EP1548280B1

EP1548280B1 - Hubkolbenverdichter

Info

Publication number: EP1548280B1
Application number: EP04030336A
Authority: EP
Inventors: Peter Dr.-Ing. Kreuter; Armin Dipl.-Ing. Zoschke
Original assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Current assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Priority date: 2003-12-23
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2024-12-21
Also published as: US20050152798A1; ATE342441T1; DE10360920B3; CN1637281A; DE502004001717D1; EP1548280A1; CN100424345C; US7780425B2; JP4491683B2; JP2005180454A

Description

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenverdichter, der insbesondere zum Aufladen einer Brennkraftmaschine geeignet ist.
Die Aufladung von Brennkraftmaschinen ist nicht nur ein bewährtes Mittel zur Drehmoment- und Leistungssteigerung, sondern auch zur Absenkung des Verbrauches im Teillastbetrieb einer Brennkraftmaschine mit vorgegebener Höchstleistung. Die Aufladung von Dieselmotoren ist besonders vorteilhaft, da bei Dieselmotoren die bei Ottomotoren bestehenden Klopfprobleme nicht vorhanden sind.
Für die Aufladung gibt es zwei grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten, die auch in Kombination eingesetzt werden. Bei der Abgasturboaufladung wird die im Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltene Energie zum Antrieb eines Turboladers benutzt, der eine Turbine antreibt, die der Brennkraftmaschine verdichtete Luft zuführt. Bei der sogenannten Fremdaufladung wird der Verdichter von einem eigenen Antrieb, beispielsweise der Kurbelwelle der aufzuladenden Brennkraftmaschine, oder einem sonstigen Motor, beispielsweise Elektromotor, angetrieben, um die der Brennkraftmaschine zugeführte Luft zu verdichten. Es sind unterschiedliche Arten von fremdangetriebenen Verdichtern bekannt, beispielsweise Routs-Gebläse, Spirallader oder auch Kolbenverdichter.
Im Oberbegriff des Anspruchs 1 wird von einem Hubkolbenverdichter ausgegangen, wie er in der WO 03/087577 A1 beschrieben ist. Bei diesem Hubkolbenverdichter sind die Kolben ringförmig um eine Welle angeordnet, mit der eine Taumelscheibe drehfest verbunden ist, die die axiale Bewegung der Kolben herbeiführt. Solche Taumelscheibenantriebe sind in ihrem Aufbau verhältnismäßig kompliziert und reibungsbehaftet. Des weiteren ist, da die Welle zentral innerhalb des Hubkolbenverdichters angeordnet ist und sich in der axialen Richtung des Hubkolbenverdichters bzw. in Bewegungsrichtung der Kolben erstreckt, das Fördervolumen des Hubkolbenverdichters bezogen auf den Durchmesser eingeschränkt.
In der US 5,219,273 ist ein Hubkolbenverdichter beschrieben, dessen Kolben ähnlich wie bei der vorgenannten WO 03/087577 A1 von einer Taumelscheibe für eine Hin- und Herbewegung angetrieben sind.
Die US 4,486,157 beschreibt einen Hubkolbenverdichter mit einem doppelt wirkenden Kolben, dessen die Kolbenböden verbindende Wand mit einem quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens gerichteten Schlitz ausgebildet ist, in den ein Kurbelzapfen einer Antriebswelle eingreift. An jeder Stirnseite des Kolbens ist innerhalb des Zylinders eine Arbeitskammer ausgebildet, die mit der Umgebung über je ein als Feder-belastetes Rückschlagventil ausgebildetes Einlassventil und Auslassventil verbunden ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere zum Aufladen einer Brennkraftmaschine geeigneten Hubkolbenverdichter zu schaffen, der bei einfachem Aufbau einen hohen Wirkungsgrad hat.
Diese Aufgabe wird mit einem Hubkolbenverdichter gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Hubkolbenverdichter erstrecken sich zwei Kurbelwellen quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens zwischen dessen Böden hindurch, sodass die für eine Verdichtung bzw. Luftförderung wirksame Fläche des Kolbens durch die Kurbelwellen nicht vermindert ist. Des weiteren drehen sich die beiden Kurbelwellen gegensinnig und mit gleicher Drehzahl, so dass die von einem üblichen Kurbeltrieb ausgehenden Schwingungen kompensiert werden können und der Hubkolbenverdichter trotz seines hohen Fördervolumens vibrationsarm läuft, was für die Aufladung von Fahrzeugbrennkraftmaschinen vorteilhaft ist.
Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfmdungsgemäßen Hubkolbenverdichters gerichtet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
Es stellen dar:

Fig. 1: einen schematischen Querschnitt durch einen Hubkolbenverdichter,
Fig. 2 und 3: unterschiedliche perspektivische Ansichten eines Kolbens mit den Kolben durchragenden Kurbelwellen,
Fig. 4: eine perspektivische Ansicht zweier Kurbelwellen für einen zweizylindrigen Hubkolbenverdichter,
Fig. 5: die Kurbelwellen gemäß Fig. 4 mit zugehörigen Kolben,
Fig. 6 bis 8: unterschiedliche perspektivische Ansichten eines an einer Seite der Kurbelwellen angeordneten, einem Zylinder zugehörenden Kurbel-/Ventiltriebs,
Fig. 9: ein Einlassventil im Zusammenwirken mit einem Ventilglied,
Fig. 10: ein Auslassventil im Zusammenwirken mit einem Ventilglied,
Fig. 11: eine perspektivische Ansicht eines Rollenstößels,
Fig. 12: eine perspektivische Ansicht des Rollenstößels gemäß Fig. 11 aus anderer Perspektive,
Fig. 13: Details des Nocken- und Kurbeltriebs, und
Fig. 14: eine perspektivische Ansicht eines am Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeflanschten erfindungsgemäßen Verdichters.

Gemäß Fig. 1 weist ein erfmdungsgemäßer Hubkolbenverdichter einen beidseitigen durch Stirnwände verschlossenen Zylinder 2 auf, in dem ein Kolben 4 hin und her beweglich ist. Der Kolben 4 enthält zwei in gegenseitigen Abstand angeordnete Kolbenböden 6 und 8, die vorteilhafterweise an ihren Umfangsrändern zur Abdichtung mit Kolbenringen bestückt sind und die im Inneren des Zylinders 2 zwei Arbeitskammern 10 und 12 abtrennen. Die beiden Kolbenböden 6 und 8 sind über Streben 14 starr miteinander verbunden, beispielsweise verschraubt. An den einander zugewandten Innenseiten der Kolbenböden 6 und 8 sind Führungsflächen 16 und 17 ausgebildet, die zur Führung von Gleitsteinen 18 dienen.
In den Stirnwänden des Zylinders 2 sind Öffnungen für jeweils wenigstens ein Einlassventil 20 bzw. 22 und Auslassventil 24 bzw. 26 ausgebildet.
Der Zylinder 2 ist mittels Halterungen, die Trennwände 28 und 30 bilden, in einem Gehäuse 32 aufgenommen. Das Gehäuse 32 weist wenigstens eine Ansaugöffnung 34 und eine Ausstoßöffnung 36 auf, wobei, wie ersichtlich, ein zwischen dem Außengehäuse 32 und dem Zylinder 2 gebildeter Zwischenraum durch die Trennwände 28 und 30 derart unterteilt ist, dass ein Einlasskanal 38 gebildet ist, der die Ansaugöffnung 34 mit den Einlassventilen 20 und 22 bzw. von diesen wahlweise geöffneten oder geschlossenen, in die Arbeitskammern 10 und 12 führenden Einlassöffnungen verbindet, und ein Auslasskanal 40 gebildet ist, der die Auslassventile 24, 26 bzw. von diesen wahlweise geöffneten oder verschlossenen Auslassöffnungen der Arbeitskammern 10 und 12 mit der Ausstoßöffnung 36 verbindet.
In Fig. 1 ist die Bewegungsrichtung des Kolbens 4 waagerecht. In den Fig. 2 bis 8 ist sie senkrecht, so dass die Darstellungen der Fig. 2 bis 8 in Anwendung auf die Anordnung gem. Fig. 1 um 90° gedreht werden.
Die Fig. 2 und 3 zeigen perspektivische Ansichten des Kolbens 4 mit jeweils zwei den Kolben durchquerenden Kurbelwellen 42 und 44. Die relativ zum Zylinder 2 bzw. dem Gehäuse 32 ortsfesten Achsen der Kurbelwellen sind in Fig. 1 mit A bezeichnet. Jede Kurbelwelle weist wenigstens je eine exzentrisch zu ihrer Achse angeordnete Kurbelscheibe 46 bzw. 48 auf, die mit den Gleitsteinen 18 zusammenwirkt, die längs der Führungsflächen 16, 17 der Kolbenböden 6 und 8 linear senkrecht zu den Achsen der Kurbelwellen verschiebbar sind, so dass eine Gleitstein- bzw. Kulissenführung geschaffen ist, mit der die umlaufende exzentrische Bewegung der Kurbelscheiben in an sich bekannter Weise in eine oszillierende Bewegung des innerhalb des Zylinders 2 geführten Kolbens umgewandelt werden kann. Die Gleitsteine sind vorteilhafterweise zur einfachen Montierbarkeit unterteilt.
Fig. 4 zeigt die Kurbelwellen 42 und 44 in einer Ausbildung für jeweils zwei innerhalb eines Gehäuses 32 (Fig. 1) hintereinander angeordnete Zylinder 2, in denen jeweils ein Kolben 4 arbeitet. Im dargestellten Beispiel sind jedem Kolben an der Kurbelwelle 42 zwei Kurbelscheiben 46 und an der Kurbelwelle 44 eine Kurbelscheibe 48 zugeordnet, die mit entsprechenden Gleitsteinen 18 zusammenarbeiten. Wie ersichtlich, sind die Kurbelscheiben 46 und 48 axial gegeneinander versetzt, so dass sich ihre Bewegungsbahnen radial durchdringen, wodurch ein kleinerer Abstand zwischen den Kurbelwellen 42 und 44 möglich ist. Zum Massenausgleich der oszillierenden Kräfte sind die Kurbelwellen 42 und 44 in an sich bekannter Weise mit Ausgleichsmassen 50 bzw. 52 versehen.
Die Kurbelwellen 42 und 44 können beispielsweise jeweils in der Wandung der Zylinder 2 gelagert sein.
Zum Antrieb der Ventile 20, 22, 24 und 26 weisen die Kurbelwellen Nocken 54 und 56 auf, mit denen über Betätigungsglieder die Ventile betätigt werden. Damit von extern nur eine der Kurbelwellen 42, 44 angetrieben werden muss, ist an jeweils einem Ende der Kurbelwelle drehfest ein Zahnrad 58 bzw. 60 mit der jeweiligen Kurbelwelle verbunden. Die Zahnräder 58 und 60 sind gleich groß und kämmen ineinander, so dass die Kurbelwellen 42 und 44 sich gegensinnig mit gleicher Drehzahl drehen. Vorteilhafterweise dienen die Zahnräder 58, 60 als Elemente einer Zahnradpumpe, die in einem Kühlmittel- und/oder Schmiermittelkreislauf des Verdichters angeordnet ist.
Die Fig. 5 zeigt die mit den Kurbelwellen gem. Fig. 4 zusammengebauten Kolben.
Die Fig. 6 zeigt in perspektivischer Ansicht Ausschnitte eines gemäß der Figur linksseitig der Kurbelwellen 42, 44 angeordneten, einem Zylinder zugeordneten Kurbel-/Ventiltriebs.
Im dargestellten Beispiel sind an jeder Kurbelwelle 42 bzw. 44 beidseitig außerhalb des Zylinders Nocken 54 bzw. 56 ausgebildet, mit denen Rollenstößel 62 bzw. 64 zusammen arbeiten, die jeweils ein den Zylinder brückenartig übergreifendes Ventilglied 66 bzw. 68 betätigen. Das gemäß Fig. 6 linke Ventilglied 66 betätigt mehrere Einlassventile 20 (Fig. 1). Das rechte Ventilglied 68 betätigt mehrere Auslassventile 24. Im dargestellten Beispiel sind die Ventile an den jeweiligen Ventilgliedern zwangsgeführt. Wie ersichtlich, sind im dargestellten Beispiel jeweils vier Einlassventile und vier Auslassventile an einer Stirnwand des Zylinders 2 angeordnet und werden mittels je eines Ventilgliedes betätigt.
Da sich, wie aus Fig. 1 ersichtlich, die Einlassventile 20, 22 und die Auslassventile 24, 26 jeweils gegenüberliegen, sind die linkseitig bzw. rechtsseitig (Fig. 1) oder oberhalb bzw. unterhalb der Kolben (Fig. 2 bis 8) angeordneten Ventiltriebe einander gleich bzw. spiegelsymmetrisch angeordnet.
Wenn der Verdichter im Zweitaktbetrieb betrieben wird, werden die Einlassventile und die Auslassventile bezüglich der Drehung der Kurbelwellen jeweils um etwa 180° phasenverschoben betätigt, so dass sich bei gegensinniger Drehung der nebeneinander angeordneten Kurbelwellen 42, 44 mit gleicher Drehzahl und zweckentsprechender Ausbildung des Nocken 54, 56 eine phasenrichtige Betätigung der jeweiligen Ventile ergibt.

Anhand der Fig. 9 bis 13 wird im Folgenden der Ventiltrieb genauer erläutert:

Die Ventilglieder 66 bzw. 68 sind in nicht dargestellten gehäusefesten Führungen linear beweglich geführt und werden von den Nocken 54 bzw. 56 gegen die Kraft der Federn 70 bzw. 72, die sich zwischen dem Gehäuse 32 und dem jeweiligen Ventilglied abstützen, hin- und herbewegt.
Das brückenartige Ventilglied 66 (Fig. 9), das die Auslassventile 20 betätigt, enthält für jedes Auslassventil einen Führungsdurchlass 74, durch den sich der Schaft des Auslassventils 20 hindurch erstreckt und der in eine Ausnehmung 76 führt, in der der Schaft des Ventils endet. Zwischen einem Endflansch 78 des Ventilschafts und dem Ventilglied 66 stützt sich eine Ventilfeder 80 ab, die das Auslassventil 20 in Schließstellung drängt. Dem Endflansch 28 gegenüberliegend ist in das Ventilglied 66 eine Madenschraube 82 eingeschraubt, die zur Spieleinstellung dient.
Das die Auslassventile 24 betätigende Ventilglied 68 (Fig. 10) weist ebenfalls für jedes Auslassventil 24 einen Führungsdurchlass 84 auf, durch den sich der Ventilschaft hindurch erstreckt. Der Ventilschaft 84 endet in einem beispielsweise mit ihm verschraubten Anschlag 86, dessen Abstand vom Ventilteller zur Spieleinstellung einstellbar ist. Zwischen dem Ventilglied 68 und dem Ventil stützt sich eine Ventilfeder 88 ab.
Mit der in den Fig. 9 und 10 beschriebenen Konstruktion, die in vielfältiger Weise abgeändert werden kann, wird erreicht, dass für die Ventilschäfte keine eigene gehäusefeste Führung erforderlich ist, dass die Einlassventile 20 gemäß Fig. 9 jeweils bei einer Bewegung nach unten des Ventilglieds 66 geöffnet werden und die Auslassventile 24 gemäß Fig. 10 bei einer Bewegung des Ventilglieds 68 nach oben geöffnet werden. Zusätzlich kann durch entsprechende Dimensionierung der Federn 80 bzw. 88 erreicht werden, dass das Einlassventil 20 bei starkem Unterdruck in der zugehörigen Arbeitskammer öffnet, ohne dass das Ventilglied 66 bewegt wird und/oder dass das Auslassventil 24 bei starkem Überdruck in der zugehörigen Arbeitskammer öffnet, ohne dass das Ventilglied 68 bewegt wird.
Die Fig. 11 und 12 zeigen einen Rollenstößel 62 mit in ihm gelagerte Rolle 88 und gehäusefester Führung 90.
Die Fig. 13 zeigt einen Ausschnitt der beiden Kurbelwellen 42 und 44 mit den Nocken 54 und 56. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß Fig. 6 bis 8 hat die Kurbelwelle 42 nur eine Kurbelscheibe 46, wohingegen die Kurbelwelle 44 zwei Kurbelscheiben 48 aufweist. Wie ersichtlich, ist der Nocken 54, der die den Einlassventilen zugeordneten Rollenstößel bzw. Brückenglieder 66 betätigt, als "Negativnocken" ausgebildet, der das Brückenglied 66 normalerweise in die Stellung gem. Fig 9 gegen die Federn 70 drängt und lediglich in seinem mit kleinerem Durchmesser ausgebildeten Nockenbereich eine gemäß Fig. 9 erfolgende Abwärtsbewegung des Ventilglieds 66 zur Öffnung des Einlassventils 20 bewirkt. Der den Auslassventilen zugeordnete Nocken 56 der Kurbelwelle 44 ist als normaler Nocken mit im Durchmesser vergrößerter Nockenerhebung ausgebildet.

Der Zusammenbau des beschriebenen Kolbenverdichters geschieht wie folgt:

Zunächst wird das eigentliche Triebwerk, wie in Fig. 5 dargestellt, zusammengebaut, indem die Kurbelwellen und die Gleitsteine auf jeweils zwei benachbart liegenden Kolbenböden angeordnet werden und die jeweils anderen Kolbenböden dann mittels der Streben 14 montiert werden, so dass die Baugruppe gemäß Fig. 5 entsteht.
Über den Kolben 4 werden dann die Zylinder 2 angebracht, die jeweils aus zwei mittig unterteilten Hälften bestehen. Anschließend werden die Ventiltriebe in jeweils an den Zylindern angebrachten Montageflächen montiert und die gesamte Anordnung wird in dem ebenfalls zweiteilig ausgebildeten Gehäuse 32 zusammengebaut. Die Zylinderhälften und die Gehäusehälften können einteilig miteinander ausgebildet sein.
Fig. 14 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter 92 an die Ansaugseite eines Motorgehäuses bzw. Zylinderkopfes 94 eines Verbrennungsmotors angeflanscht. Mit 96 ist eine Riemenscheibe zum Antrieb eines der Kurbelwellen bezeichnet.
An der Ansaugöffnung 34 des Gehäuses 32 kann zusätzlich eine nicht dargestellte Ansaugbaugruppe angeflanscht sein, die beispielsweise eine Drosselklappe und/oder eine Einrichtung zum Messen der einströmenden Luftmenge usw. enthalten kann.

Die Funktion des beschriebenen Verdichters ist folgende:

Vorteilhafterweise wird der Verdichter im Zweitaktbetrieb betrieben. Wenn sich der Kolben 4 gemäß Fig. 1 von links nach rechts bewegt, werden vor allem das Einlassventil 20 und das Auslassventil 26 derart betätigt, dass in die Arbeitskammer 10 Frischluft einströmt und aus der Arbeitskammer 20 komprimierte Frischluft bei zweckentsprechendem Druckniveau ausgestoßen wird. Das Einlassventil 22 und das Auslassventil 24 sind bei der Bewegung von links nach rechts des Kolbens 4 vorteilhafterweise zu. Bei der Bewegung des Kolbens von rechts nach links erfolgen die Betätigungen der Ventile in entgegengesetzter Weise, d.h. die Frischladungsströmung wird dann vom Einlassventil 22 und Auslassventil 24 bestimmt, wo hingegen die Ventile 20 und 26 bevorzugt zu sind. Es versteht sich, dass durch geeignete, an sich bekannte, Phasenverstelleinrichtungen und/oder Hubverstelleinrichtungen die Einlassventile und Auslassventile derart gesteuert werden können, dass die geförderte Luftmenge (Luftmassenstrom) an die jeweiligen, für eine Brennkraftmaschine erforderlichen Betriebsbedingungen angepasst werden können und der Verdichter durch zweckentsprechende Einstellung der jeweiligen Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Ventile relativ zu den Totpunkten der Kolbenbewegung mit hohem Wirkungsgrad arbeitet.
Im Folgenden werden funktionale Besonderheiten des geschilderten Kolbenverdichters erläutert, wobei auch Beispiele möglicher Abänderungen und zusätzlicher Merkmale angegeben werden:

1. Bauform insgesamt:

Der erfindungsgemäße Hubkolbenverdichter arbeitet, auch wenn sie nur mit einen Zylinder und einen darin angeordneten, doppelt wirkenden Kolben enthält, mit hohem Wirkungsgrad und geringen Druckpulsationen. Die Ausbildung des Kolbens mit zwei in gegenseitigem Abstand angeordneten Kolbenböden, zwischen denen der Kurbeltrieb angeordnet ist, hat nicht nur den Vorteil, dass die Kurbelwelle und deren Schmierung von den Arbeitsräumen völlig getrennt ist, sondern ermöglicht auch eine problemlose Lagerung der Kurbelwelle (n) in der Zylinderwand. Der Hubkolbenverdichter kann eine beliebige Anzahl von Zylindern mit darin arbeitenden Kolben aufweisen, wobei die einzelnen Zylinder phasenversetzt betrieben werden, so dass minimale Druckpulsationen erreicht werden. Das mögliche kleine Hub/Bohrungsverhältnis ermöglicht geringe Kolbengeschwindigkeiten, was die Dauerhaltbarkeit günstig beeinflusst.
Die Konstruktion ermöglicht bezogen auf den Zylinderquerschnitt große Querschnitte der Einlass- und Auslassventile, wodurch der Verdichter mit geringen Strömungswiderständen arbeitet.
Der Lader kann druckseitig unmittelbar am Zylinderkopf bzw. einem Saugrohr eines aufzuladenden Motors angeflanscht werden. Beim Anflanschen direkt an den Zylinderkopf kann das Gehäuse 32 längs seiner Länge mehrere innerhalb des Gehäuses verbundene Ausstoßöffnungen 36 aufweisen, die direkt in die Einlasskanäle der einzelnen Zylinder führen. Saugseitig kann vor dem Verdichter ein Ansaugteil angeflanscht werden, das beispielsweise eine Drosselkappe enthält, einen Anschluss für Abgasrückführung enthält oder von dem eine Bypass-Leitung ausgeht, die unter Umgehung des Verdichters direkt in ein Saugrohr der Brennkraftmaschine führt.
Die Konstruktion ermöglicht bezogen auf das Hubvolumen ein großes Oberflächen-zu-VolumenVerhältnis, wodurch große Ladungswechselventile möglich sind.
Insgesamt sind die freien Wege zwischen den Wänden des Gehäuses und des Zylinders kurz, so dass bei Kühlung der Wände auch das komprimierte Gas wirksam gekühlt wird.

2. Zum Kurbeltrieb:

Der Kurbeltrieb kann eine oder mehrere Kurbelwellen enthalten, wobei die Umsetzung der Drehbewegung der Kurbelwelle (n) in eine Hubbewegung des Kolbens über unterschiedlichste, an sich bekannte Mechanismen erfolgen kann. Der beschriebene Mechanismus mittels Gleit- bzw. Kulissensteinen ist einfach montierbar, arbeitet reibungsgünstig und führt zu einer weichen, sinusförmigen Bewegung der Kolben.
Die geschilderte Ausführungsform mit zwei gegensinnig drehenden Kurbelwellen kann als Lancester-Ausgleich arbeiten, wobei oszillierende, sinusförmige Massenkräfte von Kolben- und Gleitsteinen im Kurbeltrieb jedes Kolbens komplett ausgeglichen werden. Weiter ist jeder einzelne Zylinder ausgeglichen, so dass von keinem Zylinder dynamische Massenkräfte in das Gehäuse eingeleitet werden. Weiterhin gibt es keine nach außen wirkenden Massenkräfte außerhalb des Gehäuses, so dass der erfindungsgemäße Verdichter sehr schwingungsarm arbeitet.
Die geschilderte Ausführungsform der Hubzapfen bzw. der Kurbelscheiben mit gegenseitigem axialen Versatz führt einerseits zu einer kompakten Bauweise und andererseits, zu einer geringen mechanischen Beanspruchung und damit hoher Drehzahlfestigkeit des Kurbeltriebs.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der bzw. die Kolben sich seitenkraftfrei bewegen, was die Reibungsverluste vermindert und die Lebensdauer erhöht. Die hemdfrei ausgeführten Kolbenböden tragen zur Gewichtsverminderung bei. Es treten keine Kippkräfte auf.
Die Zahnräder 58 und 60 an den Enden der Kurbelwellen (Fig. 4) dienen zur Synchronisation und Leistungsübertragung zwischen den Kurbelwellen. Die Zahnräder können auch durch Umschlingungsmittel, wie einen Zahnriemen, ersetzt sein. Es muss nur eine Kurbelwelle von einem Ende her angetrieben werden, beispielsweise mittels der Riemenscheibe 96 (Fig. 14).

3. Kühlung/Schmierung:

Die Zahnräder 58 und 60 (Fig. 4) können als Elemente einer Zahnradpumpe verwendet werden, mit der ein Kühl/Schmierfluid gefördert werden kann, das in in dem Verdichter bzw. Lader ausgebildeten Kanälen umläuft. Vorteilhafterweise werden zumindest die die Arbeitskammer 10 und 12 begrenzenden Wände des Zylinders gekühlt, wobei die kurzen Wärmeleitwege für eine effiziente Kühlung sorgen. Der Lader kann zusätzlich einen vor der Ausstoßöffnung 36 angeordneten internen Wärmetauscher aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die verdichtete Luft vor ihrem Eintritt in die Brennkraftmaschine einen externen Wärmetauscher durchströmen.
Der vorteilhaft integriert ausgebildete Schmiermittel/Kühlmittelkreislauf des Laders kann mit dem der Brennkraftmaschine verbunden sein oder getrennt davon ausgebildet sein.
Generell liegt ein wichtiger Aspekt des erfindungsgemäßen Verdichters darin, dass einerseits die durch die Ausstoßöffnung 36 strömende verdichtete Luft frei von jeglichem Schmiermittel ist und andererseits möglichst kühl ist. Für beides ist vorteilhaft, dass die beiden Kurbelwellen, die gleichzeitig Nockenwellen sind, zwischen den Kolbenböden hindurchgeführt sind und im Zylinder 2 mittels einfach dichtbarer Lager gelagert sind, so dass innerhalb des Kolbens jeweils ein nach außen dichter Schmiermittelraum gebildet ist, dem flüssiges Schmiermittel, das gleichzeitig als Kühlmittel dient, durch die Kurbelwellen hindurch zugeführt werden kann. Das Schmier-/Kühlmittel kann die Kolbenböden von innen her effektiv kühlen. Es versteht sich, dass durch durch die Zylinderwand, den Zwischenraum zwischen dem Zylinder und dem Gehäuse sowie das Gehäuse hindurchführende Kanäle ein Fluidrücklauf gebildet ist, so dass das Kühl-/Schmiermittel umläuft.
Schaftführungen für die Rollenstößel 64 können durch die Kurbelwellen hindurch benetzend derart geschmiert werden, dass das Schmiermittel nicht in die Frischluft gelangt. Vorteilhaft sind sehr harte Stößelschaftenden bzw. Kontaktflächenkombinationen.
Für die Anbindung der Ventile an Ventilhebel oder, wie im dargestellten Beispiel, an die brückenartigen Ventilglieder ist eine reibungs- und verschleißgünstige Werkstoffpaarung vorteilhaft.
Für die Führungen der Rollenstößel und der Ventile sind Materialpaarungen vorteilhaft, die in an sich bekannter Weise mit Festschmierstoffen versehen sind oder mit Schmiermittel getränkt sind. Auch ist es möglich, die Sitzringe mit Festschmierstoffanteil zu versehen oder mit Schmiermittel zu tränken.
Wegen der niedrigen Betriebstemperaturen ist das Arbeiten mit Festschmierstoffen oder mit getränkten Führungsbuchsen möglich, so dass der Umlauf von flüssigem Schmier- bzw. Kühlmittel auf die Schmiermittelräume innerhalb der Kolben beschränkt sein kann.
Auch durch den Einsatz keramischer Werkstoffe ist es möglich, den Bedarf an Flüssigschmiermitteln auf ein Minimum herabzusetzen.

4. Ladungswechselsteuerung:

Wie erläutert, arbeitet der erfindungsgemäße Lader vorteilhafterweise im Zwei-Takt-Verfahren. Die Einlass- und Auslassventile können auf unterschiedlichste Art betätigt werden. Im Ausführungsbeispiel können sie bei geeigneter Dimensionierung der Federn nicht nur über die Ventilglieder betätigt werden, sondern auch als Rückschlagventile arbeiten, wobei die Einlassventile bei Unterdruck in der jeweiligen Arbeitskammer öffnen und die Auslassventile bei Überdruck öffnen. In alternativen Ausfiihrungsformen können nur die Einlassventile oder nur die Auslassventile als Rückschlagventile ausgebildet sein und die anderen Ventile von der oder den Kurbelwellen betätigt sein.
Auch bei Zwangssteuerung der Ventile, insbesondere der Auslassventile, lässt sich eine Selbststeuerungsfunktion realisieren, wenn der Druckabfall an den Ventilen einen vorbestimmten Wert übersteigt.
Die Einlass- und/oder Auslassventile können mittels an sich bekannter Ventilbetätigungsmechanismen, beispielsweise durch Änderung der wirksamen Abgriffshebel und/oder der Abgriffswinkel, auch derart angesteuert werden, dass ihre Öffnungs- bzw. Schließfunktion variabel ist, und/oder können in Öffnungs- oder Schließstellung gehalten werden.

5. Steuerung bzw. Regelung des Verdichters:

Die Drehzahl der Kurbelwellen des Verdichters kann starr mit der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine gekoppelt sein. Zwischen der aufzuladenden Brennkraftmaschine und dem Verdichter kann ein Getriebe mit stufenweise oder stufenlos einstellbarer Übersetzung angeordnet sein. Mittels einer Kupplung kann der Verdichter vollständig von der Brennkraftmaschine abgekuppelt werden.
Die Fördermenge des Verdichters kann auch durch variable Ansteuerung der Ventile verändert werden, wobei bei in Offenstellung befindlichen Ventilen ein strömungsarmer Weg von der Ansaugöffnung 34 zur Ausstoßöffnung 36 (Fig. 1) besteht.
Alternativ kann bei außer Betrieb befindlichen Verdichter der Brennkraftmaschine über eine Bypass-Leitung Frischluft zugeführt werden.
Je nach Bedarf können einzelne Zylinder abgeschaltet werden.
Die Fördermenge des Laders kann durch steuerbare Öffnungen in den Trennwänden 28 und 30 bedarfsgerecht verändert werden. Der Einlassöffnung 34 kann eine Drosselklappe vorgeschaltet sein.
Es können mehrere Verdichter parallel oder hintereinander geschaltet an einer Brennkraftmaschine verwendet werden.
Um die Kolbenböden noch weniger zu beanspruchen, kann jede der Kurbelwellen mit zwei oder mehr jedem Kolben zugeordneten Kurbelscheiben versehen sein.
Die Ventile können auch völlig unabhängig von der Drehung der Kurbelwelle durch eigene Antriebe, wie elektromagnetische, hydraulische oder andere geeignete Antriebe betätigt werden. Anstelle der beiden Kurbelwellen kann sich durch jeden Kolben nur eine Kurbelwelle hindurch erstrecken usw.
Zusammenfassend bietet der Verdichter zahlreiche Möglichkeiten zur Regelung von maximaler Verdichtung der Luft über leichte Verdichtung, keine Verdichtung bis zum Rückschub, bei dem der Verdichter zum Bremsen verwendet wird.
Der erfindungsgemäße Verdichter bzw. Lader eignet sich zum Aufladen aller Arten von Brennkraftmaschinen, Zwei-Takt-Maschinen, Vier-Takt-Maschinen oder mit anderen Taktfolgen arbeitende Maschinen, Otto-Motoren, Diesel-Motoren, Gas-Motoren usw.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.

Bezugszeichenliste

2: Zylinder
4: Kolben
6: Kolbenboden
8: Kolbenboden
10: Arbeitskammer
12: Arbeitskammer
14: Strebe
16: Führungsfläche
17: Führungsfläche
18: Gleitstein
20: Einlassventil
22: Einlassventil
24: Auslassventil
26: Auslassventil
28: Trennwand
30: Trennwand
32: Gehäuse
34: Ansaugöffnung
36: Ausstoßöffnung
38: Einlasskanal
40: Auslasskanal
42: Kurbelwelle
44: Kurbelwelle
46: Kurbelscheibe
48: Kurbelscheibe
50: Ausgleichsmasse
52: Ausgleichsmasse
54: Nocken
56: Nocken
58: Zahnrad
60: Zahnrad
62: Rollenstößel
64: Rollenstößel
66: Ventilglied
68: Ventilglied
70: Feder
72: Feder
74: Führungsdurchlass
76: Ausnehmung
78: Endflansch
80: Ventilfeder
82: Madenschraube
84: Führungsdurchlass
86: Anschlag
88: Rolle
90: Führung
92: Kolbenverdichter
94: Zylinderkopf
96: Riemenscheibe

Claims

Hubkolbenverdichter, insbesondere zum Aufladen einer Brennkraftmaschine, enthaltend wenigstens einen Zylinder (2), innerhalb dessen durch einen hin und her beweglichen Kolben (4) mit zwei in gegenseitigem Abstand angeordneten Kolbenböden (6, 8) zwei auf voneinander abgewandten Seiten des Kolbens liegende Arbeitskammern (10, 12) gebildet sind, die jeweils wenigstens eine Einlass- und eine Auslassöffnung aufweisen, in denen jeweils ein Einlassventil (20, 22) bzw. ein Auslassventil (24, 26) arbeitet,
ein den Zylinder umschließendes Gehäuse (32) mit einer mit den Einlassöffnungen verbundenen Ansaugöffnung (34) und einer mit den Auslassöffnungen verbundenen Ausstoßöffnung (36), und
eine Antriebsvorrichtung zum Hin- und Herbewegen des Kolbens, wobei bei jeweils einem Bewegungshub des Kolbens das Einlassventil einer Arbeitskammer öffnet und das der anderen Arbeitskammer schließt und das Auslassventil der einen Arbeitskammer schließt und das der anderen Arbeitskammer öffnet,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Antriebsvorrichtung zwei gegensinnig mit gleicher Drehzahl drehende Kurbelwellen (42, 44) aufweist die sich quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens (4) zwischen dessen Kolbenböden (6, 8) durch den Kolben und den Zylinder (2) hindurch erstrecken.
Hubkolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kurbelwellen (42, 44) zumindest teilweise durch das Gehäuse (32) erstrecken.
Hubkolbenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwellen (42, 44) in dem Zylinder (2) und/oder dem Gehäuse (32) gelagert sind und die Bewegungsübertragung zwischen dem Kolben (4) und den Kurbelwellen (42, 44) über an dem Kolben (4) verschiebbare Gleitsteine (18) erfolgt.
Hubkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Hubbewegungsantriebe (18, 46; 18, 48) zwischen den Kurbelwellen (42, 44) und dem Kolben (4) axial zueinander versetzt sind und sich radial überlappen.
Hubkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Kurbelwellen (42, 44) extern antreibbar und mit der anderen Kurbelwelle in drehfestem Eingriff ist.
Hubkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Ventile (20, 22, 24, 26) von einer Kurbelwelle (42, 44) betätigt wird.
Hubkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für wenigstens eines der Ventile (20, 22, 24, 26) ein von der Kolbenbewegung unabhängig ansteuerbarer Betätigungsmechanismus vorgesehen ist.
Hubkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von wenigstens einem an der Kurbelwelle (42, 44) ausgebildeten Nocken (54, 56) ein an dem Gehäuse (32) geführtes Ventilglied (66, 68) bewegt wird, in dem ein Schaft wenigstens eines Einlass- oder Auslassventils (20, 22) geführt ist, welches Ventil sich an dem Ventilglied über eine Feder (80, 88) derart abstützt, dass es von dem Ventilglied betätigbar ist und unabhängig von dem Ventilglied bewegbar ist.
Hubkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein drehfest mit einer Kurbelwelle (42, 44) verbundenes Zahnrad (58, 60), das ein Pumpglied eines Kühl- und/oder Schmiersystems des Verdichters bildet.
Hubkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das den Zylinder (2) umschließende Gehäuse (32) mit einer Trennwand (28, 30) ausgebildet ist, die einen Zwischenraum zwischen dem Zylinder und dem Gehäuse derart unterteilt, dass die Ansaugöffnung (34) mit den Einlassöffnungen und die AusstoBöffnung (36) mit den Auslassöffnungen verbunden ist.
Hubkolbenverdichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (28, 30) den zwischen dem Gehäuse (32) und dem Zylinder (2) ausgebildeten Zwischenraum in zwei Kammern (38, 40) unterteilt, deren eine einen die Ausgangsöffnungen (34) mit den Einlassöffnungen verbindenden Einlasskanal (38) bildet und deren andere, einen die Auslassöffnung (36) mit den Auslassöffnungen verbindenden Auslasskanal (40) bildet.
Hubkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch mehrere, in einem gemeinsamen Gehäuse (32) aufgenommene Zylinder (2) mit darin angeordneten Kolben (4), die von wenigstens einer gemeinsamen Kurbelwelle (42, 44) hin und her bewegt werden.