DE3820632A1 - Kolbenverdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenverdichter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Sie ist insbesondere für einen Gastransport zwischen zwei Gasräumen verschiedenen Druckes ver­ wendbar.

Aus der Deutschen Patentschrift (Offenlegungsschrift DE-05 32 33 757) ist ein Kolbenverdichter nach Art des Oberbe­ griffes mit einem Gastransport von einem Raum niederen Druckes in einen Raum höheren Druckes bekannt, wobei zwei bewegliche Abschnitte vorgesehen sind, zwischen denen ein Blindraum ge­ bildet ist.

Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, den bekannten Ver­ dichter einfacher und in der Art zu gestalten, daß er wahl­ weise auch für den Gastransport von einem Raum höheren Druckes in einen Raum niederen Druckes verwendbar ist.

Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichenteil der Patentan­ sprüche 1 und 2 genannten Merkmale gelöst. Auf diese Weise arbeitet der Verdichter einmal als Arbeitsmaschine, wenn der Druck auf der Einlaßseite niederer ist als auf der Auslaßseite, und das andere Mal als Kraftmaschine, wenn der Druck auf der Einlaßseite höher ist als auf der Auslaßseite. Wenn die Be­ zeichnung "Kolbenverdichter" auch im letzteren Falle wider­ sinnig ist, sei sie in Anlehnung an den bekannten Kolbenver­ dichter beibehalten.

Der Verdichter nach der Erfindung eignet sich in vorteilhaf­ ter Weise als Verdichter für eine Niveau- und Neigungsrege­ lung für Fahrzeuge nach der DE-PS 36 04 068 mit pneumatischen Federelementen, wenn der Verdichter, der Gas von niederem Druck aus ausgefederten in eingefederte Federelemente zum Ausgleich der Seitenneigung fördert, beim Rückfluß des Gases Energie speichern und beim Ausgleich der Seitenneigung wieder abgeben soll.

Die Steuermittel zur Verschiebung der Schwinge sind beispiels­ weise so einzurichten, daß mittelbar oder unmittelbar der Druck in den Arbeitsräumen bei Auslaßanfang gleich dem Druck in der Auslaßöffnung ist.

Damit bei Einlaßanfang zur Vermeidung eines Drucksprungs der Druck in den Arbeitsräumen gleich dem Druck in der Einlaßöff­ nung ist, kann der das Auslaßende und den Einlaßanfang bestim­ mende Abschnitt als verschiebbarer Flügel ausgebildet sein, wobei Steuermittel zur Regelung der Verschiebung mittelbar oder unmittelbar den Drucksprung bei Einlaßanfang verhindern.

Zweckmäßig geht die Verschiebung der Schwinge von einer Grund­ stellung aus, bei der Einlaßende und Auslaßanfang gleich weit vom äußeren Totpunkt entfernt sind, und die Schwinge kehrt nach einem beendeten Gastransport in die Grundstellung zurück. Bei der genannten Niveau- und Neigungsregelung würde dies be­ deuten, daß die Schwinge bei Geradeausfahrt in der Grundstel­ lung steht.

Um einen gleichen Druck auf der Einlaßseite und der Auslaß­ seite, speziell in der Grundstellung, zu erzwingen, kann eine Leitung zwischen der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung vor­ gesehen werden, die willkürlich sperrbar ist.

In der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung wird auf die Zeichnung bezuggenommen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Kolbenverdichter in einem Längsschnitt des Zylinderkopfes und teilweise des Zylinderblocks,

Fig. 1a einen Längsschnitt durch den Zylinderblock der Fig. 1 im Bereich des Gaseintritts,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Zylinderkopf der Fig. 1 im Bereich der Umfangsnut,

Fig. 3 eine Abwicklung eines in einem Kreis durch die Um­ fangsnut gelegten Längsschnittes mit der Schwinge und dem Flügel in der Grundstellung,

Fig. 4 eine Abwicklung wie Fig. 3, bei der das Einlaßende der Schwinge im äußeren Totpunkt festgelegt ist,

Fig. 5 eine Abwicklung wie Fig. 1, bei der das Einlaßende der Schwinge nach dem Überschreiten des äußeren Totpunktes festgelegt ist,

Fig. 6 eine Abwicklung wie Fig. 1, bei der das Einlaßende der Schwinge vor dem Erreichen des äußeren Totpunk­ tes festgelegt ist,

Fig. 7 eine Abwicklung wie Fig. 1, bei der das Einlaßende der Schwinge noch weiter vor dem Erreichen des äuße­ ren Totpunktes liegt als bei Fig. 6,

Fig. 3a, Fig. 4a, Fig. 5a, Fig. 6a und Fig. 7a zu den Fig. 3, 4, 5, 6 und 7 gehörende Indikatordiagramme.

Bei dem Verdichter nach Fig. 1 mit sechs Kolben-Zylinder-Ein­ heiten sind Kolben 61, von denen der gezeichnete Kolben 61 im inneren Totpunkt 35 steht, in Zylinder 71 eines Zylinder­ blocks geführt und bilden mit diesen Arbeitsräume 67. Der Zy­ linderblock 60 ist von einem feststehenden Gehäuse 70 umgeben, berührt dichtend einen Zylinderkopf 68 in einer Stirnfläche 20 und ist auf einem Bolzen 69, der in einem Deckel 21 des Gehäu­ ses 70 gehalten ist, drehbar gelagert und axial festgelegt. Von der Lagerung des Zylinderblocks 71 ist ein Gleitlager 80 erkennbar, während die übrigen für die Erfindung unwesentli­ chen Teile wie auch der Kolben der Ausführung nach Fig. 1 der angegebenen PS (Fig. 5 der DE-OS 32 33 757) entspre­ chen möge. Die Kolben 61 sind über Kugelköpfe 88 und Pleuel­ stangen 87 kraftschlüssig mit dem nicht gezeichneten Kolben­ trieb verbunden.

Eine aus dem Gehäuse 70 tretende Antriebswelle 73, die mit einem Schwungrad 22 versehen und über eine Kupplung 23 mit einem Motor gekuppelt ist, setzt die Kolben 61 in eine sinus­ förmige Hubbewegung relativ zu den mit dem Zylinderblock 60 umlaufenden Zylindern 71.

Die Stirnfläche 20 ist auf der Seite des Zylinderblocks 60 von Zylinderöffnungen 95 der Arbeitsräume 67 unterbrochen. Der Zylinderkopf 68 besteht aus einem Außenring 25 mit einem Boden 26 und einem Hals 27 sowie einem Innenring 30, dessen Verlängerung 31 drehbar in dem Hals 27 steckt, wobei der Aus­ senring 25, der Boden 26 und der Innenring 30 eine Umfangsnut 99 und deren offenes Ende die Stirnfläche 20 bilden.

Der Außenring 25 des Zylinderkopfes 68 ist in einem Innenman­ tel 70′ des Gehäuses 70 drehbar gelagert, der Boden 26 des Zylinderkopfes 68 ist durch eine Stützwand 36 des Gehäuses 70 axial festgelegt. Der Hals 27 des Außenrings 25 ist mit einer Verzahnung 28 versehen, in die eine Zahnstange 40 eingreift. Mit der Verlängerung 31 des Innenrings 30 ist ein Ring 32′ mit einer Verzahnung 32 fest verbunden, in die eine Zahnstange 41 eingreift. Die Zahnstangen 40 und 41 sind in einer Gleit­ schiene 42 geführt und mit aus dem Gehäuse 70 tretenden Enden 40′ und 41′ (vgl. Fig. 2) versehen, die zum Verdrehen des Außenrings 25 und des Innenrings 30 dienen.

Die Umfangsnut 99 ist gemäß Fig. 2 im Bereich des inneren Tot­ punktes durch einen von einer Steuerkante Auslaßende 105 bis zu einer Steuerkante Einlaßanfang 102 reichenden Abschnitt unterbrochen, der als verschiebbarer, mit dem Außenring 25 verbundener Flügel 29 ausgebildet ist und die Zylinderöffnun­ gen 95 von Auslaßende 105 bis Einlaßanfang 102 abschließt. Die Umfangsnut 99 ist ferner in einem Winkelbereich von einer Steuerkante Einlaßende 103 bis zu einer Steuerkante Auslaßan­ fang 104 reichende, mit dem Innenring 30 verbundene Schwinge 33 unterbrochen, die die Zylinderöffnungen 95 von Einlaßende 103 bis Auslaßanfang 104 abschließt.

Die Umfangsnut 99 bildet im Uhrzeigersinn zwischen dem Flü­ gel 29 und der Schwinge 33 eine veränderliche Einlaßöffnung 96 und zwischen der Schwinge 33 und dem Flügel 29 eine ver­ änderliche Auslaßöffnung 97. Der Außenring 25 ist von einem Schlitz 45 (vgl. Fig. 1a) durchbrochen, der eine Verbindung der Einlaßöffnung 96 mit einem Gaseintritt 47 und einer Ein­ trittsleitung 52 herstellt, ebenso von einem Schlitz 46 der eine Verbindung der Auslaßöffnung 97 mit einem Gasaustritt 48 und einer Austrittsleitung 53 herstellt. Zwischen der Ein­ trittsleitung 52 und der Austrittsleitung 53 ist eine Verbin­ dungsleitung 50 mit einer Sperreinrichtung 51 vorgesehen.

Die Fig. 3, 4, 5, 6 und 7 zeigen eine Auswahl von Stellun­ gen der Schwinge 33 und des Flügels 29.

Bei der Abwicklung nach Fig. 3 möge sich der Zylinderblock 60 in Richtung des Pfeiles 300 von links nach rechts entspre­ chend den auf einer Abszisse 301 aufgetragenen Winkeln von 0 bis 360 Grad bewegen, wobei der Kugelkopf 88 sich auf der Sinuslinie 302 und der Kolben 61 zwischen dem inneren Tot­ punkt 35 und dem äußeren Totpunkt 34 bewegt.

Vom Zylinderkopf 68 nach den Fig. 1 und 2 sind der Boden 26, der Außenring 25 mit dem Flügel 29 und den Schlitzen 45 und 46 dargestellt, die die Verbindung der Einlaßöffnung 96 mit dem ortsfesten Gaseintritt 47 und der Auslaßöffnung 97 mit dem ortsfesten Gasaustritt 48 herstellen, sowie die Schwinge 33, deren Stellung gegenüber dem Flügel 29 veränder­ lich ist. Die Schwinge 33 überdeckt einen Winkelbereich von 60 Grad, der Flügel 29 einen solchen von 45 Grad.

Bei der Grundstellung nach Fig. 3 schließt die Schwinge 33 die Zylinderöffnung 95 von Einlaßende 303 bis Auslaßanfang 304 symmetrisch zum äußeren Totpunkt 34 in einem Winkelbe­ reich von 150 bis 210 Grad, der Flügel 20 schließt symmet­ risch zum inneren Totpunkt 35 von Auslaßende 305 bis Ein­ laßanfang 302.

Bei der Stellung gemäß Fig. 4 schließt die Schwinge 33 die Zylinderöffnungen von Einlaßende 403 bis Auslaßanfang 404 in einem Winkelbereich von 180 bis 240 Grad, wobei das Ein­ laßende 403 im äußeren Totpunkt 34 erfolgt. Der Flügel 29 schließt mit Hilfe der eingangs erwähnten Steuermittel in der Art, daß der Druck bei Einlaßanfang 402 gleich dem Druck in der Einlaßöffnung 96 ist. In den Stellungen nach den Figu­ ren 5, 6 und 7 umfassen das Einlaßende 503 und der Auslaß­ anfang 504 einen Kurbelwinkelbereich von 240 bis 300 Grad bzw. das Einlaßende 603 und der Auslaßanfang 604 einen Be­ reich von 90 bis 150 Grad bzw. das Einlaßende 703 und der Auslaßanfang 704 einen Bereich von 60 bis 120 Grad. Die Flügel 29 schließen wiederum in der Art, daß der Druck bei Einlaßanfang 502, 602 und 702 gleich dem Druck in der Ein­ laßöffnung 96 ist.

In den Indikatordiagrammen nach den Fig. 3a, 4a, 5a, 6a und 7a mit dem Druck als Ordinate und dem Kolbenhub als Abszisse ist eine isotherme und verlustlose Zustands­ änderung des Gases vorausgesetzt. Auf einer Abszisse 301′ zwischen Fig. 3a und Fig. 4a sind die Kolbenstellungen bei den Winkeln 0 bis 360 Grad im Abstand von 30 Grad und ein schädlicher Graum 310 aufgetragen. Die Richtung der Zu­ standsänderungen sind durch Pfeile angedeutet.

Das Indikatordiagramm nach Fig. 3a entspricht der Grund­ stellung mit Einlaßdruck gleich Auslaßdruck, wobei im Be­ reich des inneren Totpunktes 35 ein Druckanstieg 311 und im Bereich des äußeren Totpunktes 34 ein Druckabfall 312 erfolgt, so lange die Zylinderöffnungen geschlossen sind.

Das Indikatordiagramm nach Fig. 4a zeigt eine Kompression von einem Einlaßdruck 413 bis zu einem Auslaßdruck 414 in einem Winkelbereich von 180 bis 240 Grad und eine Rückex­ pansion im Bereich des inneren Totpunktes 35, wobei im Totpunkt selbst ein Druckanstieg 411 erfolgt, da wie Fig. 4 zeigt, das Auslaßende 405 vor dem inneren Totpunkt 35 erfolgt.

Das Indikatordiagramm nach Fig. 5a zeigt eine stärkere Kom­ pression gegenüber Fig. 4a von einem niederen Einlaßdruck 513 auf einen höheren Auslaßdruck 514 in einem Bereich von 240 bis 300 Grad und eine Rückexpansion nach dem inneren Totpunkt 35 bis auf den Einlaßdruck.

Das Indikatordiagramm nach Fig. 6a zeigt eine Expansion von einem Einlaßdruck 613 auf einen Auslaßdruck 614 in einem Be­ reich von 90 bis 150 Grad und eine Kompression im Bereich des inneren Totpunktes 35, wobei im Totpunkt selbst ein Druckan­ stieg 611 erfolgt, da der Einlaßanfang 602 - wie Fig. 6 zeigt - nach dem inneren Totpunkt 35 beginnt.

Das Indikatordiagramm nach Fig. 7a zeigt eine Expansion von einem höheren Einlaßdruck 713 auf einen niederen Auslaßdruck 714 im Bereich von 60 bis 120 Grad und eine Kompression vor dem inneren Totpunkt 35 bis auf den Einlaßdruck.

Die Indikatordiagramme lassen erkennen, daß der Verdichter einmal Arbeit aufnimmt, wenn der Einlaßdruck niederer ist als der Auslaßdruck und das andere Mal Arbeit abgibt, wenn der Einlaßdruck höher ist als der Auslaßdruck. In dem einen Fall entnimmt der Verdichter dem Motor 24 und/oder dem Schwungrad 22 Arbeit, im anderen Fall gibt er an den Motor 24 und/oder das Schwungrad 22 Arbeit ab. Außerdem ist zu erkennen, daß der Arbeitshub mit zunehmender Druckdifferenz sinkt und da­ durch die Leistung (Arbeit in der Zeiteinheit) des Motors 24 kleiner ausgelegt werden kann, als wenn der Arbeitshub gleich dem Kolbenhub wäre.

Zur Abdichtung des Zylinderkopfes 68 gegenüber dem Zylinder­ block 60 können im Außenring 25 ein Dichtring 86 im Innenring 30 ein Dichtring 81 und gegenüber dem Gehäuse 70 im Außenring 25 zwei Dichtringe 82 und 83 zu beiden Seiten der Schlitze 45 und 46 vorgesehen werden, zur Abdichtung des Außenrings 25 gegenüber dem Innenring 30 ein Dichtring 84 im Hals 27 und zur Abdichtung der Kolben 61 gegenüber dem Gehäuse 70 Dichtringe 85.

Eine Abdichtung der Schwinge 33 und des Flügels 29 gegen die Wände der Umfangsnut 99 und die Stirnfläche 20 kann durch Dichtleisten vorgenommen werden. Hier kann aber auch eine entsprechende Passung dieser Teile ausreichend sein, da die bei Undichtheit durchströmenden Gasmengen im Kreisprozeß bleiben.

Claims (6)

1. Kolbenverdichter mit einem Zylinderblock und einem Zylin­ derkopf, die sich in einer Stirnfläche berühren und rela­ tiv zueinander drehbar gelagert sind,

• - mit mehreren in dem Zylinderblock achsparallel angeord­ neten Zylindern, die die Stirnfläche durchbrechende Zylinderöffnungen aufweisen,
• - mit in den Zylindern durch einen Kolbentrieb zwischen einem inneren und einem äußeren Totpunkt hin- und herbe­ wegten Kolben, die von den Kolben und der Stirnfläche begrenzte Arbeitsräume bilden,
• - mit einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung im Zylinderkopf, die sich an den Zylinderöffnungen vorbei­ bewegen und Einlaßphasen und Auslaßphasen festiegen,
• - wobei der Zylinderkopf mit einer zur Stirnfläche offenen Umfangsnut versehen ist, die im Bereich des inneren Tot­ punktes durch einen von einer Steuerkante Auslaßende bis zu einer Steuerkante Einlaßanfang reichenden Abschnitt unterbrochen ist,

gekennzeichnet durch die Merkmale:

• - in der Umfangsnut (99) ist eine in Umfangsrichtung ver­ schiebbare Schwinge (33) angeordnet, die die Arbeits­ räume (67) in einem Winkelbereich von Einlaßende (103) bis Auslaßanfang (104) von der Einlaßöffnung (96) und der Auslaßöffnung (97) abschließt,
• - der Winkelbereich der Schwinge (33) ist durch Steuermit­ tel so geregelt, daß das Einlaßende (103) in der Nähe oder nach dem Überschreiten des äußerer Totpunktes (34) festgelegt ist.

2. Kolbenverdichter nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Merkmale:

• - in der Umfangsnut (99) ist eine in Umfangsrichtung ver­ schiebbare Schwinge (33) angeordnet, die die Arbeits­ räume (67) in einen Winkelbereich von Einlaßende (103) bis Auslaßanfang (104) von der Einlaßöffnung (96) und der Auslaßöffnung (37) abschließt,
• - der Winkelbereich der Schwinge (33) ist durch Steuer­ mittel so geregelt, daß das Einlaßende (103) in der Nähe oder vor dem Erreichen des äußeren Totpunktes (34) festgelegt ist.

3. Verdichter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der das Auslaßende (105) und den Einlaßan­ fang (102) begrenzte Abschnitt als in Umfangsrichtung verschiebbarer Flügel (29) ausgebildet ist.

4. Verdichter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schwinge (33) eine von den Steuermit­ teln unabhängige Grundstellung (Fig. 3) aufweist, bei der Einlaßende (103) und Auslaßanfang (104) etwa gleich weit vom äußeren Totpunkt (34) entfernt sind.

5. Verdichter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einlaßöffnung (96) und die Auslaßöff­ nung (97) willkürlich durch eine mit einer Sperreinrich­ tung (51) versehene Leitung (50) verbindbar sind.