EP2238349B1 - Kolbenkompressor mit einer ein lamellenventil aufweisenden ventilplatte - Google Patents

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EP2238349B1 EP09702133A EP09702133A EP2238349B1 EP 2238349 B1 EP2238349 B1 EP 2238349B1 EP 09702133 A EP09702133 A EP 09702133A EP 09702133 A EP09702133 A EP 09702133A EP 2238349 B1 EP2238349 B1 EP 2238349B1
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Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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    • F04B53/10—Valves; Arrangement of valves
    • F04B53/1087—Valve seats

Definitions

  • the present invention relates to a reciprocating compressor for generating compressed air with at least one cylinder in which a movable piston via a crank for compressing sucked ambient air is arranged, wherein a valve plate having at least one flap valve as a pressure valve, a cylinder space cylinder head side limited.
  • the field of application of the present invention extends primarily to the vehicle sector, in which piston compressors are used for compressing ambient air, primarily in the area of compressed-air-operated brake systems.
  • the reciprocating compressors draw their drive energy either directly from the internal combustion engine of the vehicle or are equipped with a separate drive, usually an electric motor.
  • a generic piston compressor DE 19631415 A1 shows a älnlichen compressor.
  • This essentially consists of a compressor housing forming a plurality of cylinders, in which each associated piston is arranged so that it can move in an oscillating manner via a common crank drive.
  • a valve plate is provided which limits the cylinder space on the cylinder head side.
  • the valve plate contains a suction on the intake side designed in the manner of a check valve and also one of the type Non-return valve trained, but oppositely acting pressure valve. In both cases space-saving finned valves are used.
  • Each louver valve has a spring plate consisting of valve lamella, which is tongue-like and is attached at one end to the valve plate. At the opposite end, the valve lamella covers a cylindrical opening through the valve plate, which connects to or from the cylinder space.
  • the valve blades are flat in cross-section and housed sunk in a shallow recess of the valve plate so that they do not protrude beyond the surface of the valve plate. At this recess, a shallow conical funnel connects, which establishes the connection to the cylindrical opening, which opens into the cylinder chamber.
  • the piston At the top dead center of the piston results in the cylinder chamber remaining dead volume, which results from the distance of the piston to the valve plate plus the volume of the cylindrical openings for the lamella valve.
  • the cylindrical openings take up a significant part of the dead volume.
  • the distance from the piston to the valve plate is determined by the thickness of the suction valve, which is usually present next to the pressure valve. Since the suction valve is usually arranged on the underside of a valve plate, ultimately determines the distance between the piston and the suction valve, the dead volume in the cylinder.
  • the disadvantage of the prior art is that the dead volume has a significant influence on the efficiency and the delivery rate of the compressor, that is to say it should be as minimal as possible, ideally zero.
  • the lamella valve has a flat valve lamella in the initial state, which is pressed by the system pressure on the valve plate on this, so that the cylindrical opening is closed in the direction of the cylinder chamber and thus is sealed. If the pressure in the cylinder chamber rises above the system pressure, the valve lamella is lifted off the valve plate and the compressed air is released from the valve Cylinder space promoted in the cylinder head.
  • the dead volume of the pressure hole is inevitable.
  • the valve plate is made relatively thick, resulting in a particularly long-lasting cylindrical breakthrough and thus results in a relatively large dead volume.
  • the invention includes the technical teaching that serving as a pressure valve blade valve on the side facing away from the piston has a machined into the valve plate concave valve seat recess, the contour of which is sealingly adapted to an equally concave valve blade.
  • the advantage of the solution according to the invention lies, in particular, in the fact that, due to the concave valve seat recess, the lamellar valve has a rather flat cylindrical opening in the direction of the cylinder space, which generates correspondingly less dead volume.
  • the present invention concave valve lamella can be made of a deep-drawn sheet metal part. This is fixed in a conventional manner with an attachment point, such as a screw, on the valve plate.
  • the diameter of the cylindrical passage extending in the direction of the cylinder space extends from the bottom region of the concave valve seat recess, ie its vertex, in the direction of the cylinder space, wherein the diameter of the aperture is smaller than the thickness of the valve plate.
  • the concave valve seat recess has a diameter in the edge region which corresponds at least to twice the diameter of the cylindrical opening.
  • the concave valve seat recess should have a diameter in the edge region, which is larger than the edge diameter of the valve lamella.
  • the depth of the concave valve seat recess should correspond at least to the thickness of the valve blade in order to effect a sufficiently large degree of deflection, and thus also an effective minimization of the dead volume.
  • that is the degree of deflection of the valve lamella and the remaining length of the cylindrical aperture can be determined by the strength of the valve blade and the valve plate.
  • valve blade assumes a substantially planar shape in the open state of the louver valve as a result of elastic deformation.
  • the space required for the open state space is significantly lower than in prior art louvered valves.
  • Fig.1 is arranged in the cylinder 1 of a reciprocating compressor, an axially movable piston 2 for compressing sucked ambient air.
  • the intake valve is not shown here, but it is the pressure valve.
  • This is designed in the manner of a lamella valve 3, which is part of a valve plate 4. With the valve plate 4, a cylinder chamber 5 is limited cylinder head side.
  • the lamella valve 3 On the side facing away from the piston 2, the lamella valve 3 has a concave valve seat recess 6 incorporated in the valve plate 4.
  • the cross-sectional contour of the Ventilsitzaus aloneung 6 is adapted to the contour of an equally concave shaped valve blade 7 such that the valve blade 7 with the Ventilsitzausnaturalung 6 form a kind seat valve.
  • the concave-shaped valve blade 7 is a deep-drawn sheet metal part, which is attached to a - not shown here - on the valve plate 4. From the bottom region of the concave Ventilsitzaus principleung 6, a cylindrical opening 8 extends in the direction of the cylinder chamber 5. Because of the concave valve seat recess 6 shortened axial extent of the opening 8, the dead volume, which occupies the piston 2 in the top dead center shown here, minimal.
  • Fig.2 takes the valve blade 7 in the open state of the louver valve 3 in consequence of elastic deformation to an almost flat shape.
  • the compressed air flows during the open state of the louver valve 3 laterally between the edge of the valve blade 7 and the edge region of the concave Ventililsitzaus principleung 6 over, which has a larger diameter in the edge region, as the edge diameter of the valve blade. 7
  • the invention is not limited to the preferred embodiment described above. On the contrary, modifications are conceivable which are included in the scope of protection of the following claims.
  • the principle according to the invention to uncharged compressors.
  • the dead volume can be significantly reduced so that the delivery rate and the power consumption of the reciprocating compressor are correspondingly improved.
  • Analogous to the solution according to the invention for the pressure valve can also be thought of for the suction valve of the valve plate, a flat recess on the underside of the valve plate, so that the suction valve no longer raised rests on the valve plate.
  • the piston bottom shelter can be reduced by the thickness of the valve lamella, including fasteners.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenkompressor zur Erzeugung von Druckluft mit mindestens einem Zylinder, in dem ein über einen Kurbeltrieb bewegbarer Kolben zum Komprimieren angesaugter Umgebungsluft angeordnet ist, wobei eine mindestens ein Lamellenventil als Druckventil aufweisende Ventilplatte einen Zylinderraum zylinderkopfseitig begrenzt.
  • Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf den Fahrzeugbereich, in welchem Kolbenkompressoren zum Komprimieren von Umgebungsluft vornehmlich im Bereich von druckluftbetriebenen Bremssystemen zum Einsatz kommen. Die Kolbenkompressoren beziehen ihre Antriebsenergie entweder direkt vom Verbrennungsmotor des Fahrzeuges oder sind mit einem separaten Antrieb, meist einem Elektromotor, ausgestattet.
  • Aus der US 2005/0175494 geht ein gattungsgemäßer Kolbenkompressor hervor DE 19631415 A1 zeigt einen älnlichen Kompressor. Dieser besteht im Wesentlichen aus einem mehrere Zylinder bildenden Kompressorgehäuse, in dem je zugeordnete Kolben über einen gemeinsamen Kurbeltrieb oszillierend bewegbar angeordnet sind. Durch die Arbeitsbewegung der Kolben wird Umgebungsluft angesaugt, innerhalb des Zylinders komprimiert und als Druckluft zur weiteren Verwendung ausgestoßen. Zur Steuerung des Verdichtungszyklus ist eine Ventilplatte vorgesehen, die den Zylinderraum zylinderkopfseitig begrenzt. Die Ventilplatte enthält ansaugseitig ein nach Art eines Rückschlagventils ausgebildetes Ansaugventil sowie ein ebenfalls nach Art eines Rückschlagventils ausgebildetes, jedoch entgegengesetzt wirkendes Druckventil. In beiden Fällen kommen bauraumsparende Lamellenventile zum Einsatz. Jedes Lamellenventil weist eine aus Federblech bestehende Ventillamelle auf, die zungenartig ausgebildet ist und an einem Ende an der Ventilplatte angebracht ist. Mit dem gegenüberliegenden Ende deckt die Ventillamelle einen zylindrischen Durchbruch durch die Ventilplatte ab, welcher die Verbindung von oder zum Zylinderraum herstellt. Die Ventillamellen sind im Querschnitt eben ausgebildet und in einer flachen Ausnehmung der Ventilplatte derartig versenkt untergebracht, dass diese nicht über die Oberfläche der Ventilplatte hervorstehen. An dieser Ausnehmung schließt sich ein flacher konischer Trichter an, der die Verbindung zu dem zylindrischen Durchbruch herstellt, der in den Zylinderraum einmündet.
  • Im oberen Todpunkt des Kolbens ergibt sich im Zylinderraum ein verbleibendes Totvolumen, welches sich aus dem Abstand des Kolbens zur Ventilplatte plus dem Volumen der zylindrischen Durchbrüche zum Lamellenventil ergibt. Die zylindrischen Durchbrüche nehmen dabei einen erheblichen Teil des Totvolumens ein. Dabei wird der Abstand vom Kolben zur Ventilplatte aus durch die Dicke des neben dem Druckventil gewöhnlich vorhandenen Saugventil bestimmt. Da das Saugventil meist an der Unterseite einer Ventilplatte angeordnet ist, bestimmt letztlich der Abstand zwischen Kolben und dem Saugventil das Totvolumen im Zylinder.
  • Nachteilig erweist sich beim Stand der Technik, dass das Totvolumen einen maßgeblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad und die Förderleistung des Kompressors besitzt, also möglichst minimal, idealerweise Null sein sollte. Aus fertigungstechnischen Gründen ist jedoch ein gewisser Kolbenunterstand unvermeidlich. Das Lamellenventil besitzt eine im Ausgangszustand ebene Ventillamelle, welche durch den Systemdruck über der Ventilplatte auf diese gedrückt wird, so dass der zylindrische Durchbruch in Richtung Zylinderraum verschlossen ist und damit dicht ist. Steigt im Zylinderraum der Druck über dem Systemdruck an, so wird die Ventillamelle von der Ventilplatte abgehoben und die Druckluft wird aus dem Zylinderraum in den Zylinderkopf gefördert. Hierbei ist das Totvolumen der Druckbohrung unvermeidlich. Insbesondere bei Ventilplatten mit Wasserkühlung ist die Ventilplatte relativ dick ausgeführt, woraus sich ein besonders langbauender zylindrischer Durchbruch und damit ein relativ großes Totvolumen ergibt.
  • Die vorgenannte erläuterte Problematik kommt insbesondere bei Kolbenkompressoren mit Turboaufladung zum tragen, da die Förderleistung hierbei um einen Faktor 2-3 höher liegt als bei normalen Kolbenkompressoren. Dies bedeutet, dass die zwei bis dreifache Menge Druckluft durch die Druckventil gefördert werden muss. Bleiben die Druckventile unverändert gegenüber einem Kompressor ohne Aufladung, so ergeben sich totvolumenbedingt besonders hohe Verluste. Werden entsprechend der erhöhten Förderleistung sogar zusätzliche Druckventile in die Zylinderplatte integriert, erhöht sich das Totvolumen um den Faktor der zusätzlichen zylindrischen Durchbrüche.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, insbesondere für einen aufgeladenen Kolbenkompressor eine hinreichende Anzahl von Druckventilen bei gleichzeitig minimalem Totvolumen bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird ausgehend von einem Kolbenkompressor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
  • Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das als Druckventil dienende Lamellenventil auf der dem Kolben abgewandten Seite eine in die Ventilplatte eingearbeitete konkave Ventilsitzausnehmung aufweist, deren Kontur an eine ebenso konkav geformte Ventillamelle dichtend angepasst ist.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass das Lamellenventil aufgrund der konkaven Ventilsitzausnehmung über einen recht flachen zylindrischen Durchbruch in Richtung Zylinderraum besitzt, der entsprechend wenig Totvolumen erzeugt.
  • Vorzugsweise kann die erfindungsgemäß konkav geformte Ventillamelle aus einem tief gezogenen Blechteil hergestellt werden. Dieses ist in herkömmlicher Weise mit einem Befestigungspunkt, beispielsweise einer Verschraubung, an der Ventilplatte fixiert.
  • Der Durchmesser des in Richtung Zylinderraum verlaufenden zylindrischen Durchbruchs erstreckt sich vom Bodenbereich der konkaven Ventilsitzausnehmung, also deren Scheitelpunkt, in Richtung Zylinderraum, wobei der Durchmesser des Durchbruchs kleiner als die Dicke der Ventilplatte ist.
  • Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die konkave Ventilsitzausnehmung im Randbereich einen Durchmesser besitzt, der mindestens dem Doppelten des Durchmessers des zylindrischen Durchbruchs entspricht. Durch diese geometrischen Verhältnisse lässt sich eine Ventilsitzausnehmung schaffen, welche den dichtenden Sitz der korrespondierenden Ventillamellen hinreichend unterstützt.
  • Damit die Druckluft im geöffneten Zustand des Druckventils ungehindert an der Ventillamelle vorbeiströmen kann, sollte die konkave Ventilsitzausnehmung im Randbereich einen Durchmesser besitzen, der größer als der Randdurchmesser der Ventillamelle ist.
  • Als weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahme sollte die Tiefe der konkaven Ventilsitzausnehmung mindestens der Dicke der Ventillamelle entsprechen, um einen genügend großen Durchbiegungsgrad, und damit auch eine wirksame Minimierung des Totvolumens zu bewirken. Prinzipiell gilt, dass der Grad der Durchbiegung der Ventillamelle und die verbleibende Länge des zylindrischen Durchbruchs durch die Festigkeit der Ventillamelle sowie der Ventilplatte bestimmt werden.
  • Die Ventillamelle nimmt im geöffneten Zustand des Lamellenventils in Folge elastischer Verformung eine im Wesentlichen ebene Form an. Somit ist der für den geöffneten Zustand erforderliche Bauraum deutlich geringer, als bei Lamellenventilen des Standes der Technik.
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
    • Fig.1
    eine schematische Seitenansicht einer Kolben-Zylinder-Anordnung eines Kolbenkompressors mit Lamellenventil im geschlossenen Zustand, und
    Fig.2
    eine schematische Seitenansicht einer Kolben-Zylinder-Anordnung eines Kolbenkompressors mit Lamellenventil im geöffneten Zustand.
  • Gemäß Fig.1 ist im Zylinder 1 eines Kolbenkompressors ein axial bewegbarer Kolben 2 zum Komprimieren angesaugter Umgebungsluft angeordnet. Aus Vereinfachungsgründen ist hier das Ansaugventil nicht weiter dargestellt, wohl jedoch das Druckventil. Dieses ist nach Art eines Lamellenventils 3 ausgebildet, welches Bestandteil einer Ventilplatte 4 ist. Mit der Ventilplatte 4 wird ein Zylinderraum 5 zylinderkopfseitig begrenzt.
  • Das Lamellenventil 3 weist auf der dem Kolben 2 abgewandten Seite eine in die Ventilplatte 4 eingearbeitete konkave Ventilsitzausnehmung 6 auf. Die Querschnittskontur der Ventilsitzausnehmung 6 ist an die Kontur einer ebenso konkav geformten Ventillamelle 7 derart angepasst, dass die Ventillamelle 7 mit der Ventilsitzausnehmung 6 eine Art Sitzventil bilden.
  • Die konkav geformte Ventillamelle 7 ist ein tiefgezogenes Blechteil, welches an einer - hier nicht weiter dargestellten Stelle - an der Ventilplatte 4 befestigt ist. Vom Bodenbereich der konkaven Ventilsitzausnehmung 6 erstreckt sich ein zylindrischer Durchbruch 8 in Richtung des Zylinderraums 5. Wegen der in Folge der konkaven Ventilsitzausnehmung 6 verkürzten Axialerstreckung des Durchbruchs 8 wird das Totvolumen, welches der Kolben 2 im hier dargestellten oberen Totpunkt einnimmt, minimal.
  • Gemäß Fig.2 nimmt die Ventillamelle 7 im geöffneten Zustand des Lamellenventils 3 in Folge elastischer Verformung eine fast ebene Form an. Die Druckluft strömt während des geöffneten Zustands des Lamellenventils 3 seitlich zwischen dem Rand der Ventillamelle 7 und dem Randbereich der konkaven Ventilsitzausnehmung 6 vorbei, welcher im Randbereich einen größeren Durchmesser besitzt, als der Randdurchmesser der Ventillamelle 7.
  • Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, das erfindungsgemäße Prinzip auch bei nicht aufgeladenen Kompressoren, anzuwenden. Auch hier lässt sich damit das Totvolumen deutlich reduzieren, so dass sich die Förderleistung sowie die Leistungsaufnahme des Kolbenkompressors entsprechend verbessert. Analog zur erfindungsgemäßen Lösung für das Druckventil kann auch für das Saugventil der Ventilplatte eine ebene Aussparung an der Unterseite der Ventilplatte angebacht werden, so dass das Saugventil nicht mehr erhaben an der Ventilplatte aufliegt. Damit lässt sich der Kolbenbodenunterstand um die Dicke der Ventillamelle samt Befestigungsmitteln reduzieren.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zylinder
    2
    Kolben
    3
    Lamellenventil
    4
    Ventilplatte
    5
    Zylinderraum
    6
    Ventilsitzausnehmung
    7
    Ventillamelle
    8
    Durchbruch

Claims (6)

  1. Kolbenkompressor zur Erzeugung von Druckluft mit mindestes einem Zylinder (1), in dem ein über einen Kurbeltrieb bewegbarer Kolben (2) zum Komprimieren angesaugter Umgebungsluft angeordnet ist, wobei eine mindestens ein Lamellenventil (3) als Druckventil aufweisende Ventilplatte (4) einen Zylinderraum (5) zylinderkopfseitig begrenzt, wobei das Lamellenventil (3) auf der dem Kolben (2) abgewandten Seite eine in die Ventilplatte (4) eingearbeitete konkave Ventilsitzausnehmung (6) aufweist, deren Kontur an eine ebenso konkav geformten Ventillamelle (7) dichtend angepasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass vom Bodenbereich der konkaven Ventilsitzausnehmung (6) ein zylindrischer Durchbruch (8) in Richtung Zylinderraum (5) verläuft, dessen Durchmesser kleiner als die Dicke der Ventilplatte (4) ist und dass die konkave Ventilsitzausnehmung (6) im Randbereich einen Durchmesser besitzt, der mindestens dem Doppelten des Durchmessers des zylindrischen Durchbruchs (8) entspricht.
  2. Kolbenkompressor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die konkav geformte Ventillamelle (7) aus einem tiefgezogenen Blechteil hergestellt ist.
  3. Kolbenkompressor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die konkave Ventilsitzausnehmung (6) im Randbereich einen Durchmesser besitzt, der größer als der Randdurchmesser der Ventillamelle (7) ist.
  4. Kolbenkompressor nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die abströmende Luft im geöffneten Zustand des Lamellenventils (3) seitlich zwischen dem Rand der Ventillamelle (7) und dem Randbereich der konkaven Ventilsitzausnehmung (6) vorbeiströmt.
  5. Kolbenkompressor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der konkaven Ventilsitzausnehmung (6) mindestens der Dicke der Ventillamelle (7) entspricht.
  6. Kolbenkompressor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Ventillamelle (7) im geöffneten Zustand des Lamellenventils (3) infolge elastischer Verformung eine ebene Form annimmt.
EP09702133A 2008-01-17 2009-01-13 Kolbenkompressor mit einer ein lamellenventil aufweisenden ventilplatte Not-in-force EP2238349B1 (de)

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