EP4004370B1 - Ventilvorrichtung für einen hubkolbenverdichter - Google Patents

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EP4004370B1
EP4004370B1 EP20743992.8A EP20743992A EP4004370B1 EP 4004370 B1 EP4004370 B1 EP 4004370B1 EP 20743992 A EP20743992 A EP 20743992A EP 4004370 B1 EP4004370 B1 EP 4004370B1
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EP
European Patent Office
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pressure
relief
stage
reciprocating
flap
Prior art date
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EP20743992.8A
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English (en)
French (fr)
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EP4004370A1 (de
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Marius BURKAUSKAS
Sven Hensel
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Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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Publication date
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Publication of EP4004370B1 publication Critical patent/EP4004370B1/de
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    • 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
    • F04B39/10—Adaptations or arrangements of distribution members
    • F04B39/1073—Adaptations or arrangements of distribution members the members being reed valves
    • 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
    • F04B39/08—Actuation of distribution members
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B39/12—Casings; Cylinders; Cylinder heads; Fluid connections
    • F04B39/125—Cylinder heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/02—Stopping, starting, unloading or idling control
    • F04B49/03—Stopping, starting, unloading or idling control by means of valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/16—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00 by adjusting the capacity of dead spaces of working chambers

Definitions

  • the invention relates to a reciprocating piston compressor for a compressed air supply system in a motor vehicle, such as a truck, bus or rail vehicle.
  • a reciprocating piston compressor essentially comprises two areas, the cylinder head area in which the valves are arranged, and the crankshaft housing with at least one cylinder that can be moved in a working chamber so that a suction stroke movement and a compression stroke movement are created.
  • the reciprocating piston compressor can be designed as a single-stage or multi-stage, in particular two-stage.
  • the valve device for controlling the air flow is usually assigned to the cylinder head and comprises automatically acting suction valves and pressure valves which are opened and closed by the pressures prevailing in the working chamber due to the stroke movement of the piston.
  • the suction stroke of the piston creates a negative pressure in the working chamber of the respective cylinder, so that the associated suction valve opens and the associated pressure valve closes. Air enters the working chamber of the cylinder or is sucked into the working chamber via the inlet chamber and the inlet channels in the valve carrier plate.
  • the compression stroke of the piston causes an overpressure in the working chamber of the respective cylinder, so that the associated suction valve closes and the associated pressure valve opens, whereby compressed air is pumped from the working chamber of the cylinder via the pressure channel into the subsequent compressed air system.
  • the suction valve is usually designed as a valve lamella, the valve tongue of which is unilaterally located between the The valve tongue is clamped between the cylinder housing and the cylinder head of the reciprocating piston compressor and is guided at its free end with at least one tab in a recess in the cylinder housing.
  • the inlet openings in the valve carrier plate, which connect an intake chamber with the working chamber of the cylinder, can be closed by means of the valve tongue.
  • valve lamella is designed in such a way that at least one outlet opening is cut out in the valve carrier plate, which is arranged between the working chamber of the cylinder and the pressure channel.
  • the pressure valve, via which the outlet opening can be closed, is usually located within the cylinder head area.
  • the reciprocating compressor continues to deliver until the pressure in the main pressure line has reached a predetermined cut-off pressure.
  • the compressor is then switched to idle mode, which reduces the power consumption in idle mode.
  • Such systems are also called relief systems or idle systems.
  • an idle valve that opens automatically as soon as the system pressure is reached and an overflow valve has opened. This eliminates the counterpressure of the compressed air system that keeps the idle valve in a closed position.
  • the open idle valve connects the working chamber with the inlet chamber so that no compression can take place during the compression stroke.
  • One advantage of such a piston compressor is that it switches off automatically when the target filling pressure in the pressure vessel is reached.
  • Another idle valve is, for example, from the EN 10 2013 001 147 A1 known.
  • an idle valve for a relief system is proposed that is held in the closed position by a spring and can optionally be switched to an open position by applying pressure.
  • Such systems are also called “externally controlled systems”.
  • a reciprocating piston compressor which comprises a pivotably mounted discharge valve which is actuated by an actuating piston.
  • a discharge opening is opened between the cylinder chamber and the expansion chamber.
  • the discharge valve is open, the cylinder chamber is enlarged by the volume of the expansion chamber, which reduces the compression pressure and thus the idling losses.
  • the US6,257,838 B1 A reciprocating piston compressor is also disclosed which comprises an expansion chamber in order to reduce the idle losses.
  • the connecting channel is realized via an actuatable sliding lamella.
  • the object of the invention is to propose a relief system by which the energy consumption of a reciprocating compressor can be further reduced.
  • the embodiment according to the invention is a reciprocating piston compressor for a compressed air supply system in a motor vehicle, with a cylinder head in which a relief system is integrated, by means of which a relief channel in a valve carrier plate of the cylinder head, which connects a working chamber of the reciprocating piston compressor with a chamber in the cylinder head, can be switched.
  • the relief system comprises a switching device and a lamella, wherein the lamella is fastened to the valve carrier plate on the working chamber side and is designed such that it can be lifted off the valve carrier plate to open the relief channel, wherein the lifting of the lamella can take place automatically and/or in a controlled manner by means of the relief system.
  • the automatic lifting of the lamella results in an enlarged effective channel cross-section, which reduces the inflow resistance of the air into the working chamber during the suction stroke of the cylinder.
  • the controlled lifting of the slats causes the compressor to be switched to idle mode, where no compression takes place.
  • a preferred embodiment can provide that the cylinder head has an inlet chamber which can be connected to the working chamber via a plurality of inlet channels in the valve carrier plate and an automatically acting inlet valve lamella designed as a reed valve, wherein the at least one relief channel is arranged within the inlet channels.
  • the at least one relief channel is surrounded by inlet channels.
  • the lamella can preferably be designed as a tongue valve, whereby a tongue valve is understood to be a lamella which is clamped on one side and closes a channel in the unactuated position and opens the passage through the channel in the actuated position.
  • the inlet chamber can be connected to the working chamber via the inlet channels and the relief channel.
  • the inlet chamber is connected to an air inlet through which ambient air in particular enters the inlet chamber.
  • the air is distributed between the inlet channels and the at least one relief channel and is sucked into the working chamber via these.
  • the enlarged cross-section facilitates the suction stroke movement of the piston, which reduces energy consumption.
  • the relief system for supporting the lamella can include a means for limiting the stroke of the lamella.
  • a means for limiting the stroke of the lamella In particular, with large volumes of air that are sucked into the working chamber during the suction stroke due to the resulting negative pressure, it may be necessary to limit the movement of the lamella, as is also necessary for the valve lamella according to the StdT.
  • a limiting lamella that protrudes into the working chamber can be used.
  • the cylinder can have a corresponding recess for the limiting lamella. Alternatively, this recess can also be used directly as a means of limitation, so that the lamella hits the recess at least at the start of the stroke movement.
  • the relief system can comprise a relief piston that can be reset by means of a spring element and can be actuated by means of a control pressure.
  • the reciprocating piston compressor can be designed as a two-stage compressor, with a pre-stage and a high-pressure stage, whereby a relief system and a connecting channel that connects the relief channel of the high-pressure stage to the inlet chamber are provided in the cylinder head for each stage.
  • the compression stroke of all stages is relieved via a connection that connects the respective working chamber to the inlet chamber via the relief channel. In this way, when the lamella is in the relief position, ambient air can also enter the working chamber directly during the suction stroke of the high-pressure stage.
  • the lamella of the relief system of the high-pressure stage is designed in such a way that it remains in the closed position during operation during the suction stroke.
  • the lamella of the high-pressure stage or subsequent High pressure stages are designed in such a way that the slat can only be actively moved into the open position by means of the piston of the relief system.
  • the method is characterized in that during a suction stroke, in which a negative pressure is generated in the working chamber, a lamella of the relief system is moved automatically or, when the relief system is activated, forcibly into an open position, so that additional air is sucked into the working chamber via the inlet chamber and the relief channel, or when the relief system is activated, air can be pushed out of the working chamber via the relief channel.
  • This method is used in a single-stage reciprocating piston compressor or the preliminary stage or the first stage of a multi-stage reciprocating piston compressor.
  • a pre-stage and a high-pressure stage are connected in series, with a relief system provided in the cylinder head for each stage.
  • the lamella of the pre-stage is automatically moved into the open position during the suction stroke and the lamella of the high-pressure stage can be designed in such a way that it remains in the closed position during the suction stroke.
  • a connecting channel for connecting the relief systems can be provided in the cylinder head of the two-stage compressor, whereby the relief channel of the high-pressure stage is connected via the connecting channel to the inlet chamber of the pre-stage, whereby for the relief or switching to idle operation of the reciprocating piston compressor, the relief pistons of both Relief systems are switched in such a way that the slats of both stages are moved to an open position.
  • Figure 1 shows a piston-side view of the valve carrier plate 4 of a two-stage reciprocating piston compressor with the relief system assigned to the cylinder head 12.
  • the two compressor stages, the pre-stage 2 and the high-pressure stage 3 are similarly constructed but differ slightly in size and function.
  • the basic structure is the same.
  • Both compressor stages have an inlet valve 5a, b that is fixed on one side and has stop surfaces on the opposite side.
  • Recesses (not shown here) are provided in the crankshaft housing 11 for the stop surfaces, through which the opening movement of the inlet valves 5a, b is limited.
  • the outlet channels 23 are arranged within the outer contour of the inlet valves 5a, b and partially run through recesses in the inlet valves 5a, b.
  • the slats 9a, b belonging to the relief system 7a, b are arranged approximately in the middle of the intake valves 5a, b, i.e. approximately in the middle of the working chamber of the cylinders 20a, b, where the intake valves 5a, b have a recess.
  • the slats 9a, b are also clamped on one side.
  • the valves of the pre-stage 2 and the high-pressure stage 3 differ slightly. Due to the larger air volume that is sucked in during the suction stroke of the cylinder 20a of the pre-stage 2 must be opened, the lamella 9a is designed in such a way that the valve opens automatically with each suction stroke of the cylinder 20a of the preliminary stage 2. To limit the opening movement, a limiting lamella 22 is provided, which represents a stop for the lamella 9a.
  • FIG. 2 shows a cylinder head side view of the valve carrier plate 4 of a two-stage reciprocating piston compressor with relief system.
  • Both stages 2, 3 each have an inlet chamber 14a, b and an outlet chamber 15a, b.
  • the automatically acting outlet valves 6a, b are arranged in the outlet chambers, which close the outlet channels 23 in the valve carrier plate in the closed position and are moved to an open position when a definable pressure in the working chamber is exceeded.
  • the valve carrier plate 4 In the area of the inlet chamber 14a of the pre-stage 2, several channel openings are represented by the valve carrier plate 4. Part of the openings, the outer semicircle, are the inlet channels 21a, which are assigned to the inlet valve 5a with the inlet valve lamella 18a. During a suction stroke, the air is sucked into the working chamber through the inlet channels 21a, and the inlet valve lamella 18a is moved into an open position. During a compression stroke, the inlet valve lamella 18a closes the inlet channels 21a. The relief channels 19a are arranged within the semicircle of the inlet channels 21a. Their passage is switched by means of the lamella 9a of the relief system 7a.
  • the high-pressure stage is designed somewhat differently; here the relief channel 19b of the relief system 7b is arranged in a separate chamber, which is connected to the inlet chamber 14a of the pre-stage 2 via the connecting channel 13. Not shown is the separate channel connection between the outlet chamber 15a of the pre-stage 2 and the inlet chamber 14b of the high-pressure stage 3.
  • Figure 3 and 4 show the relief systems 7a, b of the pre-stage 2 and the high-pressure stage 3 in section.
  • the general layered structure of the cylinder head 12 is known from the prior art, so that only the channels and chambers essential to the invention will be considered further here.
  • the relief system 7a according to the invention for the pre-stage is shown in Figure 3 and the relief system 7b for the high pressure stage 3 is in Figure 4 shown.
  • the relief system 7a of the pre-stage can be designed as described above and in Figure 3 shown.
  • all stages following the preliminary stage receive the relief system 7b of the high-pressure stage 2, whereby in a preferred embodiment a connecting channel can be provided via which all stages can be connected to the inlet chamber of the preliminary stage.
  • each stage can also comprise a separate channel that is connected to the environment.
  • the special feature of the relief valve of the pre-stage 2 is the limiting lamella 22, which is designed as a solid component and supports the lamella 9a so that the lamella 9a does not bend too far into the working area and thus does not result in excessive bending stress.
  • the cylinder 20a has a recess on the front face into which the limiting lamella 22 dips when the cylinder is at top dead center, so that the dead space is as small as possible.
  • the recess is just large enough to accommodate the limiting slat 22 and the slat 9a lying on it in the open state.
  • the relief piston 10a can also be seen, which is guided in the cylinder head 12. In the position shown, this is in the rest position and is held in this position by a spring.
  • the relief piston 10a can be pressurized via the control pressure channel 16 shown, so that it is moved into the relief position and the lamella 9a into the open position.
  • the special feature of the Figure 4 The design of the lamella 9b shown in the relief system 8b of the high pressure stage 3 is such that it is spring-stiff that it can only be moved into the open position with the help of the relief piston 10b. A suction stroke of the piston 20b of the high-pressure stage 2 does not cause the lamella 9b to move automatically into the open position. Both relief pistons 10a, b are simultaneously pressurized with compressed air via the control pressure channel 16 shown.
  • the piston 20b also has a recess in which the lamella 9b fits in the open position.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenkompressor für ein Druckluftversorgungsystem in einem Kraftfahrzeug, wie einem LKW, Bus oder Schienenfahrzeug. Ein Hubkolbenverdichter umfasst im Wesentlichen zwei Bereiche, den Zylinderkopfbereich, in dem die Ventile angeordnet sind, und das Kurbelwellengehäuse mit zumindest einem Zylinder, der in einem Arbeitsraum bewegbar ist, so dass eine Saughubbewegung und eine Kompressionshubbewegung entsteht. Der Hubkolbenverdichter kann einstufig oder mehrstufig, insbesondere zweistufig, ausgeführt sein.
  • Die Ventilvorrichtung zur Steuerung des Luftstroms ist üblicherweise dem Zylinderkopf zugeordnet und umfasst selbsttätig wirksame Saugventile und Druckventile, die durch die in dem Arbeitsraum durch die Hubbewegung des Kolbens herrschenden Drücke geöffnet und geschlossen werden.
  • Der Saughub des Kolbens bewirkt einen Unterdruck im Arbeitsraum des jeweiligen Zylinders, so dass sich das zugeordnete Saugventil öffnet und das zugeordnete Druckventil geschlossen wird. Über die Einlasskammer und die Einlasskanäle in der Ventilträgerplatte gelangt Luft in den Arbeitsraum des Zylinders, bzw. wird in den Arbeitsraum gesaugt.
  • Der Verdichtungshub des Kolbens bewirkt einen Überdruck im Arbeitsraum des jeweiligen Zylinders, so dass sich das zugeordnete Saugventil schließt und das zugeordnete Druckventil geöffnet wird, wodurch komprimierte Luft aus dem Arbeitsraum des Zylinders über den Druckkanal in das nachfolgende Druckluftsystem gefördert wird.
  • Wie auch aus der DE 10 2016 006 358 A1 bekannt, ist das Saugventil meistens als Ventillamelle ausgebildet, dessen Ventilzunge einseitig zwischen dem Zylindergehäuse und dem Zylinderkopf des Hubkolbenkompressors eingespannt ist und an ihrem freien Ende mit mindestens einer Lasche in einer Aussparung des Zylindergehäuses geführt ist. Mittels der Ventilzunge sind die Eintrittsöffnungen in der Ventilträgerplatte, die eine Ansaugkammer mit dem Arbeitsraum des Zylinders verbinden, verschließbar.
  • Weiterhin ist die Ventillamelle derart gestaltet, dass zumindest eine Austrittsöffnung in der Ventilträgerplatte ausgespart wird, die zwischen dem Arbeitsraum des Zylinders und dem Druckkanal angeordnet ist. Das Druckventil, über das die Austrittsöffnung verschließbar ist, befindet sich üblicherweise innerhalb des Zylinderkopfbereichs.
  • Der Förderbetrieb des Hubkolbenkompressors erfolgt so lange, bis der Druck in der Hauptdruckleitung einen vorgegebenen Abschaltdruck erreicht hat. Dann wird der Kompressor in den Leerlaufbetrieb geschaltet, durch den die Leistungsaufnahme im Leerlaufbetrieb reduziert wird. Derartige Systeme nennt man auch Entlastungssysteme oder Leerlaufsysteme.
  • Aus der EP 1 650 434 A2 ist beispielsweise ein Leerlaufventil bekannt, dass sich automatisch öffnet, sobald der Systemdruck erreicht ist und sich ein Überströmventil geöffnet hat. Dadurch entfällt der Gegendruck des Druckluftsystems, der das Leerlaufventil in einer Schließstellung hält. Das geöffnete Leerlaufventil verbindet den Arbeitsraum mit der Einlasskammer, so dass keine Verdichtung während des Verdichtungshubs stattfinden kann. Ein Vorteil eines solchen Kolbenverdichters besteht darin, dass das Abschalten bei Erreichen des Soll-Fülldruckes im Druckbehälter automatisch erfolgt.
  • Ein weiteres Leerlaufventil ist beispielsweise aus der DE 10 2013 001 147 A1 bekannt. Hier wird ein Leerlaufventil für ein Entlastungssystem vorgeschlagen, dass mittels einer Feder in der Schließstellung gehalten wird und wahlweise durch Aufbringen eines Druckes in eine Offenstellung geschaltet werden kann. Derartige Systeme werden auch "fremdgesteuerte-Systeme" genannt.
  • Aus der EP 0091 994 ist eine Leerlauf-Ventileinrichtung bekannt. Diese ist derart angeordnet, dass sie nicht in den Kolben des Verdichters überfahrenden Bereich ragt.
  • Alle Leerlaufsysteme haben gemeinsam, dass im Leerlaufbetrieb der Arbeitsraum über einen Entlastungskanal mit einem weiteren Raum verbunden wird, so dass keine oder eine verringerte Kompression stattfindet.
  • Aus der WO 95/11384 A1 ist ein Hubkolbenverdichter offenbart, der ein schwenkbar gelagertes Entladeventil umfasst, das von einem Betätigungskolben betätigt wird. Bei geöffnetem Entladeventil wird eine Entladeöffnung zwischen dem Zylinderraum und der Expansionskammer freigegeben. Bei geöffnetem Entladeventil wird der Zylinderraum um das Volumen der Expansionskammer vergrößert, was den Kompressionsdruck und damit die Leerlaufverluste verringert.
  • Die US 6,257,838 B1 ist auch ein Hubkolbenverdichter offenbart, der eine Expansionskammer umfasst, um die Leerlaufverluste zu reduzieren. Der Verbindungskanal wird über eine betätigbare Schiebelamelle realisiert.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Entlastungssystem vorzuschlagen, durch das sich der Energieverbrauch eines Hubkolbenverdichters weiter reduzieren lässt.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführung finden sich in den Unteransprüchen.
  • Bei der erfindungsgemäßen Ausführung handelt es sich um einen Hubkolbenkompressor für ein Druckluftversorgungsystem in einem Kraftfahrzeug, mit einem Zylinderkopf in dem ein Entlastungssystem integriert ist, mittels dem ein Entlastungskanal in einer Ventilträgerplatte des Zylinderkopfes, der einen Arbeitsraum des Hubkolbenkompressors mit einem Raum im Zylinderkopf verbindet, schaltbar ist.
  • Zur Verbesserung der Effizienz des Hubkolbenkompressors wird vorgeschlagen, dass das Entlastungssystem eine Schaltvorrichtung und eine Lamelle umfasst, wobei die Lamelle arbeitsraumseitig an der Ventilträgerplatte befestigt ist und derart ausgelegt ist, das diese zum Öffnen des Entlastungskanals von der Ventilträgerplatte abhebbar ist, wobei das Abheben des Lamelle selbsttätig und/oder gesteuert mittels des Entlastungssystems erfolgen kann.
  • Durch das selbsttätige Abheben der Lamelle wird erreicht, dass ein vergrößerter wirksamer Kanalquerschnitt entsteht, durch den der Einströmwiderstand der Luft in den Arbeitsraum beim Saughub des Zylinders reduziert wird.
  • Durch das gesteuerte Abheben der Lamelle wird erreicht, dass der Kompressor in den Leerlaufbetrieb geschaltet wird, bei der keine Kompression stattfindet.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform kann vorsehen, dass der Zylinderkopf eine Einlasskammer aufweist, welche über mehrere Einlasskanäle in der Ventilträgerplatte und einer selbsttätig wirksamen als Zungenventil ausgebildete, Einlassventillamelle mit dem Arbeitsraum verbindbar ist, wobei der mindestens eine Entlastungskanal innerhalb der Einlasskanäle angeordnet ist. Mit anderen Worten, dass der mindestens eine Entlastungskanal von Einlasskanälen umgeben ist.
  • Die Lamelle kann dabei vorzugsweise als Zungenventil ausgeführt sein, wobei man unter einem Zungenventil eine Lamelle versteht, die einseitig eingespannt ist und in der unbetätigten Stellung einen Kanal verschließt und in der betätigten Stellung den Durchgang durch den Kanal öffnet.
  • Die Einlasskammer ist über die Einlasskanäle und den Entlastungskanal mit dem Arbeitsraum verbindbar. Die Einlasskammer ist mit einem Lufteinlass verbunden, durch den insbesondere Umgebungsluft in die Einlasskammer gelangt. In der Einlasskammer verteilt sich die Luft auf die Einlasskanäle und den mindestens einen Entlastungskanal und wird über diese in den Arbeitsraum gesaugt. Durch den vergrößerten Querschnitt wird die Saughubbewegung des Kolbens erleichtert, was den Energieverbrauch reduziert.
  • Weiterhin kann das Entlastungssystem zur Stützung der Lamelle ein Mittel zur Hubbegrenzung der Lamelle umfassen. Insbesondere bei großen Luftvolumen, die beim Saughub in den Arbeitsraum durch den entstehenden Unterduck gesaugt werden, kann es erforderlich sein, dass die Lamellenbewegung begrenzt werden muss, wie dies auch bei der Ventillamelle entsprechend dem StdT notwendig ist. Zur Hubbegrenzung der Lamelle kann beispielsweise eine in den Arbeitsraum ragende Begrenzungslamelle verwendet werden. Damit der Totraum trotzdem relativ klein bleibt, kann der Zylinder, für die Begrenzungslamelle, eine entsprechende Aussparung aufweisen. Alternativ kann diese Aussparung auch direkt als Mittel zur Begrenzung verwendet werden, so dass die Lamelle zumindest beim Start der Hubbewegung in die Aussparung schlägt.
  • Weiterhin kann das Entlastungssystem einen mittels einem Federelement rückstellbaren Entlastungskolben umfassen, der mittels eines Steuerdrucks betätigbar ist.
  • In einer weiteren Ausführung kann der Hubkolbenverdichter als zweistufiger Verdichter, mit einer Vorstufe und einer Hochdruckstufe, ausgeführt sein, wobei im Zylinderkopf für jede Stufe ein Entlastungssystem und ein Verbindungskanal, der den Entlastungskanal der Hochdruckstufe mit der Einlasskammer verbindet, vorgesehen sind. Bei mehrstufigen Verdichtern erfolgt die Entlastung des Kompressionshubs aller Stufen über eine Verbindung die den jeweiligen Arbeitsraum über den Entlastungskanal gesteuert mit der Einlasskammer verbindet. So kann in der Entlastungsstellung der Lamelle auch beim Saughub der Hochdruckstufe Umgebungsluft direkt in den Arbeitsraum gelangen.
  • Im Gegensatz zur Lamelle der Vorstufe, ist die Lamelle des Entlastungssystems der Hochdruckstufe derart ausgelegt, dass diese im Betrieb beim Saughub in der Schließstellung verbleibt. Die Lamelle der Hochdruckstufe bzw. nachfolgender Hochdruckstufen ist somit so ausgelegt, dass die Lamelle nur aktiv, mittels des Kolbens des Entlastungssystems in die Offenstellung, bewegbar ist.
  • Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben eines Hubkolbenkompressors nach dem Anspruch 1.
  • Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Saughub, bei dem ein Unterdruck im Arbeitsraum erzeugt wird, eine Lamelle des Entlastungssystems, selbsttätig oder, bei Betätigung des Entlastungssystems, zwangsweise in eine Offenstellung bewegt wird, so dass zusätzliche Luft über die Einlasskammer und den Entlastungskanal in den Arbeitsraum gesaugt wird, oder bei Betätigung des Entlastungssystems Luft über den Entlastungskanal aus dem Arbeitsraum herausgedrückt werden kann. Dieses Verfahren kommt bei einem einstufigen Hubkolbenverdichter oder der Vorstufe bzw. der ersten Stufe eines mehrstufigen Hubkolbenverdichters zum Einsatz.
  • In einer Ausführung des Hubkolbenkompressors als zweistufiger Verdichter sind eine Vorstufe und eine Hochdruckstufe in Reihe hintereinandergeschaltet, wobei im Zylinderkopf für jede Stufe ein Entlastungssystem vorgesehen ist. Bei einem derartigen Aufbau wird die Lamelle der Vorstufe beim Saughub selbsttätig in die Offenstellung bewegt und die Lamelle der Hochdruckstufe kann derart ausgelegt sein, dass diese beim Saughub in der Schließstellung verbleibt.
  • Weiterhin kann im Zylinderkopf des zweistufigen Verdichters ein Verbindungskanal zur Verbindung der Entlastungssysteme vorgesehen sein, wobei der Entlastungskanal der Hochdruckstufe über den Verbindungskanal mit der Einlasskammer der Vorstufe verbunden ist, wobei zur Entlastung bzw. Schaltung in den Leerlaufbetrieb des Hubkolbenkompressors die Entlastungskolben beider Entlastungssysteme derart geschaltet werden, dass die Lamellen beider Stufen in eine Offenstellung bewegt werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
    • Fig.1
    Kolbenseitige Ansicht auf die Ventilplatte eines zweistufigen Hubkolbenverdichters mit Entlastungssystem
    Fig.2
    Zylinderkopfseitige Ansicht auf die Ventilplatte eines zweistufigen Hubkolbenverdichters mit Entlastungssystem
    Fig.3
    Entlastungssystem der ersten Verdichterstufe im Schnitt
    Fig.4
    Entlastungssystem der zweiten Verdichterstufe im Schnitt
  • Figur 1 zeigt eine kolbenseitige Ansicht auf die Ventilträgerplatte 4 eines zweistufigen Hubkolbenverdichters mit dem Entlastungssystem die dem Zylinderkopf 12 zugeordnet ist. Die beiden Verdichterstufen, die Vorstufe 2 und die Hochdruckstufe 3, sind ähnlich aufgebaut und unterscheiden sich aber in der Größe und der Funktion etwas voneinander. Gleich ist der grundsätzliche Aufbau. Beide Verdichterstufen haben ein Einlassventil 5a, b, das einseitig fixiert ist und auf der gegenüberliegenden Seite Anschlagflächen aufweist. Für die Anschlagflächen sind in dem Kurbelwellengehäuse 11 hier nicht dargestellte Aussparungen vorgesehen, durch die die Öffnungsbewegung der Einlassventile 5a, b begrenzt wird. Die Auslasskanäle 23 sind innerhalb der Außenkontur der Einlassventile 5a, b angeordnet und verlaufen teilweise durch Aussparungen in den Einlassventilen 5a, b. Etwa in der Mitte der Einlassventile 5a, b, also etwa in der Mitte des Arbeitsraums der Zylinder 20 a, b, an der die Einlassventile 5a, b eine Aussparung aufweisen, sind die zum Entlastungssystem 7a, b gehörenden Lamellen 9a, b angeordnet. Auch die Lamellen 9a, b sind einseitig eingespannt.
  • Durch die unterschiedliche Funktion der Entlastungssysteme 7a, b unterscheiden sich die Ventile der Vorstufe 2 und der Hochdruckstufe 3 etwas. Durch das größere Luftvolumen, dass beim Saughub des Zylinders 20a der Vorstufe 2 angesaugt werden muss, ist die Lamelle 9a derart ausgelegt, dass sich das Ventil bei jedem Saughub des Zylinders 20a der Vorstufe 2 selbststätig öffnet. Zu Begrenzung der Öffnungsbewegung ist eine Begrenzungslamelle 22 vorgesehen, die einen Anschlag für die Lamelle 9a darstellt.
  • Figur 2 zeigt eine zylinderkopfseitige Ansicht auf die Ventilträgerplatte 4 eines zweistufigen Hubkolbenverdichters mit Entlastungssystem. In dieser Ansicht sind die Kanäle und Kammern der Verdichterstufen gut zu erkennen. Beide Stufen 2, 3 weisen jeweils eine Einlasskammer 14a, b und eine Auslasskammer 15 a, b auf. In den Auslasskammern sind die selbsttätig wirksamen Auslassventile 6a, b angeordnet, die in der Schließstellung die Auslasskanäle 23 in der Ventilträgerplatte verschließen und in eine Offenstellung bewegt werden, wenn ein festlegbarer Druck im Arbeitsraum überschritten wird.
  • Im Bereich der Einlasskammer 14a der Vorstufe 2 sind mehrere Kanalöffnungen durch die Ventilträgerplatte 4 dargestellt. Ein Teil der Öffnungen, der äußere Halbkreis, sind die Einlasskanäle 21a, die dem Einlassventil 5a mit der Einlassventillamelle 18a zugeordnet sind. Bei einem Saughub wird die Luft durch die Einlasskanäle 21a in den Arbeitsraum gesaugt, die Einlassventillamelle 18a in eine Offenstellung bewegt. Bei einem Kompressionshub verschließt die Einlassventillamelle 18a die Einlasskanäle 21a. Innerhalb des Halbkreises der Einlasskanäle 21a sind die Entlastungskanäle 19a angeordnet. Deren Durchgang wird mittels der Lamelle 9a des Entlastungssystems 7a geschaltet.
  • Die Hochdruckstufe ist etwas anders ausgelegt, hier ist der Entlastungskanal 19b des Entlastungssystems 7b in einer separaten Kammer angeordnet, die über den Verbindungskanal 13 mit der Einlasskammer 14a der Vorstufe 2 verbunden ist. Nicht dargestellt ist die separate Kanalverbindung zwischen Auslasskammer 15a der Vorstufe 2 und Einlasskammer 14b der Hochdruckstufe 3.
  • Figur 3 und 4 zeigen die Entlastungssysteme 7a, b der Vorstufe 2 und der Hochdruckstufe 3 im Schnitt. Der generelle schichtweise Aufbau des Zylinderkopfes 12 ist aus dem Stand der Technik bekannt, so dass hier nur die erfindungswesentlichen Kanäle und Kammern weiter betrachtet werden. Das erfindungsgemäße Entlastungssystem 7a für die Vorstufe ist in Figur 3 und das Entlastungssystem 7b für die Hochdruckstufe 3 ist in Figur 4 dargestellt.
  • Bei einem einstufigen Verdichter kann das Entlastungssystem 7a der Vorstufe wie oben beschrieben und in Figur 3 dargestellt verwendet werden. Bei einem Mehrstufigen, also mehr als zwei Stufen, erhalten alle der Vorstufe folgenden Stufen das Entlastungssystem 7b der Hochdruckstufe 2, wobei in einer bevorzugten Ausführung ein Verbindungskanal vorgesehen sein kann, über den alle Stufen mit der Einlasskammer der Vorstufe verbindbar sind. Alternativ kann auch jede Stufe einen separaten Kanal umfassen der mit der Umgebung verbunden ist
  • Das Besondere am Entlastungsventil der Vorstufe 2 ist die Begrenzungslamelle 22, die als massives Bauteil ausgeführt ist und die Lamelle 9a abstützt so dass die Lamelle 9a sich nicht zu weit in den Arbeitsraum verbiegt und es so zu einer zu großen Biegebeanspruchung kommt. Der Zylinder 20a hat eine Aussparung an der Stirnfläche, in die die Begrenzungslamelle 22 eintaucht, wenn der Zylinder sich am oberen Totpunkt befindet, so dass der Schadraum möglichst klein wird.
  • Die Aussparung ist gerade so groß, dass die Begrenzungslamelle 22 und die im geöffneten Zustand darauf liegende Lamelle 9a darin Platz finden.
  • Weiterhin ist der Entlastungskolben 10a zu erkennen der im Zylinderkopf 12 geführt ist. In der dargestellten Position befindet sich dieser in der Ruhestellung, und wird von einer Feder in dieser Stellung gehalten. Über den dargestellten Steuerdruckkanal 16 kann der Entlastungskolben 10a druckbeaufschlagt werden, so dass dieser in die Entlastungsstellung und die Lamelle 9a in die Offenstellung bewegt werden.
  • Die Besonderheit des in Figur 4 dargestellten Entlastungssystem 8b der Hochdruckstufe 3 ist die Auslegung der Lamelle 9b die derart federsteif ausgelegt ist, dass sie nur mit Hilfe des Entlastungskolbens 10b in die Offenstellung bewegt werden kann. Ein Saughub des Kolbens 20b der Hochdruckstufe 2 bewirkt keine selbsttätige Bewegung der Lamelle 9b in die Offenstellung. Beide Entlastungskolben 10a, b werden über den dargestellten Steuerdruckkanal 16 gleichzeitig mit Druckluft beaufschlagt.
  • Der Kolben 20b weist ebenfalls eine Vertiefung auf, in der die Lamelle 9b in der Offenstellung Platz hat.

Claims (11)

  1. Hubkolbenkompressor (1) für ein Druckluftversorgungsystem in einem Kraftfahrzeug, mit einem Zylinderkopf (12) umfassend eine Ventilträgerplatte (4) und eine Einlassventillamelle (18 a, b) über die eine Einlasskammer (14a, b) über mehrere Einlasskanäle (21a, b) in der Ventilträgerplatte (4) mit einem Arbeitsraum verbindbar ist, und mit einem im Zylinderkopf (12) integrierten Entlastungssystem (7a, b) , mittels dem ein Entlastungskanal (19a, b) in der Ventilträgerplatte (4), der den Arbeitsraum mit einem Raum im Zylinderkopf (12) verbindet, schaltbar ist, wobei das Entlastungssystem (7a, b) eine Schaltvorrichtung (8a, b) und eine Lamelle (9a, b) umfasst, und wobei die Lamelle (9a, b) arbeitsraumseitig an der Ventilträgerplatte (4) befestigt ist und zum Öffnen des Entlastungskanals (19a, b) von der Ventilträgerplatte (4) abhebbar ist,
    wobei das Abheben der Lamelle (9a, b) selbsttätig und/oder mittels des Entlastungssystems (7a, 7b) gesteuert erfolgen kann,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Entlastungskanal (19a) eine luftleitende Verbindung zwischen Einlasskammer (14a und Arbeitsraum ist.
  2. Hubkolbenkompressor (1) nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet, dass
    dass die Einlassventillamelle (18a, b) eine Aussparung aufweist, innerhalb der mindestens ein Entlastungskanal (19a, b) und die Lamelle (9a, b) angeordnet sind.
  3. Hubkolbenkompressor (1) nach Anspruch 2
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Lamelle (9a, b) als Zungenventil ausgeführt ist.
  4. Hubkolbenkompressor (1) nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Entlastungssystem (7a, b) zur Stützung der Lamelle (9a, b) ein Mittel zur Hubbegrenzung der Lamelle (9a, b) umfasst.
  5. Hubkolbenkompressor (1) nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Mittel zur Hubbegrenzung der Lamelle (9a) ein in den Arbeitsraum ragende Begrenzungslamelle (22) ist.
  6. Hubkolbenkompressor (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Entlastungssystem (7a, b) einen mittels eines Federelements rückstellbaren Entlastungskolben (10a, b) umfasst, der mittels einem Steuerdruck betätigbar ist.
  7. Hubkolbenkompressor (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Hubkolbenverdichter (1) als zweistufiger Verdichter mit einer Vorstufe (2) und einer Hochdruckstufe (3) ausgeführt ist, wobei im Zylinderkopf (12) für jede Stufe ein Entlastungssystem (7a, b) und ein Verbindungskanal (13), der den Entlastungskanal (19b) der Hochdruckstufe (3) mit der Einlasskammer (14a) der Vorstufe (2) verbindet, vorgesehen sind.
  8. Hubkolbenkompressor (1) nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Entlastungssystem (7b) der Hochdruckstufe (3) eine Lamelle (9b) aufweist, die derart ausgelegt ist, dass die Lamelle (9b) im Betrieb bei einem Saughub in der Schließstellung verbleibt.
  9. Verfahren zum Betreiben eines Hubkolbenkompressors (1) zur Erzeugung von Druckluft für ein Nutzfahrzeug, nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Hubkolbenkompressor (1) einen Zylinderkopf (12), in dem ein Entlastungssystem (7a, b) integriert ist, aufweist, mittels dem ein Entlastungskanal (19a, b) in einer Ventilträgerplatte (4) des Zylinderkopfes (12), der einen Arbeitsraum des Hubkolbenkompressors (1) mit einem Raum im Zylinderkopf (12) verbindet, schaltbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    bei einem Saughub, bei dem ein Unterdruck im Arbeitsraum erzeugt wird, eine Lamelle (9a) des Entlastungssystems (7a), selbsttätig oder, bei Betätigung des Entlastungssystems (7a), zwangsweise in eine Offenstellung bewegt wird, so dass zusätzliche Luft über die Einlasskammer (14a) und den Entlastungskanal (19a) in den Arbeitsraum gesaugt wird oder bei einem Kompressionshub Luft über den Entlastungskanal (19a) aus dem Arbeitsraum heraus in die Einlasskammer (14a) gedrückt werden kann.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Hubkolbenkompressor (1) als zweistufiger Verdichter mit einer Vorstufe (2) und einer Hochdruckstufe (3) ausgeführt ist, wobei im Zylinderkopf (12) für jede Stufe (2, 3) ein Entlastungssystem (7a, b) vorgesehen ist, wobei die Lamelle (9a) der Vorstufe (2) bei einem Saughub selbsttätig in die Offenstellung bewegt wird und die Lamelle (9b) der Hochdruckstufe (3) derart ausgelegt ist, dass diese bei einem Saughub in der Schließstellung verbleibt.
  11. Verfahren nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der zweistufige Verdichter (1) im Zylinderkopf (12) einen Verbindungskanal (13) zur Verbindung der Entlastungssysteme (7a, b) vorgesehen ist, wobei der Entlastungskanal (19b) der Hochdruckstufe (3) über den Verbindungskanal (13) mit der Einlasskammer (14a) der Vorstufe (2) verbunden ist, wobei zur Entlastung des Hubkolbenkompressors (1) die Entlastungskolben (10a, b) beider Entlastungssysteme (7a, b) derart geschaltet werden, dass die Lamellen (9a, b) beider Stufen (2, 3) in eine Offenstellung bewegt werden.
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