WO2019166154A1 - Kolbenverdichter - Google Patents

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WO2019166154A1
WO2019166154A1 PCT/EP2019/051234 EP2019051234W WO2019166154A1 WO 2019166154 A1 WO2019166154 A1 WO 2019166154A1 EP 2019051234 W EP2019051234 W EP 2019051234W WO 2019166154 A1 WO2019166154 A1 WO 2019166154A1
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WO
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piston
pressure chamber
sleeve
shaped wall
compressor
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/051234
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar Uhlmann
Tobias Korte
Frank Zehnder
Dirk SCHNITTGER
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/0005—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
    • 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
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/14—Pistons, piston-rods or piston-rod connections

Definitions

  • the invention relates to a reciprocating compressor for compressing a working fluid having the features of the preamble of claim 1.
  • natural gas G natural gas
  • LNG liquid or gaseous fuel
  • piston compressor can be used for compressing any gaseous and / or liquid media, so that the present ge selected term "piston compressor” also includes piston pumps.
  • a piston compressor for the compression of a cooling gas which comprises a cylinder and a reciprocating piston in the cylinder, is shown by way of example.
  • the cylinder and the piston create a compression chamber firmly.
  • the piston is connected to a drive mechanism, the connection being via pins received in radial holes of the piston.
  • the present invention has for its object to provide a piston compressor ready, which has an improved efficiency. To achieve this, the leakage in the region of an annular gap between the piston and the cylinder or the housing of the reciprocating compressor should be minimized.
  • the reciprocating compressor should in this way also be suitable for compressing a liquid or gaseous fuel, such as natural gas, to high pressure (preferably about 600 bar).
  • proposed piston compressor For compressing a working fluid, in particular a liquid or gaseous fuel, proposed piston compressor comprises a piston in a Zylinderboh tion of a housing reciprocating piston, which limits tion within the Zylinderboh a fillable with the working fluid compression space.
  • the piston forms a compression chamber open towards the pressure chamber, which is bounded radially on the outside by a sleeve-shaped wall portion of the piston, which is elastically deformable in dependence on the pressure in the pressure chamber.
  • the stroke movement of the piston causes a compression of the enclosed working fluid in the compression space.
  • the sleeve-shaped wall section can reach the housing on the housing. In any case, however, due to the elastic deformation of the sleeve-shaped wall portion between the piston and the housing remaining annular gap and thus minimizes the übli ch note occurring through the annular gap leakage.
  • the elastic deformation of the sleeve-shaped wall portion is proportional to the pressure increase in the compression chamber or in the pressure chamber. This means that as the pressure increases, so does the deformation. The reason for this is the constant pressure in the longitudinal direction in the pressure chamber, while a pressure drop occurs in the annular gap between the piston and the housing. The desired effect of the gap minimization is thus given over the entire pressure range.
  • the pressure chamber is formed by an end-side recess of the piston.
  • the recess expands the compression space into the piston, so that the inner circumference side of the sleeve-shaped wall portion bears the same pressure as in the compression space.
  • the frontal recess is preferably circular or circular in plan view. Such a recess is relatively easy to manufacture. Furthermore, preferably before the frontal recess is concentric with the piston longitudinal axis is arranged.
  • the sleeve-shaped wall section which delimits the pressure chamber radially on the outside, preferably has a constant width over the entire circumference.
  • ei ne over the circumference uniform elastic deformation of the sleeve-shaped wall section is ensured.
  • the sle senförmige wall section over the entire circumference has a constant height. This measure also contributes to an over the circumference gleichze lar elastic deformation.
  • the pressure chamber has a varying outer diameter over its height, so that the sleeve-shaped wall section has a varying width over its height.
  • the outer diameter becomes smaller with increasing distance from the compression space.
  • the width of the sleeve-shaped wall portion becomes larger toward its base.
  • the elastic deformation of the sleeve-shaped wall portion in the loading area of the base is therefore generally lower than in an area further away from the base.
  • the widened base of the sleeve-shaped wall portion counteracts stresses (notch stresses), so that the strength of the piston he keeps.
  • the piston is made in several parts, wherein the plurality of parts are joined to form the pressure chamber.
  • the multi-part design facilitates the formation of the pressure chamber or of the pressure chamber limiting sleeve-shaped wall portion.
  • a first part may be designed in the shape of a piston and have a central recess on the front side, in which a second part is inserted, in particular pressed or screwed in to form the pressure chamber.
  • a section is preferably formed which has a press interference or has an external thread with respect to the recess of the first part.
  • the second part is designed as a stepped piston, so that with insertion of the second part in the first part to the compression space open annular Druckkam mer is formed.
  • a first part can also be sleeve-shaped and placed under formation of the pressure chamber on a second part, preferably pressed or screwed up. Depending on the material of the first part of this can also be shrunk onto the second part. Ideally, a material with a comparatively high bending flexibility is chosen to provide - locally limited - a high quality material that can withstand a high number of load cycles.
  • the sleeve-shaped first part has the advantage that the width or wall thickness accordingly the desired elastic deformation can be easily adjusted. In the pressing area, the wall thickness can be chosen larger to a sufficient to ensure high pressure.
  • the second part is preferably designed as a stepped piston, so that a compression chamber for Kom open towards the annular pressure chamber is formed by placing the first part on the second part.
  • the piston is located on the compression space, a body opposite to the projecting around the annular gap for at least partially receiving the sleeve-shaped wall portion of the piston protrudes into the compression space.
  • the body dips into the end-side pressure chamber of the piston, so that the pressure chamber also serves as a compression space.
  • the compression pressure acts directly on the sleeve-shaped wall section, so that it deforms elastically.
  • the protruding into the compression space body can be formed by the housing itself or inserted into the housing, vorzugswei se pressed or screwed.
  • an inlet channel and / or an outlet channel open into the compression space.
  • the compression chamber can be filled with the working fluid.
  • the working fluid can be removed from the compression space via the outlet channel after compression.
  • the inlet channel is preferably formed as an axially extending channel, while the outlet channel is preferably designed as a radially extending channel.
  • the working fluid to be compressed is preferably natural gas which serves to operate an internal combustion engine and is subjected to high pressure by means of the piston compressor before it is injected into a combustion chamber of the internal combustion engine. Due to the reduced leakage over the remaining between the piston and the housing annular gap high pressures in the compression chamber can be achieved.
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal section through a piston compressor according to the invention according to a first preferred embodiment, 2 shows the piston of FIG. 1, a) without pressurization and b) with Druckbeauf suppression,
  • FIG. 3 is a schematic longitudinal section through a piston compressor according to the invention according to a second preferred embodiment
  • FIG. 4 a an enlarged detail of FIG. 3 and b) the detail of FIG. 4 a) with a modified pressure chamber
  • Fig. 5 is an enlarged detail of Fig. 3, a) without pressurization and b) with pressurization
  • FIG. 6 is a schematic longitudinal section through a piston compressor according to the invention according to a third preferred embodiment
  • FIG. 7 is a schematic longitudinal section through a piston compressor according to the invention according to a fourth preferred embodiment.
  • Fig. 8 is a schematic longitudinal section through a piston compressor according to the invention according to a fifth preferred embodiment.
  • the illustrated in the figure 1 piston compressor 1 comprises a Ge housing 3 with a cylinder bore 2, in which a piston 4 is reciprocally taken up.
  • the piston 4 bounded within the cylinder bore 2 a compression onsraum 5, which is filled via a formed in an inlet channel 10 inlet valve 13 with a working fluid. After the working fluid has been compressed in the compression chamber 5 by a stroke of the piston 4, it can be pushed out via an outlet channel 14 formed in an outlet passage 14.
  • the piston 4 of the piston compressor 1 shown in FIG. 1 forms a compression chamber 5 which is open toward the compression chamber 5 and is delimited radially on the outside by a sleeve-shaped wall section 7 of the piston 4.
  • This wall section 7 is elastically deformable as a function of the pressure in the pressure chamber 6. Increases the pressure at a working stroke of the piston 4 in the compression chamber 5 and thus in the pressure chamber 6, this leads to an elastic deformation of the sleeve-shaped wall portion 7, in such a way that the Wandab section bulges radially outward (see FIG 2b compared to Figure 2a without pressure).
  • the sleeve-shaped wall section 7 can come to bear against the housing 3.
  • the elastic deformation of the sleeve-shaped wall portion 7 is carried out proportional to pressure, that is, with increasing pressure and the deformation increases.
  • the we kunglus of the sleeve-shaped wall portion 7 is thus given over the entire pressure range.
  • the piston 4 has a frontal central recess for Ausbil tion of the pressure chamber 6.
  • the pressure chamber 6 can also be formed by an end-side recess in the piston 4 who the, which is annular in plan view.
  • the difference between the outer diameter DAK of the piston 4 and the outer diameter DAD of the pressure chamber 6 gives the width B or the wall thickness of the sleeve-shaped wall portion 7 (see Figure 4a).
  • the depth of the pressure chamber 6 in the longitudinal direction of the piston 4 results in the Hö height H of the sleeve-shaped wall portion 7 (see Figure 4a).
  • the width B and the height He H preferably remain the same in the circumferential direction of the sleeve-shaped wall portion 7, so that it deforms elastically as evenly as possible over the circumference.
  • the width B or the wall thickness of the sleeve-shaped wall section 7 can vary in the longitudinal direction of the piston 4.
  • the width b increases in the direction of the base of the sleeve-shaped wall portion 7, so that the outer diameter DAD of the pressure chamber 6 in the direction of the base of the wall portion 7 decreases.
  • the pressure chamber 6 is thus conically shaped, wherein the cone angle is defined by an angle a.
  • the broadened base of the hülsenför shaped wall portion 7 reduces stresses, in particular notch stresses, so that the required strength of the piston 4 is ensured.
  • the figure 5a is a piston 4 with a sleeve-shaped wall portion 7 to entneh men, which is formed by an annular pressure chamber 6, which is not conical ver.
  • an annular pressure chamber 6 which is not conical ver.
  • the pressure chamber 6 undergoes an expansion.
  • FIG. 6 shows a further preferred embodiment of a piston compressor 1 according to the invention.
  • the piston 4 is composed of parts 4.1 and 4.2.
  • the part 4.1 is a sleeve and the part 4.2 is a stepped piston, wherein the sleeve is placed on the stepped piston such that between the parts 41, 4.2, the pressure chamber 6 is formed.
  • the part 4.1 and the sleeve also forms the sle senförmigen wall portion 7, wherein the height H G of the sleeve is greater than the height H of the elastically deformable sleeve-shaped wall portion 7.
  • the connection can also be realized by a screw connection or a welded connection.
  • FIG. 7 likewise shows a further preferred embodiment of a piston compressor 1 according to the invention.
  • the piston 4 is made of several parts.
  • the part 4.1 forms the actual piston 4, the front side has a cent ral recess for receiving the part 4.2.
  • the part 4.2 is designed as a stepped piston and oriented such that between the two parts 4.1, 4.2 is formed to the compression chamber 5 open pressure chamber 6.
  • the height HG of the Part 4.2 is greater than the height H of the sleeve-shaped wall portion 7 of the Kol bens 4 or 4.1 selected so that a section for connecting the part 4.2 remains with the part 4.1, for example, by pressing the part 4.2 in the recess from the part 4.1.
  • FIG. 1 Another preferred embodiment is shown in FIG.
  • the piston 4 is executed here analogous to the piston 4 of the embodiment shown in the figure 1.
  • a body 8 is inserted into the cylinder bore 2 of the housing 3, which body faces the piston 4 while forming an annular gap 9 on the compression space 5. If the piston 4 executes a power stroke, the body 8 dips into the end-side central recess of the piston 4. At the same time, the sleeve-shaped wall section 7 of the piston 4 penetrates deeper into the annular gap 9. The body 8 thus leads to a reduction of the dead space volume, which proves to be an advantage, in particular with respect to the embodiment of FIG.
  • the inlet channel 10 is formed out in the body 8.
  • the outlet channel 11 opens in the region of the annular gap 9 in the compression chamber fifth

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter (1) zum Verdichten eines Arbeitsfluids, insbesondere eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs, umfassend einen in einer Zylinderbohrung (2) eines Gehäuses (3) hin- und herbeweglichen Kolben (4), der ein- oder mehrteilig ausgeführt ist und innerhalb der Zylinderbohrung (2) einen mit dem Arbeitsfluid befüllbaren Kompressionsraum (5) begrenzt. Erfindungsgemäß bildet der Kolben (4) eine zum Kompressionsraum (5) hin offene Druckkammer (6) aus, die radial außen von einem hülsenförmigen Wandabschnitt (7) des Kolbens (4) begrenzt wird, der in Abhängigkeit vom Druck in der Druckkammer (6) elastisch verformbar ist.

Description

Beschreibung
Titel:
Kolbenverdichter
Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter zum Verdichten eines Arbeitsfluids mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Bei dem Arbeitsfluid kann es sich insbesondere um einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas G, Natural Gas“ = NG), handeln. Dient das Erdgas dem Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wird es an Bord des Kraftfahrzeugs in der Regel in flüssiger Form G.Liquefied Natural Gas“ = LNG) in einem Tank mitgeführt. Bevor das Erdgas in einen Brennraum der Brennkraftmaschine einge blasen wird, wird es verdichtet. Hierin ist eine bevorzugte Anwendung des vorliegend vorgeschlagenen Kolbenverdichters zu sehen.
Darüber hinaus kann der vorgeschlagene Kolbenverdichter zum Verdichten beliebiger gasförmiger und/oder flüssiger Medien eingesetzt werden, so dass der vorliegend ge wählte Begriff„Kolbenverdichter“ auch Kolbenpumpen umfasst.
Stand der Technik
Aus der WO 2003/010446 Al geht beispielhaft ein Kolbenverdichter zur Kompression eines Kühlgases hervor, der einen Zylinder und einen im Zylinder hin- und herbewegli chen Kolben umfasst. Der Zylinder und der Kolben legen dabei eine Kompressions kammer fest. Der Kolben ist mit einem Antriebsmechanismus verbunden, wobei die Verbindung über Stifte erfolgt, die in Radiallöchern des Kolbens aufgenommen sind.
Da die Radiallöcher über einen zwischen dem Kolben und dem Zylinder verbleibenden Radialspalt mit der Kompressionskammer hydraulisch verbunden sind, gilt es die Radi allöcher abzudichten. Die Abdichtung erfolgt über in den Radiallöchern aufgenommene Dichtelemente. Auf diese Weise wird einer Leckage des Kühlgases über die Radiallö cher entgegengewirkt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenverdichter bereit zustellen, der einen verbesserten Wirkungsgrad besitzt. Um dies zu erreichen, soll die Leckage im Bereich eines Ringspalts zwischen dem Kolben und dem Zylinder bzw. dem Gehäuse des Kolbenverdichters minimiert werden. Der Kolbenverdichter soll auf diese Weise auch zum Verdichten eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs, wie beispielsweise Erdgas, auf Hochdruck (vorzugsweise etwa 600 bar) geeignet sein.
Zur Lösung der Aufgabe wird der Kolbenverdichter mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Der zum Verdichten eines Arbeitsfluids, insbesondere eines flüssigen oder gasförmi gen Brennstoffs, vorgeschlagene Kolbenverdichter umfasst einen in einer Zylinderboh rung eines Gehäuses hin- und herbeweglichen Kolben, der innerhalb der Zylinderboh rung einen mit dem Arbeitsfluid befüllbaren Kompressionsraum begrenzt. Erfindungs gemäß bildet der Kolben eine zum Kompressionsraum hin offene Druckkammer aus, die radial außen von einem hülsenförmigen Wandabschnitt des Kolbens begrenzt wird, der in Abhängigkeit vom Druck in der Druckkammer elastisch verformbar ist.
Durch die Hubbewegung des Kolbens kommt es im Kompressionsraum zu einer Kom pression des eingeschlossenen Arbeitsfluids. Das heißt, dass der Druck im Kompres sionsraum ansteigt. Zugleich steigt der Druck in der zum Kompressionsraum hin offe nen Druckkammer an. Aufgrund der elastischen Verformbarkeit des die Druckkammer begrenzenden hülsenförmigen Wandabschnitts verformt sich dieser, wobei die Verfor mung zu einer Vergrößerung des Außendurchmessers des Kolbens führt. In Abhängig keit vom Druck im Kompressionsraum bzw. in der Druckkammer kann dabei der hül senförmige Wandabschnitt zur Anlage am Gehäuse gelangen. In jedem Fall jedoch werden aufgrund der elastischen Verformung des hülsenförmigen Wandabschnitts ein zwischen dem Kolben und dem Gehäuse verbleibender Ringspalt und damit die übli cherweise über den Ringspalt auftretende Leckage minimiert.
Die elastische Verformung des hülsenförmigen Wandabschnitts erfolgt proportional zum Druckanstieg im Kompressionsraum bzw. in der Druckkammer. Das heißt, dass mit fortschreitendem Druckanstieg auch die Verformung zunimmt. Ursache hierfür ist der in Längsrichtung konstante Druck in der Druckkammer, während sich im Ringspalt zwischen dem Kolben und dem Gehäuse ein Druckabfall einstellt. Der gewünschte Ef fekt der Spaltminimierung ist somit über den gesamten Druckbereich hinweg gegeben.
Mittels der druckabhängigen Spaltminimierung können die Verluste aufgrund Leckage deutlich verringert werden, so dass der Wirkungsgrad des Kolbenverdichters verbes sert wird. Ferner können mittels der druckabhängigen Spaltminimierung fertigungsbe dingte Durchmessertoleranzen kompensiert werden, so dass die Fertigung des Kol benverdichters vereinfacht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Druckkammer durch eine stirnseitige Ausnehmung des Kolbens gebildet. Die Ausnehmung erweitert den Kompressionsraum in den Kolben hinein, so dass innenumfangseitig am hülsen förmigen Wandabschnitt der gleiche Druck wie im Kompressionsraum anliegt. Die stirnseitige Ausnehmung ist vorzugsweise in der Draufsicht kreisförmig oder kreisring förmig. Eine solche Ausnehmung ist vergleichsweise einfach zu fertigen. Weiterhin vor zugsweise ist die stirnseitige Ausnehmung konzentrisch zur Kolbenlängsachse ange ordnet.
Der hülsenförmige Wandabschnitt, der die Druckkammer radial außen begrenzt, weist bevorzugt über den gesamten Umfang eine gleichbleibende Breite auf. Dadurch ist ei ne über den Umfang gleichmäßige elastische Verformung des hülsenförmigen Wand abschnitts sichergestellt. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der hül senförmige Wandabschnitt über den gesamten Umfang eine gleichbleibende Höhe aufweist. Auch diese Maßnahme trägt zu einer über den Umfang möglichst gleichmä ßigen elastischen Verformung bei. ln Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Druckkammer über ihre Höhe einen variierenden Außendurchmesser aufweist, so dass der hülsenförmige Wandabschnitt über seine Höhe eine variierende Breite aufweist. Vorzugsweise wird der Außendurchmesser mit zunehmender Entfernung vom Kompressionsraum kleiner. Das heißt, dass die Breite des hülsenförmigen Wandabschnitts zu seiner Basis hin größer wird. Die elastische Verformung des hülsenförmigen Wandabschnitts im Be reich der Basis ist demnach in der Regel geringer als in einem von der Basis weiter entfernt liegenden Bereich. Die verbreiterte Basis des hülsenförmigen Wandabschnitts wirkt Spannungen (Kerbspannungen) entgegen, so dass die Festigkeit des Kolbens er halten bleibt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kolben mehrteilig ausge führt, wobei die mehreren Teile unter Ausbildung der Druckkammer gefügt sind. Die mehrteilige Ausführung erleichtert die Ausbildung der Druckkammer bzw. des die Druckkammer begrenzenden hülsenförmigen Wandabschnitts.
Beispielsweise kann ein erstes Teil kolbenförmig ausgeführt sein und stirnseitig eine zentrale Ausnehmung aufweisen, in die unter Ausbildung der Druckkammer ein zweites Teil eingesetzt, insbesondere eingepresst oder eingeschraubt, ist. An dem zweiten Teil ist daher bevorzugt ein Abschnitt ausgebildet, der gegenüber der Ausnehmung des ersten Teils ein Pressübermaß besitzt oder ein Außengewinde aufweist. Vorzugsweise ist das zweite Teil als Stufenkolben ausgeführt, so dass mit Einsetzen des zweiten Teils in das erste Teil eine zum Kompressionsraum hin offene ringförmige Druckkam mer ausgebildet wird.
Alternativ kann ein erstes Teil auch hülsenförmig ausgeführt und unter Ausbildung der Druckkammer auf ein zweites Teil aufgesetzt, vorzugsweise aufgepresst oder aufge schraubt sein. In Abhängigkeit vom Material des ersten Teils kann dieses auch auf das zweite Teil aufgeschrumpft werden. Idealerweise wird ein Material mit einer ver gleichsweisen hohen Biegewechselfähigkeit gewählt, um - lokal begrenzt - einen hochwertigen Werkstoff bereitzustellen, der eine hohe Anzahl von Lastspielen erträgt. Das hülsenförmige erste Teil besitzt den Vorteil, dass die Breite bzw. Wanddicke ent sprechend der gewünschten elastischen Verformung einfach angepasst werden kann. Im Pressbereich kann die Wanddicke größer gewählt werden, um eine ausreichend hohe Pressung zu gewährleisten. Das zweite Teil ist vorzugsweise als Stufenkolben ausgeführt, so dass mit Aufsetzen des ersten Teils auf das zweite Teil eine zum Kom pressionsraum hin offene ringförmige Druckkammer ausgebildet wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt dem Kolben am Kompressionsraum ein Körper gegenüber, der unter Ausbildung eines umlaufen den Ringspalts zur zumindest abschnittsweisen Aufnahme des hülsenförmigen Wand abschnitts des Kolbens in den Kompressionsraum hineinragt. Bei einem Arbeitshub des Kolbens taucht der Körper in die stirnseitige Druckkammer des Kolbens ein, so dass die Druckkammer zugleich als Kompressionsraum dient. Auf den hülsenförmigen Wandabschnitt wirkt demnach unmittelbar der Kompressionsdruck, so dass sich dieser elastisch verformt. Der in den Kompressionsraum hineinragende Körper kann durch das Gehäuse selbst ausgebildet werden oder in das Gehäuse eingesetzt, vorzugswei se eingepresst oder eingeschraubt sein.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass in den Kompressionsraum ein Einlasskanal und/oder ein Auslasskanal münden. Über den Einlasskanal kann der Kompressions raum mit dem Arbeitsfluid befüllt werden. Über den Auslasskanal kann das Arbeitsfluid nach dem Verdichten aus dem Kompressionsraum entnommen werden. Der Einlass kanal ist vorzugsweise als axial verlaufender Kanal ausgebildet, während der Auslass kanal vorzugsweise als radial verlaufender Kanal ausgeführt ist.
Bei dem zu verdichtenden Arbeitsfluid handelt es sich vorzugsweise um Erdgas, das dem Betrieb eines Verbrennungsmotors dient und mittels des Kolbenverdichters mit Hochdruck beaufschlagt wird bevor es in einen Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Aufgrund der verringerten Leckage über den zwischen dem Kolben und dem Gehäuse verbleibenden Ringspalt können hohe Drücke im Kompressions raum erreicht werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben verdichter gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, Fig. 2 den Kolben der Fig. 1, a) ohne Druckbeaufschlagung und b) mit Druckbeauf schlagung,
Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben verdichter gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
Fig.4 a) einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 3 und b) den Ausschnitt der Fig. 4a) mit modifizierter Druckkammer,
Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 3, a) ohne Druckbeaufschlagung und b) mit Druckbeaufschlagung
Fig. 6 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben verdichter gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform,
Fig. 7 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben verdichter gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform und
Fig. 8 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben verdichter gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der in der Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Kolbenverdichter 1 umfasst ein Ge häuse 3 mit einer Zylinderbohrung 2, in der ein Kolben 4 hin und her beweglich aufge nommen ist. Der Kolben 4 begrenzt innerhalb der Zylinderbohrung 2 einen Kompressi onsraum 5, der über ein in einem Einlasskanal 10 ausgebildetes Einlassventil 13 mit einem Arbeitsfluid befüllbar ist. Nachdem das Arbeitsfluid im Kompressionsraum 5 durch einen Hub des Kolbens 4 verdichtet worden ist, kann es über ein in einem Aus lasskanal 11 ausgebildetes Auslassventil 14 ausgeschoben werden.
Um während eines Arbeitshubs des Kolbens 4 die Leckage aus dem Kompressions raum 5 über einen zwischen dem Kolben 4 und den Gehäuse 3 verbleibenden Füh- rungsspalt 12 zu verringern, bildet der Kolben 4 des in der Figur 1 dargestellten Kol benverdichters 1 eine zum Kompressionsraum 5 hin offene Druckkammer 6 aus, die radial außen von einem hülsenförmigen Wandabschnitt 7 des Kolbens 4 begrenzt wird. Dieser Wandabschnitt 7 ist in Abhängigkeit vom Druck in der Druckkammer 6 elastisch verformbar. Steigt der Druck bei einem Arbeitshub des Kolbens 4 im Kompressions raum 5 und damit in der Druckkammer 6 an, führt dies zu einer elastischen Verformung des hülsenförmigen Wandabschnitts 7, und zwar in der Weise, dass sich der Wandab schnitt nach radial außen wölbt (siehe Figur 2b im Vergleich zu Figur 2a ohne Druck beaufschlagung). In Abhängigkeit von den jeweiligen Druckverhältnissen kann dabei der hülsenförmige Wandabschnitt 7 zur Anlage am Gehäuse 3 gelangen.
Die elastische Verformung des hülsenförmigen Wandabschnitts 7 führt zu einer Mini mierung des Führungsspalts 12 zwischen dem Kolben 4 und dem Gehäuse 3. Durch die druckunterstützte lokale Kolbenverformung wird somit die Leckage aus dem Kom pressionsraum 5 reduziert. Ferner können auf diese Weise fertigungsbedingte Durch messertoleranzen ausgeglichen werden.
Die elastische Verformung des hülsenförmigen Wandabschnitts 7 erfolgt druckpropor tional, das heißt, dass mit zunehmendem Druck auch die Verformung steigt. Die Wir kungsweise des hülsenförmigen Wandabschnitts 7 ist somit über den gesamten Druckbereich hinweg gegeben.
Da im Führungsspalt 12 ein (näherungsweise) linearer Druckabfall vorliegt, ist der Druck in der Druckkammer 6 immer etwas größer als der Druck im Führungsspalt 12.
Bei der in der Figur 1 dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kol benverdichters 1 weist der Kolben 4 eine stirnseitige zentrale Ausnehmung zur Ausbil dung der Druckkammer 6 auf. Wie beispielhaft in der Figur 3 dargestellt, kann die Druckkammer 6 auch durch eine stirnseitige Ausnehmung im Kolben 4 gebildet wer den, die in der Draufsicht kreisringförmig ist. Die Differenz zwischen dem Außen durchmesser DAK des Kolbens 4 und dem Außendurchmesser DAD der Druckkammer 6 ergibt die Breite B bzw. die Wanddicke des hülsenförmigen Wandabschnitts 7 (siehe Figur 4a). Die Tiefe der Druckkammer 6 in Längsrichtung des Kolbens 4 ergibt die Hö he H des hülsenförmigen Wandabschnitts 7 (siehe Figur 4a). Die Breite B und die Hö- he H bleiben vorzugsweise in Umfangsrichtung des hülsenförmigen Wandabschnitts 7 gleich, so dass sich dieser über den Umfang möglichst gleichmäßig elastisch verformt. Wie beispielhaft in der Figur 4b dargestellt, kann die Breite B bzw. die Wandstärke des hülsenförmigen Wandabschnitts 7 in Längsrichtung des Kolbens 4 variieren. Vorzugs weise nimmt die Breite b in Richtung der Basis des hülsenförmigen Wandabschnitts 7 zu, so dass der Außendurchmesser DAD der Druckkammer 6 in Richtung der Basis des Wandabschnitts 7 abnimmt. Die Druckkammer 6 ist somit konisch geformt, wobei der Konuswinkel durch einen Winkel a definiert wird. Die verbreiterte Basis des hülsenför migen Wandabschnitts 7 verringert Spannungen, insbesondere Kerbspannungen, so dass die erforderliche Festigkeit des Kolbens 4 gewährleistet ist.
Der Figur 5a ist ein Kolben 4 mit einem hülsenförmigen Wandabschnitt 7 zu entneh men, der durch eine ringförmige Druckkammer 6 gebildet wird, die nicht konisch ver läuft. Bei einem Druckanstieg in der Druckkammer 6 (siehe Figur 5b) verformt sich der hülsenförmige Wandabschnitt 7 elastisch, wobei sich der hülsenförmige Wandab schnitt 7 an das Gehäuse 3 anlegt. Die Druckkammer 6 erfährt dabei eine Aufweitung.
Die Figur 6 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbenverdichters 1. Hier ist der Kolben 4 aus den Teilen 4.1 und 4.2 zusammenge setzt. Das Teil 4.1 ist eine Hülse und das Teil 4.2 ein Stufenkolben, wobei die Hülse derart auf den Stufenkolben aufgesetzt ist, dass zwischen den Teilen 41., 4.2 die Druckkammer 6 ausgebildet wird. Das Teil 4.1 bzw. die Hülse bildet zugleich den hül senförmigen Wandabschnitt 7 aus, wobei die Höhe HG der Hülse größer als die Höhe H des elastisch verformbaren hülsenförmigen Wandabschnitts 7 ist. Somit ergibt sich ein Abschnitt, über den das Teil 4.1 mit dem Teil 4.2 verbindbar ist, wobei die Verbindung vorliegend eine Pressverbindung ist. Alternativ kann die Verbindung auch durch eine Schraubverbindung oder eine Schweißverbindung realisiert werden.
Der Figur 7 ist ebenfalls eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungs gemäßen Kolbenverdichters 1 zu entnehmen. Auch hier ist der Kolben 4 mehrteilig ausgeführt. Das Teil 4.1 bildet den eigentlichen Kolben 4 aus, der stirnseitig eine zent rale Ausnehmung zur Aufnahme des Teils 4.2 besitzt. Das Teil 4.2 ist als Stufenkolben ausgeführt und derart orientiert, dass zwischen den beiden Teilen 4.1, 4.2 eine zum Kompressionsraum 5 hin offene Druckkammer 6 ausgebildet wird. Die Höhe HG des Teils 4.2 ist größer als die Höhe H des hülsenförmigen Wandabschnitts 7 des Kol bens 4 bzw. des Teils 4.1 gewählt, so dass ein Abschnitt zur Verbindung des Teils 4.2 mit dem Teil 4.1 verbleibt, beispielsweise durch Einpressen des Teils 4.2 in die Aus nehmung des Teils 4.1.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist in der Figur 8 dargestellt. Der Kolben 4 ist hier analog dem Kolben 4 der in der Figur 1 dargestellten Ausführungsform ausgeführt. In die Zylinderbohrung 2 des Gehäuses 3 ist darüber hinaus ein Körper 8 eingesetzt, der dem Kolben 4 unter Ausbildung eines Ringspalts 9 am Kompressionsraum 5 ge- genüberliegt. Führt der Kolben 4 einen Arbeitshub aus, taucht der Körper 8 in die stirn seitige zentrale Ausnehmung des Kolbens 4 ein. Der hülsenförmige Wandabschnitt 7 des Kolbens 4 dringt zugleich tiefer in den Ringspalt 9 ein. Der Körper 8 führt somit zu einer Reduzierung des Totraumvolumens, was sich - insbesondere gegenüber der Ausführungsform der Fig. 1 - als Vorteil erweist. Um die Befüllung des Kompressions- raum 5 mit dem Arbeitsfluid sicherzustellen, ist der Einlasskanal 10 im Körper 8 ausge bildet. Der Auslasskanal 11 mündet im Bereich des Ringspalts 9 in den Kompressions raum 5.

Claims

Ansprüche
1. Kolbenverdichter (1) zum Verdichten eines Arbeitsfluids, insbesondere eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs, umfassend einen in einer Zylinderbohrung (2) eines Gehäuses (3) hin- und herbeweglichen Kolben (4), der ein- oder mehrteilig aus geführt ist und innerhalb der Zylinderbohrung (2) einen mit dem Arbeitsfluid befüllbaren Kompressionsraum (5) begrenzt,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) eine zum Kompressionsraum (5) hin offene Druckkammer (6) ausbildet, die radial außen von einem hülsenförmigen Wand abschnitt (7) des Kolbens (4) begrenzt wird, der in Abhängigkeit vom Druck in der Druckkammer (6) elastisch verformbar ist.
2. Kolbenverdichter (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (6) durch eine stirnseitige Ausneh mung des Kolbens (4) gebildet wird, die vorzugsweise in der Draufsicht kreisförmig o- der kreisringförmig ist.
3. Kolbenverdichter (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenförmige Wandabschnitt (7) in Umfangsrich tung eine gleichbleibende Breite (B) und/oder in Längsrichtung eine gleich bleibende Höhe (H) aufweist.
4. Kolbenverdichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (6) über ihre Höhe einen variieren den Außendurchmesser (DA) aufweist, so dass der hülsenförmige Wandabschnitt (7) über seine Höhe (H) eine variierende Breite (B) aufweist.
5. Kolbenverdichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) mehrteilig ausgeführt ist und die meh reren Teile (4.1, 4.2) unter Ausbildung der Druckkammer (6) gefügt sind.
6. Kolbenverdichter (1) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Teil (4.1) kolbenförmig ausgeführt ist und stirnseitig eine zentrale Ausnehmung aufweist, in die unter Ausbildung der Druckkam- mer (6) ein zweites Teil (4.2) eingesetzt ist, wobei vorzugsweise das zweite Teil (4.2) als Stufenkolben ausgeführt ist.
7. Kolbenverdichter (1) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Teil (4.1) hülsenförmig ausgeführt ist und unter Ausbildung der Druckkammer (6) auf ein zweites Teil (4.2) aufgesetzt ist, wobei vorzugsweise das zweite Teil (4.2) als Stufenkolben ausgeführt ist.
8. Kolbenverdichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass dem Kolben (4) am Kompressionsraum (5) ein Kör- per (8) gegenüberliegt, der unter Ausbildung eines umlaufenden Ringspalts (9) zur zu mindest abschnittsweisen Aufnahme des hülsenförmigen Wandabschnitts (7) des Kol bens (4) in den Kompressionsraum (5) hineinragt.
9. Kolbenverdichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in den Kompressionsraum (5) ein vorzugsweise axial verlaufender Einlasskanal (10) und/oder ein vorzugsweise radial verlaufender Auslass kanal (11) mündet bzw. münden.
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