Kompressor, insbesondere für die Drucklufterzeugung in Kraftfahrzeugen

Abstract

 Bei einem Axialkolbenkompressor, insbesondere Taumelscheibenkompressor für die Drucklufterzeugung in Kraftfahrzeugen, sind ein ölgeschmiertes Triebwerk (1) und ein ölfrei laufendes Luft-Verdichterteil vorgesehen. Die unter Führung einer Taumelscheibe (5) in Zylinderbohrungen laufenden Kolben (11) weisen an ihrer Rückseite jeweils den durch Kammern (21) gebildeten Saugraum und an ihrer Vorderseite den Druckraum (23) auf. Saugventile (25) sind an den Kolben angeordnet, während Druckventile (29) im durch Kühlöl oder Wasser gekühlten Zylinderkopf (33) vorgesehen sind. Die Abdichtung zwischen ölgeschmiertem Triebwerk (1) und ölfrei laufendem Verdichterteil erfolgt mittels am Außenumfang der Kolbenstangen (13) der Kolben wirkender Abdichtelemente (19). Bei Verwendung von Kühlöl zur Kühlung des Zylinderkopfs (33) dient dieses gleichzeitig als Schmieröl für das Triebwerk (1).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kompressor nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Für die Drucklufterzeugung in Kraftfahrzeugen werden heute weltweit Einzylinder- oder Zweizylinder-Kompressoren verwendet. Die Kompressoren sind an den Motoren der Fahrzeuge angebaut und werden über Zahnräder, vereinzelt auch über Keilriemen, vom Motor direkt angetrieben. Die Schmierung der Kompressoren erfolgt aus dem Ölkreislauf der Motoren. Hierbei gelangt zwangsläufig auch Öl über die Kompressorkolben in die Druckluft. Je nach Zustand der Kompressoren können dies erhebliche Ölmengen sein, die größtenteils an den Lüftungsöffnungen der Druckluftanlagen in die Umwelt, meist auf die Straße, ausgegeben werden und damit als Umweltbelastung anzusehen sind. Bei den heute üblichen hohen Betriebsdrücken und der damit verbundenen hohen thermischen Beanspruchung verkokt außerdem ein Teil dieses Öls im Kompressor; die Ölkohle lagert sich im Zylinderkopf des Kompressors und in den nachgeschalteten Geräten ab und beeinflußt dort sehr nachteilig deren Standzeit.

[0003] Geregelt sind diese Kompressoren durch Druckregelventile (Governor). Hierbei wird der vom ständig mitlaufenden Kompressor geförderte Luftstrom in der Leerlaufphase durch eine Einrichtung am Saugventil des Kompressors gedrosselt oder durch Entlüftungseinrichtungen an den Druckregelventilen in die Atmosphäre abgeleitet. Die in dieser Leerlaufphase vom Kompressor aufgenommene Energie ist reine Verlustenergie. Der Anteil dieser Verlustenergie am Gesamtenergieverbrauch des Kompressors ist nicht unbeträchtlich, denn in Fahrzeugen ist die Einschaltzeit ED, darunter versteht man die Zeit, in der der Kompressor Druckluft in die Anlage pumpt, selten über 30 % der gesamten Laufzeit anzusetzen. Ein Stillsetzen des Kompressors, z. B. über eine Abschaltkupplung, wird nicht praktiziert, weil der Drehmomentenverlauf, besonders die Drehmomentenspitzen, sehr große und kostspielige Kupplungen erforderlich machen.

[0004] Ein weiterer Nachteil sind die negativen Drehmomentenanteile nach OT, als dem oberen Totpunkt des Kolbens im Kompressor. Diese führen bei Zahnradantrieb zu einem Flankenwechsel an den Zahnrädern und dadurch zu einer erheblichen Geräuschbelästigung. Bei Fahrzeugen, wo dies nicht gewünscht ist, wird durch kostspielige Maßnahmen an den Zahnrädern (z. B. Flankenspielminimierung, tangential vorgespannte Zahnräder), das genannte Problem mehr oder weniger befriedigend gelöst.

[0005] Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen insbesondere für die Drucklufterzeugung in Kraftfahrzeugen dienenden Kompressor darzustellen, welcher den vorgenannten Nachteilen und Problemen nicht unterliegt, und welcher bei kompakter Bauweise dennoch vergleichbar preisgünstig zu fertigen ist wie Kompressoren heutiger Bauweise.

[0006] Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale nach dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1.

[0007] Der Kompressor kennzeichnet sich durch einen weitgehend ölfreien Lauf, da mittels der an den Kolbenstangen wirkenden Abstreif- und Dichtelementen eine sehr wirksame Abdichtung zwischen Triebwerk und Verdichterteil, d. h. gegenüber dem an der Rückseite der Kolben befindlichen Saugraum gebildet ist.

[0008] Dadurch ist es möglich, die Saugventile auf den Kolben anzubringen, d. h. der Kompressor saugt durch die Kolben an. Dies hat wiederum den Vorteil, daß im Zylinderkopf mehr Raum für die Kühlung zur Verfügung steht, sodaß es in vielen Fällen möglich ist, den Kompressor mit Kühlöl aus dem Schmiermittelkreislauf des Fahrzeugs zu kühlen. Dies schließt aber nicht aus, daß bei höherer thermischer Beanspruchung Wasserkühlung für den Kompressor angewendet wird.

[0009] Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den weiteren Patentansprüchen aufgeführt.

[0010] Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.

Figur 1

ist eine Längsschnittansicht des Kompressors gemäß der Erfindung, wobei einer der Kolben in versetzter Betriebsstellung gezeigt ist (Linie I-I in Fig. 2); und

Figur 2

ist eine Schnitt- und Draufsicht von Linie II - II in Figur 1.

[0011] Der in Figur 1 und 2 dargestellte Axialkolbenkompressor in Form eines Taumelscheibenkompressors weist ein ölgeschmiertes Triebwerk 1 auf, welches im wesentlichen aus einer auf einer Antriebswelle 3 gelagerten Taumelscheibe 5 und Halbkugeln 7 in Lagerpfannen 9 besteht. Das Triebwerk 1 von an sich bekannter Wirkungsweise wird verwendet, um bei Drehung der Antriebswelle 3 geradlinige Bewegungen der die Kolben 11 tragenden Kolbenstangen 13 zu erreichen. Die Lagerung der Kolbenstangen 13 erfolgt in Lagerbohrungen 15 auf der ölgeschmierten Triebwerksseite. Die Lagerbohrungen 15 erstrecken sich auf einem Teilkreis unter Winkelabstand zueinander parallel zur Längsachse des Kompressors durch einen mittleren Gehäuseabschnitt 17, an welchem den Kolben zugewandt ölabstreifende Abdichtelemente 19 vorgesehen sind. Die an der Rückseite der Kolben befindlichen Kammern 21 sind durch einen Ringraum 22 (Figur 1) zu einem gemeinsamen Saugraum verbunden, in welchen ein Sauganschluß mündet.

[0012] Die Kolben 11 sind mit für den ölfreien Trockenlauf geeigneten Kolbenringen 23 bestückt und bewegen sich in den Zylinderbohrungen vorzugsweise berührungsfrei.

[0013] Jede der an der Rückseite der Kolben befindlichen Kammern 21 - als Saugraum wirkend - ist in vorstehend genannter Weise durch je einen Kolben 11 vom Druckraum 24 des Kompressors getrennt, wobei jeder der Kolben 11 ein Saugventil 25 trägt. Dieses Saugventil stellt während des Saughubes des Kolbens die Verbindung zwischen Saugraum und Druckraum 24 her, wobei sich das Ventil bei gemäß Figur 1 links gerichteter Bewegung des einzelnen Kolbens öffnet, derart, daß Luft durch den Sauganschluß und die miteinander verbundenen Kammern 21 in den Druckraum 24 gelangt und bei nachfolgender, gemäß Figur 1 nach rechts gerichteter Bewegung bei sich schließendem Saugventil 25 über das in der Schnittansicht dargestellte Druckventil 29 und eine ringförmige Druckkammer 30 in den Druckanschluß 31 ausgeschoben wird.

[0014] Durch die vorstehend erläuterte Zweiteilung des Arbeitsvolumens in Saugraum und Druckraum ist es möglich, den die Druckventile 29 tragenden Zylinderkopf 33 des Kompressors in optimaler Weise zu kühlen, da mehr Kühlfläche zur Verfügung steht. Bei dem in Figur 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Kühlöl- und Schmierölkreislauf identisch, wobei das Drucköl über den Einlaß 35 aus dem Schmiermittelkreislauf des Fahrzeugmotors dem Kompressor zugeführt wird. Hierbei strömt das Öl zunächst zur Kühlung über den Ringraum 37 und die Verbindung 39 durch den Zylinderkopf in die zentrale Ölkammer 41; diese ist durch das stirnseitige Ende der Antriebswelle 3 des Kompressors begrenzt. Durch die Antriebswelle erstreckt sich zentral eine Ölbohrung 43, von welcher an verschiedenen Positionen Zweigbohrungen 45 abzweigen. Mit Hilfe der bezüglich der Ölkammer 41 ersten Zweigbohrung wird gemäß Darstellung das rechte Ende der Antriebwelle 3 geschmiert; über weitere Zweigbohrungen wird Öl in den Innenbereich des Triebwerks eingeleitet. Im Inneren des Triebwerks dient das Öl zum Schmieren sämtlicher reibungsbehafteter Teile und verläßt den Kompressor durch einen Auslaß 47, welcher mit dem Inneren des Triebwerks in Verbindung steht. Im Bereich der Schmierung des rechtseitigen Endes der Antriebswelle 3 ist eine Dichtung 48 vorgesehen, welche das Eindringen von Öl in die Saugräume verhindert. Über den Auslaß 47 gelangt das Öl wieder in den Schmiermittelkreislauf des Fahrzeugmotors.

[0015] Der Transport des Kühlöls ist nicht auf die Verbindung aus Ölbohrung 43 und Zweigbohrungen 45 beschränkt, d. h. da einer weiteren Variante wird das Kühlöl 41 entlang dem Außenumfang des Gehäuses bzw. in der Gehäusewandung plazierten Kanälen in das Triebwerk 1 geleitet. In diesem Falle ist die Ölkammer 41 gegenüber dem zugewandten Ende der Antriebswelle 3 verschlossen.

[0016] Im Falle der Verwendung von Wasser aus dem Kühlkreislauf des Fahrzeugmotors für die Kühlung des Kompressors ist der vorgenannte Schmiermittel- und Kühlmittelkreislauf getrennt und die in Figur 1 dargestellte Verbindung 39 entfällt. Durch den Einlaß 35 wird nur Kühlwasser eingeleitet. In dem anhand von Figur 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Kühlwasserauslaß und der an anderer Stelle des Kompressors befindliche Schmiermitteleinlaß nicht gezeigt.

[0017] Der sehr günstige Drehmomentverlauf des vorstehend beschriebenen Kompressors macht die Verwendung von einer kompakten, kostengünstigen Abschaltkupplung möglich. Es ist möglich, die Abschaltkupplung, hier als elektromagnetische Kupplung 49 dargestellt, platzsparend im Innenraum des Kompressors unterzubringen. Die Taumelscheibe 5 ist hierbei drehbar auf der Antriebswelle 3 gelagert und wird bei Anregung des Magneten von einer drehfest auf der Antriebswelle 3 befestigten Magnetscheibe 51 angetrieben. Die Magnetscheibe 51 nimmt hierbei unter Reibschluß eine mit der Taumelscheibe 5 z.B. durch Schrauben verbundene Mitnehmerscheibe 52 mit. Bei Entregung des Magneten löst sich der Eingriff zwischen Mitnehmerscheibe und Magnetscheibe, so daß die Antriebswelle 3 leer durchläuft und die Kompressorkolben abgeschaltet sind.

[0018] In ähnlicher Bauweise ist die Regelung mit einer pneumatisch geschalteten Kupplung möglich.

[0019] Mit der vorstehend erläuterten Art der Abschaltregelung ist es möglich, im Durchtrieb durch den Kompressor andere Geräte, wie z. B. eine Lenkhilfepumpe anzutreiben, auch wenn der Kompressor ausgekuppelt ist. Die mögliche Regelung des Kompressors mit einer Abschaltkupplung hat neben der optimalen Energieeinsparung den Vorteil, die Standzeit der ölfrei laufenden Kolbenringe 23 als auch die Standzeit der Abdichtelemente 19 auf den Kolbenstangen 13 so zu erhöhen, daß unter der Berücksichtigung der eingangs erwähnten Einschaltzeit ED von maximal 30 % mit diesen Bauteilen eine insgesamt ausreichende Standzeit erreicht wird.

[0020] Weil im erfindungsgemäßen Kompressor die Antriebswelle und die Taumelscheibe getrennt sind, ist es möglich, die Taumelscheibe aus einem kostengünstig herstellbaren und gut gleitfähigen Werkstoff, wie z. B. Al-Guß herzustellen.

Bezugszeichenliste

[0021] 

1

= Triebwerk

3

= Antriebswelle

5

= Taumelscheibe

7

= Halbkugel

9

= Lagerpfanne

11

= Kolben

13

= Kolbenstange

15

= Lagerbohrung

17

= Gehäuseabschnitt

19

= Abdichtelement

21

= Kammer

22

= Ringraum

23

= Kolbenring

24

= Druckraum

25

= Saugventil

29

= Druckventil

30

= Druckkammer

31

= Druckanschluß

33

= Zylinderkopf

35

= Einlaß

37

= Ringraum

39

= Verbindung

41

= Ölkammer

43

= Ölbohrung

45

= Zweigbohrung

47

= Auslaß

48

= Dichtung

49

= elektromagnetische Kupplung

51

= Magnetscheibe

52

= Mitnehmerscheibe

Ansprüche

1. Kompressor, insbesondere für die Drucklufterzeugung in Kraftfahrzeugen, mit einem durch eine Antriebswelle angetriebenen, mit einer Taumelscheibe versehenen und durch Öl geschmierten Triebwerk, welches mittels Kolbenstangen mit in Zylinderbohrungen laufenden Kolben in Verbindung steht, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) das ölgeschmierte Triebwerk (1) des Kompressors ist mittels gegenüber jeder der Kolbenstangen (13) wirkender Abdichtelemente (19) gegenüber an der Rückseite der Kolben (11) bestehenden, ölfreien Kammern (21) abgedichtet;

b) die Kammern (21) sind durch einen Ringraum (22) miteinander verbunden und stehen mit einem gemeinsamen Sauganschluß in Verbindung; und

c) jeder Kolben (11) trägt ein Saugventil (25), derart, daß die Druckräume (24) des Kompressors zwischen Kolbenvorderseite und Zylinderkopf (33) gebildet sind.

2. Kompressor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der Zylinderkopf (33) trägt die Druckventile (29) des Kompressors; und

b) der Zylinderkopf (33) weist wenigstens einen Kühlmittelraum (Ringraum 37) zur Kühlung der Druckseite des Kompressors mittels Kühlöl oder Wasser auf.

3. Kompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Kühlöl das Triebwerk (1) des Kompressors durch das Kühlöl des Zylinderkopfs (33) geschmiert ist.

4. Kompressor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der Ringraum (37) im Inneren des Zylinderkopfs (33) steht mit einem Einlaß (35) für das Kühl- und Schmieröl in Verbindung;

b) der Zylinderkopf (33) begrenzt im Inneren des Kompressors eine zentral in Richtung des Triebwerks (1) sich erstreckende, über eine Verbindung (39) mit dem Ringraum (37) in Verbindung stehende Ölkammer (41); und

c) die Ölkammer (41) ist triebwerksseitig durch die Antriebswelle (3) begrenzt und steht über mit in der Antriebswelle verlaufenden, zum Triebwerk führenden Bohrungen (Ölbohrung 43; Zweigbohrungen 45) in Verbindung.

5. Kompressor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine im Inneren des Kompressors die Antriebswelle (3) umgebende, elektromagnetisch oder pneumatisch betätigbare Kupplung (49) zur Koppelung der Antriebswelle (3) mit der Taumelscheibe (5).

6. Kompressor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Taumelscheibe (5) drehbar auf der Antriebswelle (3) gelagert und mittels der Kupplung (49) drehfest mit der Antriebswelle (3) koppelbar ist, so daß die Taumelscheibe (5) und die Antriebswelle (3) aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt werden können.

7. Kompressor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (3) aus Stahl besteht, und daß die Taumelscheibe (5) aus einem kostengünstig herstellbaren, gut gleitlagerfähigen Werkstoff, z. B. Aluminium-Guß, ausgeführt ist.

Zeichnung