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Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter zum Verdichten eines Arbeitsfluids mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Bei dem Arbeitsfluid kann es sich insbesondere um einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas („Natural Gas“ = NG), handeln. Dient das Erdgas dem Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wird es an Bord des Kraftfahrzeugs in der Regel in flüssiger Form („Liquefied Natural Gas“ = LNG) in einem Tank mitgeführt. Bevor das Erdgas in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingeblasen wird, wird es verdichtet. Hierin ist eine bevorzugte Anwendung des vorliegend vorgeschlagenen Kolbenverdichters zu sehen.
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Darüber hinaus kann der vorgeschlagene Kolbenverdichter zum Verdichten beliebiger gasförmiger und/oder flüssiger Medien eingesetzt werden, so dass der vorliegend gewählte Begriff „Kolbenverdichter“ auch Kolbenpumpen umfasst.
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Stand der Technik
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Aus der
WO 2003/010446 A1 geht beispielhaft ein Kolbenverdichter zur Kompression eines Kühlgases hervor, der einen Zylinder und einen im Zylinder hin und her beweglichen Kolben umfasst. Der Zylinder und der Kolben legen dabei eine Kompressionskammer fest. Der Kolben ist mit einem Antriebsmechanismus verbunden, wobei die Verbindung über Stifte erfolgt, die in Radiallöchern des Kolbens aufgenommen sind. Da die Radiallöcher über einen zwischen dem Kolben und dem Zylinder verbleibenden Radialspalt mit der Kompressionskammer hydraulisch verbunden sind, gilt es die Radiallöcher abzudichten. Die Abdichtung erfolgt über in den Radiallöchern aufgenommene Dichtelemente. Auf diese Weise wird einer Leckage des Kühlgases über die Radiallöcher entgegengewirkt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenverdichter bereitzustellen, der einen verbesserten Wirkungsgrad besitzt. Um dies zu erreichen, soll die Leckage im Bereich eines Ringspalts zwischen dem Kolben und dem Zylinder des Kolbenverdichters minimiert werden. Der Kolbenverdichter soll auf diese Weise auch zum Verdichten eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs, wie beispielsweise Erdgas, auf Hochdruck (vorzugsweise etwa 600 bar) geeignet sein.
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Zur Lösung der Aufgabe wird der Kolbenverdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der zum Verdichten eines Arbeitsfluids, insbesondere eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs, vorgeschlagene Kolbenverdichter umfasst einen in einer Bohrung eines Zylinders hin und her beweglichen Kolben, der innerhalb der Bohrung einen mit dem Arbeitsfluid befüllbaren Kompressionsraum begrenzt. Erfindungsgemäß ist im Zylinder eine ringförmige Druckkammer ausgebildet, die mit dem Kompressionsraum hydraulisch verbunden und zur Bohrung hin durch einen elastisch verformbaren Wandabschnitt des Zylinders begrenzt ist.
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Durch die Hubbewegung des Kolbens kommt es im Kompressionsraum zu einer Kompression des eingeschlossenen Arbeitsfluids. Das heißt, dass der Druck im Kompressionsraum ansteigt. Zugleich steigt der Druck in der im Zylinder ausgebildeten ringförmigen Druckkammer an, da diese mit dem Kompressionsraum hydraulisch verbunden ist. Aufgrund der elastischen Verformbarkeit des die Druckkammer begrenzenden Wandabschnitts verformt sich dieser und bewegt sich dabei in Richtung des Kolbens. In Abhängigkeit vom Druck im Kompressionsraum bzw. in der Druckkammer kann dabei der Wandabschnitt zur Anlage am Kolben gelangen. In jedem Fall jedoch verengt der Kolben einen zwischen dem Kolben und dem Zylinder verbleibenden Ringspalt, in dem ein in Längsrichtung (näherungsweise) linearer Druckabfall auftritt, so dass die Leckage über den Ringspalt minimiert wird.
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Die elastische Verformung des Wandabschnitts erfolgt proportional zum Druckanstieg im Kompressionsraum bzw. in der Druckkammer. Das heißt, dass mit fortschreitendem Druckanstieg auch die Verformung zunimmt.Ursache hierfür ist der in Längsrichtung konstante Druck in der Druckkammer, während sich im Ringspalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder ein Druckabfall einstellt. Der gewünschte Effekt der Spaltminimierung ist somit über den gesamten Druckbereich hinweg gegeben.
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Mittels der druckabhängigen Spaltminimierung mit einem möglichst gleichmäßigen Spalt in Längsrichtung kann die Leckage über den Ringspalt aus dem Kompressionsraum im Betrieb des Kolbenverdichters deutlich verringert werden. Das heißt, dass die Verluste aufgrund Leckage minimal sind, so dass der Kolbenverdichter einen hohen Wirkungsgrad besitzt.
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Ferner können mittels der druckabhängigen Spaltminimierung fertigungsbedingte Durchmessertoleranzen kompensiert werden, so dass die Fertigung des Kolbenverdichters vereinfacht wird.
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Um die gewünschte Spaltminimierung zu erzielen, ist die ringförmige Druckkammer zumindest abschnittsweise auf Höhe des Kolbens angeordnet. Ferner wird vorgeschlagen, dass die ringförmige Druckkammer konzentrisch in Bezug auf die Bohrung angeordnet ist. Das heißt, dass der elastisch verformbare Wandabschnitt umlaufend die gleiche Dicke aufweist, so dass eine über den Umfang gleichmäßige Verformung des Wandabschnitts erreicht wird.
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Bevorzugt die ringförmige Druckkammer über mindestens einen im Zylinder ausgebildeten Kanal mit dem Kompressionsraum hydraulisch verbunden. Der Kanal dient der Befüllung der Druckkammer mit Arbeitsfluid, wobei das Arbeitsfluid dem Kompressionsraum entnommen wird. Der Kanal kann hierzu unmittelbar oder mittelbar über den zwischen dem Kolben und dem Zylinder verbleibenden Ringspalt mit dem Kompressionsraum verbunden sein.
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Der mindestens eine der Befüllung dienende Kanal ist derart zu dimensionieren, dass eine schnelle Befüllung und damit ein schneller Druckaufbau in der Druckkammer erzielbar ist. Durch mehrere über den Umfang der Bohrung gleichmäßig verteilt angeordnete Kanäle, beispielsweise in Form von Radialbohrungen, kann zudem eine gleichmäßige Befüllung der Druckkammer sichergestellt werden.
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Alternativ wird vorgeschlagen, dass der Kanal als Ringkanal ausgeführt ist und die Druckkammer mit dem zwischen dem Kolben und dem Zylinder verbleibenden Ringspalt verbindet. Der Ringkanal ermöglicht eine besonders schnelle und zudem gleichmäßige Befüllung der Druckkammer. Vorzugsweise ist der Ringkanal an einem Ende der Druckkammer ausgebildet ist, so dass der elastisch verformbare Wandabschnitt an einem Ende freigestellt ist. Durch das freigestellte Ende kann sich der Wandabschnitt leichter elastisch verformen.
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Bevorzugt weist die ringförmige Druckkammer umlaufend eine gleichbleibende Breite und/oder eine gleich bleibende Höhe auf. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung der ringförmigen Druckkammer.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die ringförmige Druckkammer über ihre Höhe einen variierenden Innendurchmesser aufweist. Vorzugsweise wird der Innendurchmesser in Richtung eines als Ringkanal ausgebildeten Kanals, welcher der Befüllung der Druckkammer mit dem Arbeitsfluid dient, kleiner. Das heißt, dass der elastisch verformbare Wandabschnitt an seinem freigestellten Ende eine geringere Dicke besitzt, so dass die elastische Verformbarkeit des freigestellten Endes weiter verbessert wird. Sofern der elastisch verformbare Wandabschnitt kein freigestelltes Ende aufweist, weist er vorzugsweise in einem mittigen Bereich seine geringste Dicke auf. Auf diese Weise kann ein radiales Aufwölben des elastisch verformbaren Wandabschnitts bei Druckbeaufschlagung unterstützt werden.
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Vorteilhafterweise ist die ringförmige Druckkammer an zumindest einem Ende gerundet. Die endseitige Rundung wirkt Spannungen (Kerbspannungen) entgegen, so dass die Festigkeit des Zylinders erhalten bleibt. Vorzugsweise sind beide Enden gerundet, so dass die Druckkammer über eine Rundung in den mindestens einen Kanal, vorzugsweise Ringkanal, übergeht. Die Rundung erleichtert die Befüllung der Druckkammer mit dem Arbeitsfluid, da der Zulauf strömungsoptimiert ist.
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Zur Ausbildung der ringförmigen Druckkammer kann der Zylinder ein- oder mehrteilig ausgeführt sein. Die einteilige Ausführung vereinfacht die Montage des Kolbenverdichters, da weniger Teile zu montieren sind und zudem weniger Dichtstellen anfallen. Der einteilig ausgeführte Zylinder ist vorzugsweise in einem additiven Fertigungsprozess, insbesondere in einem 3D-Druckverfahren, hergestellt worden, da diese Verfahren die Ausbildung von Hohlräumen vereinfachen. Ist der Zylinder mehrteilig ausgeführt, sind vorzugsweise die mehreren Teile derart aneinandergesetzt und miteinander verbunden, dass sie gemeinsam die im Zylinder ausgebildete ringförmige Druckkammer begrenzen.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Kompressionsraum über ein Einlassventil mit einer Fluidversorgung und/oder über ein Auslassventil mit einer Druckleitung verbindbar ist. Über das Einlassventil gelangt das Arbeitsfluid in den Kompressionsraum, wo es mittels des Kolbenhubs verdichtet wird. Das verdichtete Arbeitsfluid kann anschließend über das Auslassventil und der hieran anschließenden Druckleitung einem Fluidspeicher zugeführt werden, wobei es sich vorzugsweise um einen Hochdruckspeicher für einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, handelt, der unter hohem Druck in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Denn aufgrund der verringerten Leckage über den zwischen dem Kolben und dem Zylinder verbleibenden Ringspalt können hohe Drücke im Kompressionsraum erreicht werden, so dass sich der vorgeschlagene Kolbenverdichter insbesondere als LNG-Verdichter für die mobile Anwendung in einem Kraftfahrzeug eignet.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter gemäß einer bevorzugten Ausführungsform,
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich des Kanals und der Druckkammer,
- 3 a) und b) jeweils einen schematischen Längsschnitt durch den Kolbenverdichter der 1 in verschiedenen Betriebszuständen,
- 4 a) und b) jeweils einen vergrößerten Ausschnitt der 2 im Bereich der Druckkammer mit unverformtem und mit verformtem Wandabschnitt,
- 5 a) und b) jeweils einen schematischen Längsschnitt durch eine Druckkammer eines erfindungsgemäßen Kolbenverdichters gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform,
- 6 a) und b) jeweils einen schematischen Längsschnitt durch einen Zylinder für einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter bei einteilig und mehrteilig ausgeführtem Zylinder und
- 7 einen schematischen Längsschnitt durch einen Zylinder für einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter mit Darstellung des Druckprofils.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der in den 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Kolbenverdichter 1 umfasst einen Zylinder 3 mit einer Bohrung 2, in der ein Kolben 4 hin und her beweglich aufgenommen ist. Der Kolben 4 begrenzt innerhalb der Bohrung 2 einen Kompressionsraum 5, der über ein Einlassventil 10 mit einer Fluidversorgung 11 verbindbar bzw. mit einem Arbeitsmedium befüllbar ist. Nachdem das Arbeitsfluid im Kompressionsraum 5 durch einen Hub des Kolbens 4 verdichtet worden ist, kann es über ein Auslassventil 12 einer Druckleitung 13 zugeführt werden. An die Druckleitung 13 kann ein Fluidspeicher (nicht dargestellt) angeschlossen sein.
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Um die Leckage aus dem Kompressionsraum 5 über einen Ringspalt 9 zu verringern, der zwischen dem Kolben 4 und dem Zylinder 3 verbleibt, weist der Zylinder 3 eine ringförmige Druckkammer 6 auf, die auf Höhe des Kolbens 4 konzentrisch zur Bohrung 2 ausgebildet ist. Die Druckkammer 6 wird zur Bohrung 2 hin durch einen Wandabschnitt 7 des Zylinders 3 begrenzt, der an seinem oberen Ende durch einen ringförmigen Kanal 8 (siehe 2) freigestellt ist. Steigt der Druck in der Druckkammer 6 an, führt dies zu einer elastischen Verformung des Wandabschnitts 7, und zwar in der Weise, dass sich das freigestellte Ende in die Bohrung 2 hinein bewegt, bis es - je nach den vorherrschenden Druckverhältnissen - zur Anlage am Kolben 4 gelangt.
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Der Druckanstieg in der ringförmigen Druckkammer 6 wird dadurch bewirkt, dass eine hydraulische Verbindung der Druckkammer 6 mit dem Kompressionsraum 5 über den Kanal 8 und den Ringspalt 9 besteht, so dass mit einem Druckanstieg im Kompressionsraum 5 auch der Druck in der Druckkammer 6 ansteigt.
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Wie beispielhaft in den 3a und 3b dargestellt, herrscht im Kompressionsraum 5 ein minimaler Druck, wenn der Kolben 4 seine untere Endlage einnimmt (siehe 3a). Der gleiche Druck herrscht in der ringförmigen Druckkammer 6, da diese über den Kanal 8 und den Ringspalt 9 mit dem Kompressionsraum 5 hydraulisch verbunden ist (siehe Pfeil 15). Im Betrieb des Kolbenverdichters 1 bewegt sich der Kolben 4 nach oben, bis er seine obere Endlage erreicht hat (siehe 3b). Dies führt zur Kompression des im Kompressionsraum 5 befindlichen Arbeitsfluids, wobei der Druck ansteigt, und zwar im Kompressionsraum 5 und in der ringförmigen Druckkammer 6. Der Druckanstieg in der ringförmigen Druckkammer 6 hat zur Folge, dass sich der Wandabschnitt 7 elastisch verformt.
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Den 4a und 4b sind die vom jeweiligen Druck abhängigen unterschiedlichen Geometrien der ringförmigen Druckkammer 6 zu entnehmen. Befindet sich der Kolben 4 in der unteren Endlage, wie beispielhaft in der 3a dargestellt, ist der Wandabschnitt 7 weitgehend druckausgeglichen (siehe 4a). Bewegt sich jedoch der Kolben 4 auf seine obere Endlage zu, wie beispielhaft in der 3b dargestellt, steigt der Druck in der Druckkammer 6 an, so dass auf den Wandabschnitt (7) einseitig eine Druckkraft wirkt (siehe Pfeil 14). Diese bewirkt, dass sich der Wandabschnitt 7 elastisch verformt und in die Bohrung 2 hinein bewegt.
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Den 5a und 5b ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer ringförmigen Druckkammer 6 zu entnehmen. Im Unterschied zur Druckkammer 6 der 4a und 4b, weist die der 5a und 5b einen über ihre Höhe variierenden Innendurchmesser auf, so dass der die Druckkammer 6 begrenzende Wandabschnitt 7 eine über seine Höhe variierende Dicke besitzt. Das über den Kanal 8 freigestellte Ende des Wandabschnitts 7 ist dabei weniger dick als das gegenüberliegende Ende ausgeführt (siehe 5a). Dies begünstigt die gewünschte elastische Verformung des Wandabschnitts 7 bei Druckbeaufschlagung (siehe 5b, Pfeil 14).
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Der die Druckkammer 6 aufweisende Zylinder 3 kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein. Der 6a ist beispielhaft eine einteilige Ausführung zu entnehmen. Die 6b zeigt eine mehrteilige Ausführung des Zylinders 3.
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Die einteilige Zylindervariante wird vorzugsweise in einem additiven Fertigungsverfahren gefertigt. An den Enden weist die Druckkammer 6 Rundungen 16 auf, die der Spannungsreduzierung im Kerbgrund dienen.
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Die zweiteilige Zylindervariante mit einem Oberteil 3.1 und einem Unterteil 3.2 ermöglicht die Ausbildung der Druckkammer 6 zwischen den beiden Teilen 3.1, 3.2. In einem Verbindungsbereich 17 ist eine Abdichtung vorzusehen, so dass der Verbindungsbereich 17 zugleich eine Dichtstelle ausbildet.
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Bei beiden Zylindervarianten weist die ringförmige Druckkammer 6 jeweils umlaufend eine gleich bleibende Breite B = 1 mm sowie eine gleich bleibende Höhe H1 = 10 mm auf. Der ringförmige Kanal 8 besitzt eine Höhe H2 = 1 mm. Das Volumen der Druckkammer 6 ist so kleine wie möglich zu wählen, da dieses Volumen verdichtet werden muss, ohne als Hochdruckvolumen weitergeleitet zu werden. Das heißt, dass es ein Totvolumen ausbildet.
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Um die Befüllung der Druckkammer 6 mit dem Arbeitsfluid zu optimieren, kann die Bohrung 2, in welcher der Kolben 4 aufgenommen ist, zwei Abschnitte 2.1, 2.2 aufweisen, die unterschiedliche Innendurchmesser besitzen. Der erste Abschnitt 2.1, weist einen ersten Innendurchmesser D1 auf, der vorzugsweise 0,2 bis 0,4 mm größer als ein zweiter Innendurchmesser D2 des zweiten Abschnitts 2.2 ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass in der Druckkammer 6 schnell Druck aufgebaut wird. Dieser sowie die Flächendifferenz zwischen dem Innendurchmesser D2 und einem Durchmesser D3 führen schließlich dazu, dass sich der die Druckkammer 6 begrenzende Wandabschnitt 7 elastisch verformt.
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Der 7 ist in einer vereinfachten Darstellung ein Druckprofil zu entnehmen, das die am Wandabschnitt 7 des Zylinders 3 anliegenden Druckverhältnisse im Betrieb des Kolbenverdichters 1 wiedergibt. Außen liegt der gleiche Druck wie im Kompressionsraum 5 an, während innen der Druck in Längsrichtung (näherungsweise) linear abfällt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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