Kolben für einen Kolbenverdichter

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Kolbenverdichter, der in einem Zylinderblock (7) bewegbar ist und eine Pleuelstange (6) aufweist. Die Pleuelstange (6) weist an dem im Zylinderkopf (11) vorgesehenen Ende einen Kolbenboden (22) mit einer Kolbendichtung (14) auf. Die Kolbendichtung (14) ist als massiver Dichtringkörper (20) ausgeführt und dieser Dichtringkörper (20) weist im Querschnitt eine innere Führungslippe (18) und eine äußere Dichtlippe (17) auf. Die innere Führungslippe (18) besitzt eine axiale Führungsfläche, die auf einer Führungsfläche eines im Kolbenboden (22) vorgesehenen Führungszylinders (24) zentriert ist und der Dichtringkörper (20) ist in Hubrichtung verschiebbar gelagert.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Kolbenverdichter, der in einem Zylinderblock bewegbar ist und eine Pleuelstange aufweist, wobei die Pleuelstange an dem im Zylinderkopf vorgesehenen Ende einen Kolbenboden mit einer Kolbendichtung aufweist.

[0002] Ein derartiger Kolbenverdichter ist für gasförmige oder flüssige Medien verwendbar, wobei diese zur Erzeugung von Druckluft oder zum Pumpen von Flüssigkeiten eingesetzt werden.

[0003] Mannigfache Anwendungen erfordern nur kurze Betriebszeiten, wie zum Beispiel Kolbenverdichter zum Aufpumpen von Ersatzrädern in Kraftfahrzeugen. Solche Anwendungen erfordern sehr preiswerte Produktlösungen.

[0004] Ein Kolben der eingangs genannten Art ist aus der WO 2004/011804 A1 bekannt. Bei dieser Ausführung wird an dem im Zylinderkopf befindlichen Ende der Pleuelstange über tellerförmige Führungsscheiben eine ringförmige Dichtung fixiert. Nachteilig ist, dass durch das - noch später eingehend beschriebene - Kippen des Kolbens ein hoher Verschleiß gegeben ist.

[0005] Es sind darüber hinaus noch verschiedene Kolben bekannt, wie beispielsweise aus der DE 203 00 085 U1. Diese Ausführungen eignen sich für kleine Kolbenverdichter mit geringen Leistungen und kurzen Betriebszeiten.

[0006] Derartige Kolben weisen Kolbendichtungen mit Dichtflächen auf, die im Wesentlichen durch Schnurdichtungen mit rundem Querschnitt gebildet werden.

[0007] Durch die in einfachen Kolbenverdichtern gewählte gewöhnliche Kurbelbewegung der Antriebseinheit, üblicherweise einem Elektromotor, wird der Kolben am Punkt der Befestigung an der Kurbel sowohl in der gewünschten Richtung zur Erzielung einer Hubbewegung, als auch in der rechtwinkelig dazu stehenden Bewegung im gleichen Maß bewegt. Diese zweite Bewegungsrichtung verursacht eine Kippung des Kolbens, wodurch sich der Durchmesser der Kolbendichtung verändert und insbesondere im Bereich des halben Hubes eine elliptische Form annimmt. Diese Bewegungen der Kolbendichtung verursachen naturgemäß Verschleiß und frühzeitiges Versagen der Kolbendichtung.

[0008] Ein weiterer Mangel dieser Ausführungsform ist, dass die Führung des Kolbens in der Zylinderbohrung nicht definiert ist und bei den durch den Kurbeltrieb hervorgerufenen Schleuderbewegungen der Kolben an der Zylinderwand an verschiedenen Stellen anschlägt.

[0009] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kolben der eingangs genannten Art zu schaffen, der einerseits die oben aufgezeigten Nachteile vermeidet und der anderseits eine saubere Führung an allen Stellen gewährleistet.

[0010] Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.

[0011] Der erfindungsgemäße Kolben ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbendichtung als massiver Dichtringkörper ausgeführt ist und dieser Dichtringkörper im Querschnitt eine innere Führungslippe und eine äußere Dichtlippe aufweist, wobei die innere Führungslippe eine axiale Führungsfläche besitzt, die auf einer Führungsfläche eines im Kolbenboden vorgesehenen Führungszylinders zentriert ist und der Dichtringkörper in Hubrichtung verschiebbar gelagert ist. Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, eine präzise Kolbenbewegung zu erreichen. Durch die Anpressung der Führungslippe und der Dichtlippe wird der Kolbenboden über dessen Führungsfläche des Führungszylinders genau mittig zentriert, wodurch dieser am Anschlagen an die Zylinderlauffläche gehindert wird und eine präzise Kolbenbewegung erfolgen kann.

[0012] Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die Dichtungen für eine bessere Anpassungsfähigkeit im Kontaktbereich beweglich bzw. aus einem relativ weichen Material gestaltet sind, so dass eine Anpassung der Dichtlippe an die Oberfläche in einem kleinen Bereich erfolgen kann. Der Anpressdruck wird einerseits durch die leicht federnden Eigenschaften des Dichtungsmaterials und andererseits durch einen auf die Dichtlippe wirkenden Druck durch ein verdichtetes Medium erzeugt.

[0013] In der vorliegenden Erfindung besteht die Dichtung aus einem Dichtringkörper mit zwei Dichtlippen, wobei eine Dichtlippe zur Führung der Dichtung dient und die andere Dichtlippe die Dichtfunktion zur Zylinderwand erfüllt.

[0014] Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung weist der Führungszylinder einen von der Zylinderform minimal abweichenden elliptischen Querschnitt auf. Die Abweichung vom Kreisquerschnitt entspricht vorzugsweise etwa dem halben Maß des theoretischen Spaltes, der durch die Schiefstellung der Pleuelstange verursachten Distanzerhöhung der Berührungsstellen. Da die Kolbendichtung weitgehend elastisch ist, kann der örtliche Verlauf der äußeren Dichtlippe und der inneren Führungslippe als parallel angesehen werden. Dadurch wird das Spaltmaß in halber Hubhöhe zwischen äußerer Dichtlippe und Zylinderlauffläche halbiert, wobei in Kauf genommen wird, dass im oberen Totpunkt und im unteren Totpunkt ebenfalls ein etwa gleich großer Fehler, jedoch in 90 Winkelgrad versetzter Stelle entsteht. Die Ausgestaltung der Dichtlippe erlaubt, geringe Spalte durch Bewegung der Lippe zu überbrücken. Durch die Halbierung des beschriebenen Fehlers ist die Belastung der Dichtlippe durch die nötigen Ausgleichsbewegungen zur Abdichtung des theoretischen Spaltes nur mehr sehr gering und kann von geeigneten Materialien überbrückt werden.

[0015] Gemäß einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung weist der Dichtringkörper einen, den Führungszylinder hintergreifenden Anschlag auf, der die Ventilhubbewegung der Kolbendichtung begrenzt. Dieser Anschlag schützt die Kolbendichtung gegen herausfallen in Richtung oberem Totpunkt. Ferner begrenzt der Anschlag den Weg des Dichtringkörpers.

[0016] Nach einer ganz besonderen Ausgestaltung der Erfindung weist der Kolbenboden, insbesondere im Bereich des Führungszylinders, mindestens eine, im Querschnitt vorzugsweise bogenförmig ausgebildete, Öffnung auf, durch die im Ansaugtakt entlang dem Dichtringkörper Ansaugluft strömt. Dadurch ist in vorteilhafterweise die Funktion eines Einlassventils gegeben. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass durch die Öffnungen entlang des Dichtringkörpers und damit entlang der Kolbendichtung kalte Ansaugluft strömt, die die Kolbendichtung und den Kolbenboden kühlt.

[0017] Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung der Erfindung weist der Kolbenboden in Fortsetzung des Führungszylinders Zinnen auf, die im oberen Totpunkt in Ventillöcher des Zylinderkopfes tauchen. Durch diese Zinnen ist der Vorteil gegeben, dass das Schadvolumen um das Volumen der Zinnen reduziert wird, wodurch der Wirkungsgrad des Verdichters steigt.

[0018] Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Kolbenboden ein Leckluftloch auf. Im Normalbetrieb ist die Schwungmasse der Antriebseinheit und der Kurbel des Kolbenverdichters ausreichend, um den durch die Verdichtungsarbeit verursachten starken Drehmomentanstieg unmittelbar vor Erreichen des oberen Totpunktes zu überwinden. Um trotz der guten Dichtheit einen Wiederanlauf unter Druck auch bei Anlaufstrombegrenzungen zu ermöglichen, ist im Kolbenboden ein Leckluftloch angebracht, das im Anlauffalle einen Druckabfall im Zylinderraum verursacht und eine Blockierung der Antriebseinheit durch einen Luftpolster verhindert.

[0019] Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Kolbenboden mit dem Führungszylinder einstückig ausgebildet ist und mit der Pleuelstange, vorzugsweise durch Rasthaken, verbunden. Um eine einfache Herstellbarkeit des Kolbenbodens und der Pleuelstange zu gewährleisten, wird der Bereich des Kolbenbodens als separates Teil gefertigt, das mit Rasthaken in die Pleuelstange befestigt wird.

[0020] Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Führungsfläche des Führungszylinders mit einer die Reibung reduzierenden Beschichtung versehen. Dadurch wird der Verschleiß drastisch reduziert.

[0021] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht der Kolbenboden mindestens im Bereich der Führungsfläche aus einem besonders reibungsarmen Material. Wie bereits aufgezeigt, wird dadurch die Verschleißfestigkeit erhöht.

[0022] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher beschrieben, das jedoch nur beispielhaft, nicht aber einschränkend aufzufassen ist.

[0023] Es zeigen:

Fig. 1: eine isometrische Schnittansicht durch einen Kolbenverdichter,

Fig. 2: eine Schnittansicht quer durch den Verdichter, wobei die Pleuelstange und der Kolben nicht geschnitten dargestellt sind und die Pleuelstange im oberen Totpunkt ist,

Fig. 3: eine Schnittansicht quer durch den Verdichter, wobei die Pleuelstange und der Kolben nicht geschnitten dargestellt sind und die Pleuelstange bei halber Hubhöhe ist,

Fig. 4: eine isometrische Detailansicht des Kolbens mit Schnitt durch Verbindungshaken

Fig. 5: eine Detailansicht durch Kolben und Ventile, wobei der Kolben im oberen Totpunkt ist,

Fig. 6: eine Schnittansicht durch den Kolben in Verdichtungsrichtung,

Fig. 7: eine Schnittansicht durch den Kolben in Ansaugrichtung.

[0024] Es wird nun zuerst auf Fig. 1 Bezug genommen. Dargestellt sind alle wesentlichen Bauteile eines Kolbenverdichters und eine typische Einbausituation in einem hier nicht näher beschriebenen Außengehäuse 1.

[0025] Über eine Antriebseinheit 2, vorzugsweise einem Elektromotor mit oder ohne Getriebe, wird eine Kurbel 3 mit oder ohne Lüfter angetrieben, die über einen exzentrisch angeordneten Bolzen 5 und ein Lager 4 eine Pleuelstange 6 antreibt, das durch den Kurbeltrieb eine Hubbewegung im Zylinderblock 7 ausführt. Das im Verdichtungstakt verdichtete Medium wird durch das nicht näher beschriebene Auslassventilsystem 8 zum Abgabestutzen 9 gefördert, wo es den Verbrauchern über Schläuche oder Rohrleitungen zugeführt werden kann.

[0026] Fig. 2 zeigt in vereinfachter Darstellung die Stellung der Pleuelstange 6 im Zylinderblock 7 im oberen Totpunkt. Das dem Zylinderblock 7 zugewandte Ende der Pleuelstange 6 ist mit einer kolbenförmigen Ausbildung 10 versehen, die im oberen Totpunkt sehr nahe an den Zylinderkopf 11 ragt. Die Kolbendichtung 14 berührt über den gesamten Umfang die Zylinderlauffläche 15 mit gleichem Druck.

[0027] Fig. 3 zeigt in gleicher Darstellung die Stellung der Pleuelstange 6 im Zylinderblock 7 in einer durch die Kurbel 3 um 90 Winkelgraden gedrehten Position. Die kolbenförmige Ausbildung 10 und der Kolbenboden 22 stehen nunmehr in einer leichten Schiefstellung 13, die sich aus der seitlichen Auslenkung der Kurbel 3 um die halbe Hubhöhe ergibt. Die Kolbendichtung 14 berührt nun weiterhin die Zylinderlauffläche 15 an den dem Betrachter der Fig. 3 zugewandten und abgewandten Seiten mit gleichem Druck. An den Berührungsstellen 16a und 16b entsteht jedoch theoretisch ein geringer Spalt, der aus der Distanzvergrößerung der Berührungspunkte 16a und 16b zum Durchmesser der Zylinderbohrung auf Grund der Schiefstellung 13 resultiert. Bei Verwendung geringer Hübe und langer Pleuelstange 6 kann dieser Spalt gering gehalten werden.

[0028] In der Stellung gemäß Fig. 3 entspricht die Auflagelinie der Dichtung an deren äußeren Dichtlippe 17 einer mathematisch genauen Ellipse.

[0029] Erfindungsgemäß wird eine Dichtungsform gewählt, die beispielhaft in Fig. 4 bis Fig. 7 ersichtlich ist. Die Kolbendichtung 14 weist einen massiven Dichtringkörper 20 auf, der eine ausreichende Steifigkeit gewährleistet, eine äußere Dichtlippe 17, die den Kontakt zur Zylinderlauffläche 15 herstellt, eine innere Führungslippe 18, die die Kolbendichtung 14 auf den Kolbenboden 22 zentriert, einen Anschlag 19, der die Kolbendichtung 14 gegen herausfallen in Richtung oberem Totpunkt schützt und einer Dichtfläche 21, auf der die Kolbendichtung 14 im Verdichtungstakt aufliegt, auf.

[0030] Fig. 4 zeigt im Kolbenboden 22 der auf der kolbenförmigen Ausbildung 10 der Pleuelstange 6 befestigt ist eine Anzahl von Öffnungen 23.

[0031] Fig. 5 zeigt die Kolbendichtung 14 im oberen Totpunkt in starker Vergrößerung.

[0032] Fig. 6 zeigt die Position der Kolbendichtung 14 im Verdichtungstakt. Durch die Bewegung der Pleuelstange 6 nach Überschreiten des unteren Totpunktes in Richtung Zylinderkopf 11 wird durch die Reibung der Dichtlippe 17 zur Zylinderlauffläche 15 die Kolbendichtung 14 mit der Dichtfläche 21 an die Fläche der kolbenförmigen Ausbildung 10 der Pleuelstange 6 gedrückt. Dadurch entsteht ein luftdichter Raum im Bereich des Verdichtungsraumes, der bei weiterer Bewegung der Pleuelstange 6 zu einem Druckanstieg führt. Dieser Druckanstieg drückt in weiterer Folge durch den Querschnitt der Kolbendichtung 14 diese noch stärker an die Dichtfläche 21, wodurch bei zunehmendem Verdichtungsdruck auch die Dichtheit verbessert wird. Durch diesen Druck wird auch die Dichtlippe 17 an die Zylinderlauffläche 15 gepresst und die Führungslippe 18 an die entsprechende, im Wesentlichen zylinderförmige, Führungsfläche eines Führungszylinders 24 des Kolbenbodens 22.

[0033] Durch die Anpressung der Dichtlippe 17 und der Führungslippe 18 wird der Kolbenboden 22 über dessen Führungsfläche des Führungszylinders 24 genau mittig zentriert, wodurch dieser am Anschlagen an die Zylinderlauffläche 15 gehindert wird und eine präzise Kolbenbewegung erfolgen kann.

[0034] Fig. 7 zeigt die Position der Kolbendichtung 14 im Ansaugtakt. Durch den größeren Durchmesser und durch geeignete Wahl der Reibungspartner und Vorspannungen ist die Reibung der Dichtlippe 17 größer als die Reibung der Führungslippe 18. Nach Abbau des durch das Schadvolumen verursachten Überdruckes im Zylinderraum wird durch diese Reibung der Dichtlippe 17 der Kolbendichtung 14 diese relativ zum Kolbenboden 22 in Richtung des oberen Totpunktes bewegt, wodurch die Öffnungen 23 geöffnet werden und den Druckausgleich zwischen Kurbelraum und Zylinderraum ermöglichen. Die durch die Öffnungen 23 entlang der Kolbendichtung 14 strömende kalte Ansaugluft kühlt die Kolbendichtung 14 und den Kolbenboden 22. Durch den Anschlag 19 wird der Weg der Kolbendichtung 14 begrenzt.

[0035] In einer weiterführenden Ausgestaltung ist die Führungsfläche des Führungszylinders 24 des Kolbenbodens 22 von der Zylinderform leicht elliptisch ausgeführt. Die Abweichung vom Kreisquerschnitt entspricht vorzugsweise etwa dem halben Maß des theoretischen Spaltes, der durch die Schiefstellung 13 der Pleuelstange 6 verursachten Distanzerhöhung der Berührungsstellen 16a und 16b. Da die Kolbendichtung 14 weitgehend elastisch ist, kann der örtliche Verlauf der äußeren Dichtlippe 17 und der inneren Führungslippe 18 als parallel angesehen werden. Dadurch wird das Spaltmaß in halber Hubhöhe zwischen äußerer Dichtlippe 17 und Zylinderlauffläche 15 halbiert, wobei in Kauf genommen wird, dass im oberen Totpunkt und im unteren Totpunkt ebenfalls ein etwa gleich großer Fehler, jedoch in 90 Winkelgrad versetzter Stelle entsteht. Die Ausgestaltung der Dichtlippe 17 erlaubt, geringe Spalte durch Bewegung der Dichtlippe 17 zu überbrücken. Durch die Halbierung des beschriebenen Fehlers ist die Belastung der Dichtlippe 17 durch die nötigen Ausgleichsbewegungen zur Abdichtung des theoretischen Spaltes nur mehr sehr gering und kann von geeigneten Materialien überbrückt werden.

[0036] Um eine einfache Herstellbarkeit des Kolbenbodens 22 und der Pleuelstange 6 zu gewährleisten, wird der Bereich des Kolbenbodens 22 als separates Teil gefertigt, das mit Rasthaken 25 in der Pleuelstange 6 gemäß Fig. 4 befestigt wird.

[0037] Die Ausgestaltung der Öffnungen 23 im Kolbenboden 22 ist im Querschnitt bogenförmig gewählt. Der Öffnungsquerschnitt im Bereich der Kolbendichtung 14 ist im Wesentlichen rechtwinkelig zum Öffnungsquerschnitt im Kolbenboden 22 angeordnet. Somit entsteht bei Ansaugstellung der Kolbendichtung 14 ein besonders strömungsgünstiger Kanal, wodurch eine bestmögliche Füllung des Zylinderraumes mit Ansaugluft gewährleistet wird.

[0038] In einer besonderen Ausgestaltung wird der Kolbenboden 22 im Bereich der Führungsfläche des Führungszylinders 24 mit Zinnen 26 ausgestattet, die in die Auslassventilöffnungen des Zylinderkopfes 11 reichen. Durch diese Zinnen 26 wird das Schadvolumen um das Volumen der Zinnen 26 reduziert, wodurch der Wirkungsgrad des Verdichters steigt.

[0039] Im Normalbetrieb ist die Schwungmasse der Antriebseinheit 2 und der Kurbel 3 ausreichend, um den durch die Verdichtungsarbeit verursachten starken Drehmomentanstieg unmittelbar vor Erreichen des oberen Totpunktes zu überwinden. Um trotz der guten Dichtheit einen Wiederanlauf unter Druck auch bei Anlaufstrombegrenzungen zu ermöglichen, kann im Kolbenboden 22 ein Leckluftloch 27 angebracht werden, das im Anlauffalle einen Druckabfall im Zylinderraum verursacht und eine Blockierung der Antriebseinheit 2 durch ein

[0040] Luftpolster verhindert.

Bezugszeichenliste:

[0041] 

1

Außengehäuse

2

Antriebseinheit

3

Kurbel mit Lüfter

4

Lager

5

Bolzen

6

Pleuelstange

7

Zylinder

8

Auslassventilsystem

9

Abgabestutzen

10

Kolbenförmige Ausbildung

11

Zylinderkopf

12

Auslassventilblatt

13

Schiefstellung

14

Kolbendichtung

15

Zylinderlauffläche

16

Berührungsstelle 16a und 16b

17

Äußere Dichtlippe

18

Innere Führungslippe

19

Anschlag

20

Dichtringkörper

21

Dichtfläche

22

Kolbenboden

23

Öffnung

24

Führungszylinder

25

Rasthaken

26

Zinnen

27

Leckluftloch

Ansprüche

1. Kolben für einen Kolbenverdichter, der in einem Zylinderblock bewegbar ist und eine Pleuelstange aufweist, wobei die Pleuelstange an dem im Zylinderkopf vorgesehenen Ende einen Kolbenboden mit einer Kolbendichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbendichtung (14) als massiver Dichtringkörper (20) ausgeführt ist und dieser Dichtringkörper (20) im Querschnitt eine innere Führungslippe (18) und eine äußere Dichtlippe (17) aufweist, wobei die innere Führungslippe (18) eine axiale Führungsfläche besitzt, die auf einer Führungsfläche eines im Kolbenboden (22) vorgesehenen Führungszylinders (24) zentriert ist und der Dichtringkörper (20) in Hubrichtung verschiebbar gelagert ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungszylinder (24) einen von der Zylinderform minimal abweichenden elliptischen Querschnitt aufweist.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtringkörper (20) einen, den Führungszylinder (24) hintergreifenden Anschlag (19) aufweist, der die Ventilhubbewegung der Kolbendichtung (14) begrenzt.

4. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (22), insbesondere im Bereich des Führungszylinders (24), mindestens eine, im Querschnitt vorzugsweise bogenförmig ausgebildete, Öffnung (23) aufweist, durch die im Ansaugtakt entlang dem Dichtringkörper (20) Ansaugluft strömt.

5. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (22) in Fortsetzung des Führungszylinders (24) Zinnen (26) aufweist, die im oberen Totpunkt in Ventillöcher des Zylinderkopfes tauchen.

6. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (22) ein Leckluftloch (27) aufweist.

7. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (22) mit dem Führungszylinder (24) einstückig ausgebildet ist und mit der Pleuelstange (6), vorzugsweise durch Rasthaken (25), verbunden ist.

8. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsfläche des Führungszylinders (24) mit einer die Reibung reduzierenden Beschichtung versehen ist.

9. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (22) mindestens im Bereich der Führungsfläche aus einem besonders reibungsarmen Material besteht.

Zeichnung