EP3191713A1 - Luftverdichter aus einem leichtmetall - Google Patents

Luftverdichter aus einem leichtmetall

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EP3191713A1
EP3191713A1 EP15763193.8A EP15763193A EP3191713A1 EP 3191713 A1 EP3191713 A1 EP 3191713A1 EP 15763193 A EP15763193 A EP 15763193A EP 3191713 A1 EP3191713 A1 EP 3191713A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
air compressor
crankcase
cylinder housing
ring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15763193.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Oppermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF CV Systems Hannover GmbH
Original Assignee
Wabco GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wabco GmbH filed Critical Wabco GmbH
Publication of EP3191713A1 publication Critical patent/EP3191713A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T13/00—Transmitting braking action from initiating means to ultimate brake actuator with power assistance or drive; Brake systems incorporating such transmitting means, e.g. air-pressure brake systems
    • B60T13/10—Transmitting braking action from initiating means to ultimate brake actuator with power assistance or drive; Brake systems incorporating such transmitting means, e.g. air-pressure brake systems with fluid assistance, drive, or release
    • B60T13/24—Transmitting braking action from initiating means to ultimate brake actuator with power assistance or drive; Brake systems incorporating such transmitting means, e.g. air-pressure brake systems with fluid assistance, drive, or release the fluid being gaseous
    • B60T13/26—Compressed-air systems
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B53/143—Sealing provided on the piston
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    • F05C2201/90—Alloys not otherwise provided for
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05C2225/00—Synthetic polymers, e.g. plastics; Rubber
    • F05C2225/04—PTFE [PolyTetraFluorEthylene]

Definitions

  • the invention relates to an air compressor, for example for supplying a compressed air system of a motor vehicle with compressed air, comprising a crankcase, a cylinder housing connected to the crankcase, a cylinder head, a crankshaft rotatably mounted in the crankcase, a cylindrical piston connected to the crankshaft by means of a connecting rod, which is arranged axially movably along a cylindrical running surface of the cylinder housing, at least one piston ring or oil scraper ring, which is arranged in an annular groove on the outer circumferential surface of the piston, a compression chamber, which is formed above the piston and is closed by the cylinder head, further comprising an intake passage and an exhaust passage, which are formed in a cylinder head upper part of the cylinder head, wherein the intake passage at least one suction valve and the outlet passage is associated with at least one pressure valve, and at the crankcase and the cylinder housing are made using aluminum.
  • Compressors for generating compressed air are used inter alia for the operation of pneumatic brake systems in motor vehicles and rail vehicles.
  • the ambient air sucked in by the compressor should, as far as possible, heat up only slightly before reaching a compression space in the compressor.
  • the heat input into the cylinder head of a compressor is mainly caused by the compression heat released in the compression chamber.
  • the highly heated cylinder head inevitably gives off its heat to the intake air, which is usually conducted in at least one intake passage within the cylinder head to the compression chamber.
  • a particularly intensive heat input into the intake air takes place here in the region of the openings of the intake duct to the suction plate.
  • DE 698 26 381 T2 relates to a piston compressor with a water-cooled cylinder head for the compression of gases or gas mixtures, such as air.
  • the cylinder head is made of aluminum, which is known to have a high thermal conductivity.
  • air cooling fins are formed inside and adjacent to these flow galleries to discharge the released heat of compression from the cylinder head into the environment.
  • a plurality of water cooling channels are embedded in the cylinder head to further optimize cooling, and integrally formed cooling fins are disposed within the flow path of the exhaust air.
  • the pistons are axially slidably received in this air compressor sleeve-shaped working cylinders, which are obviously force and positively inserted according to the local Fig. 6 in the crankcase made of aluminum. From which material the bush-shaped working cylinder and the pistons or their piston rings exist, about the DE 10 2007 023 192 A1 gives no information.
  • the invention has for its object to provide an air compressor in which as many thermally loaded components have a high thermal conductivity, and in which the at least one piston and / or its at least one Piston ring are designed such that they can pass directly into frictional contact with the cylinder surface of the cylinder housing in frictional contact.
  • the invention is based on the realization that the stated object can be achieved if all the essential thermally loaded components of the air compressor consist of aluminum or an aluminum alloy, and if the at least one piston ring is made of a cast iron alloy or of polytetrafluoroethylene (PTFE). consists. Due to its microstructure, a piston ring consisting of gray cast iron has certain lubricating properties which make it possible to guide this piston ring directly on the cylinder jacket surface of the air compressor, especially if it consists of aluminum or an aluminum alloy.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the invention therefore relates to an air compressor, for example for supplying a compressed air system of a motor vehicle with compressed air, comprising a crankcase, a cylinder housing connected to the crankcase, a cylinder head, a crankshaft rotatably mounted in the crankcase, a cylindrical piston connected to the crankshaft by means of a connecting rod which is arranged axially movable along a cylindrical running surface of the cylinder housing, at least one piston ring or oil scraper ring, which is arranged in an annular groove on the outer circumferential surface of the piston, a compression space, which is formed above the piston and is closed by the cylinder head, further comprising a Intake passage and an exhaust passage, which are formed in a cylinder head upper part of the cylinder head, wherein the intake passage at least one suction valve and the outlet channel is associated with at least one pressure valve, un d in which the crankcase and the cylinder housing are made using aluminum.
  • crankcase and the cylinder housing can be integrally formed together.
  • this air compressor also provides that the crankcase, the cylinder housing, the cylinder head and the piston are made of aluminum or an aluminum alloy, and that the at least one piston ring or the at least one oil wiper ring made of gray cast iron or polytetrafluoroethylene (PTFE) is made.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • crankcase, the piston and the cylinder housing are made of an aluminum alloy which has a maximum of 25% silicon and a hardness of at least 90 HB (Brinell). Such an alloy has been found in studies to be particularly advantageous.
  • crankcase, the piston and the cylinder housing are made of the aluminum alloy AISi12 CuNiMg, AISM 7 Cu4MG or AISi9 Cu3 (F2).
  • AISi9 Cu3 F2
  • this material is additionally heat-treated after the casting process.
  • the piston can also be made of a different aluminum alloy.
  • the at least one piston ring is preferably designed as a minute ring or as a Nasenminring.
  • the piston ring can also be designed as a simple Olabstreifring. Depending on requirements, one to five piston rings and / or oil scraper rings are to be arranged on each piston.
  • the at least one piston ring or at least one Olabstreifring are made as mentioned from a gray cast iron material.
  • a standard gray cast iron material with a hardness up to 295 HB (Brinell)
  • a low-alloyed standard gray cast iron material with a hardness up to 295 HB from a low-alloyed standard gray cast iron material with a hardness up to 295 HB
  • a alloyed and thermally processed gray cast iron material with a hardness up to 380 HB made of a tempered nodular cast iron material with a hardness up to 360 HB, or an alloyed and tempered gray cast iron material with a hardness up to 410 HB.
  • the outer diameter of the at least one piston ring with respect to the inner diameter of the associated cylindrical tread of the cylinder housing is selected such that the piston ring bears with a contact pressure of 5 N to 20 N on the cylindrical tread.
  • the piston ring rests with a contact pressure of 9 N to 13.5 N on the cylindrical tread.
  • the outer diameter of the at least one oil scraper ring with respect to the inner diameter of the associated cylindrical running surface of the cylinder housing is selected such that the Olabstreifring with a contact pressure of 10 N. up to 60 N on the cylindrical tread. It is preferably provided here that the Olabstreifring rests with a contact pressure of 27.2 N to 40.8 N on the cylindrical tread.
  • the description is accompanied by a drawing. In this, the sole figure shows an air compressor in a schematic longitudinal section.
  • the air compressor 10 which may be, for example, a compressed air compressor for a brake system of a commercial vehicle, has a piston 12 which is arranged axially reciprocally movable in a cylinder housing 14.
  • a compression chamber 16 above a piston top 18 is closed by a cylinder head 20 upwards.
  • the cylinder head 20 consists of a cylinder head upper part 22 and an intermediate plate 24.
  • the cylinder head upper part 22 is provided with an intake passage 26 and an exhaust passage 28, which communicate via a cup-shaped inlet space 60 or a cup-shaped outlet space 62 with an inlet opening 30 and an outlet opening 32 in the intermediate plate 24 in fluid communication.
  • the intake passage 26 and the exhaust passage 28 are fluidly separated from one another in the cylinder head upper part 22 by a web 34, which is formed integrally with the cylinder head upper part 22 and runs approximately parallel to the movement axis of the piston 12.
  • a suction valve 36 is arranged in the form of a louver valve on the piston side, which opens in the illustrated manner in the illustrated intake stroke, including its lamella 84 lifts from the inlet opening 30 in the intermediate plate 24 to air at atmospheric pressure from the environment in the compression space 16 to suck.
  • the suction valve 36 closes when the piston 12 starts the compression stroke, which is associated with a reduction of the compression space 16.
  • the likewise designed as a louver valve pressure valve 38 opens. In this case lifts the blade 86 of the pressure valve 38 from the outlet opening 32 of the intermediate plate 24, as shown with a dashed line.
  • compressed air is expelled via the outlet opening 32 into the outlet channel 28 and, for example, connected via an outlet channel 28 to the outlet channel 28. ne, not drawn line forwarded in a likewise not shown compressed air tank.
  • the axial reciprocation of the piston 12 is effected by a rotating crankshaft 40 which is pivotally connected to the piston 12 by means of a connecting rod 42 and a piston pin 44.
  • the crankshaft 40 is rotatably supported in a crankcase 46, which is connected to the cylinder housing 14.
  • This crankcase 46 is closed Kolbenfern by an oil pan 48, which serves to receive an oil reservoir 50.
  • sprayed oil from the oil reservoir 50 reaches the inner cylindrical running surface 56 of the cylinder housing 14, thereby lubricating the piston surface and at least one piston ring 54 that is resiliently and peripherally rotatably received in an annular groove 52 of the piston 12.
  • the crankcase 46, the piston 12, the cylinder housing 14 and the cylinder head 20 made of aluminum or an aluminum alloy, and that a piston ring is made of a gray cast iron. Since the crankcase, the piston, the cylinder head and the cylinder housing are made of a material with very good thermal conductivity, the compression and frictional heat generated during operation of the air compressor 10 can be very well derived from the same, so that the efficiency of the same in comparison is higher to conventional air compressors.
  • the piston ring 54 made of a gray cast iron material is very well suited as a friction partner for the existing of aluminum or an aluminum alloy cylindrical tread 56 of the cylinder housing 14, especially in oil-lubricated air compressors.
  • piston rings made of polytetrafluoroethylene (PTFE) can be used with advantage, since this material has a very favorable friction behavior. If the at least one piston ring consists of polytetrafluoroethylene, however, it may be necessary for the cylindrical running surface of the air compressor to be used as friction partner of the piston ring must be coated separately. As a coating material can also be used polytetrafluoroethylene.
  • crankcase 46, the piston 12 and the cylinder housing 14 are made of aluminum or at least one of the aluminum alloys AISM2 CuNiMg, AISM 7 Cu4MG or AISi9 Cu3 (F2). Accordingly, the crankcase 46, the piston 12 and the cylinder housing 14 may be made of only one of said materials or of each of these different materials.
  • the at least one piston ring 54 or the at least one oil control ring of a standard gray cast iron material having a hardness up to 295HB from a low-alloyed standard gray cast iron material having a hardness up to 295HB, of an alloyed and thermally processed Cast iron material with a hardness of up to 380HB, made of a tempered ductile iron material with a hardness up to 360HB, or an alloyed and tempered gray cast iron material with a hardness of up to 410HB.
  • the outer diameter of the piston ring 54 with respect to the inner diameter 58 of the associated cylindrical running surface 56 of the cylinder housing 14 is selected such that the piston ring 54 with a contact pressure of 5 N to 20 N on the cylindrical tread 56 is present. It is judged to be particularly advantageous when the piston ring 54 rests against the cylindrical running surface 56 with a contact pressure of 9 N to 13.5 N. These contact forces apply to pistons with a diameter of up to 100 mm.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Luftverdichter (10), beispielsweise zur Versorgung eines Druckluftsystems eines Kraftfahrzeugs mit Druckluft, aufweisend ein Kurbelgehäuse (46), ein mit dem Kurbelgehäuse verbundenes Zylindergehäuse (14), einen Zylinderkopf (20), eine in dem Kurbelgehäuse drehbar gelagert angeordnete Kurbelwelle (40), einen mittels eines Pleuels (42) mit der Kurbelwelle (40) verbundenen zylindrischen Kolben (12), welcher entlang einer zylindrischen Lauffläche (56) des Zylindergehäuses (14) axial bewegbar angeordnet ist, wenigstens einen Kolbenring (54) oder Ölabstreifring, welcher in einer ringförmigen Nut (52) an Außenmantelfläche des Kolbens (12) angeordnet ist, einen Verdichtungsraum (16), welcher oberhalb des Kolbens (12) ausgebildet ist und durch den Zylinderkopf (20) verschlossen ist, weiter aufweisend einen Ansaugkanal (26) und einen Auslasskanal (28), welche in einem Zylinderkopfoberteil (22) des Zylinderkopfes (20) ausgebildet sind, wobei dem Ansaugkanal (26) wenigstens ein Saugventil (36) sowie dem Auslasskanal (28) wenigstens ein Druckventil (38) zugeordnet ist, und bei dem das Kurbelgehäuse (46) sowie das Zylindergehäuse (14) unter Verwendung von Aluminium hergestellt sind. Um die zu komprimierende Luft möglichst wenig mit Wärme zu belasten ist vorgesehen, dass das Kurbelgehäuse (46), das Zylindergehäuse (14), der Zylinderkopf (20) und der Kolben (12) aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung hergestellt sind, und dass der wenigstens eine Kolbenring (54) oder der wenigstens eine Ölabstreifring aus Grauguss oder aus Polytetrafluorethylen (PTFE) hergestellt ist.

Description

Luftverdichter aus einem Leichtmetall
Die Erfindung betrifft einen Luftverdichter, beispielsweise zur Versorgung eines Druckluftsystems eines Kraftfahrzeugs mit Druckluft, aufweisend ein Kurbelgehäuse, ein mit dem Kurbelgehäuse verbundenes Zylindergehäuse, einen Zylinderkopf, eine in dem Kurbelgehäuse drehbar gelagert angeordnete Kurbelwelle, einen mittels eines Pleuels mit der Kurbelwelle verbundenen zylindrischen Kolben, welcher entlang einer zylindrischen Lauffläche des Zylindergehäuses axial bewegbar angeordnet ist, wenigstens einen Kolbenring oder Ölabstreifring, welcher in einer ringförmigen Nut an Außenmantelfläche des Kolbens angeordnet ist, einen Verdichtungsraum, welcher oberhalb des Kolbens ausgebildet ist und durch den Zylinderkopf verschlossen ist, weiter aufweisend einen Ansaugkanal und einen Auslasskanal, welche in einem Zylinderkopfoberteil des Zylinderkopfes ausgebildet sind, wobei dem Ansaugkanal wenigstens ein Saugventil sowie dem Auslasskanal wenigstens ein Druckventil zugeordnet ist, und bei dem das Kurbelgehäuse sowie das Zylindergehäuse unter Verwendung von Aluminium hergestellt sind.
Kompressoren zur Erzeugung von Druckluft werden unter anderem zum Betrieb von pneumatischen Bremssystemen in Kraftfahrzeugen und Schienenfahrzeugen eingesetzt. Um eine hohe Effektivität zu erreichen, sollte sich die vom Kompressor angesaugte Umgebungsluft vor Erreichen eines Kompressionsraumes im Kompressor möglichst nur gering erwärmen. Der Wärmeeintrag in den Zylinderkopf eines Kompressors wird hauptsächlich durch die im Kompressionsraum frei werdende Kompressionswärme verursacht. Der stark erwärmte Zylinderkopf gibt seine Wärme dabei zwangsläufig an die Ansaugluft ab, die in der Regel in mindestens einem Ansaugkanal innerhalb des Zylinderkopfes zum Kompressionsraum geleitet wird. Ein besonders intensiver Wärmeeintrag in die Ansaugluft erfolgt hierbei im Bereich der Öffnungen des Ansaugkanals zur Sauglamelle. Eine Reduzierung der Ansauglufttemperatur bewirkt zugleich auch eine erhebliche Absenkung der Verdichtungsendtemperatur mit all ihren dem Fachmann hinlänglich bekannten Vorteilen. Die DE 698 26 381 T2 betrifft einen Kolbenkompressor mit einem wassergekühlten Zylinderkopf zur Verdichtung von Gasen oder Gasgemischen, wie beispielsweise von Luft. Der Zylinderkopf besteht aus Aluminium, das bekanntermaßen über eine hohe Wärmeleitfähigkeit verfügt. Ferner sind am Zylinderkopf innenseitig Luftkühlrippen und benachbart zu diesen Strömungsgalerien ausgebildet, um die freigesetzte Kompressionswärme vom Zylinderkopf in die Umgebung abzuführen. In den Zylinderkopf sind zur weiteren Optimierung der Kühlung mehrere Wasserkühlkanäle eingelassen, und einstückig ausgebildete Kühlrippen sind innerhalb des Strömungswegs der Auslassluft angeordnet.
Außerdem ist aus der DE 10 2007 023 192 A1 ein zweizylindriger Luftkompres- sor bekannt, dessen Kurbelgehäuse aus einem Aluminiumgussmaterial hergestellt ist. Dies bewirkt im Vergleich zu einem bekannten Kurbelgehäuse aus einem Stahlguss eine Reduzierung des Gewichts um 40% bis 50%. Damit wird auch das Gesamtgewicht des Luftkompressors deutlich verringert, so dass sich nach dessen Einbau in ein Kraftfahrzeug im Ergebnis vorteilhaft dessen Kraftstoffverbrauch und dessen Schadstoffemission reduzieren lassen. Außerdem wird in dieser Druckschrift bereits darauf hingewiesen, dass die spezifische Wärmeleitfähigkeit von gegossenem Aluminium etwa sechzig mal höher sei als die von gegossenem Stahl, so dass im Betrieb des Kompressors entstehende Wärme besser von diesem abgeleitet werden kann, als bei einem Kompressor aus Stahl. Die Kolben sind bei diesem Luftkompressor in buchsenförmigen Arbeitszylindern axial verschiebbar aufgenommen, welche gemäß der dortigen Fig. 6 in das Kurbelgehäuse aus Aluminium offenbar kraft- und formschlüssig eingesetzt sind. Aus welchem Material die buchsenförmigen Arbeitszylinder und die Kolben beziehungsweise deren Kolbenringe bestehen, darüber gibt die DE 10 2007 023 192 A1 keine Auskunft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Luftverdichter vorzustellen, bei dem möglichst viele thermisch belastete Komponenten eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben, und bei dem der wenigstens eine Kolben und/oder dessen wenigstens einer Kolbenring derartig ausgebildet sind, dass diese schadlos direkt mit der Zylindermantelfläche des Zylindergehäuses in Reibkontakt treten können.
Die Erfindung wird durch einen Luftverdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Luftverdichters sind in den Unteransprüchen definiert.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass sich die gestellte Aufgabe lösen lässt, wenn alle wesentlichen thermisch belasteten Komponenten des Luftverdichters aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung bestehen, und wenn der wenigstens eine Kolbenring aus einer Grauguss-Legierung oder aus Polytetrafluorethylen (PTFE) besteht. Ein aus Grauguss bestehender Kolbenring weist aufgrund seines Gefüges gewisse Schmiereigenschaften auf, die es erlauben, diesen Kolbenring direkt an der Zylindermantelfläche des Luftverdichters zu führen, insbesondere wenn diese aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung besteht.
Die Erfindung betrifft daher einen Luftverdichter, beispielsweise zur Versorgung eines Druckluftsystems eines Kraftfahrzeugs mit Druckluft, aufweisend ein Kurbelgehäuse, ein mit dem Kurbelgehäuse verbundenes Zylindergehäuse, einen Zylinderkopf, eine in dem Kurbelgehäuse drehbar gelagert angeordnete Kurbelwelle, einen mittels eines Pleuels mit der Kurbelwelle verbundenen zylindrischen Kolben, welcher entlang einer zylindrischen Lauffläche des Zylindergehäuses axial bewegbar angeordnet ist, wenigstens einen Kolbenring oder Ölabstreifring, welcher in einer ringförmigen Nut an Außenmantelfläche des Kolbens angeordnet ist, einen Verdichtungsraum, welcher oberhalb des Kolbens ausgebildet ist und durch den Zylinderkopf verschlossen ist, weiter aufweisend einen Ansaugkanal und einen Auslasskanal, welche in einem Zylinderkopfoberteil des Zylinderkopfes ausgebildet sind, wobei dem Ansaugkanal wenigstens ein Saugventil sowie dem Auslasskanal wenigstens ein Druckventil zugeordnet ist, und bei dem das Kurbelgehäuse sowie das Zylindergehäuse unter Verwendung von Aluminium hergestellt sind. Das Kurbelgehäuse und das Zylindergehäuse können dabei zusammen einstückig ausgebildet sein. Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist bei diesem Luftverdichter außerdem vorgesehen, dass das Kurbelgehäuse, das Zylindergehäuse, der Zylinderkopf und der Kolben aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung hergestellt sind, und dass der wenigstens eine Kolbenring oder der wenigstens eine Ölabstreifring aus Grauguss oder aus Polytetrafluorethylen (PTFE) hergestellt ist.
Durch diesen Aufbau wird erreicht, dass all diejenigen Hauptkomponenten des Luftverdichters, welche direkt mit der zu verdichtenden oder bereits verdichteten Luft in Kontakt kommen, aus einem Werkstoff mit einer sehr guten Wärmeleitfähigkeit bestehen. Über diese sind die im Betrieb des Luftverdichters entstehende Kompressionswärme sowie die Reibungswärme leicht aus dem Luftverdichter abführbar. Dies kann in bekannter weise mittels eine Kühlflüssigkeit führende Kühlmittelkanäle erfolgen, welche am oder im Kurbelgehäuse oder Zylindergehäuse angeordnet sind. Durch die Nutzung von Kolbenringen oder Ölabstreifringen, welche aus Grauguss oder aus Polytetrafluorethylen (PTFE) bestehen, kann auf die Nutzung von gesonderten Zylinderbuchsen als Reibpartner für den oder die Kolben beziehungsweise deren Kolbenringe oder Ölab- streifringe verzichtet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Luftverdichters gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kurbelgehäuse, der Kolben sowie das Zylindergehäuse aus einer Aluminium-Legierung hergestellt sind, welche einen Anteil von maximal 25% Silizium aufweist sowie eine Härte von mindestens 90 HB (Brinell) hat. Eine solche Legierung hat sich bei Untersuchungen als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass vorzugsweise vorzusehen ist, dass das Kurbelgehäuse, der Kolben und das Zylindergehäuse aus der Aluminium-Legierung AISi12 CuNiMg, AISM 7 Cu4MG oder AISi9 Cu3(F2) bestehen. Hinsichtlich der Aluminium-Legierung AISi9 Cu3(F2) sollte allerdings vorzusehen sein, dass dieses Material nach dem Gießvorgang zusätzlich wärmebehandelt wird. Wenngleich die Nutzung der genannten Aluminium-Legierungen vorteilhaft ist, kann der Kolben aber auch aus einer anderen Aluminium-Legierung hergestellt sein. Der wenigstens eine Kolbenring ist vorzugsweise als Minutenring oder als Na- senminutenring ausgebildet. Der Kolbenring kann aber auch als einfacher Olabstreifring ausgebildet sein. Je nach Bedarf sind ein bis fünf Kolbenringe und/oder Ölabstreifringe an jedem Kolben anzuordnen.
Der wenigstens eine Kolbenring oder der wenigstens eine Olabstreifring sind wie erwähnt aus einem Graugussmaterial hergestellt. Untersuchungen zeigten, dass es vorteilhaft ist, wenn der wenigstens eine Kolbenring oder der wenigstens eine Olabstreifring aus einem Standardgrauguss-Material mit einer Härte bis zu 295 HB (Brinell), aus einem niedriglegierten Standardgrauguss-Material mit einer Härte bis zu 295 HB, aus einem legierten und thermisch verarbeiteten Grauguss-Material mit einer Härte bis zu 380 HB, aus einem vergüteten Sphäroguss-Material mit einer Härte bis zu 360 HB, oder einem legierten und vergüteten Grauguss-Material mit einer Härte bis zu 410 HB besteht.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Außendurchmesser des wenigstens einen Kolbenringes in Bezug auf den Innendurchmesser der zugeordnete zylindrischen Lauffläche des Zylindergehäuses derartig gewählt ist, dass der Kolbenring mit einer Anpresskraft von 5 N bis 20 N an der zylindrischen Lauffläche anliegt. Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass der Kolbenring mit einer Anpresskraft von 9 N bis 13,5 N an der zylindrischen Lauffläche anliegt.
Sofern wenigstens ein Olabstreifring an dem jeweiligen Kolben angeordnet ist, wird es als vorteilhaft beurteilt, wenn der Außendurchmesser des wenigstens einen Öl- abstreifringes in Bezug auf den Innendurchmesser der zugeordnete zylindrischen Lauffläche des Zylindergehäuses derartig gewählt ist, dass der Olabstreifring mit einer Anpresskraft von 10 N bis 60 N an der zylindrischen Lauffläche anliegt. Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass der Olabstreifring mit einer Anpresskraft von 27,2 N bis 40,8 N an der zylindrischen Lauffläche anliegt. Zum besseren Verständnis der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung beigefügt. In dieser zeigt die einzige Figur einen Luftverdichter in einem schematischen Längsschnitt.
Der Luftverdichter 10, bei dem es sich beispielsweise um einen Druckluftkompressor für eine Bremsanlage eines Nutzfahrzeugs handeln kann, weist einen Kolben 12 auf, der in einem Zylindergehäuse 14 axial hin und her beweglich angeordnet ist. Ein Verdichtungsraum 16 oberhalb einer Kolbenoberseite 18 ist durch einen Zylinderkopf 20 nach oben hin abgeschlossen. Der Zylinderkopf 20 besteht aus einem Zylinderkopfoberteil 22 und einer Zwischenplatte 24.
Das Zylinderkopfoberteil 22 ist mit einem Ansaugkanal 26 und einem Auslasskanal 28 versehen, die über einen topfförmigen Einlassraum 60 beziehungsweise einen topfförmigen Auslassraum 62 mit einer Einlassöffnung 30 beziehungsweise einer Aus- lassöffnung 32 in der Zwischenplatte 24 strömungstechnisch in Verbindung stehen. Der Ansaugkanal 26 und der Auslasskanal 28 sind im Zylinderkopfoberteil 22 durch einen Steg 34 strömungstechnisch voneinander getrennt, der einstückig mit dem Zylinderkopfoberteil 22 ausgebildet ist und näherungsweise parallel zur Bewegungsachse des Kolbens 12 verläuft. An der Zwischenplatte 24 ist kolbenseitig ein Saugventil 36 in Form eines Lamellenventils angeordnet, das sich beim gezeigten Ansaugtakt in der dargestellten Weise öffnet, wozu dessen Lamelle 84 von der Einlassöffnung 30 in der Zwischenplatte 24 abhebt, um Luft mit Atmosphärendruck aus der Umgebung in den Verdichtungsraum 16 einzusaugen.
Das Saugventil 36 schließt sich, wenn der Kolben 12 den Verdichtungshub beginnt, der mit einer Verkleinerung des Verdichtungsraums 16 einhergeht. Wenn der Druck im Verdichtungsraum 16 den Druck im Auslasskanal 28 überschreitet, öffnet sich das gleichfalls als Lamellenventil ausgebildete Druckventil 38. Dabei hebt die Lamelle 86 des Druckventils 38 von der Auslassöffnung 32 der Zwischenplatte 24 ab, wie dies mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist. Im weiteren Verlauf der komprimierenden Kolbenbewegung wird verdichtete Luft über die Auslassöffnung 32 in den Auslasskanal 28 ausgeschoben und beispielsweise über eine an den Auslasskanal 28 angeschlosse- ne, nicht eingezeichnete Leitung in einen ebenfalls nicht dargestellten Druckluftbehälter weitergeleitet.
Die axiale Hin- und Herbewegung des Kolbens 12 wird durch eine rotierende Kurbelwelle 40 bewirkt, die mit dem Kolben 12 mittels eines Pleuels 42 und eines Kolbenbolzens 44 gelenkig verbunden ist. Die Kurbelwelle 40 ist in einem Kurbelgehäuse 46 drehbar gelagert aufgenommen, welches mit dem Zylindergehäuse 14 verbunden ist. Dieses Kurbelgehäuse 46 ist kolbenfern durch eine Ölwanne 48 abgeschlossen, die zur Aufnahme eines Ölvorrats 50 dient. Während des Betriebs des Luftverdichters 10 gelangt aufspritzendes Öl aus dem Ölvorrat 50 an die innere zylindrische Lauffläche 56 des Zylindergehäuses 14 und schmiert hierbei die Kolbenoberfläche sowie wenigstens einen in einer Ringnut 52 des Kolbens 12 federnd und umfangsseitig verdrehbar aufgenommenen Kolbenring 54.
Gemäß der Erfindung ist bei diesem Luftverdichter 10 vorgesehen, dass das Kurbelgehäuse 46, der Kolben 12, das Zylindergehäuse 14 sowie der Zylinderkopf 20 aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung bestehen, und dass der eine Kolbenring aus einem Grauguss hergestellt ist. Da das Kurbelgehäuse, der Kolben, der Zylinderkopf und das Zylindergehäuse aus einem Werkstoff mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt sind, kann die beim Betrieb des Luftverdichters 10 entstehende Verdich- tungs- und Reibungswärme sehr gut aus demselben abgeleitet werden, so dass der Wirkungsgrad desselben im Vergleich zu konventionellen Luftverdichtern höher ist.
Der Kolbenring 54 aus einem Graugussmaterial ist sehr gut als Reibpartner für die aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung bestehenden zylindrischen Lauffläche 56 des Zylindergehäuses 14 geeignet, insbesondere bei ölgeschmierten Luftverdichtern. Bei ölgeschmierten Luftverdichtern, vor allem aber bei nicht mit Öl geschmierten Luftverdichtern, können mit Vorteil auch Kolbenringe aus Polytetrafluorethylen (PTFE) genutzt werden, da dieser Werkstoff ein sehr günstiges Reibverhalten aufweist. Sofern der wenigstens eine Kolbenring aus Polytetrafluorethylen besteht, kann es jedoch erforderlich sein, dass die zylindrische Lauffläche des Luftverdichters als Reib- partner des Kolbenringes gesondert beschichtet werden muss. Als Beschichtungswerkstoff kann ebenfalls Polytetrafluorethylen genutzt werden.
Das Kurbelgehäuse 46, der Kolben 12 und das Zylindergehäuse 14 bestehen aus Aluminium oder aus wenigstens einer der Aluminium-Legierungen AISM2 CuNiMg, AISM 7 Cu4MG oder AISi9 Cu3(F2). Demnach können das Kurbelgehäuse 46, der Kolben 12 und das Zylindergehäuse 14 aus nur einer der genannten Werkstoffe oder aus jeweils unterschiedlichen dieser Werkstoffe hergestellt sein.
Weiter ist bei diesem Luftverdichter 10 vorgesehen, dass der wenigstens eine Kolbenring 54 oder der wenigstens eine Ölabstreifring aus einem Standardgrauguss- Material mit einer Härte bis zu 295HB, aus einem niedriglegierten Standardgrauguss- Material mit einer Härte bis zu 295HB, aus einem legierten und thermisch verarbeiteten Grauguss-Material mit einer Härte bis zu 380HB, aus einem vergüteten Sphäroguss- Material mit einer Härte bis zu 360HB, oder einem legierten und vergüteten Grauguss- Material mit einer Härte bis zu 410HB besteht.
Um ein besonders gutes Betriebsverhalten zu erreichen ist vorgesehen, dass der Außendurchmesser des Kolbenringes 54 in Bezug zum Innendurchmesser 58 der zugeordnete zylindrischen Lauffläche 56 des Zylindergehäuses 14 derartig gewählt ist, dass der Kolbenring 54 mit einer Anpresskraft von 5 N bis 20 N an der zylindrischen Lauffläche 56 anliegt. Als besonders vorteilhaft wird es beurteilt, wenn der Kolbenring 54 mit einer Anpresskraft von 9 N bis 13,5 N an der zylindrischen Lauffläche 56 anliegt. Diese Anpresskräfte gelten für Kolben mit einem Durchmesser von bis zu 100 mm.
Bezugszeichen (Bestandteil der Beschreibung) Luftverdichter
Kolben
Zylindergehäuse
Verdichtungsraum
Kolbenoberseite
Zylinderkopf
Zylinderkopfoberteil
Zwischenplatte
Ansaugkanal
Auslasskanal
Einlassöffnung in der Zwischenplatte
Auslassöffnung in der Zwischenplatte
Steg des Zylinderkopfoberteils
Saugventil
Druckventil
Kurbelwelle
Pleuel
Kolbenbolzen
Kurbelgehäuse
Ölwanne
Ölvorrat
Ringnut im Kolben
Kolbenring
Zylindrische Lauffläche
Innendurchmesser der zylindrischen Lauffläche
Einlassraum des Zylinderkopfoberteils
Auslassraum des Zylinderkopfoberteils
Lamelle des Saugventils
Lamelle des Druckventils

Claims

Patentansprüche (Reinschrift)
1. Luftverdichter (10), beispielsweise zur Versorgung eines Druckluftsystems eines Kraftfahrzeugs mit Druckluft, aufweisend ein Kurbelgehäuse (46), ein mit dem Kurbelgehäuse (46) verbundenes Zylindergehäuse (14), einen Zylinderkopf (20), eine in dem Kurbelgehäuse (46) drehbar gelagert angeordnete Kurbelwelle (40), einen mittels eines Pleuels (42) mit der Kurbelwelle (40) verbundenen zylindrischen Kolben (12), welcher entlang einer zylindrischen Lauffläche (56) des Zylindergehäuses (14) axial bewegbar angeordnet ist, wenigstens einen Kolbenring (54) oder Oiabstreifring, welcher in einer ringförmigen Nut (52) an Außenmantelfläche des Kolbens (12) angeordnet ist, einen Verdichtungsraum (16), welcher oberhalb des Kolbens (12) ausgebildet ist und durch den Zylinderkopf (20) verschlossen ist, weiter aufweisend einen Ansaugkanal (26) und einen Auslasskanal (28), welche in einem Zylinderkopfoberteil (22) des Zylinderkopfes (20) ausgebildet sind, wobei dem Ansaugkanal (26) wenigstens ein Saugventil (36) sowie dem Auslasskanal (28) wenigstens ein Druckventil (38) zugeordnet ist, und bei dem das Kurbelgehäuse (46) sowie das Zylindergehäuse (14) unter Verwendung von Aluminium hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelgehäuse (46), das Zylindergehäuse (14), der Zylinderkopf (20) und der Kolben (12) aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung hergestellt sind, und dass der wenigstens eine Kolbenring (54) oder der wenigstens eine Oiabstreifring aus Grauguss oder aus Polytet- rafluorethylen (PTFE) hergestellt ist.
2. Luftverdichter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelgehäuse (46), der Kolben (12) sowie das Zylindergehäuse (14) aus einer Aluminium- Legierung hergestellt sind, welche einen Anteil von maximal 25% Silizium aufweist sowie eine Härte von mindestens 90 HB (Brinell) hat.
3. Luftverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Lauffläche (56) des Zylindergehäuses (14) für den Kolben (12) und/oder den wenigstens einen Kolbenring (54) oder Ölabstreifring aus dem gleichen Material wie das des Zylindergehäuses (14) gebildet ist.
4. Luftverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelgehäuse (46), der Kolben (12) und das Zylindergehäuse (14) aus der Aluminium-Legierung AISi12 CuNiMg, AISi17 Cu4MG oder AISi9 Cu3(F2) besteht.
5. Luftverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium- Legierung AISi9 Cu3(F2) nach dem Gießvorgang wärmebehandelt wurde.
6. Luftverdichter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kolbenring (54) als Nasenminutenring oder als Minutenring ausgebildet ist.
7. Luftverdichter nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kolbenring (54) oder der wenigstens eine Ölabstreifring aus einem Standardgrauguss-Material mit einer Härte bis zu 295 HB (Brinell), aus einem niedriglegierten Standardgrauguss-Material mit einer Härte bis zu 295 HB, aus einem legierten und thermisch verarbeiteten Grauguss-Material mit einer Härte bis zu 380 HB, aus einem vergüteten Sphäroguss-Material mit einer Härte bis zu 360 HB, oder einem legierten und vergüteten Grauguss-Material mit einer Härte bis zu 410 HB besteht.
8. Luftverdichter einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das der Außendurchmesser des wenigstens einen Kolbenringes (54) in Bezug auf den Innendurchmesser (58) der zugeordnete zylindrischen Lauffläche (56) des Zylindergehäuses (1 ) derartig gewählt ist, dass der Kolbenring (54) mit einer Anpresskraft von
5 N bis 20 N an der zylindrischen Lauffläche (56) anliegt.
9. Luftverdichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring (54) mit einer Anpresskraft von 9 N bis 13,5 N an der zylindrischen Lauffläche (56) anliegt.
10. Luftverdichter einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das der Außendurchmesser des wenigstens einen Ölabstreifringes in Bezug auf den Innendurchmesser (58) der zugeordnete zylindrischen Lauffläche (56) des Zylindergehäuses (14) derartig gewählt ist, dass der Ölabstreifring mit einer Anpresskraft von
10 N bis 60 N an der zylindrischen Lauffläche (56) anliegt.
11. Luftverdichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölabstreifring mit einer Anpresskraft von 27,2 N bis 40,8 N an der zylindrischen Lauffläche (56) anliegt.
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