrförmiges, einstückig mit dem Verdichtergehäuse ausgebildetes Ansatzstück angeordnet, wobei das Verdichtergehäuse und das Antriebsvorrichtungsgehäuse einstückig ausgebildet sind. Der aus dieser Druckschrift bekannte und in herkömmlicher Bauweise gestaltete Hubkolbenverdichter hat den Nachteil einer großen Bauweise und einer hohen Reibung des Kolbenringes an der Zylinderlaufbahn insbesondere im Ansaughub.
Weiterhin ist aus der deutschen Patentschrift DE10005929C2 ein Hubkolbenverdichter bekannt, welcher über einen Antriebsmotor eine Kolbenmaschine antreibt. Ein Arbeitsraum eines Zylinders weist ein Volumen auf, welches zwischen einem Kleinstwert und einem Größtwert pulsiert. Über getrennt, mit Ein- und Auslassorganen versehene Ein- und Auslassöffnungen, wird ein Medium durch den Einlass hinein- und durch den Auslass hinausgestoßen. Dem Arbeitsraum des Zylinders ist ein von einem Kurbelwellengehäuse umhüllter Kurbelwellenraum vorgeschaltet. Über einen mittels Lufteinlassventil verschließbaren Ansaugstutzen ist der Kurbelwellenraum mit der Umgebung verbunden, wobei das Lufteinlassventil ein Rotationsventil ist und synchron zur Drehbewegung der Kurbelwelle steuerbar ist. Dem Rotationsventil ist ein in den Ansaugstutzen integrierter Ansaugfilter vorgeschaltet. Der Ansaugstutzen, der Ansaugfilter und das Rotationsventil bilden eine einzige Baueinheit. Auch der aus dieser Druckschrift bekannte und in herkömmlicher Bauweise gestaltete Hubkolbenverdichter hat den Nachteil einer großen Bauweise und einer hohen Reibung des Kolbenringes an der Zylinderlaufbahn insbesondere im Ansaughub.
Aufgabe der Erfmdung ist es, einen Hubkolbenverdichter mit geringer Bauhöhe und einer reduzierten Reibung des Kolbenringes an der Zylinderlaufbahn zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der maximale Schwenkwinkel der Kolbenringlängsachse gegenüber der Längsachse der Zylinderlaufbahn ist bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens (Verdichtungshub) kleiner, als bei der Abwärtsbewegung des Kolbens (Ansaughub), wobei die Längsachse der Zylinderlaufbahn gegenüber der ersten Raumachse versetzt ist.
Der Schwenkwinkel des Kolbenringes gegenüber der Zylinderlaufbahn und damit der Kolbenringlängsachse gegenüber der Längsachse der Zylinderlaufbahn ist bezüglich Verformung, Druckbelastung und damit Dichtigkeit des Kolbenringes auf einen maximal zulässigen Wert begrenzt. Dies trifft insbesondere bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens (dem Verdichtungshub) zu, da dann erhöhte Anforderungen hinsichtlich Verformung, Druckbelastung und damit Dichtigkeit an die Kontaktstelle Kolbenring und Zylinderlaufbahn gestellt werden. Der Vorteil der Erfmdung ist insbesondere darin zu sehen, dass infolge dessen die Bauhöhe des Hubkolbenverdichters durch eine Reduzierung der Pleuellänge und entsprechend reduzierter Länge der Zylinderlaufbahn verringert werden kann, ohne den Kolbenring unzulässig hoch zu beanspruchen und den maximal zulässigen Schwenkwinkel im Verdichtungshub zu überschreiten. Die verringerte Bauhöhe des Hubkolbenverdichters lässt sich durch eine Reduzierung der Pleuellänge und entsprechend reduzierter Länge der Zylinderlaufbahn erzielen, wobei die Längsachse der Zylinderlaufbahn gegenüber der ersten Raumachse versetzt angeordnet ist, so dass der maximale Schwenkwinkel des Kolbenringes gegenüber der Zylinderlaufbahn im Verdichtungshub den maximal zulässigen Wert nicht überschreitet. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass der maximale Schwenkwinkel im Ansaughub, wo keine erhöhten Anforderung an den Kolbenring hinsichtlich Verformung, Druckbelastung und Dichtigkeit gestellt werden, größer als der maximal zulässige Schwenkwinkel ist, was zu einer Verminderung der Reibung und einer Verbesserung des Ansaugvorganges im Ansaughub führt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 ist vorgesehen, dass die Längsachse der Zylinderlaufbahn gegenüber der ersten Raumachse parallel versetzt ist. Ein Vorteil der Weiterbildung der Erfmdung ist, dass die Längsachse der Zylinderlaufbahn senkrecht zur Längsachse der Motorantriebswelle verläuft, was fertigungstechnisch einfach herstellbar ist. Ein weiterer Vorteil dieser Weiterbildung ist, dass das zylinderförmige Bauteil rotationssymmetrisch ist und damit - insbesondere aus Standardbauteilen - einfach zu fertigen ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 ist vorgesehen, dass die Längsachse der Zylinderlaufbahn den Drehpunkt der Antriebswelle nicht schneidet. Ein Vorteil der Weiterbildung der Erfindung ist, dass dadurch der Schwenkwinkel des Kolbenringes gegenüber der Zylinderlaufbahn insbesondere im Verdichtungshub innerhalb eines weiten Bereiches angepasst werden kann. Der Winkel zwischen der Längsachse der Zylinderlaufbahn und der ersten Raumachse kann einen sehr weiten Bereich umfassen, indem ein sehr geringer oder ein sehr hoher Wert gewählt wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 ist vorgesehen, dass die Längsachse der Zylinderlaufbahn gegenüber der ersten Raumachse verschwenkt ist. Ein Vorteil der Weiterbildung der Erfindung ist, dass dadurch der Schwenkwinkel des Kolbenringes gegenüber der Zylinderlaufbahn insbesondere im Verdichtungshub am besten angepasst werden kann und die maximale Reduzierung der Bauhöhe des Hubkolbenverdichters erzielt wird. Ein weiterer Vorteil der Weiterbildung der Erfindung ist, dass sich der Schwenkwinkel des Kolbenringes gegenüber der Zylinderlaufbahn insbesondere im Verdichtungshub über eine möglichst große Strecke des Verdichtungsund/oder Ansaughubes innerhalb eines für die Dichtigkeit des Kolbenringes zur Zylinderlaufbahn, des Kolbenringverschleißes und/oder der Kolbenringlebensdauer optimalen Bereiches bewegt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 ist vorgesehen, dass die Längsachse der Zylinderlaufbahn gegenüber der ersten Raumachse um einen Winkel zwischen 0,5° und 7° verschwenkt ist. Ein Vorteil der Weiterbildung der Erfmdung ist, dass sich der maximale Schwenkwinkel des Kolbenringes gegenüber der Zylinderlaufbahn insbesondere im Verdichtungshub hinsichtlich der Dichtigkeit des Kolbenringes zur Zylinderlaufbahn, des Kolbenringverschleißes und/oder der Kolbenringlebensdauer innerhalb des optimalen Bereiches insbesondere von 4° bis 8° bewegt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 ist vorgesehen, dass der Schnittpunkt der Längsachse der Zylinderlaufbahn mit der ersten Raumachse im Bereich der Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens innerhalb der Zylinderlaufbahn liegt. Ein Vorteil der Weiterbildung der Erfindung ist, dass der Hubkolbenverdichter sehr kompakt ausgeführt werden kann und eine optimale Bauraumausnutzung vorgenommen werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfmdung nach Anspruch 7 ist vorgesehen, dass der Schnittpunkt der Längsachse der Zylinderlaufbahn mit der ersten Raumachse in der Mitte des Bereiches der Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens innerhalb der Zylinderlaufbahn liegt. Ein Vorteil der Weiterbildung der Erfmdung ist, dass die Änderung der Amplitude des Schwenkwinkels des Kolbenringes gegenüber der Zylinderlaufbahn über die gesamte Strecke der Kolbenringbewegung insbesondere im Verdichtungshub sehr gering ist. Ein weiterer Vorteil der Weiterbildung der Erfindung ist, dass der Hubkolbenverdichter sehr kompakt ausgeführt werden kann und eine optimale Bauraumausnutzung vorgenommen werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 8 ist vorgesehen, dass der Schnittpunkt der Längsachse der Zylinderlaufbahn mit der ersten Raumachse im oberen Umkehrpunkt des Kolbens innerhalb der Zylinderlaufbahn liegt. Ein Vorteil der Weiterbildung der Erfindung ist, dass der optimale Schwenkwinkel des Kolbenringes gegenüber der Zylinderlaufbahn im oberen Bereich des Verdichtungshubes und somit im Bereich der höchsten Belastung für den Kolbenring durch die im Verdichtungshub vorherrschenden hohen und entsprechend der Verdichtung größer werdenden Drücke liegt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 9 ist vorgesehen, dass die Auslassöffnung mit dem die Auslassöffnung umgebenden Material in die Zylinderlaufbahn einseitig eintaucht und die Ebene des Endstückes, welches zum Kurbelgehäuse hin orientiert ist, senkrecht zur ersten Raumachse verläuft. Ein Vorteil der Weiterbildung der Erfindung ist, dass der Schadraum auf einfach Art und Weise reduziert wird und Bauraum eingespart wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 10 ist vorgesehen, dass die Fläche des Endstückes des Zylinderkopfes, welche zum Kurbelgehäuse hin orientiert ist, eine kugel- oder tonnenförmige Kontur aufweist und die Außenfläche der Wölbung der kugel- oder tonnenförmigen Kontur zum Kurbelgehäuse hin orientiert ist, so dass der Schadraum reduziert wird und damit die Leistungsfähigkeit und der Wirkungsgrad des Hubkolbenverdichters erhöht wird.
Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden im Zusammenhang mit den nachstehenden Figuren erläutert, darin zeigen:
Fig. 1
Eine Schnittansicht eines Hubkolbenverdichters
Fig.2-6
Eine schematische Darstellung der Kinematik eines Hubkolbenverdichters
Die Figur 1 beschreibt einen Hubkolbenverdichter 10 in herkömmlicher Bauweise. Der Zylinderkopf 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel einstückig mit einem zylinderförmigen Bauteil 56 ausgebildet und weist einen Auslasskanal 22 auf. Der Auslasskanal 22 wird zum Trocknergehäuse 28 von einem Auslassventil 24 verschlossen, welches aus einem Elastomerkörper, einem Blattventil oder dergleichen besteht. Eine im Zylinderkopf 20 befestigte Ventilfeder 26 drückt das Auslassventil 24 bei keinem oder nur geringem Druckgefälle auf den Dichtsitz des Auslasskanals 22 und verschliesst diesen zum Trocknergehäuse 28 hin. Die Funktion eines Trockners insbesondere für Luft ist hinlänglich bekannt und wird an dieser Stelle nicht näher beschrieben.
Das zylinderförmige Bauteil 56 weist eine Zylinderlaufbahn 58 mit einer hohen Oberflächengüte auf und ist an dem einen Ende mit einem Kurbelgehäuse 42 verbunden. Der Zylinderkopf 20 und das zylinderförmige Bauteil 56 können auch aus separaten Bauteilen hergestellt werden. So kann zum Beispiel das zylinderförmige Bauteil 56 aus einem Standardbauteil, wie einem Rohr, kostengünstig hergestellt werden. Mittels einer Pressverbindung oder dergleichen wird der Zylinderkopf 20 mit dem zylinderförmigen Bauteil 56 verbunden.
Im Kurbelgehäuse 42 ist eine Kurbelwelle 38 angeordnet, welche mit einem Zapfen in den Innenring eines Lagers 36 eingepresst ist. Der Aussenring des Lagers 36 ist in dem Kurbelgehäsue befestigt. Die Kurbelwelle 38 weist einen Kurbelwellenzapfen 44 auf, welcher zur Aufnahme eines Lagers 40 und damit eines Pleuels 50 dient. Das Lager 40 ist fest mit dem Pleuel 50 verbunden und wird mittels einer Schraube 46 und einer Scheibe 48 oder dergleichen an dem Kurbelwellenzapfen 44 fixiert. Das Pleuel 50 weist eine Längsachse 64 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel mit der Längsachse eines fest mit dem Pleuel 50 verbundenen Kolbens 60 und der Längsachse eines im Kolben 60 fixierten Kolbenringes 54 übereinstimmt. Der Kolben 60 und/oder der Kolbenring 54 können aber auch eine von der Längsachse 60 des Pleuels 50 unterschiedliche Längsachse aufweisen. Der Kolben 60 ist zusammen mit dem Pleuel 50 als sogenannter Pendelkolben ausgeführt, d.h. der Kolben 60 ist starr mit dem Pleuel 50 verbunden.
Im Kolben ist ein Einlasskanal 62 angeordnet, welcher den Verdichtungsraum mit dem Raum zum Kurbelgehäuse 42 hin verbindet. Der Einlasskanal 62 wird bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 60 (Verdichtungshub) von einem Einlassventil 66 zum verschlossen, so dass keine Luft vom Verdichtungsraum zum Innenraum des Kurbelghäuses 42 strömen kann, und wird bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 60 (Ansaughub) geöffnet, so dass Luft von dem Innenraum des Kurbelgehäuses 42 zum Verdichtungsraum strömen kann. Es ist aber auch denkbar, dass der Einlasskanal 62 und damit auch das Einlassventil 66 im Zylinderkopf 20 angeordnet werden. Das Einlassventil 66 kann, wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt, als Blattventil oder in bekannter Weise als elastomerer Ventilkörper mit oder ohne Ventilfeder ausgestaltet sein.
Die Symmetrieachse des Lagers 36 stimmt mit einer Antriebsachse 31 einer fest mit der Kurbelwelle 38 verbundenen Antriebswelle 34 der Antriebseinheit überein. Die Antriebseinheit wird in diesem Ausführungsbeispiel von einem Elektromotor gebildet dessen Funktion bekannt ist und nicht näher beschrieben wird. Es ist die Verwendung jeder anderen bekannten Antriebstechnik, wie zum Beispiel eine pneumatischen oder hydraulischen Antriebes, möglich. Die Antriebswelle 34 des Elektromotors wird auf der einen Seite in dem Lager 36 und auf der anderen Seite in einem Lager 32 gelagert. Das Lager 32 ist in einem Motorgehäuse 30 fixiert, welches fest mit dem Kurbelgehäuse 42 verbunden ist.
Die Figur 2 zeigt schematisch die Kinematik eines Hubkolbenverdichters. Ein schematisch dargestellter Kolben 228 und ein schematisch dargestelltes Pleuel 230 sind im oberen Totpunkt des Kolbens 228 dargestellt. In dieser Stellung befindet sich auch ein Drehpunkt des Kurbelwellenzapfens 44 (s.Fig.1) im oberen Umkehrpunkt 231. Eine erste Raumachse 222 schneidet den oberen Umkehrpunkt 231 des Kurbelwellenzapfens 44 (s.Fig.1) und einen Drehpunkt 232 der Antriebsachse 31 (s.Fig.1). Eine Längsachse 220 des zylinderförmigen Bauteils 56 und der Zylinderlaufbahn 58 schneidet den Drehpunkt 232 der Antriebsachse 31 (s.Fig.1) nicht, sondern ist gegenüber der ersten Raumachse 222 um einen Winkel 238 verschwenkt. Vorzugsweise liegt der Schwenkwinkel 238 in einem Bereich zwischen 0,5° und 7°.
Der Drehpunkt des Kurbelwellenzapfens 44 (s.Fig.1) beschreibt bei einer Drehung um 360° um den Drehpunkt 232 der Antriebsachse 31 (s.Fig.1) einen Bewegungskreis 234, welcher einen Radius aufweist, der der Exzentrizität der Kurbelwelle 38 (s. Fig.1) entspricht. Die Bewegungsrichtung 239 des Drehpunktes des Kurbelwellenzapfens 44 (s.Fig.1) verläuft gegen den Uhrzeigersinn. Zwischen der Oberseite des Kolbens 228 und der Fläche des Zylinderkopfes 224 befindet sich ein möglichst geringer Spalt, welcher das Totvolumen des Hubkolbenverdichters darstellt. Die Fläche des Zylinderkopfes 224 ist senkrecht zur ersten Raumachse 222. Ebenso ist eine Schiefstellung dieser zu ersten Raumachse 222 möglich, zum Beispiel kann die Fläche des Zylinderkopfes 224 senkrecht zur Längsachse der Zylinderlaufbahn verlaufen, so dass das Totvolumen möglichst gering gehalten wird.
Die Figur 2a zeigt ebenfalls schematisch die Kinematik eines Hubkolbenverdichters. Der Kolben 228 ist in seinem unteren Totpunkt dargestellt. Der Kurbelwellenzapfen 44 (s.Fig.1) befindet sich in seinem unteren Umkehrpunkt 235. Damit erstreckt sich der Bewegungsbereich 226 des Kolbens 228 von der Unterseite der Kolbens 228 im unteren Totpunkt zur Oberseite des Kolbens 228 im oberen Totpunkt. Der Schnittpunkt 221 der Längsachse 220 der Zylinderlaufbahn 58 mit der ersten Raumachse 222 liegt innerhalb der Zylinderlaufbahn und innerhalb eines Bewegungsbereiches 226 des Kolbens 228.
Die Figur 3 zeigt den Kolben 228 und das Pleuel 230 in der maximalen Schwenkstellung im Verdichtungshub. Vorzugsweise steht die Kurbelwelle (Verbindung von Drehpunkt der Antriebsachse 232 zum Drehpunkt des Kurbelwellenzapfens) senkrecht zur Längsachse 64 des Pleuels 230. Die Längsachse 64 des nicht dargestellten Kolbenringes, welche in diesem Ausführungsbeispiel identisch mit der Längsachse des Kolbens 228 und des Pleuels 230 ist, weist gegenüber der Längsachse 220 der Zylinderlaufbahn 58 einen Schwenkwinkel 236 auf. Der Schwenkwinkel 236 entspricht dem maximalen Schwenkwinkel des Kolbenringes zur Zylinderlaufbahn 58 im Verdichtungshub.
Die Figur 4 zeigt den Kolben 228 und das Pleuel 230 in der maximalen Schwenkstellung im Ansaughub. Vorzugsweise steht die Kurbelwelle (Verbindung von Drehpunkt der Antriebsachse 232 zum Drehpunkt des Kurbelwellenzapfens) senkrecht zur Längsachse 64 des Pleuels 230. Die Längsachse 64 des nicht dargestellten Kolbenringes, welche in diesem Ausführungsbeispiel identisch mit der Längsachse 64 des Kolbens 228 und des Pleuels 230 ist, weist gegenüber der Längsachse 220 der Zylinderlaufbahn 58 einen Schwenkwinkel 240 auf. Der Schwenkwinkel 240 entspricht dem maximalen Schwenkwinkel des Kolbenringes zur Zylinderlaufbahn 58 im Ansaughub. Wie aus den Figuren 3 und 4 zu erkennen ist, ist der maximale Schwenkwinkel 236 im Verdichtungshub kleiner als der maximale Schwenkwinkel 240 im Ansaughub.
Die Figur 5 zeigt den Kolben 228 und das Pleuel 230 in einer Stellung während des Verdichtungshubes kurz vor dem oberen Totpunkt. Die Längsachse 64 des Kolbenringes, des Kolbens 228 und/oder des Pleuels 230 ist zu dem in Fig.5 dargestellten Zeitpunkt identisch mit der Längsachse 220 der Zylinderlaufbahn 58. In diesem Ausführungsbeispiel ist die dem Kolben 228 zugewandte Fläche des Zylinderkopfes 224 rund oder zylinderförmig ausgebildet. Die Aussenkontur der Rundung der Fläche 224 weist jeweils in Richtung des Kolbens, so dass das Totvolumen möglichst gering ist. Der Mittelpunkt der Rundung bzw. die Längsachse des Zylinders der Fläche 224 liegt auf bzw. schneidet vorzugsweise die Längsachse 220der Zylinderlaufbahn 58. Es ist aber auch denkbar, dass die erste Raumachse 222 oder eine weitere Achse den Mittelpunkt der Rundung bzw. die Längsachse des Zylinders der Fläche 224 schneidet.
Die Figur 6 zeigt schematisch die Kinematik eines Ausführungsbeispiel eines Hubkolbenverdichters nach Anspruch 2. Die Längsachse 220 der Zylinderlaufbahn 58 ist gegenüber der ersten Raumachse 222 parallel versetzt und schneidet nicht den Drehpunkt 232 der Antriebsachse 31 (s.Fig.1). Vorzugsweise ist, wie hier gezeigt, auch das zylinderförmige Bauteil 56 parallel zur ersten Raumachse versetzt. Die parallele Versetzung der Längsachse 220 zur ersten Raumachse 222 kann entweder so vorgenommen werden, dass die Längsachse 242 des Pleuels 230 in zwei Punkten während des Ansaughubes (wie gezeigt) oder in zwei Punkten während des Verdichtungshubes mit der Längsachse 220 der Zylinderlaufbahn 58 übereinstimmen.
Vorzugsweise sind bei der parallelen Versetzung der Längsachse 220 zur ersten Raumachse 222 die Längsachse 242 des Pleuels 230 und die Längsachse 244 des Kolbens 228 und/oder des Kolbenringes nicht identisch. Die Achse 244 des Kolbens 228 und/oder der Kolbenringes weisen einen anderen Schwenkwinkel gegenüber der Längsachse 220 der Zylinderlaufbahn 58 auf, als die Längsachse 242 des Pleuels 230. In diesem Ausführungsbeispiel stimmt die Längsachse 220 der Zylinderlaufbahn 58 im oberen Totpunkt mit der Längsachse 244 des Kolbens bzw. des Kolbenringes überein, so dass ein sehr geringes Totvolumen entsteht. Der Schwenkwinkel und damit die Verschwenkung der Längsachse 244 des Kolbenringes gegenüber der Längsachse 220 der Zylinderlaufbahn 58 kann beispielsweise auf ein geringes Maximum oder eine geringe Amplitude insbesondere während des Verdichtungshubes ausgerichtet sein.
Bezugszeichenliste(ist Teil der Beschreibung)
10
Hubkolbenverdichter
20
Zylinderkopf
22
Auslasskanal
24
Auslassventil
26
Ventilfeder
28
Trockner
30
Motorgehäuse
31
Antriebsachse
32
Lager
34
Antriebswelle
36
Lager
38
Kurbelwelle
40
Lager
42
Kurbelgehäuse
44
Kurbelwellenzapfen
46
Schraube
48
Scheibe
50
Pleuel
52
Niet
54
Kolbenring
56
Zylinderförmiges Bauteil
58
Zylinderlaufbahn
60
Kolben
62
Einlasskanal
64
Längsachse (Kolben, Kolbenring, Pleuel)
66
Einlassventil
220
Längsachse der Zylinderlaufbahn
221
Schnittpunkt (Längsachse 220 + erste Raumachse 222)
222
Erste Raumachse
224
Fläche des Zylinderkopfes
226
Arbeitsbereich des Kolbens
228
Kolben (schematisch)
230
Pleuel (schematisch)
231
Oberer Umkehrpunkt Kurbelwellenzapfen
232
Drehpunkt der Antriebsachse
234
Bewegungskreis des Kurbelwellenzapfens (Exzentrizität)
235
Unterer Umkehrpunkt Kurbelwellenzapfen
236
Maximaler Schwenkwinkel im Verdichtungshub
238
Schwenkwinkel Längsachse der Zylinderlaufbahn zur ersten Raumachse
240
Maximaler Schwenkwinkel im Ansaughub
242
Längsachse (Pleuel)
244
Längsachse (Kolben, Kolbenring)

Claims (10)

  1. Hubkolbenverdichter (10) für gasförmige Medien, insbesondere für eine Niveauregelanlage in Kraftfahrzeugen, enthaltend
    eine Antriebsquelle und ein Kurbelgehäuse (42), die miteinander verbunden sind, wobei eine Antriebswelle (34) eine daran befestigte Kurbelwelle (38) mit einem Kurbelwellenzapfen (44) antreibt,
    einen Zylinderkopf (20), welcher an dem Kurbelgehäuse (42) befestigt ist,
    mindestens eine Auslassöffnung (22) mit mindestens einem Auslassventil (24) und mindestens eine Einlassöffnung (62) mit mindestens einem Einlassventil (66),
    ein zylinderförmiges Bauteil (56), welches an dem Kurbelgehäuse (42) befestigt ist und eine innenliegende Zylinderlaufbahn (58) mit einer Längsachse (220) aufweist,
    ein Pleuel (50, 230) mit einem daran angebundenen Kolben (60, 228) mit einem Kolbenring (54), wobei das Pleuel (50, 230) von der Kurbelwelle (38) und damit der Kolben (60, 228) in der Zylinderlaufbahn (58) hin- und herbewegt wird,
    eine erste Raumachse (222), die den Drehpunkt (232) der Antriebswelle (34)und den Drehpunkt des Kurbelwellenzapfens (44) in einem oberen Umkehrpunkt (231) des Kurbelwellenzapfens (44) schneidet,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der maximale Schwenkwinkel (238, 240) der Kolbenringlängsachse (64, 244) gegenüber der Längsachse (220) der Zylinderlaufbahn (58) bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens kleiner ist, als bei der Abwärtsbewegung des Kolbens (60, 228) und dass die Längsachse (220) der Zylinderlaufbahn (58) gegenüber der ersten Raumachse (222) versetzt ist.
  2. Hubkolbenverdichter (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass
    die Längsachse (220) der Zylinderlaufbahn (58) gegenüber der ersten Raumachse (222) parallel versetzt ist.
  3. Hubkolbenverdichter (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass
    die Längsachse (220) der Zylinderlaufbahn (58) den Drehpunkt (232) der Antriebswelle (34) nicht schneidet.
  4. Hubkolbenverdichter (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass
    die Längsachse (220) der Zylinderlaufbahn (58) gegenüber der ersten Raumachse (222) verschwenkt ist.
  5. Hubkolbenverdichter (10) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass
    die Längsachse (220) der Zylinderlaufbahn (58) gegenüber der ersten Raumachse (222) um einen Winkel zwischen 0,5° und 7° verschwenkt ist.
  6. Hubkolbenverdichter (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass
    der Schnittpunkt der Längsachse (220) der Zylinderlaufbahn mit der ersten Raumachse (222) im Bereich der Auf- und Abwärtsbewegung (226) des Kolbens (60, 228) innerhalb der Zylinderlaufbahn (58) liegt.
  7. Hubkolbenverdichter (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass
    der Schnittpunkt der Längsachse (220) der Zylinderlaufbahn (58) mit der ersten Raumachse (222) in der Mitte des Bereiches der Auf- und Abwärtsbewegung (226) des Kolbens (60, 228) innerhalb der Zylinderlaufbahn (58) liegt.
  8. Hubkolbenverdichter (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass
    der Schnittpunkt der Längsachse (220), der Zylinderlaufbahn (58) mit der ersten Raumachse (222) im oberen Umkehrpunkt des Kolbens (60, 228) innerhalb der Zylinderlaufbahn (58) liegt.
  9. Hubkolbenverdichter (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass
    die Auslassöffnung (22) mit dem die Auslassöffnung (22) umgebenden Material in die Zylinderlaufbahn (58) einseitig eintaucht und die Ebene des Endstückes (224) des Zylinderkopfes (20), welches zum Kurbelgehäuse (42) hin orientiert ist, senkrecht zur ersten Raumachse (222) verläuft.
  10. Hubkolbenverdichter (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass
    die Fläche (224) des Endstückes des Zylinderkopfes (20), welche zum Kurbelgehäuse (42) hin orientiert ist, eine kugel- oder tonnenförmige Kontur aufweist und die Außenfläche der Wölbung der kugel- oder tonnenförmigen Kontur zum Kurbelgehäuse (42) hin orientiert ist.
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