Piston compressor with cooling air flow has induction-side valve opening when piston moves, creating negative pressure in crankcase

Die Erfindung betrifft einen Kolbenkompressor mit einer Antriebseinheit zur Erzeu-gung einer Drehbewegung, welcher eine Verdichtereinheit zur Erzeugung von Druckluft nachgeschaltet ist, die ein Kurbelgehäuse umfasst, in dem eine Kurbelwelle drehbar gelagert ist, an der mindestens ein Pleuel angebracht ist, das mit einem zu-geordneten Kolben in Verbindung steht, um die antriebsseitige Drehbewegung in eine lineare Bewegung des Kolbens umzuwandeln, der zum Komprimieren von Luft innerhalb eines zugeordneten Zylinders untergebracht ist.
Ein derartiger Kolbenkompressor kommt beispielsweise innerhalb eines Druckluft-Beschaffungssystems eines Nutzfahrzeugs oder eines Schienenfahrzeuges zum Einsatz. Im Falle des Einsatzes im Nutzfahrzeug wird im zunehmenden Maße die durch den Kolbenkompressor erzeugte Druckluft neben dem Betrieb der Bremsanla-ge auch zum Betrieb einer Luftfederungsanlage genutzt. Die Luftfederungsanlage umfasst einzelne Luftfedern, welche über eine Druckluftbeaufschlagung hinsichtlich ihrer Federcharakteristik einstellbar sind, um eine verstellbare Fahrzeugfederung zu realisieren. Wegen des damit einhergehenden hohen Druckluftbedarfs kommen hier meist mehrstufige Kolbenkompressoren zum Einsatz. Durch einen mehrstufigen Kol-benkompressor sind innerhalb kurzer Zeitintervalle hohe Drücke erzeugbar, um hohe Verstellgeschwindigkeiten der Luftfedern herbeiführen zu können. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch auf einstufige Kolbenkompressoren anwendbar.
Ein gattungsgemäßer Kolbenkompressor ist aus dem "Lexikon Maschinenbau" (VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1995, Seite 620, Bild 1) bekannt. Der hier einstufige Kol-benkompressor für ein Druckluftbeschaffungssystem eines Nutzfahrzeuges wird über eine drehbar im Kurbelgehäuse angeordnete Kurbelwelle angetrieben. Auf der Kur-belwelle ist ein Pleuel drehend gelagert, welches eine Verbindung mit einem Kolben herstellt, der hin- und herbewegbar innerhalb eines zugeordneten Zylinders unterge-bracht ist und über einen Eingang gefilterte Luft aus der Atmosphäre ansaugt, um diese innerhalb des Zylinders durch Einwirkung des Kolbens zu verdichten und schließlich über einen Ausgang dem Druckluftsystem des Nutzfahrzeuges zur Verfü-gung stellt. Zur Steuerung des Eingangs sowie des Ausgangs sind stirnseitig am Zylinder

entsprechende Rückschlagventilanordnungen vorgesehen, die selbsttätig wir-ken. Dieser einstufige Kolbenkompressor ist jedoch nur zur Erzeugung relativ kleiner Drücke geeignet.
Aus der EP 1 028 254 A2 ist ein weiterer gattungsgemäßer Kolbenkompressor be-kannt, der aufgrund eines zweistufigen Verdichterprinzips demgegenüber in der Lage ist, höhere Drücke mit einem größeren Fördervolumen zu erzeugen. Zu diesem Zwe-cke umfasst die Verdichtereinheit hier eine Niederdruckstufe sowie eine Hochdruck-stufe. Die Niederdruckstufe weist einen relativ großflächigen Kolben auf, der durch einen am korrespondierenden Zylinder angeordneten Eingang hindurch gefilterte Luft von der Atmosphäre ansaugt und über einen Ausgang nach dem Verdichten in die nachgeschaltete Hochdruckstufe überführt. Da der Kolben der Hochdruckstufe mit einem geringeren Durchmesser ausgebildet ist als der Kolben der Niederdruckstufe, kann die vorverdichtete Druckluft mit gleicher Antriebskraft zu einem höheren Druck-wert nachkomprimiert werden. Die so erzeugte hochkomprimierte Druckluft steht ü-ber einen Ausgang des Zylinders der Hochdruckstufe zur weiteren Verfügung. Um das Überströmen der vorkomprimierten Druckluft von der Niederdruckstufe auf die Hochdruckstufe zu ermöglichen, arbeiten die beiden Kolben hier im Gegentaktprin-zip. Die jeweils an der Stirnseite der beiden Zylinder platzierten Rückschlagventile steuern den Druckluftfluss.
Bei den Kolbenkompressoren der vorstehend vorgestellten Art findet aufgrund der Kompressionsarbeit eine hohe Wärmeentwicklung, insbesondere im Bereich des Zy-linders, statt. Eine Kühlung erfolgt gewöhnlich im einfachsten Falle durch die Umge-bungsluft, welche jedoch bei stehendem Fahrzeug nur eine sehr begrenzte Wärme-abführung gewährleisten kann. Im Stand der Technik allgemein bekannte Flüssig-keitskühlungen für einen Kolbenverdichter sind demgegenüber jedoch sehr aufwen-dig in der Realisierung und Wartung. Bei den hier angestrebten höheren Drücken, also insbesondere bei mehrstufigen Kolbenkompressoren, tritt dieses Problem in verstärkter Form auf. Die dabei entstehenden hohen Verdichtungsendtemperaturen der Druckluft führen auch zu einer ungünstig hohen Wasseraufnahmefähigkeit, die,

die nachfolgende Trocknung deutlich erschwert. Eine hohe Wärmeentwicklung be-dingt weiterhin auch den Einsatz von entsprechend hitzebeständigen Werkstoffen. Im Zuge eines zunehmenden Leichtbautrends sollen jedoch die bestehenden hitzebe-ständigen, metallischen Werkstoffe durch leichtere Kunststoffe ersetzt werden, wel-che aufgrund der geringeren spezifischen Wärmeleitfähigkeit andererseits jedoch nicht zur Kühlung im Sinne einer Wärmeableitung beitragen können.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gattungsgemäßen Kol-benkompressor dahingehend weiter zu verbessern, dass eine Drucklufterzeugung mit niedriger Verdichtungesendtemperatur möglich ist.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Kolbenkompressor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin-dung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass zur Verbesserung der Kühlung des Kolbenkompressors ein einlassseitiges Ventil vorgesehen ist, welches bei einem durch die Bewegung des Kolbens erzeugten Unterdruck im Kurbelgehäuse in seine Offenstellung gelangt, um Kühlluft anzusaugen, wobei mindestens ein zweites, beabstandet hiervon angeordnetes auslassseitiges Ventil vorgesehen ist, welches bei einem durch die Bewegung des Kolbens erzeugten Überdruck im Kurbelgehäuse in seine Offenstellung gelangt, um verbrauchte Kühlluft auszustoßen, so dass infolge des Bewegungszyklus des mindestens einen Kolbens ein interner Kühlluftstrom er-zeugbar ist.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Kühlung liegt darin, dass der hierfür erforderliche zusätzliche Leistungsbedarf relativ gering ist, weil die zur Kühlung angesaugte Luft nicht verdichtet, sondern lediglich gegen einen geringen Widerstand des einlassseiti-gen sowie auslassseitigen Ventils gefördert werden muß. Bei üblichen Verdichter-auslegungen stehen zwischen 50% und 75% der Verdichterleerlaufförderung zusätzlich

der Kühlung zur Verfügung. Durch die Erfindung wird die nicht für die Kom-pression genutzte Fläche des Kolbens durch die zusätzlich eingebrachten Ventile zur Innenkühlung - insbesondere des Zylinderbereichs - genutzt, indem die bei der Auf-wärtsbewegung des Kolbens auf der Rückseite angesaugte Luft bei der Abwärtsbe-wegung an den zu kühlenden Bereichen der Verdichtereinheit vorbei und in die Um-gebung abgeleitet wird. Unter Berücksichtigung der Forderung nach hohen Enddrü-cken bei gleichzeitig guter Förderleistung und geringem konstruktiven Aufwand ist das zweistufige Verdichterprinzip besonders geeignet, weil hierbei außerdem eine Zwischenkühlung der durch die Niederdruckstufe vorkomprimierten Luft möglich ist. Durch das verbesserte Kühlungsergebnis ist die Verwendung von Kunststoff im Be-reich der Verdichtereinheit möglich, da durch die erfindungsgemäße Lösung die Kühlung infolge der Wirkung des internen Kühlluftstroms erfolgt, und nicht eine Wär-meableitung nach außen durch Bauteile aus einem Metall erforderlich ist, was dem Leichtbautrend sehr entgegenkommt.
Als einlassseitiges Ventil sowie als auslassseitiges Ventil kommt vorzugsweise ein federbelastetes Rückschlagventil zur Anwendung, welches entsprechend der ge-wünschten Durchlassrichtung verbaut wird. Ein solches Rückschlagventil weist einen besonders einfachen Aufbau auf und erfüllt seine Funktion zur Steuerung des Kühl-luftstromes selbsttätig ohne eine weitere Ansteuerung, allein aufgrund der gehäuse-internen Druckschwankungen. Daneben ist es auch denkbar, das einlassseitige Ven-til und/oder das auslassseitige Ventil im Sinne einer aktiven Ansteuerung als elekt-romagnetisches Ventil oder dergleichen auszubilden, wobei über eine zusätzliche elektronische Steuereinheit eine Koordination des Öffnens und Schließens beider Ventile im Einklang mit dem Bewegungszyklus des mindestens einen Kolbens zu erfolgen hat.
Um eine optimale Kühlwirkung im Bereich des Zylinders als Entstehungsort der ab-zuführenden Wärme zu erzielen, kann gemäß einer weiteren, die Erfindung verbes-sernden Maßnahme der mindestens eine Zylinder eine Laufbuchse für den zugeord-neten Kolben besitzen, welche zumindest teilweise vom internen Kühlluftstrom umströmt

ist. Durch eine entsprechend beabstandete Anordnung des einlassseitigen Ventils und des auslassseitigen Ventils voneinander kann ein derartig verlaufender Kühlluftstrom erzeugt werden. Dabei ist es denkbar, den Kühlluftstrom mittels zu-sätzlicher, entlang der Laufbuchse verlaufender Kanäle derart umzuleiten, dass eine effektive Kühlwirkung erzielbar ist.
Das mindestens eine einlassseitige Ventil und/oder das mindestens eine auslasssei-tige Ventil kann beispielsweise im Bereich des Zylinders, vorzugsweise in dessen stirnseitigem Bereich, oder auch am Kurbelgehäuse platziert sein. Die Platzierung hängt von der gewünschten Kühlluftstromführung durch das Kurbelgehäuse sowie den Bereich des Zylinders ab. Um eine gut wirksame Kühlluftstromführung zu er-möglichen, sollte eine maximale Beabstandung des einlassseitigen Ventils vom aus-lassseitigen Ventil gewählt werden, um einen für alle Zylinder wirksamen und das Kurbelgehäuse durchströmenden Kühlluftstrom zu erzeugen. Es ist auch denkbar, die mit der Verdichtereinheit gekoppelte Antriebseinheit durch geeignete Verbin-dungskanäle in die Kühlluftstromführung mit einzubeziehen, um auch eine Kühlung der Antriebseinheit, beispielsweise eines Elektromotors, durch den Kühlluftstrom zu ermöglichen.
Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme kann die Kühlluft, welche durch das mindestens eine einlassseitige Ventil in den Innenbereich der Ver-dichtereinheit gelangt, direkt von der Ansaugleitung der Verdichtereinheit abgezweigt werden. Durch diese Maßnahme steht eine bereits vorgefilterte Kühlluft zur Verfü-gung, so dass keine verschleißverursachenden Schmutzpartikel mit dem Kühlluft-strom in das Innere der Verdichtereinheit gelangen können. Neben der Abzweigung der Kühlluft von der Ansaugleitung der Verdichtereinheit aus ist es durchaus auch denkbar, die Kühlluft direkt aus einer möglichst staubfreien Umgebung zu entneh-men. Weiterhin ist es auch denkbar, die Kühlluft vor dem Einlass in die Verdichter-einheit innerhalb einer vorgeschalteten aktiven Kühleinheit vorzukühlen. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der Kühlung verbessert werden.




Vorzugsweise kann die verbrauchte, erwärmte Kühlluft über das auslassseitige Ventil direkt an die Umgebung abgeleitet werden. An dieser Stelle kann zum Zwecke der Geräuschminderung eine dem auslassseitigen Ventil nachgeschaltete Schalldämp-fereinheit angebracht werden.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine zweistufige Verdichtereinheit eines Kol-benkompressors mit interner Kühlluftstromführung, und
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Wirkprinzips des erfindungsgemä-ßen internen Kühlluftstroms.
Der Kolbenkompressor gemäß Fig. 1 besteht im Wesentlichen aus einer Verdich-tereinheit 1 , die mit einer - hier nur schematisch dargestellten - Antriebseinheit 2 in Form eines Elektromotors zur Erzeugung einer Drehbewegung gekoppelt ist. Die von der Arbeitseinheit 2 erzeugte Drehbewegung dient dem Antrieb einer in einem Kur-belgehäuse 3 der Verdichtereinheit 1 drehbar gelagerten Kurbelwelle 4 . Auf der Kur-belwelle 4 sind Pleuel 5 a und 5 b über dazwischen angeordnete Wälzlager 6 a und 6 b einander gegenüberliegend gelagert. An jedem, dem Wälzlager 6 a und 6 b gegenü-berliegenden Ende des Pleuels 5 a bzw. 5 b ist ein Kolben 7 a bzw. 7 b mit außenradi-aler Kolbendichtung 8 a bzw. 8 b angeordnet. Über die Kolbendichtungen 8 a, 8 b kor-respondiert jeder Kolben 7 a, 7 b mit einem zugeordneten Zylinder 9 a bzw. 9 b. Die Zylinder 9 a und 9 b sind in diesem Ausführungsbeispiel einstückig mit dem Kurbelge-häuse 3 ausgeführt und einander entsprechend gegenüberliegend platziert. Die Kur-belwelle 4 ist im Kurbelgehäuse 3 über einen abnehmbaren Kurbelgehäusedeckel 10 von außen her zugänglich.




Der Kolben 7 a ist gegenüber dem Kolben 7 b großflächiger ausgebildet und ist inso-weit Bestandteil einer Niederdruckstufe der Verdichtereinheit 1 . Dagegen ist der Kol-ben 7 b einer Hochdruckstufe der Verdichtereinheit 1 zugeordnet. Zur Erzeugung von Druckluft wird ausgehend von einer - hier nicht weiter dargestellten - Filtereinheit gefilterte Luft aus der Atmosphäre entnommen und aufgrund der Abwärtsbewegung des Kolbens 7 a angesaugt. Hierbei gelangt das eingangsseitige federbelastete Rückschlagventil 11 in seine Offenstellung. Bei der darauf folgenden Aufwärtsbewe-gung des Kolbens 7 a ist das federbelastete Rückschlagventil 11 gesperrt und ein ausgangsseitiges, im stirnseitigen Bereich des Zylinders 9 a angeordnetes federbe-lastetes Rückschlagventil 12 öffnet. Hierdurch gelangt die in der Niederdruckstufe vorkomprimierte Druckluft durch die Leitung 13 hindurch auf die Seite der gegnüber-liegenden Hochdruckstufe. Hier mündet die Leitung 13 in den Zylinder 9 b der Hoch-druckstufe, wo ein eingangsseitiges Rückschlagventil 14 angeordnet ist, welches dann öffnet, wenn sich der im Gegentakt zum Kolben 7 a bewegte Kolben 7 b eine Aufwärtsbewegung vollführt. Darauf folgend wird durch eine anschließende Abwärts-bewegung des Kolbens 7 b die Druckluft weiter verdichtet und gelangt schließlich bei geschlossenem federbelasteten eingangsseitigen Rückschlagventil 14 und einem daneben platzierten geöffneten ausgangssseitigen federbelasteten Rückschlagventil zur weiteren Verwendung aus der Verdichtereinheit 1 .
Zur Kühlung, d. h. zur Abführung der bei der Kompressionsarbeit anfallenden Wärme, ist im Bereich des Zylinders 9 a ein einlassseitiges Ventil 16 vorgesehen, welches ebenfalls nach Art eines federbelasteten Rückschlagventils ausgeführt ist. Das Ventil 16 ermöglicht aufgrund seiner Einbaulage in Durchlassrichtung das Einströmen von Kühlluft in den Innenbereich der Verdichtereinheit 1 . Der Zylinder 9 a umfasst eine direkt mit dem Kolben 7 a zusammenwirkende Laufbuchse 21 , welche durch den Kühlluftstrom umströmt ist. Der Kühlluftstrom gelangt dann durch eine Öffnung 17 am Zylinder 9 a hindurch in den inneren Bereich des Kurbelgehäuses 3 und von hier aus durch eine entsprechende Bohrung 18 hindurch in den Bereich des Zylinders 9 b, welcher ebenfalls mit einer Laufbuchse 19 versehen ist, die durch den Kühlluftstrom umströmt ist. Im stirnseitigen Bereich des Zylinders 9 b der Hochdruckstufe ist ein

zweites, auslassseitiges Ventil 20 vorgesehen, welches ebenfalls nach Art eines fe-derbelasteten Rückschlagventils ausgebildet ist und in der entgegengesetzten Ein-baulage als das eingangsseitige Ventil 16 geschaltet ist. Hierüber wird der ver-brauchte, d. h. nunmehr aufgewärmte, Kühlluftstrom an die Atmosphäre abgeführt.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, kann durch die beabstandete Anordnung des einlasssei-tigen Ventils 16 gegenüber dem auslassseitigen Ventil 20 eine optimale Führung des internen Kühlluftstroms, ausgehend vom Bereich des Kolbens 7 a über den Bereich des Kurbelgehäuses bis zum Bereich des zweiten Kolbens 7 b erreicht werden. Der Kühlluftstrom wird durch die unterschiedlichen Durchmesser der Kolben 7 a und 7 b bei der gegenläufigen Bewegung erreicht, wodurch sich interne Druckschwankungen ergeben, welche durch die Schaltung der Ventile 16 und 20 zur Gewinnung des in-ternen Kühlluftstroms genutzt werden. Der für den Kühlluftstrom zur Verfügung ste-hende Volumenstrom ergibt sich überschüssig zu:

(rNiederdruck - rHochdruck)² „„Æ' Hub „ Drehzahl




Es werden also die nicht für die Kompression genutzten Flächen der Kolben 7 a, 7 b im Zusammenwirken mit den beabstandet eingebrachten und entgegengesetzt ge-schalteten Ventilen 6 und 20 mit Rückschlagventilfunktion zur Innenkühlung der Ver-dichtereinheit 1 genutzt.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch konstruktive Abwandlungen hiervon denkbar, die trotz anderer gestalteter Elemente von der durch die nachfolgenden Ansprüche definierten Erfindung Gebrauch machen. Insbesondere ist die Erfindung nicht beschränkt auf Verdichtereinheiten in zweistufiger Ausführung. Die Erfindung kann auch bei einstufigen oder mehr als zweistufigen Verdichtereinheiten von Kol-benkompressoren entsprechend eingesetzt werden.



Bezugszeichenliste

1 Verdichtereinheit2 Antriebseinheit3 Kurbelgehäuse4 Kurbelwelle5 Pleuel6 Wälzlager7 Kolben8 Kolbendichtung9 Zylinder10 Kurbelgehäusedeckel11 Ventil, eingangsseitig12 Ventil, ausgangsseitig13 Leitung14 Ventil, eingangsseitig15 Ventil, ausgangsseitig16 Ventil, einlassseitig17 Bohrung18 Bohrung19 Laufbuchse20 Ventil, auslassseitig21 Laufbuchse