EP3180516A1 - Vollintegrierter zylinderkopf für einen kompressor - Google Patents

Vollintegrierter zylinderkopf für einen kompressor

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EP3180516A1
EP3180516A1 EP15736526.3A EP15736526A EP3180516A1 EP 3180516 A1 EP3180516 A1 EP 3180516A1 EP 15736526 A EP15736526 A EP 15736526A EP 3180516 A1 EP3180516 A1 EP 3180516A1
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EP
European Patent Office
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cylinder head
valve
valve plate
compressor
fully integrated
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15736526.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Torsten MITTELSTRASS
Adrian Markgraf
Olivier Herbiet
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Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Original Assignee
Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3180516A1 publication Critical patent/EP3180516A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F04B39/125—Cylinder heads
    • 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
    • F04B39/06—Cooling; Heating; Prevention of freezing

Definitions

  • the invention relates to a cylinder head for a compressor, having a cooling unit disposed thereon for cooling the cylinder head and a valve plate.
  • Modern commercial vehicles which are used in rail or road traffic, are equipped with many compressed air consuming subsystems. These subsystems include, for example, a service brake operated by compressed air and air suspension.
  • the supply of compressed air consumers with compressed air is realized by means of a compressed air supply device comprising a compressor. Ambient air is drawn in by the compressor, compressed and cleaned before use in the consumers of foreign components such as oil and water, in other components of the compressed air supply device.
  • the object of the present invention is to provide an optimized cylinder head for a compressor, which contributes to the performance improvement of the compressor and reduces the risk of leakage.
  • the cooling unit and the valve plate are fully integrated in a monolithic construction in the cylinder head.
  • the cylinder head includes both the cooling unit and the valve plate and is formed as a single component.
  • the production of the monolithic cylinder head according to generative manufacturing methods, such as rapid prototyping, stereolithography, laser sintering, etc. is particularly suitable for prototypes and small batches.
  • the lost-foam casting method is proposed.
  • the lost-foam casting method allows more complex geometries and greater design freedom than conventional casting methods.
  • At least two recesses for receiving a respective outlet valve unit are formed on a surface of the cylinder head facing the compressor.
  • the exhaust valve unit as a separate insert allows a relatively free choice of material regardless of the material of the fully integrated cylinder head. Since load peaks occur just in the area of the outlet valve, specifically more resistant materials can be used, which meet local requirements.
  • the outlet valve unit is particularly preferably welded or screwed into the respective recess on the cylinder head.
  • the advantages are in particular a fast and precise processing, a very good heat dissipation and a very high density.
  • the alternative possibility of screwing the exhaust valve unit in the respective recess on the cylinder head provides more flexible options of material pairings.
  • the exhaust valve unit comprises a valve plate which is arranged in the respective recess on the cylinder head. Furthermore, at least two guide pins for axially guiding at least one valve blade are arranged on the valve plate. In addition, a catch element is arranged substantially parallel to the valve plate on the at least two guide pins, which forms a stop for the at least one valve lamella. Axially between the at least one valve blade and the catch element at least one spring element for returning the at least one valve blade is arranged. The at least one valve blade lifts when pressure is applied by the valve plate against the pressure of the spring element. In this case, the at least one valve lamella is oriented parallel to the valve plate at all times, whereby an optimal outflow of the air is achieved. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
  • FIG. 1 shows a side view of a compressor according to the invention with a cylinder head and a cut-open piston housing
  • FIG. 2 is a perspective view of the cylinder head according to the invention according to Figure 1
  • FIG. 3 shows a perspective view of an outlet valve unit according to the invention.
  • a compressor 2 according to the invention comprises a piston housing 13 and a monolithic cylinder head 1 with fully integrated cooling unit 3 and valve plate 4.
  • the compressor 2 is driven via a shaft 14.
  • the piston housing 13 is cut in the vicinity of the cylinder head 1, so that a piston chamber 15 is visible.
  • a piston (not shown here) moves axially up and down.
  • the fully integrated, monolithic cylinder head 1 has, on a surface 5 directed toward the compressor 2, two recesses 6a, 6b for accommodating a respective outlet valve unit 7a, 7b, not shown here.
  • the two recesses 6a, 6b serve as an outlet of the compressed air from a - not shown here - compression chamber of the compressor 2.
  • the cylinder head 1 is suitable for a compressor 2 with ESS (Energy Saving System).
  • ESS Electronicgy Saving System
  • FIG. 3 one of the two identical outlet valve units 7a, 7b is shown.
  • the exhaust valve unit 7a has a valve plate 8, which is intended to be arranged in the respective recess 6a, 6b on the cylinder head 1.
  • two guide pins 9a, 9b for axial guidance of a valve blade 10 are arranged.
  • a catch element 11 is arranged parallel to the valve plate 8 at the two guide pins 9 a, 9 b, which is a stop for the Ventillamelle 10 forms.
  • a spring element 12 is arranged for returning the valve blade 10. The valve blade 10 lifts when pressure is applied in parallel by the valve plate 8 against the force of the spring element 12, so that an optimal outflow of air is achieved.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1) für einen Kompressor (2), mit einer daran angeordneten Kühleinheit (3) zur Kühlung des Zylinderkopfs (1) und einer Ventilplatte (4). Erfindungsgemäß sind die Kühleinheit (3) und die Ventilplatte (4) in einer monolithischen Bauweise im Zylinderkopf (1) vollintegriert.

Description

KNORR-BREMSE Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH
Vollintegrierter Zylinderkopf für einen Kompressor
GEBIET DER ERFINDUNG Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für einen Kompressor, mit einer daran angeordneten Kühleinheit zur Kühlung des Zylinderkopfs und einer Ventilplatte.
Moderne Nutzfahrzeuge, die im Schienen- oder Straßenverkehr eingesetzt werden, werden mit vielen Druckluft verbrauchenden Teilsystemen ausgerüstet. Zu diesen Teilsystemen gehören beispielsweise eine mit Druckluft betriebene Betriebsbremse und eine Luftfederung. Die Versorgung dieser Druckluftverbraucher mit Druckluft wird mit Hilfe einer Druckluftversorgungseinrichtung realisiert, die einen Kompressor umfasst. Umgebungsluft wird von dem Kompressor angesaugt, komprimiert und vor der Verwendung in den Verbrauchern von Fremdbestandteilen, wie Öl und Was- ser, in weiteren Bestandteilen der Druckluftversorgungseinrichtung gereinigt.
Moderne Kompressoren stellen infolge der stetig wachsenden Anforderung an Effizienz und definierten Druckluftaustrittstemperaturen hohe Anforderungen an Bauteile wie Ventilplatte, Kühleinheit und Zylinderkopf. Diese Bauteile werden durch die thermischen und mechanischen Lasten aus der Kompression stark beansprucht. Gemäß allgemein bekanntem Stand der Technik erfolgt die gegenseitige Abdichtung und Verschraubung von Ventilplatte, Kühleinheit und Zylinderkopf. Einzelne Lösungsvarianten integrieren die Kühlfunktion in den Zylinderkopf und verzichten auf den Einsatz einer separaten Kühleinheit. Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik gehen im Bereich der Auslassventile für Kolbenkompressoren selbsttätige Lamellenventile hervor. Sie sind entweder einseitig fixiert oder können sich entlang einer beidseitigen Führung heben. Lamel- lenventile sind in der Regel auf einer Ventilplatte mit Durchlassöffnungen genietet und umfassen einen oberen Fänger, Federelemente sowie eine Ventillamelle.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optimierten Zylinderkopf für einen Kompressor zu schaffen, der zur Leistungsverbesserung des Kompressors beiträgt und das Leckagerisiko verringert.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Zylinderkopf gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den nachfolgenden abhängigen Ansprüchen hervor.
Erfindungsgemäß sind die Kühleinheit und die Ventilplatte in einer monolithischen Bauweise im Zylinderkopf vollintegriert. Mit anderen Worten umfasst der Zylinderkopf sowohl die Kühleinheit als auch die Ventilplatte und ist als ein einziges Bauteil ausgebildet. Verfahrenstechnisch wird vorgeschlagen, den vollintegrierten Zylinderkopf, umfassend Kühleinheit und Ventilplatte in monolithischer Bauweise nach einem Lost-Foam- Verfahren oder einem generativen Verfahren herzustellen. Die Her- Stellung des monolithischen Zylinderkopfs nach generativen Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Rapid Prototyping, Stereolithografie, Lasersintern, etc., eignet sich insbesondere für Prototypen und Kleinserien. Für mittlere und größere Serien wird das Lost-Foam-Gießverfahren vorgeschlagen. Das Lost-Foam-Gießverfahren erlaubt komplexere Geometrien und eine größere Gestaltungsfreiheit als herkömmliche Gießverfahren. Diese Gestaltungsvorteile ermöglichen die gesamtleistungsorientierte Neugestaltung von Luftführungskanälen und Wasserkanälen im Zylinderkopf, mit der eine Leistungssteigerung des Gesamt- Systems Kompressor erreicht wird.
Durch die Integration von Zylinderkopf, Kühlplatte sowie Ventilplatte und die Reduktion von Schnittstellen durch die monolithische Bauweise werden nicht nur Risiken für Undichtigkeiten vollständig vermieden, sondern auch mindestens zwei Diehtungen eingespart, die bei nicht monolithischer Ausbildung des Zylinderkopfs zwischen Zylinderkopf und Kühlplatte sowie zwischen Kühlplatte und Ventilplatte angeordnet sind. Ferner erfolgt eine Material- und Gewichtseinsparung durch einen Entfall von Stütz strukturen, da durch die Integration von Zylinderkopf, Kühleinheit und Ventilplatte die Fügestellen zwischen Zylinderkopf und Kühleinheit respektive Kühleinheit und Ventilplatte entfallen und somit auch der Bedarf einer durch die Verschraubung gegebenen kontinuierlichen Flächenpressung in diesen Bereichen nicht gegeben ist. Nicht zu vernachlässigen sind auch die Reduktionen von Nachbearbeitung und Montageaufwand sowie das Kosteneinsparpotenzial durch weniger Teilenummern.
Vorzugsweise sind an einer zum Kompressor gerichteten Fläche des Zylinderkopfs mindestens zwei Aussparungen zur Aufnahme jeweils einer Auslassventileinheit ausgebildet. Die Auslassventileinheit als separater Einsatz erlaubt eine relativ freie Materialwahl unabhängig vom Material des vollintegrierten Zylinderkopfs. Da gera- de im Bereich des Auslassventils Belastungsspitzen auftreten, können hier gezielt widerstandsfähigere Werkstoffe eingesetzt werden, welches den lokalen Anforderungen genügt.
Die Auslassventileinheit wird besonders bevorzugt in die jeweilige Aussparung am Zylinderkopf eingeschweißt oder eingeschraubt. Zum Einschweißen der Auslassven- tileinheit in die jeweilige Aussparung am Zylinderkopf eignet sich insbesondere das Laserschweißverfahren. Die Vorteile sind insbesondere eine schnelle und präzise Bearbeitung, eine sehr gute Wärmeableitung sowie eine sehr hohe Dichtigkeit. Die alternative Möglichkeit des Einschraubens der Auslassventileinheit in die jeweilige Aussparung am Zylinderkopf bietet flexiblere Optionen der Materialpaarungen.
Des Weiteren bevorzugt ist, dass die Auslassventileinheit eine Ventilplatte aufweist, die in die jeweilige Aussparung am Zylinderkopf angeordnet ist. Ferner sind an der Ventilplatte mindestens zwei Führungsbolzen zur axialen Führung mindestens einer Ventillamelle angeordnet. Darüber hinaus ist an den mindestens zwei Führungsbolzen ein Fangelement im Wesentlichen parallel zur Ventilplatte angeordnet, das einen Anschlag für die mindestens eine Ventillamelle bildet. Axial zwischen der mindestens einen Ventillamelle und dem Fangelement ist mindestens ein Federelement zur Rückstellung der mindestens einen Ventillamelle angeordnet. Die mindestens eine Ventillamelle hebt sich bei Druckbeaufschlagung von der Ventilplatte entgegen des Druckes des Federelements. Dabei bleibt die mindestens eine Ventillamelle zu jedem Zeitpunkt parallel zur Ventilplatte orientiert, wodurch ein optimales Abströmen der Luft erzielt wird. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiden Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kompressors mit einem Zylinderkopf und einem aufgeschnittenen Kolbengehäuse,
Figur 2 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes gemäß Figur 1, und Figur 3 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Auslassventileinheit. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Gemäß Figur 1 umfasst ein erfindungsgemäßer Kompressor 2 ein Kolbengehäuse 13 sowie einen monolithischen Zylinderkopf 1 mit vollintegrierter Kühleinheit 3 und Ventilplatte 4. Angetrieben wird der Kompressor 2 über eine Welle 14. Das Kolbengehäuse 13 ist in der Nähe des Zylinderkopfs 1 aufgeschnitten, so dass ein Kolbenraum 15 sichtbar ist. Im Inneren des Kolbenraumes 15 bewegt sich ein - hier nicht dargestellter - Kolben axial auf und nieder. Nach Figur 2 weist der vollintegrierte, monolithische Zylinderkopf 1 an einer zum Kompressor 2 gerichteten Fläche 5 zwei Aussparungen 6a, 6b zur Aufnahme jeweils einer - hier nicht dargestellten -Auslassventileinheit 7a, 7b auf. Die beiden Aussparungen 6a, 6b dienen als Auslass der Druckluft aus einem - hier nicht dargestellten - Kompressionsraum des Kompressors 2. Ferner sind an der zum Kompressor 2 ge- richteten Fläche 5 acht luftzuführende Einlässe 16a- 16h, sechs Öffnungen 17a-17f für - hier nicht dargestellte - Zylinderkopfschrauben sowie zwei Durchbrüche 18a, 18b für einen - hier nicht dargestellten - ESS-Kolben ausgebildet. Somit ist der Zylinderkopf 1 für einen Kompressor 2 mit ESS (Energie Saving System) geeignet. Gemäß Figur 3 ist eine der beiden identisch aufgebauten Auslassventileinheiten 7a, 7b dargestellt. Die Auslassventileinheit 7a weist eine Ventilplatte 8 auf, die dazu vorgesehen ist in die jeweilige Aussparung 6a, 6b am Zylinderkopf 1 angeordnet zu werden. An der Ventilplatte 8 sind zwei Führungsbolzen 9a, 9b zur axialen Führung einer Ventillamelle 10 angeordnet. Ferner ist an den zwei Führungsbolzen 9a, 9b ein Fangelement 11 parallel zur Ventilplatte 8 angeordnet, das einen Anschlag für die Ventillamelle 10 bildet. Axial zwischen der Ventillamelle 10 und dem Fangelement 11 ist ein Federelement 12 zur Rückstellung der Ventillamelle 10 angeordnet. Die Ventillamelle 10 hebt sich bei Druckbeaufschlagung parallel von der Ventilplatte 8 entgegen der Kraft des Federelements 12, so dass ein optimales Abströmen der Luft erzielt wird.
Bezugszeichenliste
1 Zylinderkopf
2 Kompressor
3 Kühleinheit
4 Ventilplatte
5 Fläche
6a, 6b Aussparung
7a, 7b Au sl as sventil einheit
8 Ventilplatte
9a, 9b Führungsbolzen
10 Ventillamelle
11 Fangelement
12 Federelement
13 Kolbengehäuse
14 Welle
15 Kolbenraum
16a- 16h luftzuführende Einlässe
17a-17f Öffnung
18a, 18b Durchbruch

Claims

A n s p r ü c h e
1. Zylinderkopf (1) für einen Kompressor (2), mit einer daran angeordneten Kühleinheit (3) zur Kühlung des Zylinderkopfs (1) und einer Ventilplatte (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinheit (3) und die Ventilplatte (4) in einer monolithischen Bauweise im Zylinderkopf (1) vollintegriert sind.
2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass an einer zum Kompressor (2) gerichteten Fläche (5) des Zylinderkopfs (1) mindestens zwei Aussparungen (6a, 6b) zur Aufnahme jeweils einer Auslassventileinheit (7a, 7b) ausgebildet sind.
3. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Auslassventileinheit (7a, 7b) eine Ven- tilplatte (8) aufweist, die in die jeweilige Aussparung (6a, 6b) am Zylinderkopf (1) angeordnet ist.
4. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Auslassventileinheit (7a, 7b) mindes- tens zwei an der Ventilplatte (8) angeordnete Führungsbolzen (9a, 9b) zur axialen Führung mindestens einer Ventillamelle (10) aufweist.
5. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Auslassventileinheit (7a, 7b) ein als Anschlag für die mindestens eine Ventillamelle (10) dienendes Fangelement (11) aufweist, das im Wesentlichen parallel zur Ventilplatte (8) an den mindestens zwei Führungsbolzen (9a, 9b) angeordnet ist.
6. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass axial zwischen der mindestens einen Ventillamelle (10) und dem Fangelement (11) mindestens ein Federelement (12) zur Rückstellung der mindestens einen Ventillamelle (10) angeordnet ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der vollintegrierte Zylinderkopf (1), umfassend Kühleinheit (3) und Ventilplatte (4) in monolithischer Bauweise nach einem Lost-Foam- Gießverfahren hergestellt wird.
8. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der vollintegrierte Zylinderkopf (1), umfassend Küh- leinheit (3) und Ventilplatte (4) in monolithischer Bauweise nach einem generativen Verfahren hergestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Auslassventileinheit (7a, 7b) in die jeweilige Aussparung (6a, 6b) am Zylinderkopf (1) eingeschweißt oder eingeschraubt wird.
10. Kompressor (2), umfassend einen monolithischen Zylinderkopf (1) mit vollintegrierter Kühleinheit (3) und Ventilplatte (4).
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