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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere einen Kolbenkompressor gemäß der Ansprüche 1 bis 3.
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Stand der Technik
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Zur Steuerung der Zylinderbefüllung von Hubkolbenmaschinen ist der Einsatz von Einlassventilen bekannt. Dazu zeigt der Stand der Technik verschiedene Ausführungsformen. Zum Beispiel zeigt die
DE 10 2007 053 750 B4 ein blattfederartiges, am Kolbenboden festgeschraubtes Einlassventil mit Federzunge. Die
DE 101 57 702 B4 zeigt ein mittels Magneten an der Stirnseite des Kolbens befestigtes, blattfederartiges Einlassventil mit fingerartigem, elastisch biegbarem Schaltteil. Die
DE 103 02 303 B4 zeigt ein an der Stirnseite des Kolbens lösbar befestigtes Zungenventil, und die
DE 197 43 444 C2 zeigt ein am Kolbenboden angeordnetes, mittels schließender Druckfeder und Nocken gesteuertes Einlassventil zur Vermeidung von Rückexpansionen im Kompressionsraum. Die
DE 10 2011 115 836 A1 zeigt ein im Kolbenboden angeordnetes Einlassventil mit Nockensteuerung.
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Aufgrund der wirtschaftlichen Gegebenheiten ist das Thema Energiesparen insbesondere auch im Bereich von Hubkolbenmaschinen ein permanent zu berücksichtigender Gesichtspunkt.
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Der vorliegenden Erfindung wurde daher die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Hubkolbenmaschinen, insbesondere die Verbesserung deren Wirkungsgrads zugrunde gelegt.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt, ausgehend von den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 2 und 3 durch deren kennzeichnende Merkmale. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen angegeben.
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Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung gemäß des Anspruchs 1 eine Hubkolbenmaschine, insbesondere einen Kolbenkompressor, umfassend einen in einem Zylinder axial beweglich angeordneten Kolben, mit einem in dessen Kolbenboden begrenzt axial beweglich angeordneten Einlass-Ventilkörper. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der Wandung einer Öffnung im Kolbenboden und dem in dieser Öffnung eingesetzten Ventilschaft des Einlass-Ventilkörpers ein radiales Spiel ausgebildet ist.
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Ein solches radiales Spiel wird durch Ausbildung eines großen Spaltmaßes zwischen der Wandung der Öffnung im Kolbenboden und dem Ventilschaft erreicht. Unter einem solchen großen Spaltmaß ist erfindungsgemäß ein derart großer Abstand zwischen den Oberflächen dieser beiden Elementen, Wandung und Ventilschaft, zu verstehen, dass der Ventilschaft frei in der Öffnung im Kolbenboden geführt ist. Insbesondere soll durch dieses radiale Spiel ein Verkippen der durch den Ventilschaft verlaufenden Längsachse gegenüber der Längsachse der im Kolbenboden ausgebildeten Öffnung um einen hierdurch ausgebildeten Kippwinkel in einem Bereich von ca. 0,5° bis ca. 3° und/oder ein radialer Versetz im Dichtbereich zwischen Ventilsitz und Ventilteller ermöglicht werden. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein möglichst früher Abriss von Fluidfilmen (zum Beispiel Schmiermittel) zwischen Wandung der Öffnung im Kolbenboden und Ventilschaft beim Öffnen des Einlassventils in Rückhaltekräfte reduzierender Weise erreicht werden. Dies wiederum bewirkt ein früheres Öffnen des Einlassventils und damit einen früheren Beginn des Aufladens des Zylinderraums. Insbesondere kann hierdurch in den Wirkungsgrad verbessernder Weise, eine vergleichsweise erhöhte bzw. verbessere Einströmung von zu verdichtenden Fluid in den Zylinderraum bewirkt werden.
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Des Weiteren kann in vorteilhafter Weise ein radialer Versatz im Dichtbereich zwischen Ventilsitz und Ventilteller zur Verfügung gestellt werden. Hierdurch kann zum einen ein unsteter, also nicht immer an der gleichen Stelle auftretender Erstkontakt zwischen den beiden Dichtelementen, Ventilsitz und Ventilteller, bezogen auf die zwischen diesen beiden ausgebildeten Dichtflächen ermöglicht werden. Dadurch können die damit einhergehenden Krafteinwirkungen auf die betreffenden Oberflächen, in die Haltbarkeit verlängernder und damit auch die Wirtschaftlichkeit einer derartigen Hubkolbenmaschine weiter erhöhender Weise, flächiger verteilt werden.
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Diesen, wie auch den nachfolgenden Aspekten, liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es sich bei einem Einlassventil um ein dynamisches hochbelastetes Teil handelt. Dabei gilt es, die auf das Ventil einwirkenden Kräfte so zu begrenzen, dass die eingesetzten Werkstoffe im Dauerfestigkeitsbereich liegen und keine Brüche auftreten. Des Weiteren verursachen kleine Aufschlagkräfte weniger Verschleiß an den Anschlägen und ermöglichen einen ruhigeren Lauf des Ventils. Es wurde erkannt, dass eine sehr dünne Ausgestaltung des Ventiltellers diesbezüglich große Vorteile bringen kann. Zum einen spart dies Gewicht und erhöht zum anderen auch die Elastizität des Tellers, was wiederum vorteilhaft eine größere Ausfederung desselben beim Stoß des Ventils gegen den Kolben ermöglichen kann und somit die Impulskraft reduzieren kann.
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Andererseits wurde erkannt, dass der Ventilteller dem Gasdruck beim Verdichten standhalten muss. Dazu ist es vorteilhaft, wenn entsprechende Strukturen vorgesehen sind, die zur Unterstützung der dünnen Wandstärken dienen. Beispielsweise in der Form mittiger Abstützstrukturen.
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Um eine zuverlässige Abdichtung des Einlassventils zu bewirken, und damit ein einwandfreies Funktionieren des Ventils, wird es ebenfalls als vorteilhaft betrachtet, dass das Ventil zuerst am Dichtsitz abdichtet und erst nachfolgend elastisch an einem weiteren Anschlag zur Anlage kommt. Gemäß eines zweiten Aspektes betrifft die vorliegende Erfindung demnach eine Hubkolbenmaschine, insbesondere Kolbenkompressor, umfassend einen in einem Zylinder axial beweglich angeordneten Kolben, mit einem in dessen Kolbenboden begrenzt axial beweglich angeordneten Einlass-Ventilkörper. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass der Einlass-Ventilkörper, bezogen auf die Schließstellung entlang seiner Längsbewegungskurve zwei Anschläge aufweist.
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Dies hat den Vorteil, dass der Ventilteller mit einer gestuften Krafteinwirkung und damit mit insgesamt für den Schließvorgang deutlichen reduziert auftretenden Maximalkräften am Einlass-Ventilkörper belastet wird, insbesondere im Dichtbereich des Ventildeckels. Aber auch besonders im Übergangsbereich zwischen Ventildeckel und dem daran befestigten, auf den Flächenquerschnitt bezogen, eine massiv erhöhte Masse aufweisenden und damit kinetische Energie aufnehmenden und somit beim Schließvorgang genau in diesen Verbindungsbereich einleitenden Ventilstößel kann dadurch eine materialschonende Arbeitsweise bewirkt werden. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die Struktur des Ventiltellers an der dem Ventilsitz zugewandten Seite, bezogen auf einen jeweils nicht belasteten Zustand, der Ventilteller zuerst in einem, von der Achse aus betrachtet radial äußeren Bereich mit seiner dem Ventilsitz zugewandten Seite auf eben diesen Ventilsitz aufliegt. Dieser stellt beim Schließvorgang des durch den Ventilteller und den Ventilsitz ausgebildeten Einlassventils den ersten Anschlag des Einlass-Ventilkörpers dar. Dieser Auflagebereich bildet vorzugsweise gleichzeitig den Dichtbereich zwischen Ventilteller und Ventilsitz aus.
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Der zweite Anschlag entlang des Einlass-Ventilkörpers, bezogen auf seine Schließstellung entlang seiner Längsbewegungskurve, liegt gegenüber dem ersten Anschlag radial innerhalb, hin in Richtung zur Längsachse des Ventilkörpers. Er weist, im ruhenden Auflagezustand des Ventilkörpers auf den ersten Anschlag, einen Abstand "A" auf, zwischen den beiden komplementären Anschlagsflächen, an der Unterseite des Ventiltellers und der dieser zugewandten Fläche des kolbenbodenseitigen, zweiten Anschlagbereichs. Diese komplementären Flächenbereiche des zweiten Anschlags des Einlass-Ventilkörpers können insbesondere bevorzugt ab der Wandung der Öffnung im Kolbenboden radial auswärts gehend sich erstrecken. Der kolbenseitige Bereich kann dabei durch eine entsprechend geformte Struktur des Kolbenbodens realisiert sein. Durch die Ausbildung des Abstands "A" zwischen Ventiltellerunterseite und kolbenseitiger, komplementärer zweiter Anschlagfläche kann dem Ventilkörper in diesem Bereich eine entsprechend lange Verzögerungsstrecke zum Abbau der ihm inhärenten, kinetischen Energie beim Schließvorgang des Einlass-Ventilkörpers in insbesondere materialschonender Weise zur Verfügung gestellt werden. Zusätzlich können durch die Reduzierung der insgesamt auftretenden Maximalkräfte auch geräuschreduzierende Effekte bewirkt werden.
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Bei Ausbildung einer Schräge bzw. eines Konus im ersten Anschlag, zumindest an einem der beiden Ventilelemente, Unterseite des Ventiltellers und/oder der ihr komplementären Fläche des Ventilsitzes, kann in weiter vorteilhafter Weise einerseits eine gute Abdichtung der durch sie ausgebildeten Dichtbereiche bewirkt werden, auch bei nicht axial zentrierter Ausrichtung des Ventilkörpers beim Schließvorgang. Andererseits kann durch die Schräge bzw. Konusform weiter vorteilhaft eine Zentrierung und/oder ein Verkantschutz des Ventilkörpers beim und/oder während des Schließvorgangs bewirkt werden.
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Bezüglich des zweiten, Schaft näheren Anschlags kann in vorteilhafter Weise ein verlaufender Übergang zwischen der zur Aufnahme des Ventilschaftes im Kolbenboden ausgebildeten Öffnung und der den zweiten, kolbenseitigen Anschlag ausbildenden Oberfläche ausgebildet sein, zum Beispiel abgerundet. Hierdurch kann eine flächigere Verteilung der Aufprallkräfte in Maximalkräfte reduzierender und damit materialschonender Weise bewirkt werden. Unterschiedliche Steigungen der Oberflächenausrichtungen der Unterseite des Ventildeckels und der kolbenseitigen, zweiten Anschlagfläche können diese vorteilhaften Effekte noch weiter erhöhen. Insbesondere kann damit für den Ventilteller ein federndes Abrollen auf der Ventildeckel seitigen Anschlagfläche erzielt werden.
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Derartige Ventilstrukturen ermöglichen in vorteilhafter Weise eine sehr leichte Bauweise des Einlass-Ventilkörpers, insbesondere des Ventildeckels. Aufgrund der damit erzielbaren, geringen Masse kann ein weiter verringerter Widerstand beim Öffnen des Einlassventils und hierdurch eine verbesserte Ladeeigenschaft des betreffenden Kolbens in weiter den Wirkungsgrad einer solchen Hubkolbenmaschine verbessernder Weise bewirkt werden.
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Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung eine Hubkolbenmaschine, insbesondere einen Kolbenkompressor, umfassend einen in einem Zylinder axial beweglich angeordneten Kolben, mit einem in dessen Kolbenboden begrenzt axial beweglich angeordneten Einlass-Ventilkörper. Diese Hubkolbenmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass ein Vorspannmittel bezüglich der Öffnung des Einlass-Ventils vorgesehen ist.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform sind die Vorspannmittel so ausgebildet, dass das Einlassventil bei ausgeschaltetem Kompressor offen steht. Wenn der Kompressor anläuft, sprich bei niedriger Drehzahl, bleibt das Ventil immer noch offen. Es wird nur kurzzeitig im Bereich des OT von dem unter Druck geschlossenem Auslassventil zurück gedrückt. Es findet keine Kompression statt. Erst bei zunehmender Drehzahl, respektive Nenndrehzahl, bewirken die auf die Ventilkörper wirkenden Massenkräfte, dass das Einlassventil schließt und die Hubkolbenmaschine zu verdichten beginnt.
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Damit kann erfindungsgemäß eine Anlaufentlastung für Hubkolbenmaschinen realisiert werden. Hierdurch ist es insbesondere möglich, das bei Kolbenkompressoren gefürchtete hohe Startmoment zu reduzieren. Vorteilhaft kann der Anlaufstrom des elektrischen Antriebs damit wesentlich verringert und der Wirkungsgrad erhöht werden.
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Zusätzlich kann damit auch das Problem behoben werden, dass Kompressoren beim Anlauf unter hohem Druckverhältnis stehen bleiben, weil der Kolben über die hohe Kompression ein für den elektrischen Antriebsmotor zu hohes Startmoment erzeugt. Abhilfe schafft bei auf dem Markt erhältlichen Geräten nur ein extern gesteuertes Ventil, das für eine Anlaufentlastung sorgt. Diese Anlaufentlastung ist bei einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine, insbesondere einem Kompressor zum Beispiel mittels einer Druckfeder realisiert. Beispielsweise kann eine solche zwischen Kolbenboden und Ventilteller angeordnet sein. Damit ist das Vorspannungsmittel in weiter vorteilhafter Weise zugleich auch noch integriert und funktioniert selbsttätig.
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Mittels einer zweiten Ausführungsform eines solchen Vorspannmittels kann zum Beispiel alternativ zur Ersten eine Einflussnahme auf den Öffnungsvorgang des Einlass-Ventils realisiert werden. So kann beispielsweise eine Reduzierung des Öffnungswiderstandes beim Öffnen des Einlassventils in den Ladevorgang in weiter verbessernder Weise und damit auch den Wirkungsgrad einer derart ausgestatteten Hubkolbenmaschine verbessernder Weise bewirkt werden. Insbesondere während der Verzögerungsphase des Kolbens. Zusätzlich können durch ein derartiges Vorspannmittel die Anschlagkräfte beim Schließvorgang des Einlassventils reduziert werden, ebenfalls in materialschonender und lärmreduzierender Weise.
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Des Weiteren eröffnet ein solches Vorspannmittel die Möglichkeit einer Einflussnahme auf die Steuerkurve des Einlassventils. Damit kann, je nach Anwendungsfall, beispielsweise ein früheres Öffnen durch eine stärkere Öffnungskraft und/oder eher eine materialschonendere Reduzierung der Anschlagkräfte während des Schließvorgangs durch eine kleinere Öffnungskraft in den Vordergrund gestellt werden. In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform kann ein solches Vorspannmittel beispielsweise ein Federelement sein, insbesondere eine Spiralfeder. Eine solche kann zwischen dem Kolbenboden und dem Ventilteller angeordnet werden. Besonders bevorzugt fixiert, insbesondere am Kolbenboden, da dadurch eine weitere Masseeinsparung bezüglich des Einlass-Ventilkörpers erreicht werden kann. Ein weiterer Vorteil einer Fixierung liegt im dadurch definierten Auflagepunkt des Ventiltellers bezüglich des Kolbenbodens. Ein Verklemmen und eine möglicherweise dadurch verursachte Undichtigkeit des Einlassventils beim Schließvorgang kann damit zuverlässig verhindert werden.
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Als insbesondere bevorzugt wird es angesehen, wenn im geschlossenen Zustand des Einlassventils die radiale Erstreckung des Ventilschaftes kleiner als die radiale Erstreckung der den Ventilstößel aufnehmenden Öffnung im Kolbenboden ist. Damit kann sichergestellt werden, dass über die gesamte Länge der Aufnahme-Öffnung, in Bezug auf eine axiale Bewegung des Ventilstößels, durchgängig eine freie Bewegung des betreffenden Stößelabschnittes im Öffnungsabschnitt ausgebildet ist.
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In weiter vorteilhafter Weise kann es vorgesehen sein, dass ein den Öffnungsweg des Einlass-Ventilkörpers begrenzender Anschlag elastisch verformbar ausgebildet ist. Auch damit kann eine Reduzierung der auf den Ventilkörper wirkenden Kräfte, wiederum in materialschonender und/oder auch akustischer Geräusche reduzierender Weise, erzielt werden. Des Weiteren kann hierdurch eine kipptolerable Rückstellung und/oder ein Versatzausgleich realisiert werden. Ein solcher, elastisch verformbarer Anschlag kann zum Beispiel tellerartig an der Unterseite des Kolbenbodens, also der dem Ventilteller am Kolbenboden gegenüberliegenden Seite ausgebildet sein. Zum Beispiel in der Form von radial von der Ventilschaftachse auswärts gerichteten, eine Federwirkung entfaltenden Strukturen. Diese können zum Beispiel in der Form einer tellerartigen Struktur ausgebildet sein, welche sich an einer entsprechend komplementären Fläche abstützen. Möglich wäre dies auch in der Form eines Stern und/oder eines zusätzlich dazwischen gefügten Federelementes, insbesondere bevorzugt wiederum eine Schraubenfeder und/oder ein gummielastisches Material oder dergleichen.
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In weiter bevorzugter Weise kann es vorgesehen sein, dass der Öffnungsweg des Ventilkörpers mit einer derartigen Länge ausgebildet ist, dass die Strömungsverluste beim Aufladen des Zylinders gegen Null gehen.
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Dazu kann es vorgesehen sein, dass sich der Öffnungsweg des Einlass-Ventilkörpers über die Bewegungsstrecke vom Schließzustand bis zur Anlage des ventilkörperseitigen Öffnungsanschlags am kolbenseitigen Öffnungsanschlag erstreckt. Auch hierdurch ist eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads einer derart ausgebildeten Hubkolbenmaschine möglich.
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Des Weiteren wird es als vorteilhaft betrachtet, wenn der Ventilsitz mit einem Radialversatz-Toleranzausgleich und/oder einer Zentrierführung für den Ventilteller ausgebildet ist.
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Ein solcher Radialversatz-Toleranzbereich kann zum Beispiel mittels eines kreisringartig, großflächig ausgebildeten Dichtbereichs zwischen Ventilsitz und komplementärer Dichtfläche an der Unterseite des Ventiltellers realisiert werden. Insbesondere mittels konischen bzw. schrägen Anlageflächen am Ventilsitz und/oder insbesondere am Einlass-Ventilkörper kann eine Rückstellung auf eine zentrale Position des Ventilkörpers bewirkt werden. In besonders vorteilhafter Weise ist der an der Ventilteller-Unterseite ausgebildete Dichtbereich konisch bzw. in Bezug auf eine Längsachse durch den Einlass-Ventilkörper schräg verlaufende Dichtstruktur ausgebildet.
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Des Weiteren kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass am Einlass-Ventilkörper und/oder am Kolben eine Verkantschutz- und/oder Zentrierstruktur ausgebildet ist. Zum Beispiel durch abgerundete Übergänge zwischen Ventilschaft und Ventilteller-Unterseite und/oder an der Wandung der komplementären Aufnahmeöffnung am Kolben. Beispielsweise federelastisch, zum Beispiel in Form einer Spiralfeder zwischen dem Kolbenboden und dem Ventilteller. Dies erleichtert das Öffnen und reduziert zusätzlich Anschlagskräfte, insbesondere beim Schließvorgang, und kann die Ansaugwirkung und damit den Wirkungsgrad verbessern. Insbesondere während der Verzögerungsphase des Kolbens.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann die Führungslänge der den Ventilstößel aufnehmenden Öffnung im Kolben ≤ 3 mal des Schaftdurchmessers des Einlass-Ventilkörpers ausgebildet sein, vorzugsweise ≤ 2 mal, insbesondere ≤ 1,5 mal. Dies erhöht die Bewegungsfreiheit für den Schaft des Einlass-Ventilkörpers und reduziert damit andernfalls möglicherweise auftretende Rückhaltekräfte, wie sie beispielsweise bei enger Führung durch Reibung komplementärer Oberflächen des Schaftes bzw. der ihn aufnehmenden Öffnung und/oder sich dazwischen ausbildenden Fluidfilmen entstehen könnten. Bei ausreichend großem Abstand, also entsprechendem Spiel zwischen Ventilschaft und der ihn aufnehmenden, im Kolbenboden ausgebildeten Öffnung können sowohl solche sich negativ auswirkenden Berührungen der beiden komplementären Teile insgesamt in der Anzahl der auftretenden Ereignisse als auch insbesondere in der Länge des zeitlichen Verlaufs massiv reduziert werden. Für Fluidfilme gilt, dass, sofern überhaupt welche auftreten, solche vergleichsweise rasch durch deren Abriss eliminiert werden. Damit ist in mehrfacher Hinsicht in vorteilhafter Weise eine Reduzierung von potentiellen Rückhaltekräften möglich.
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Ausführungsbeispiel
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Mögliche Ausführungsformen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren wie folgt beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Hubkolbenmaschine, insbesondere einen Kolbenkompressor, mit im Kolbenboden angeordneten Einlassventil,
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2 und 3 zwei Schnittdarstellungen durch einen Kolben mit im Kolbenboden angeordnetem Einlassventil, jeweils quer zur Kolbenachse (2), und längs der Kolbenachse (3),
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4 und 5 wie 3, jedoch mit Ausschnittsanzeige für eine vergrößerte Darstellung gemäß der 5,
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6 eine Draufsicht auf den Ventildeckel in der Darstellung der 4,
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7 und 8 eine gegenüber der 5 abgeänderte Ausführung, ohne Vorspannmittel in zwei verschiedenen Anschlagspositionen des Einlass-Ventilkörpers (7 erste Anschlagsposition, außen und 8 erste und zweite Anschlagsposition, außen und innen),
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9 bis 16.1 eine Abfolge von Positionen eines Kolbens und eines in dessen Boden angeordneten Einlassventils in Abhängigkeit des Kurbelwellendrehwinkels, wobei die X.1 jeweils einen vergrößerten Ausschnitt der betreffenden X zeigt,
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17 zeigt eine Kurvendarstellung "Ventil-/Drehwinkel" über 180° Drehwinkel zwischen OT und UT und
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18 und 19 zeigen jeweils eine Kurvendarstellung "Hub-/Kurbelwinkel" bezüglich des Weges des Kolbens und des darin eingesetzten Einlassventils (17 ohne und 18 mit Vorspannmittel) über 180° Drehwinkel zwischen OT und UT.
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Allgemein zeigt die 1 in einer schematischen Schnittdarstellung eine Hubkolbenmaschine 1. Als eine mögliche, bevorzugte Ausführungsform visualisiert sie einen Kolbenkompressor 2 mit einem Zylinder 3, einen axial darin beweglichen Kolben 4 mit Kolbenboden 5 und einem in diesem Kolbenboden angeordneten Einlass-Ventilkörper 6. Ferner umfasst diese Hubkolbenmaschine ein den Kolben 4 betätigendes Pleuel 7, welches einerseits von einer Kurbelwelle 8 angetrieben wird, welche ihrerseits in einem von einem Kurbelwellengehäuse 9 umschlossenen Kurbelwelleninnenraum 10 angeordnet ist. Über eine durch das Kurbelwellengehäuse 9 verlaufende Ansaugöffnung 11 ist eine Fluidverbindung zwischen dem außerhalb des Kurbelwellengehäuses befindlichen Raum und dem Kurbelwelleninnenraum 10 zur Fluidzufuhr, insbesondere Gaszufuhr über einen Bereich der Hubkolbenmaschine realisiert, welcher während des Betriebs vergleichsweise kühl bleibt. Dadurch erfährt das während eines Ansaugtaktes zugeführte Fluid oder Gas eine vergleichsweise geringere Erwärmung und damit eine geringere Expansion, sodass eine vergleichsweise größere Anzahl an Fluid- insbesondere Luftmolekülen in den Kompressionsraum 3.1 zur nachfolgenden Verdichtung, in den Wirkungsgrad verbessernder Weise zugeführt werden kann.
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Auslassseitig ist am Zylinder 3 ein Auslassventil 12 angeordnet, welches bei Erreichen eines entsprechenden Drucks im Kompressionsraum 3 öffnet und über eine Auslassöffnung 13 das komprimierte Fluid aus dem Kompressionsraum 3.1 entweichen lässt.
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Die 2 und 3 zeigen Schnittdarstellungen durch einen Kolben 4, jeweils um 90° gegeneinander um eine Längsachse 4.1 durch den Kolben 4 verdreht dargestellt. In der 4 ist das Lager 4.2 zur Aufnahme des Abstützpunktes des Pleuels in Schnittdarstellung zu sehen, und in der 3 in Stirnansicht.
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Im Kolben 4 ist eine Ventilkörperaufnahme 14 in der Form einer im Kolbenboden 5 ausgebildeten Öffnung 15 zur Aufnahme des Einlass-Ventilkörpers 6 realisiert. Der Einlass-Ventilkörper 6 umfasst tellerunterseitig einen Ventilschaft 6.1 und einen Ventilteller 6.2, und dieser wiederum einen ersten, ventilseitigen Anschlag 6.2.1 und einen zweiten ventilseitigen Anschlag 6.2.2. Der erste ventilseitige Anschlag 6.2.1 bildet mit einem ersten kolbenseitigen Anschlag 5.1 in der Form eines Ventilsitzes 5.1 den Dichtbereich des Einlassventils aus.
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Bevorzugt ist der Einlass-Ventilkörper 6 rotationssymmetrisch aufgebaut und im Kolbenboden 5 konzentrisch mittels einer so genannten "Spielpassung" axial und insbesondere radial beweglich in der Öffnung 15 im Kolbenboden 5 aufgenommen. Das heißt, dass zwischen der Wandung 15.1 der Öffnung 15 und dem in dieser Öffnung eingesetzten Ventilschaft 6.1 ein radiales Spiel ausgebildet ist. Das heißt, dass im geschlossenen Zustand des Einlassventils die radiale Erstreckung des Ventilschaftes kleiner als die radiale Erstreckung der dem Ventilstößel aufnehmenden Öffnung im Kolbenboden ist, wie dies beispielsweise in der als Vergrößerung der 4 dargestellten 5 deutlich erkennbar ist. Weiterhin zeigt die 5 den Einlass-Ventilkörper 6 in einer Position, in welcher der erste ventilseitige Anschlag 6.2.1 am ersten kolbenseitigen Anschlag 5.1, also dem Ventilsitz 5.1, aufliegt, wobei der zweite Anschlag 6.2.2 entlang der Längsbewegungskurve des Einlass-Ventilkörpers 6, bezogen auf diese Schließstellung, vom zweiten kolbenseitigen Anschlag 5.2 mit einem Abstand "A" beabstandet ist.
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Dieser Zustand kann beispielsweise in einem statischen Zustand auftreten, wenn der Ventilteller nur außenseitig, am Rand der Öffnung, aufliegt und ansonsten keiner Kraftwirkung ausgesetzt ist. Ein zweites Mal kann diese Situation auftreten, wenn das Einlassventil gerade schließt, also der Einlass-Ventilkörper 6 sich im Schließmodus befindet, sich also gegen den Kolbenboden 5 bewegt. In diesem Fall bewegt sich nachfolgend der Ventilschaft 6.1 aufgrund der ihm inhärenten, axialen Bewegungsenergie weiter in Richtung Kolbenboden, bis der zweite ventilseitige Anschlag 6.2.2 am zweiten kolbenbodenseitigen Anschlag 5.2 zur Anlage kommt, um die restliche in axialer Schließrichtung dem Einlass-Ventilkörper innewohnende Energie abzufangen bzw. abzubauen.
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Des Weiteren zeigt die 5 ein Vorspannmittel 16 für den im Kolbenboden 5 axial begrenzt beweglich angeordneten Einlass-Ventilkörper 6. Dieses Vorspannmittel 16 sorgt gemäß einer ersten Ausführungsform dafür, dass das Einlass-Ventil im Stillstand der Hubkolbenmaschine offen steht. Diese Offenstellung verhindert eine Kompression beim Startvorgang, und insbesondere bevorzugt auch während der ersten Anlaufphase der Hubkolbenmaschine, und bewirkt damit einen vergleichsweise massiv reduzierten Anlauf-Widerstand bzw. Anlaufstrom im Antrieb.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann das Vorspannmittel so ausgebildet sein, dass der Öffnungsvorgang des Einlassventils unterstützt und damit beschleunigt wird. Zusätzlich kann dieses Vorspannmittel 16 auch eine dämpfende Wirkung beim Schließvorgang auf den Einlass-Ventilkörper in materialschonender und/oder geräuschdämpfender Weise bewirken.
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Ein elastisch verformbarer, ventilseitiger Anschlag 6.3 begrenzt den Öffnungsweg des Einlass-Ventilkörpers 6, wenn dieser am komplementären, kolbenseitigen Anschlag 5.3 zur Anlage kommt. Die Öffnungs- bzw. Schließbewegung des axial begrenzt beweglich im Kolbenboden angeordneten Einlass-Ventilkörper 6 ist symbolisch durch den in der 5 dargestellten Doppelpfeil 17 gezeigt.
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Die 6 zeigt eine Draufsicht auf den Kolben 4 mit Kolbenboden 5 und darin eingesetzt angeordneten Ventilteller 6.2.
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In der Darstellung der 7 ist der Einlass-Ventilkörper 6 in Entsprechung zur Darstellung der 5, jedoch in weiter vergrößertem Maßstab mit Auflage des ersten, ventilseitigen Anschlags 6.2.1 auf dem ersten, kolbenseitigen Anschlag 5.1 im Dichtsitz dargestellt. Der zweite, ventilseitige Anschlag 6.2.2 ist demgegenüber (noch) beabstandet vom zweiten kolbenseitigen Anschlag 5.2 dargestellt, im Unterschied zur Darstellung der 8. In dieser sind zusätzlich Pfeile 18 zur Symbolisierung des im Kompressionsraum 3.1 vorherrschenden und auf die Oberfläche des Ventiltellers 6.2 einwirkenden Drucks symbolisiert.
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Bedingt durch die spielbehaftete Aufnahme und Führung des Ventilschaftes 6.1 in der Öffnung 15 der Ventilkörperaufnahme 14 hat dementsprechend auch der Ventilteller 6.2 eine entsprechende Bewegungsfreiheit während seiner Bewegungsphasen, und zwar sowohl axial als auch radial und hinsichtlich einer Verkippung der durch ihn verlaufenden Längsachse 4.1 gegenüber einer durch die Öffnung 15 verlaufenden Längsachse 15.2, gemäß dem dazwischen ausgebildeten Kippwinkel α. Dieser in 5 lediglich beispielhaft für einen als verkippt angenommenen Zustand des Ventilschaftes 6.1 dargestellte Kippwinkel α kann im Bereich zwischen ca. 0,5° und ca. 3° liegen. Um dennoch eine sichere Abdichtung gewährleisten zu können, ist daher ein so genannter Radialversatz-Toleranzausgleich 19 zwischen dem Ventilteller 6.2 und dem Kolbenboden in der Weise ausgebildet, dass deren gegenseitig überlappender Bereich größer ist als ein durch radialen Versatz und/oder Verkippung des Einlass-Ventilkörpers 6 in der Ventilkörperaufnahme 14 hervorgerufen werden kann. Damit ist sichergestellt, dass das Einlassventil in jeder Position des Einlass-Ventilkörpers in der Ventilkörperaufnahme zuverlässig dichtet. In vorteilhafter Weise kann dieser Bereich abgeschrägt und/oder konisch ausgebildet sein, zumindest an einen der beiden beteiligten, komplementären Elemente, der Unterseite des Ventiltellers 6.2 bzw. Ventilsitz 5.1 am Kolbenboden 5.
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In weiter vorteilhafter Weise kann durch derartige schräge Flächen, wiederum mindestens an einem der beiden komplementären Elemente – Ventilteller 6.2 und Ventilsitz 5.1 – eine so genannte Zentrierführung für den Ventilteller ausgebildet werden. Durch die Schräge kann der Ventilteller des Einlassventils bis zu einem vorherrschenden Kräfteausgleich im Ventilsitz zentriert werden.
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Die 9 bis 16.1 zeigen schematisch eine Abfolge von Positionen eines Kolbens 4 und eines in dessen Boden 5 angeordneten Einlass-Ventilkörpers 6 in Abhängigkeit des Kurbelwellendrehwinkels, wobei die "X.1" jeweils einen vergrößerten Ausschnitt der "X" zeigt. Hierbei zeigt die 9 den Zustand der Hubkolbenmaschine 1 im oberen Totpunkt "OT". Dabei sind Einlass- und Auslassventil geschlossen, wie dies besser erkennbar in der vergrößerten Darstellung gemäß 9.1 zu sehen ist.
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Die 10 zeigt die Hubkolbenmaschine nachdem der Kolben den OT verlassen hat und in Richtung unterer Totpunkt "UT" entsprechend der weiteren Rotationsbewegung der Kurbelwelle 8 weiterbewegt ist. In der vergrößerten Darstellung gemäß 10.1 ist dabei zu erkennen, dass der Einlass-Ventilkörper 6 und dessen Ventilteller 6.2 vom Kolbenboden abgehoben sind, sodass das Einlassventil öffnet und gemäß der Pfeile 21 Fluid in den Kompressionsraum 3.1 einströmen kann. Dies deshalb, da das Einlassventil aufgrund seiner Trägheit stehen bleibt und damit das Ventil öffnet. Diese Ventilöffnung wird mit der Fortbewegung der Kurbelwelle größer und es kann zunehmend Fluid in den Zylinder strömen. Der Strömungsdruck sorgt dafür, dass das Einlassventil zusätzlich gegen das Auslassventil gedrückt wird. Durch die leichtgängige Ventilführung ist sichergestellt, dass keine Kraft vom Kolben auf das Ventil übertragen wird. Aufgrund des Radialspiels zwischen Ventilschaft 6.1 und der Wandung 5.1 der ihn aufnehmenden Öffnung 5 können sich auch keine rückhaltenden Fluidfilme zwischen diesen beiden bilden, bzw. werden sofort abgerissen.
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Die 11 zeigt die Hubkolbenmaschine nach einer weiteren Bewegung um einen Drehwinkel der Kurbelwelle und damit mit einer weiter nach unten versetzten Position des Kolbens 4 im Zylinder 3. Der Einlassbereich in der 11.1 ist dementsprechend vergrößert gegenüber in der Darstellung gemäß der 10.1. Auf den Bewegungsablauf bezogen bedeutet dies, dass der Kolben nach unten fährt, gegen den unteren Anschlag des Einlassventils und dieses über einen Stoß auf die momentane Kolbengeschwindigkeit beschleunigt. Der Kolben befindet sich im Beschleunigungsmodus und überträgt die für das Ventil notwendige Beschleunigungskraft über den Anschlag. Des Weiteren erzeugt der Strömungsdruck des einströmenden Frischgases eine weitere Kraft auf den Anschlag.
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Gemäß 12 wechselt der Kolben von der Beschleunigung in die Verzögerung. Durch die Verzögerung des Einlass-Ventilkörpers 6 bedingt, verringert sich die Kraft auf den unteren Anschlag. Die Kraft des Strömungsdruckes drückt den Einlass-Ventilkörper 6 noch gegen den Anschlag. Mit zunehmender Kolbenverzögerung wird, gemäß der Darstellung der 13, die Trägheitskraft des Einlass-Ventilkörpers 6 größer. Wenn diese mit der Kraft des Strömungsdruckes im Gleichgewicht steht, löst sich der Einlass-Ventilkörper vom unteren Anschlag und beginnt sich zu schließen. Der Öffnungsbereich zwischen Ventilteller 6.2 und Ventilsitz 5.1 wird wieder kleiner, wie in 13.1 dargestellt.
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Noch bevor der Kolben 4 den UT erreicht, setzt der Ventilteller 6.2 auf den Ventilsitz 5.1 auf und verschließt die Ventilöffnung wie in den 14 und 14.1 dargestellt. Der sich aufgrund der im inhärenten kinetischen Energie weiterhin nach unten bewegende Einlass-Ventilkörper 6 verformt den Ventildeckel 6.2, woraufhin im Kompressionsraum 3.1 ein Unterdruck entsteht. Dieser ist durch die Pfeile 22 in 14.1 symbolisiert.
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Die Darstellungen der 15 und 15.1 zeigen die Situation, in welcher der im Zylinder 3 erzeugte Unterdruck (Druckdifferenz zwischen Zylinder und Kurbelwellengehäuse) das Einlassventil durch Abheben des Ventiltellers 6.2 vom Ventilsitz 5.1 öffnet. Nach dem UT schließt das Einlassventil erneut, wie in den 16 und 16.1 dargestellt. Bei einer weiteren Drehung der Kurbelwelle beginnt dann anschließend der Verdichtungsvorgang.
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Zu den in den 9 bis 16.1 mit beispielhaft herangezogenen Drehwinkelpositionen der Kurbelwelle und entsprechenden Positionen des Kolbens im Zylinder 3 und insbesondere des Einlass-Ventilkörpers 6 in der Ventilkörperaufnahme 14 im Kolbenboden 5 zeigt die 17 ein Bewegungsdiagramm bezüglich des Ventilhubs über den Drehwinkel von OT bis UT. Die so dargestellte Ventilöffnungskurve gilt für ein angesaugtes Fluid, zum Beispiel Gas, mit hoher Dichte in der Kurve mit der dicken Liniendarstellung und mit niedrigerer Dichte für die zweite, mit der feineren Doppellinie. Bei Kältemittelverdichtern kann die Kurve zum Beispiel auch so ausgelegt sein, dass bei der niedrigsten anzusaugenden Fluiddichte das Einlassventil in etwa im OT schließt. Damit kann, in den Wirkungsgrad weiter verbessernder Weise die beste Zylinderfüllung bewirkt werden.
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In der 18 ist ein Diagramm Hub über Kurbelwellenwinkel von OT zu UT dargestellt. In dieser Ausführungsform ist kein Vorspannmittel zur Unterstützung des Öffnungsvorgangs des Einlassventils vorgesehen. Das Spaltmaß zwischen Kolben und Ventil ist daher lediglich in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel während des Ansaughubs. Die Kurve 23 bezeichnet dabei den Weg des Kolbens und die Kurve 24 den Weg des Ventils. Das maximale Spaltmaß zwischen Ventil und Kolben (Öffnungsquerschnitt) ist dabei durch den Anschlag vorgegeben und im linken unteren Bereich des Diagramms durch die beiden diesbezüglich gezeigten Pfeile visualisiert.
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Die 19 zeigt schließlich das Spaltmaß zwischen Kolben 4 und Ventil in Abhängigkeit von Kurbelwellenwinkel mit einem Vorspannmittel 16. Dieses kann beispielsweise in der Form eines federelastischen Elementes, wie beispielhaft in 5 dargestellt, realisiert sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hubkolbenmaschine
- 2
- Kolbenkompressor
- 3
- Zylinder
- 3.1
- Kompressionsraum
- 4
- Kolben
- 4.1
- Achse
- 4.2
- Lager
- 5
- Kolbenboden
- 5.1
- erster kolbenseitiger Anschlag (Ventilsitz)
- 5.2
- zweiter kolbenseitiger Anschlag
- 5.3
- kolbenseitiger Anschlag (zur Begrenzung des Öffnungsweges)
- 6
- Einlass-Ventilkörper
- 6.1
- Ventilschaft
- 6.2
- Ventilteller
- 6.2.1
- erster ventilseitiger Anschlag (Dichtbereich)
- 6.2.2
- zweiter ventilseitiger Anschlag (schaftnaher Bereich der Tellerunterseite)
- 6.3
- ventilseitiger Anschlag (zur Begrenzung des Öffnungsweges)
- 7
- Pleuel
- 8
- Kurbelwelle
- 9
- Kurbelwellengehäuse
- 10
- Kurbelwelleninnenraum
- 11
- Ansaugöffnung
- 12
- Auslassventil
- 13
- Auslassöffnung
- 14
- Ventilkörperaufnahme
- 15
- Öffnung im Kolbenboden
- 15.1
- Wandung der Öffnung
- 15.2
- Achse der Öffnung
- 16
- Vorspannmittel
- 17
- Pfeil
- 18
- Pfeil
- 19
- Radialversatz-Toleranzbereich (Ventilsitz-Tellerdichtung)
- 20
- Zentrierführung (konisch/schräg)
- 21
- Pfeil
- 22
- Pfeil
- 23
- Kurve
- 24
- Kurve
- α
- Kippwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007053750 B4 [0002]
- DE 10157702 B4 [0002]
- DE 10302303 B4 [0002]
- DE 19743444 C2 [0002]
- DE 102011115836 A1 [0002]
