ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР С ВНУТРЕННИМ ПОТОКОМ ОХЛАЖДАЮЩЕГО ВОЗДУХА В КАРТЕРЕ
PISTON COMPRESSOR WITH INTERNAL FLOW OF COOLING AIR IN TRAY

Изобретение относится к поршневому компрессору, в частности поршневому компрессору возвратно-поступательного типа для создания сжатого воздуха, который содержит, по меньшей мере, один, соединенный с коленчатым валом посредством сопряженного, установленного при помощи подшипников качения шатуна, поршень, который в сопряженном цилиндре осуществляет возвратно-поступательное движение и через интегрированный в головку цилиндра адаптер вызывает сжатие всасываемого воздуха, причем через впускной вентиль на основании разряжения в картере, создаваемого посредством движения поршня, охлаждающий воздух из входного трубопровода попадает в картер и на основании избыточного давления в картере, создаваемого посредством обратного движения поршня, через выпускной вентиль выходит из картера, так что в картере создается внутренний поток охлаждающего воздуха.
Такого рода поршневые компрессоры обычно повсеместно применяются там, где необходим сжатый воздух, однако устройство для создания сжатого воздуха должно быть малогабаритным и иметь при этом высокую мощность, причем такого рода поршневые компрессоры преимущественно используются в грузовых автомобилях или в рельсовых транспортных средствах. В случае применения в грузовом автомобиле полученный посредством поршневого компрессора сжатый воздух, наряду с эксплуатацией тормозной системы, в значительной степени используется также при работе устройства пневматической подвески. Из-за сопутствующей этому большой потребности в сжатом воздухе с высокими давлениями в системе здесь пригодны, по большей части, многоступенчатые поршневые компрессоры. Необходимые для пневматической подвески высокие давления на коротком временном интервале можно получить посредством такого типа поршневых компрессоров. Для этого, в частности, раньше в грузовых автомобилях использовались поршневые компрессоры с масляной смазкой. Концепции компрессоров без использования масла не могли осуществиться, так как из-за высоких температур конструктивных элементов, которые, ввиду высокой мощности, имели место на маленьком конструктивном пространстве, не могли быть достигнуты необходимые сроки службы конструктивных элементов.
Новые типы компрессорной концепции на базе поршневых компрессоров делают возможной эксплуатацию компрессоров без масла, если они снабжаются расходом охлаждающего воздуха. Тип эксплуатации при отсутствии масла разрабатывался, в частности, по причинам технического обслуживания и технико-экологическим причинам. Здесь уровень техники представляет различные концепции, причем для теплоотвода используются активные охлаждающие компоненты, такие, к примеру, как вентиляторные средства.
Из DD 238645 А1 очевидно решение, при котором приводимый в движение колесом вентилятора воздух проходит как через блок компрессора, так и через приводной двигатель. Недостатком данного варианта является, наряду с созданием шума, полный загрязнений атмосферный воздух, который проводится через картер, где загрязнения могут осаждаться, а также возможное образование скоплений воды в картере ввиду изменений давления. Чтобы противодействовать этой проблеме снова необходима внешняя фильтровальная система и, возможно, система водоотделения, которая, однако, повысит затраты на обслуживание и сократит интервалы между обслуживаниями.
DE 10138070 С2 представляет поршневой компрессор, в котором получаемое посредством возвратно-поступательного движения рабочего поршня в картере периодическое колебание давления посредством попарных вентилей используется для получения потока охлаждающего воздуха в картере. При этом впускной вентиль открывается, когда поршень осуществляет возвратно-поступательное движение в направлении головки цилиндра, и объем картера увеличивается, так как посредством возникающего разряжения воздух проходит через впускной вентиль в картер. При движении вниз в картере, напротив, возникает избыточное давление, и расположенный удаленно от впускного вентиля выпускной вентиль открывается. Посредством этого попеременного открывания и закрывания вентильной пары, состоящей из впускного и выпускного вентилей, без дополнительных транспортирующих средств в картере может быть создан расход охлаждающего воздуха.
Во избежание попадания загрязненного окружающего воздуха далее используется возможность выбирать охлаждающий воздух из входного трубопровода, чтобы и для потока охлаждающего воздуха картера предоставлять в распоряжение уже очищенный воздух. Всасываемый воздух посредством предшествующих очищающих средств освобожден от загрязнений, что, в частности, в грузовом автомобилестроении занимает существенное место, так как производственная окружающая среда часто сильно запылена. Далее у устройств, которые для подготовки сжатого воздуха вызывают сильные изменения давления в рабочем воздухе, может быть достигнута точка росы содержащегося в воздухе водяного пара, что обуславливает конденсацию водяного пара и тем самым образование воды в системе. Во избежание образования воды в системе перед компрессорными средствами могут быть отдельно помещены водоотделители. При заборе охлаждающего воздуха из входного трубопровода с дополнительно предвключенным к фильтровальной системе водоотделителем, кроме того, обеспечивается тот факт, что при прохождении отфильтрованного и высушенного охлаждающего воздуха через картер там не может образоваться вода, которая могла бы вызвать существенные повреждения, в частности, в опорах подшипников.
Также и у многоступенчатых поршневых компрессоров, как можно заключить из ЕР 1028254 А2, может использоваться принцип внутренней помпы для нагнетания охлаждающего воздуха, основанный на движении поршня, так как ступень низкого давления имеет большую поверхность поршня, а ступень высокого давления имеет маленькую поверхность поршня, причем в результате хода поршня на основании разницы поверхностей поршня также возникает периодически меняющееся изменение давления в картере.
Однако при этом возникает проблема, что при ответвлении охлаждающего воздуха от входного трубопровода посредством расположения ответвления в головке цилиндра или вблизи головки цилиндра, и посредством прямого введения охлаждающего воздуха через расположенный в головке цилиндра впускной вентиль и последующего проведения охлаждающего воздуха по цилиндру, охлаждающий воздух нагревается так, что для охлаждения подшипников качения в картере не имеется более в распоряжении охлаждающего воздуха соответствующей низкой температуры. Из-за вызванных тем самым высоких рабочих температур, в частности, подшипников качения срок службы работающих без масла поршневых компрессоров значительно сокращен, что связано с сокращением интервалов между обслуживаниями и может вызывать технологические отказы. Консистентная смазка подшипников качения подвергается старению в результате процессов разложения при высоких рабочих температурах, для большинства консистентных смазок действительны температурные границы от 90°С, которые при эксплуатации компрессора могут быть достигнуты уже через короткий промежуток времени. Вследствие этого надежное действие смазочного средства более не обеспечивается, что приводит к поломке подшипников качения.
Исходя из этого задачей предложенного на рассмотрение изобретения является создание вентиляции картера для работающего без масла поршневого компрессора, которая для охлаждения нагретых компонентов в картере, в частности подшипников качения, транспортирует чистый охлаждающий воздух в картер, и который при входе в картер имеет низкую температуру.
Эта задача решается исходя из вентиляции картера работающего без масла поршневого компрессора в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения в сочетании с его отличительными признаками. Предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение включает техническую теорию о том, что ответвление охлаждающего воздуха из входного трубопровода расположено отдельно или в головке цилиндра, и охлаждающий воздух, по меньшей мере, через одно, проведенное снаружи по цилиндру трубное соединение между головкой цилиндра и картером проводится мимо цилиндра, во избежание нагревания охлаждающего воздуха.
Преимуществом данного решения является возможность не подвергать охлаждающий воздух нагреву, который возникает в зоне адаптера, а вдали от этого источника нагрева ответвлять его от входного трубопровода и вести непосредственно в картер. Известное ранее решение, при котором охлаждающий воздух сначала проводится вдоль через каналы на внешней поверхности цилиндра, вызывает нагревание охлаждающего воздуха, прежде чем он достигнет картера. Охлаждение цилиндра и головки цилиндра может происходить согласно решению в соответствии с изобретением также посредством второго, сепаратного потока охлаждающего воздуха, так что от охлаждения этих компонентов не нужно отказываться. Таким образом, можно легко избежать нагревания охлаждающего воздуха, происходящего перед входом в картер. Трубное соединение расположено с внешней стороны на корпусе и направляет охлаждающий воздух мимо конструктивных элементов с наиболее высокими температурами, таких как цилиндр или головка цилиндра. Благодаря свободно расположенному трубному соединению температура охлаждающего воздуха посредством основанной на конвекции через поверхность трубы теплоотдаче может, к тому же, далее снижаться, прежде чем охлаждающий воздух войдет в картер.
Следующее улучшающее изобретение мероприятие предусматривает, что проведенный, по меньшей мере, через одно трубное соединение охлаждающий воздух вводится в картер в месте, вблизи которого в картере расположены нагретые компоненты, такие как подшипники качения, и охлаждающий воздух по диагонали проходит картер для достижения максимального охлаждающего эффекта. Благодаря разнообразному исполнению трубного соединения возможно выбирать место входа охлаждающего воздуха в картер таким образом, чтобы предназначенные для охлаждения компоненты находились непосредственно в потоке охлаждающего воздуха. Это преимущество может как раз использоваться для неподвижно расположенных в картере подшипниках качения, таких как опоры коленчатого вала в картере, так как охлаждающий воздух непосредственно обтекает подшипники качения и охлаждает их.
В соответствии с возможным вариантом осуществления изобретения предлагается, чтобы соединение для охлаждающего воздуха между головкой цилиндра и картером состояло, по меньшей мере, из двух отдельно расположенных и соединенных параллельно друг другу трубных соединений для увеличения имеющейся поверхности охлаждения. Преимуществом расположения, по меньшей мере, двух трубных соединений наряду с увеличенной поверхностью для конвекционного охлаждения является, кроме того, возможность расположить трубные соединения симметрично таким образом, чтобы места входа охлаждающего воздуха непосредственно снабжали охлаждающим воздухом подшипники качения коленчатого вала как со стороны двигателя, так и расположенные в нижней части в картере. Охлаждающий воздух отводится при этом из камеры охлаждающего воздуха в головке цилиндра в трубное соединение, причем камера охлаждающего воздуха через входной вентиль заполняется охлаждающим воздухом и распределяет его по трубным соединениям. Как правило, достаточно, если предусматриваются два трубных соединения.
Для создания безопасного в эксплуатации и малогабаритного расположения вентилей, в качестве следующего, улучшающего изобретение мероприятия предлагается выполнить впускной вентиль и/или выпускной вентиль для потока охлаждающего воздуха по типу пластинчатого вентиля, и впускной вентиль расположить в головке цилиндра, в пластине вентиля или в картере. Предпочтительными при пластинчатом исполнении вентиля являются незначительные конструктивные расходы и высокая эксплуатационная надежность. Благодаря небольшой занимаемой площади и плоской конструкции пластинчатого вентиля этот пластинчатый вентиль можно оптимально интегрировать в камере охлаждающего воздуха головки цилиндра или в пластине вентиля и притом смежно с главным впускным вентилем компрессора.
Чтобы посредством следующего мероприятия свести до минимума нагревание охлаждающего воздуха, предлагается расположить впускной вентиль в головке цилиндра, далеко от места нахождения адаптера. Посредством как можно более дальнего расположения впускного вентиля и тем самым режима потока охлаждающего воздуха после ответвления от входного трубопровода нагревание охлаждающего воздуха минимизируется, и он прямым путем направляется в картер. Ответвление охлаждающего воздуха снаружи головки цилиндра или пластины вентиля предлагает также следующее решение, однако при этом дополнительно необходим элемент ответвления во входном трубопроводе, и впускной вентиль должен быть расположен на входе в картер охлаждающего воздуха. Это решение имело бы смысл, однако, только при использовании одного трубного соединения, так как при проведении охлаждающего воздуха через несколько труб в соответствии с количеством трубных соединений было бы необходимо также и несколько впускных вентилей.
Из конструктивных соображений особо выгодно, если винтовое соединение картера, цилиндра или головки цилиндра состоит, по меньшей мере, из одного стяжного болта, который проходит через трубное соединение, или винтовое соединение картера, цилиндра или головки цилиндра состоит из трубного соединения. Посредством обоих мероприятий количество отдельных деталей может быть сокращено, в то время как трубное соединение, наряду с перемещением охлаждающего воздуха, выполняет также и механическую функцию свинчивания. В случае прокладывания стяжных болтов через трубное соединение отдельное свинчивание картера, цилиндра и головки цилиндра может отсутствовать, и трубные соединения механически зажимаются стяжными болтами, причем наряду с зажимом дополнительно может быть получено уплотняющее действие между трубным соединением и картером или головкой цилиндра, так как трубное соединение вследствие зажима в продольном направлении подвергается сжимающей нагрузке. При свинчивании картера, цилиндра и головки цилиндра через трубное соединение, это трубное соединение механически зажимается таким образом, что им не только воспринимаются механические растягивающие усилия, но он может также выполнять функцию транспортировки охлаждающего воздуха, и тем самым количество отдельных деталей может сокращаться.
Чтобы добиться уплотняющего действия между трубным соединением и картером или головкой цилиндра предлагается, чтобы переход от трубного соединения к картеру и к головке цилиндра имел, по меньшей мере, один уплотнительный элемент во избежание негерметичности. Этот уплотнительный элемент может состоять из O-образного кольца на базе синтетического материала или может быть изготовлен из сопоставимого уплотнительного элемента, к примеру, такого как латунное уплотнительное кольцо, так как тем самым предоставлена повышенная термическая стабильность и улучшенная устойчивость к старению.
Дополнительное мероприятие для дальнейшего улучшения охлаждения поршневого компрессора возвратно-поступательного типа в целом состоит в том, что охлаждающий воздух перед входом в трубное соединение проходит, по меньшей мере, через один канал потока внутри головки цилиндра и/или цилиндра и вызывает охлаждение, причем температура охлаждающего воздуха при последующем прохождении трубного соединения, в частности через активный охлаждающий элемент или ввиду конвекционного охлаждения, снова понижается, и что трубное соединение на наружной поверхности имеет радиатор для усиления теплоотдачи посредством конвекции. Этот принцип промежуточного охлаждения делает возможным вход охлаждающего воздуха низкой температуры в картер, несмотря на то, что ранее сильно нагретая зона цилиндра и головки цилиндра сначала охлаждается тем же самым охлаждающим воздухом. Не представленный более детально канал потока в рубашке цилиндра и/или в головке цилиндра проводит при этом охлаждающий воздух мимо нагретых конструктивных элементов и вводится далее в трубное соединение. Чтобы снова достаточно понизить температуру охлаждающего воздуха, так чтобы он при входе в картер осуществлял эффективное охлаждение подшипников качения, в соответствии с изобретением необходимо предусмотреть радиаторы на внешней стороне трубного соединения, чтобы тем самым увеличить поверхность и усилить эффект конвекционного охлаждения. Охлаждение посредством активных охлаждающих сред также применимо, однако они требуют дополнительных конструктивных расходов.
Другие, улучшающие изобретение признаки приведены в последующих зависимых пунктах формулы изобретения или более детально представляются далее вместе с описанием предпочтительного примера осуществления изобретения на основании чертежа, который показывает:
поперечный разрез поршневого компрессора возвратно-поступательного типа с расположенным сбоку трубным соединением.
Представленный на чертеже поршневой компрессор 1 возвратно-поступательного типа состоит из картера 2, цилиндра 3 и головки 4 цилиндра, которая собрана из пластины 5 вентиля и адаптера 6. В цилиндре 3 поршень 7 осуществляет возвратно-поступательное движение, которое создается посредством коленчатого вала 8 и расположенного в качестве соединения шатуна 9. Находящийся в цилиндре 3 воздух посредством движения вниз поршня 7 втягивается в цилиндр 3, а при движении вверх поршня 7 сжимается. Адаптер 6 наряду с входным трубопроводом 11 и выходным трубопроводом 12 имеет главный впускной вентиль и главный выпускной вентиль, причем главный впускной вентиль при движении вниз поршня 7 находится в открытом положении и втягивает воздух из входного трубопровода 11 в цилиндр 3, а при движении вверх закрывается. Напротив, при движении вниз поршня 7 главный выпускной вентиль находится в закрытом положении и открывается при движении вверх поршня 7, вследствие чего сжатый таким образом воздух выводится из цилиндра 3 через выходной трубопровод 12 и подается к внешнему потребителю.
Цилиндр 3 посредством винтового соединения 18 с возможностью разъема соединен с картером 2. Коленчатый вал 8 посредством подшипников 10 качения с возможностью вращения установлен в картере 2, причем шатун 9 также посредством подшипников 10' качения с возможностью вращения установлен на коленчатом участке коленчатого вала 8.
Посредством возвратно-поступательного движения поршня 7 как в рабочем цилиндре, так и в картере 2 вызывается периодическое изменение давления. Благодаря расположению впускного вентиля 13 и выпускного вентиля 14, через которые воздух может попадать в картер 2 и удаляться, в картере 2 вызывается прохождение воздуха. Впускной вентиль 13 находится внутри головки 4 цилиндра и выбирает охлаждающий воздух на основании разряжения в картере 2 посредством движения вверх поршня 7, из всасывающего трубопровода 11, который посредством трубного соединения 15 вводится в картер 2. Трубное соединение 15 в примере осуществления расположено между пластиной 5 вентиля и картером 2, причем воздушный канал создан между камерой охлаждающего воздуха 16, в которой охлаждающий воздух через впускной вентиль 13 собирается из всасывающего трубопровода 11, и картером 2. Охлаждающий воздух проходит, таким образом, через трубное соединение 15 в картер 2, не нагреваясь о конструктивные элементы, имеющие высокую температуру, такие как цилиндр 3 или головка 4 цилиндра.
Для герметизации трубного соединения 15 и пластины 5 вентиля или картера 2 уплотнительные элементы 17 расположены таким образом, что они уплотняют переходы трубного соединения 15 к пластине 5 вентиля и картеру 2 и предотвращают побочное течение воздуха и тем самым проникновение загрязнений. Таким образом, при открытом впускном вентиле 13 охлаждающий воздух течет непосредственно в картер и снова покидает его через выпускной вентиль 14, когда поршень 7 в цилиндре 3 осуществляет движение вниз и тем самым вызывает избыточное давление в картере 2. Подшипники 10 качения в картере 2 охлаждаются непосредственно проходящим охлаждающим воздухом, причем охлаждающий воздух в конструкции, не представленной здесь более детально, посредством двух симметрично расположенных трубных соединений 15 вводится в картер 2 таким образом, что подшипники 10 качения непосредственно обтекаются охлаждающим воздухом. Кроме того, подшипники 10' качения между коленчатым валом 8 и шатуном 9 также охлаждаются посредством контакта с охлаждающим воздухом в картере 2.
Выпускной вентиль 14 расположен в картере 2 со стороны днища для того, чтобы выводить из картера 2 наружу возможные загрязнения и скопления воды и чтобы посредством расположения со стороны днища свести до минимума нагрузку загрязнениями извне.
ОБОЗНАЧЕНИЯ
1. Поршневой компрессор возвратно-поступательного типа.
2. Картер.
3. Цилиндр.
4. Головка цилиндра.
5. Пластина вентиля.
6. Адаптер.
7. Поршень.
8. Коленчатый вал.
9. Шатун.
10, 10'. Подшипники качения.
11. Входной трубопровод.
12. Выходной трубопровод.
13. Впускной вентиль.
14. Выпускной вентиль.
15. Трубное соединение.
16. Камера охлаждающего воздуха.
17. Уплотнительный элемент.
18. Винтовое соединение.