DE102018121159A1 - Cylinder head for a reciprocating compressor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (2) für einen Hubkolbenverdichter (1) zum Verdichten eines kompressiblen Arbeitsmediums, aufweisend mehrere Kanalabschnitte (10, 11) und Kammern (14.1, 14.2, 15.1, 15.2), durch die unterschiedliche Luftströme leitbar sind, wobei die Kammern gegenüber dem Hubkolbenraum (16.1, 16.2) des Hubkolbenverdichters (1) mittels einer Ventilträgerplatte (5) abgegrenzt sind, wobei an der Ventilträgerplatte (5) in den Kammerbereichen (14.1, 14.2, 15.1, 15.2) verschließbare Ventile (12.1, 12.2 ,13.1, 13.2) angeordnet sind, die nur in eine Strömungsrichtung vom Luftstrom geöffnet werden können.Erfindungsgemäß ist in zumindest einer Kammer (14.1, 14.2, 15.1, 15.2) ein strömungsleitendes Element (20.1, 20.2) in einem Übergangsbereich zwischen Kanalabschnitt (10, 11) und Kammer (14.1, 14.2, 15.1, 15.2) angeordnet, dass den wesentlichen Anteil des Luftstroms in eine Richtungsänderung zwingt, so dass die Kammer (14.1, 14.2, 15.1, 15.2) im Wesentlichen durchströmt wird.The invention relates to a cylinder head (2) for a reciprocating compressor (1) for compressing a compressible working medium, comprising a plurality of channel sections (10, 11) and chambers (14.1, 14.2, 15.1, 15.2) through which different air flows can be conducted, the chambers against the reciprocating piston chamber (16.1, 16.2) of the reciprocating compressor (1) are delimited by means of a valve carrier plate (5), valves (12.1, 12.2, 13.1,) on the valve carrier plate (5) in the chamber regions (14.1, 14.2, 15.1, 15.2) 13.2) which can only be opened by the air flow in one direction of flow. According to the invention, in at least one chamber (14.1, 14.2, 15.1, 15.2) there is a flow-guiding element (20.1, 20.2) in a transition region between the channel section (10, 11) and Chamber (14.1, 14.2, 15.1, 15.2) arranged that forces the essential portion of the air flow into a change of direction, so that the chamber (14.1, 14.2, 15.1, 15.2) essentially is flowed through.
Description
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für einen Kompressor, insbesondere einen Hubkolbenkompressor für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, der zum Verdichten eines kompressiblen Arbeitsmediums, insbesondere Luft, für den Einsatz in einer Druckluftversorgungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, geeignet ist.The invention relates to a cylinder head for a compressor, in particular a reciprocating compressor for use in motor vehicles, which is suitable for compressing a compressible working medium, in particular air, for use in a compressed air supply device of a motor vehicle.
Hubkolbenverdichter bzw. Verdichter oder Luftpresser dienen der Kompression von Gasen, z. B. Luft, die als Arbeitsmedium zum Betrieb verschiedener Aggregate in einem Kraftfahrzeug genutzt werden.Reciprocating compressors or compressors or air compressors are used to compress gases, e.g. B. air, which are used as a working medium for operating various units in a motor vehicle.
Der Hubkolbenverdichter besteht im Wesentlichen aus einem Grundkörper, bzw. Kurbelwellengehäuse oder Zylindergehäuse, in dem mindestens ein Hubkolben angeordnet ist, und einem Zylinderkopf. Im Betrieb wird Umgebungsluft über einen Einlasskanal in den Hubkolbenraum eingesaugt, verdichtet und anschließend über einen Kanal weitergeleitet. Bei einem mehrstufigen Hubkolbenverdichter erfolgt die Weiterleitung der verdichteten Luft in eine weitere bzw. nachfolgende Verdichterstufe und wird dort weiter verdichtet. Die komprimierte Luft wird anschließend über eine Luftaufbereitungseinheit in den Druckluftbehälter geleitet.The reciprocating compressor essentially consists of a base body, or crankshaft housing or cylinder housing, in which at least one reciprocating piston is arranged, and a cylinder head. In operation, ambient air is sucked into the piston chamber via an inlet duct, compressed and then passed on via a duct. In the case of a multi-stage reciprocating compressor, the compressed air is passed on to a further or subsequent compressor stage, where it is compressed further. The compressed air is then fed into the compressed air tank via an air treatment unit.
Die unterschiedlichen Luftströme, unverdichtete Luft, vorkomprimierte Luft und Druckluft werden durch Kanäle und Kammern im Zylinderkopf geleitet. Zwischen den Kammern und/oder Kanälen verläuft zu Kühlung der komprimierten Luft bzw. Druckluft ein Kühlkanal. Es hat sich nun gezeigt, dass die Strömungsverhältnisse insbesondere in den Kammern den Wirkungsgrad des Hubkolbenverdichters negativ beeinflussen.The different air flows, uncompressed air, pre-compressed air and compressed air are conducted through channels and chambers in the cylinder head. A cooling duct runs between the chambers and / or ducts to cool the compressed air or compressed air. It has now been shown that the flow conditions, in particular in the chambers, have a negative influence on the efficiency of the reciprocating compressor.
Eine der Aufgaben der Erfindung ist es, die Strömungsverhältnisse für die durchströmende Luft durch den Zylinderkopf zu verbessern, insbesondere die Luftströmung im Bereich der Kammer zu verbessern.One of the objects of the invention is to improve the flow conditions for the air flowing through the cylinder head, in particular to improve the air flow in the region of the chamber.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführung finden sich in den Unteransprüchen.The object is achieved by an embodiment according to claim 1. Further advantageous features of the embodiment according to the invention can be found in the subclaims.
Es wird ein Zylinderkopf für einen Hubkolbenverdichter zum Verdichten eines kompressiblen Arbeitsmediums, aufweisend mehrere Kanalabschnitte und Kammern, durch die unterschiedliche Luftströme leitbar sind, vorgeschlagen. Die Kammern sind gegenüber dem Hubkolbenraum des Hubkolbenverdichters mittels einer Ventilträgerplatte abgegrenzt. Weiterhin sind an der Ventilträgerplatte in den Kammerbereichen verschließbare Ventile angeordnet, die nur in der gewünschten Strömungsrichtung des Luftstroms geöffnet werden können.A cylinder head for a reciprocating piston compressor for compressing a compressible working medium is proposed, comprising a plurality of duct sections and chambers through which different air flows can be conducted. The chambers are delimited from the reciprocating piston chamber of the reciprocating compressor by means of a valve carrier plate. Furthermore, closable valves are arranged on the valve support plate in the chamber areas, which can only be opened in the desired flow direction of the air flow.
Erfindungsgemäß werden die Strömungsverhältnisse dadurch verbessert, dass in zumindest einer Kammer ein strömungsleitendes Element in einem Übergangsbereich zwischen Kanalabschnitt und Kammer angeordnet ist, dass den wesentlichen Anteil des Luftstroms in eine Richtungsänderung zwingt, so dass die Kammer im Wesentlichen durchströmt wird. Durch diese Umleitung wird erreicht, dass die Kammer vollständiger durchströmt wird, so dass es zu einer verbesserten Kühlung der durch die Komprimierung erhitzten Druckluft kommt. Je niedriger die Temperatur der Ansaugluft ist, umso größer ist die Effizienz beim Verdichten.According to the invention, the flow conditions are improved in that a flow-guiding element is arranged in at least one chamber in a transition region between the channel section and the chamber, forcing the essential portion of the air flow to change direction, so that the chamber is essentially flowed through. This diversion ensures that the chamber is flowed through more completely, so that there is an improved cooling of the compressed air heated by the compression. The lower the temperature of the intake air, the greater the efficiency in compression.
Der erfindungsgemäße Hubkolbenverdichter weist mindestens zwei Verdichtungsstufen auf. In der ersten Stufe wird die Luft vorverdichtet und anschließend über einen Zwischenkanal der zweiten Stufe zugeführt, um dort in einem zweiten Verdichtungsschritt auf das gewünschte Druckniveau verdichtet zu werden.The reciprocating compressor according to the invention has at least two compression stages. In the first stage, the air is precompressed and then fed via an intermediate channel to the second stage in order to be compressed there to the desired pressure level in a second compression step.
In einer Ausführung kann das strömungsleitende Element in einer Ansaugkammer angeordnet sein, so dass ein wesentlicher Anteil des Luftstroms derart geleitet wird, dass eine Durchströmung der Ansaugkammer erfolgt und die Ventilöffnung des Einlassventils im Wesentlichen in Axialrichtung angeströmt wird. Die axiale Anströmung der Ventilöffnung des Einlassventils, die aus mehreren Durchlässen zusammengesetzt sein kann, bewirkt ein verbessertes Einströmverhalten durch die Durchlässe in den Hubkolbenraum. Dies wiederum hat den Vorteil, dass das Lamellenventil, welches auf der hubkolbenseitigen Seite der Ventilträgerplatte an der Ventilträgerplatte befestigt ist, gleichmäßiger belastet wird. Unter dem Begriff „Druchströmung der Ansaugkammer“ ist erfindungsgemäß zu verstehen, dass der Luftstrom den Hohlraum der Ansaugkammer derart durchströmt, dass möglichst im ganzen Kammervolumen eine gewisse Luftbewegung stattfindet.In one embodiment, the flow-guiding element can be arranged in a suction chamber, so that a substantial proportion of the air flow is directed in such a way that the suction chamber is flowed through and the valve opening of the inlet valve is flowed against essentially in the axial direction. The axial flow against the valve opening of the inlet valve, which can be composed of several passages, brings about an improved inflow behavior through the passages into the reciprocating piston chamber. This in turn has the advantage that the lamella valve, which is attached to the valve carrier plate on the piston side of the valve carrier plate, is loaded more uniformly. According to the invention, the term “through-flow of the suction chamber” means that the air flow flows through the cavity of the suction chamber in such a way that a certain amount of air movement takes place in the entire chamber volume.
Besonders vorteilhaft ist die Anordnung des strömungsleitenden Elements in der Ansaugkammer der zweiten Verdichterstufe, um den Kühleffekt auf den vorkomprimierten Luftstrom zu verbessern.The arrangement of the flow-guiding element in the suction chamber of the second compressor stage is particularly advantageous in order to improve the cooling effect on the precompressed air flow.
In einer weiteren Ausführung kann das strömungsleitende Element in einem Auslassraum angeordnet sein, so dass ein wesentlicher Anteil des Luftstroms derart geleitet wird, dass eine Durchströmung der Druckkammer bewirkt wird, wobei das strömungsleitende Element derart angeordnet ist, dass der verbleibende Austrittsquerschnitt aus der Druckkammer in den Druckluftkanal eine Querschnittsfläche aufweist, die im Wesentlichen der Querschnittsfläche der zugeordneten Ventilöffnung des Auslassventils entspricht. Der Austrittsquerschnitt aus der Druckkammer in den Druckluftkanal ist der wirksame Querschnitt zwischen Kammer und Kanal. Dieser Wert kann beispielsweise mittels einer Strömungssimulation ermittelt werden.In a further embodiment, the flow-guiding element can be arranged in an outlet space, so that a substantial proportion of the air flow is directed such that a flow through the pressure chamber is effected, the flow-guiding element being arranged such that the remaining outlet cross section from the pressure chamber into the Compressed air duct has a cross-sectional area which is essentially the cross-sectional area of the associated valve opening of the Exhaust valve corresponds. The outlet cross section from the pressure chamber into the compressed air channel is the effective cross section between the chamber and the channel. This value can be determined, for example, using a flow simulation.
Vorzugweise ist das strömungsleitende Element in der Druckkammer der ersten Verdichterstufe angeordnet, um die Kühlung bzw. Zwischenkühlung der vorkomprimierten Luft zu verbessern. Weiterhin kann der Austrittsquerschnitt aus der Druckkammer zwischen 80% und 120% der Querschnittsfläche der Ventilöffnungen des Auslassventils entsprechen.The flow-guiding element is preferably arranged in the pressure chamber of the first compressor stage in order to improve the cooling or intermediate cooling of the pre-compressed air. Furthermore, the outlet cross-section from the pressure chamber can correspond to between 80% and 120% of the cross-sectional area of the valve openings of the exhaust valve.
In einer bevorzugten Ausführung eines zweistufigen Hubkolbenzylinders sind in der Ansaugkammer der zweiten Verdichterstufe und in der Druckkammer der ersten Verdichterstufe strömungsleitende Elemente positioniert.In a preferred embodiment of a two-stage reciprocating cylinder, flow-guiding elements are positioned in the suction chamber of the second compressor stage and in the pressure chamber of the first compressor stage.
Ein Einlassventil setzt sich zusammen aus der Ventilöffnung in der Ventilträgerplatte und dem Lamellenventil, welches in seiner Schließstellung von unten an der Ventilträgerplatte anliegt. Zur Befüllung des Hubkolbenraums, also wenn der Hubkolben sich nach unten bewegt, wird ein Luftstrom durch die Ventilöffnung des Einlassventils angesaugt, der das Lamellenventil in die Offenstellung bewegt. Die Ventilöffnung kann aus mehreren Durchlässen bestehen, die unterschiedlich zueinander angeordnet sein können, wobei die Anordnung derart erfolgt, dass das Lamellenventil beim Öffnen und in der Offenstellung möglichst gleichmäßig belastet wird. Vorzugsweise sind die Durchlässe U-förmig zueinander angeordnet.An inlet valve is composed of the valve opening in the valve carrier plate and the lamellar valve, which in its closed position lies against the valve carrier plate from below. To fill the piston chamber, that is, when the piston moves downward, an air flow is sucked in through the valve opening of the inlet valve, which moves the lamella valve into the open position. The valve opening can consist of several passages which can be arranged differently from one another, the arrangement being such that the lamella valve is loaded as evenly as possible when opening and in the open position. The passages are preferably arranged in a U-shape with respect to one another.
Zwischen den Durchlässen sind Stege vorgesehen die im Wesentlichen zwei Funktionen haben. Sie wirken als strömungsleitende Elemente und sie stützen das Lamellenventil in der Schließstellung. Die Abstützung ist erforderlich, damit die Lamelle auf der Ventilträgerplatte plan aufliegt und die erforderliche Abdichtung während der Kompression gewährleistet ist.Crosspieces are provided between the passages, which essentially have two functions. They act as flow-guiding elements and support the lamella valve in the closed position. The support is required so that the lamella lies flat on the valve support plate and the required sealing is ensured during compression.
Erfindungsgemäß können die Stege zwischen den Durchlässen eine Aussparung aufweisen, so dass auf der Unterseite der Ventilträgerplatte, der Seite an der das Lamellenventil anliegt, eine luftleitende Verbindung zwischen den Durchlässen entsteht. Messungen bzw. Simulationen haben ergeben, dass sich die Strömungsverhältnisse im Ventilbereich durch diese Maßnahme verbessern und die Belastung des Lamellenventils verringert wird.According to the invention, the webs between the passages can have a cutout, so that an air-conducting connection between the passages is formed on the underside of the valve carrier plate, the side on which the lamella valve rests. Measurements and simulations have shown that this measure improves the flow conditions in the valve area and reduces the load on the lamella valve.
Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Ausprägungen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden.
Die Figuren zeigen im Einzelnen:
-
1 Draufsicht auf die geschnittene Ventilsitzplatte des Zylinderkopfes -
2 SchnittA-A zur Darstellung der Strömung durch die Druckkammer der ersten Verdichterstufe -
3 SchnittB-B zur Darstellung der Strömung durch die Ansaugkammer der zweiten Verdichterstufe -
4 Detaildarstellung der Ventilöffungen des Einlassventils der ersten Verdichterstufe
The figures show in detail:
-
1 Top view of the cut valve seat plate of the cylinder head -
2 cutAA to represent the flow through the pressure chamber of the first compressor stage -
3 cutBB to represent the flow through the suction chamber of the second compressor stage -
4 Detailed view of the valve openings of the inlet valve of the first compressor stage
Die Ansaugkammer
Bewegt sich der Hubkolben nach oben wird vorkomprimierte Druckluft über die Auslassventile
An die Einlasskammer
Ein weiterer Kühlkanalabschnitt
Another cooling channel section
In der Einlasskammer
Der
Das strömungsleitende Element
Weiterhin ist das strömungsleitende Element
Versuche und Simulationen haben gezeigt, dass die axiale Anströmung der Ventilöffnung
Experiments and simulations have shown that the axial flow against the
Die Erfindung schlägt zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse durch den Zylinderkopf
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- Kompressorcompressor
- 22
- ZylinderkopfCylinder head
- 33
- ZylindergehäuseCylinder housing
- 44
- DichtungselementSealing element
- 55
- VentilträgerplatteValve support plate
- 66
- ZwischenelementIntermediate element
- 77
- ZylinderkopfdeckelCylinder head cover
- 8.1, 8.28.1, 8.2
- KühlmittelkanalCoolant channel
- 9.1, 9.29.1, 9.2
- IsolierkammerIsolation chamber
- 1010
- DruckluftkanalCompressed air duct
- 1111
- ZwischenkanalIntermediate channel
- 12.1, 12.212.1, 12.2
- EinlassventilInlet valve
- 13.1, 13.213.1, 13.2
- AuslassventilExhaust valve
- 14.1, 14.214.1, 14.2
- AnsaugkammerSuction chamber
- 15.1, 15.215.1, 15.2
- DruckkammerPressure chamber
- 16.1, 16.216.1, 16.2
- HubkolbenraumPiston chamber
- 1717
- erste Verdicherstufefirst compression level
- 1818th
- zweite Verdichterstufesecond compressor stage
- 1919
- VerbindungskanalConnecting channel
- 20.1, 20.220.1, 20.2
- strömungsleitendes Elementflow-guiding element
- 21.1, 21.221.1, 21.2
- Ventilöffnung EinlassventilValve opening inlet valve
- 22.1, 22,222.1, 22.2
- Ventilöffnung AuslassventilExhaust valve opening
- 2323
- Durchlasspassage
- 2424
- Stegweb
- 2525
- AussparungRecess
- 26.1,26.226.1.26.2
- LamellenventilLamella valve
- 2727
- luftleitende Verbindungair-conducting connection
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018121159.7A DE102018121159A1 (en) | 2018-08-30 | 2018-08-30 | Cylinder head for a reciprocating compressor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018121159.7A DE102018121159A1 (en) | 2018-08-30 | 2018-08-30 | Cylinder head for a reciprocating compressor |
Publications (1)
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DE102018121159A1 true DE102018121159A1 (en) | 2020-03-05 |
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ID=69526568
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE102018121159.7A Ceased DE102018121159A1 (en) | 2018-08-30 | 2018-08-30 | Cylinder head for a reciprocating compressor |
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Citations (3)
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US4813852A (en) * | 1987-03-11 | 1989-03-21 | Kabushiki Kaisha Toyoda Jidoshokki Seisakusho | Discharge arrangement of a compressor having a plurality of compression chambers |
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DE19807728A1 (en) * | 1997-02-25 | 1998-09-17 | Toyoda Automatic Loom Works | Compressor |
-
2018
- 2018-08-30 DE DE102018121159.7A patent/DE102018121159A1/en not_active Ceased
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |