ОХЛАЖДАЕМЫЙ ВОЗДУХОМ ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР СО СПЕЦИАЛЬНЫМ ВЕДЕНИЕМ ОХЛАЖДАЮЩЕГО ВОЗДУХА
AIR COOLED PISTON COMPRESSOR WITH SPECIAL COOLING AIR SUPPLY

Изобретение относится к охлаждаемому воздухом поршневому компрессору для транспортных средств, в частности грузовых автомобилей, с нагнетателем, имеющим несколько цилиндров, который приводится в действие двигателем, который рядом имеет вентилятор для создания потока охлаждающего воздуха для охлаждения, в частности, цилиндров.
Область применения изобретения распространяется преимущественно на не содержащие масла поршневые компрессоры в исполнении с несколькими цилиндрами, которые работают с одной ступенью даже при высоком рабочем давлении, причем охлаждение цилиндров осуществляется с помощью потока охлаждающего воздуха.
В грузовых автомобилях, в частности, автобусах, которые выполнены в виде электромобилей или гибридов, в последнее время усиленно тестируются концепты компрессоров, в которых компрессор приводится в действие электромотором, который, например, питается от генератора и преобразователя частоты переменного тока и встраиваются в местах автомобиля, в которых не имеется в распоряжении какой-либо охлаждающей воды, однако часто преобладают высокие окружающие температуры. В таких автомобилях произведенный компрессором сжатый воздух используется, в частности, для работы тормозов транспортных средств.
В частности, при применении в электромобилях и гибридах требуются не содержащие масла сжимающие компрессоры описанного выше вида, которые с весьма небольшими затратами надежно работают в самом малом конструктивном пространстве при экстремальных окружающих температурах и закрывают с небольшими затратами на обслуживание высокую потребность в воздухе. В не содержащих масла концептах компрессора больше не имеется заполнения маслом корпуса компрессора в обычном смысле. Смазка направляющих поршней заменяется покрытием поршней с малыми потерями на трение. Вращающиеся части устанавливаются на подшипниках качения со стойкой к температуре заполнением консистентной смазкой. В клапанах, кроме того, исключаются движущиеся части, которые могли бы создавать теплоту трения.
В прошлом в грузовых автомобилях в противоположность этому применялись использующие масло в качестве смазки поршневые компрессоры для производства сжатого воздуха. Они в большинстве случаев крепились прямо на двигателе внутреннего сгорания транспортного средства с помощью фланцев и приводились в действие обычно с помощью зубчатых колес. При этом охлаждение осуществляется с помощью охлаждающей воды, которая выделяется из двигателя внутреннего сгорания.
Для других потребителей, например, для снабжения пневматических агрегатов, которые устанавливаются на грузовых автомобилях, применяются скорее охлаждаемые воздухом компрессоры. Особенно охлаждаемые воздухом поршневые компрессоры в этих случаях применения часто оборудуются осевыми вентиляторами, которые с одной стороны установлены на коленчатом вале поршневого компрессора и от него приводятся в действие. Эти поршневые компрессоры часто имеют компоновку в форме W, V или звезды, чтобы охлаждающий воздух осевого вентилятора мог подводиться по возможности равномерно ко всем цилиндрам. Если, напротив, цилиндр в направлении охлаждающего потока закрывается другими цилиндрами - например, при рядном расположении, существует опасность перегрева. Чтобы избежать перегрева такие охлаждаемые воздухом поршневые компрессоры при рабочем давлении свыше 8 бар выполняются двухступенчатыми или многоступенчатыми, чтобы удержать температуру конструктивных элементов на низком уровне. Такие многоступенчатые концепты нагнетателей в общем уровне технике часто применяются в компрессорах пневматической тормозной системы в производстве рельсовых транспортных средств. Некоторые виды конструкций при этом работают с простыми воздуховодами, с помощью которых охлаждающий воздух проводится мимо по возможности близко к закрытым цилиндрам, чтобы их лучше охладить.
На практике не содержащие масла концепты поршневых нагнетателей в одноступенчатом исполнении могли бы не применяться для давления свыше 10 бар, в частности, в исполнении с охлаждением воздухом, так как по причине высоких температур конструктивных элементов, которые возникают при высоком числе оборотов и высокой удельной мощности на совсем малом конструктивном пространстве, нельзя было бы достичь необходимого срока службы. В охлаждаемых воздухом одноступенчатых не содержащих масла поршневых компрессорах в рядной конструкции с осевыми вентилятором на конце коленчатого вала существует проблема, что цилиндр, который стоит в воздушной тени другого цилиндра, перегревается также при применении закрытых от воздуховодов цилиндров, так что поршневые кольца и смазка подшипников на шатунных подшипников этих цилиндров быстро изнашиваются. В частности, в местах, в которых в грузовых автомобилях не имеется какой-либо воды для охлаждения, могут применяться только компрессоры в исполнении с воздушным охлаждении. Особое требование предъявляется к охлаждению подшипников качения и цилиндров. Из-за ограничений в конструктивном пространстве не могут применяться какие-либо дополнительные воздуходувки и направляющие для охлаждающего воздуха. Для снижения температуры подшипников до сих пор известны не содержащие масла концепты нагнетателей, в которых всасываемый воздух направляется через картер двигателя. Это имеет следствием нагревание всасываемого воздуха, что ведет к повышению конечных температур при компрессии, вследствие чего опять же повышается общий уровень температуры нагнетателя. Поэтому этот концепт оказался в целом непригодным для одноступенчатого компрессора.
Документ DE 10138070 С2 раскрывает техническое решение для снижения температуры в картере двигателя не содержащих масла двухступенчатого компрессора. Здесь используется изменение объема, обусловленное движением поршня, для создания потока охлаждающего воздуха. Охлаждающий воздух применяется преимущественно для охлаждения корпуса цилиндра, но также и для обдува картера двигателя. Однако недостаток этого исполнения заключается в том, что обдув не комплектно интегрирован в компрессоре, а нужны боковые подводы охлаждающего воздуха и дополнительные фильтровальные системы для очистки охлаждающего воздуха. Далее загрязнения и вода могут собираться в картере двигателя. Поэтому это решение оказалось непригодным для одноступенчатого компрессора.
Документ DE 102004042944 А1 описывает поршневой компрессор с обдувом картера двигателя, в котором охлаждающий воздух выделяется из всасываемого воздуха компрессора. Недостатком этого решения является, что охлаждающий воздух уже предварительно нагревается в головке блока цилиндров, и таким образом степень эффективности и тепловой режим компрессора ухудшается. Хотя проблема температуры со стороны картера двигателя решается, проблема температуры в области цилиндра, однако, остается.
Из документа DE 102005040495 А1 вытекает другая концепция охлаждения картера двигателя, не содержащего масла многоцилиндрового компрессора. Здесь объемный поток охлаждающего воздуха создается картером двигателя, а именно, с помощью разделения картера двигателя таким образом, что каждый цилиндр имеет свою собственную камеру картера двигателя. Особую трудность при этом представляет монтаж кривошипно-шатунного механизма, так как промежуточные опоры коленчатого вала находятся внутри картера двигателя. Техническое решение отсюда оказалась с технологической точки довольно затратным.
Поэтому задачей настоящего изобретения является создание просто монтируемого многоцилиндрового одноступенчатого компактного охлаждаемого воздухом поршневого компрессора, который даже при высоком давлении работает надежно с охлаждением воздухом, причем на всех цилиндрах должны устанавливаться соразмерные температуры стенок цилиндров и картера двигателя.
Эта задача решена посредством поршневого компрессора, охарактеризованного признаками пункта 1 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения раскрывают предпочтительные варианты выполнения изобретения.
Изобретение включает техническое решение, что на промежуточном валу между двигателем и нагнетателем установлен вентилятор, который засасывает охлаждающий воздух из окружающей среды и транспортирует его в следующий далее канал для охлаждающего воздуха, причем канал для охлаждающего воздуха, по меньшей мере, частично опоясывающий цилиндры, образован таким способом, что все расположенные в ряд цилиндры нагнетателя равномерно обтекаются охлаждающим воздухом.
Преимущество предложенного в соответствие с изобретением решения заключается, в частности, в том, что износ поршней и поршневых колец, а также истирание смазочных материалов в опорах подшипников во всех цилиндрах получается равномерно низким. Кроме того, предложенный в соответствие с изобретением охлаждаемый воздухом поршневой компрессор без затрат на обслуживание имеет длительный срок службы, так что достигается межремонтный срок транспортного средства или срок службы транспортного средства даже без замены. При этом нагнетатель предложенного в соответствие с изобретением поршневого компрессора может выполняться не содержащим масла и производит в этом отношении преимущественно не содержащий масла сжатый воздух, что решает часто возникающую до сих пор при производстве грузовых автомобилей проблематику загрязнения маслом и нагарообразования в тормозной системе. Благодаря отсутствию масла в нагнетателе кроме этого решается проблематика удаления конденсата и связывания эмульсии в масле. В частности, предложенный в соответствие с изобретением охлаждаемый воздухом поршневой компрессор может применяться в грузовых автомобилях, так как он отличается достаточно высокой удельной мощностью при большом числе оборотов.
Обтекание цилиндров нагнетателя должно осуществляться главным образом с помощью канала для охлаждающего воздуха с проведением его с двух сторон и перпендикулярно к направлению вращения компрессора. Благодаря этому поток охлаждающего воздуха может подаваться равномерно к подлежащим охлаждению местам и разделяться с адаптацией к числу подлежащих охлаждению конструктивных элементов.
Согласно другому аспекту изобретения предлагается формировать поперечные сечения канала охлаждающего воздуха не постоянными вдоль направления потока, чтобы создать равномерный поток охлаждающего воздуха, а направленно выбирать различные поперечные сечения. Так цилиндр, который располагается ближе всего к вентилятору, должен с помощью дросселирования поперечного сечения получать уменьшенный подвод охлаждающего воздуха, так что остальные цилиндры, которые расположены на большем удалении от вентилятора, получат тот же самый охлаждающий воздух, как и оговоренный близлежащий цилиндр. Это преимущество может быть реализовано только с помощью соответствующих размеров конструктивного элемента, обеспечивающего охлаждаемым воздухом. Преимущественно такой канал для охлаждающего воздуха должен образовываться с помощью состоящего из двух частей кожуха из синтетического материала, половины которого с помощью простого деления формы могут изготавливаться преимущественно с помощью литья под давлением простым способом.
Предпочтительным является то, что канал для охлаждающего воздуха снова объединяет охлаждающий воздух в направлении потока после цилиндров, так что он через общий отводящий канал может отводиться из горячей зоны цилиндров в направлении наружу. Так как использованный, т.е. нагретый, охлаждающий воздух не выводится в различных местах нагнетательного блока в направлении наружу, использованный воздух может отводиться наружу направленно, в случае необходимости через другое удлинение рукава.
Преимущественно расположенный между двигателем и нагнетателем вентилятор должен быть выполнен типа центробежного вентилятора. Такой центробежный вентилятор может располагаться между оговоренными элементами конструкции с особой экономией места, не приводя к не пропорциональному росту внешних геометрических размеров всего охлаждаемого воздухом поршневого компрессора.
Такой центробежный вентилятор засосанный охлаждающий воздух согласно предпочтительной форме осуществления сначала должен направлять радиально от оси вращения компрессора, после чего с помощью канала для охлаждающего воздуха должно осуществляться отклонение потока охлаждающего воздуха прежде всего в осевом направлении оси компрессора, чтобы затем снова направить его в радиальном направлении от оси компрессора через цилиндры. С этим специальным ведением потока охлаждающего воздуха может достигаться достаточный эффект охлаждения при экономии конструктивного пространства.
В отношении достижения компактной конструктивной формы дальше предлагается, что охлаждающий воздух должен засасываться через распределенные по периметру отверстия фланца, расположенного в области конца вала стороны привода нагнетателя или конца вала со стороны привода двигателя, чтобы от туда из центробежного вентилятора выдавиться в канал для охлаждающего воздуха. Благодаря использованию этой области фланца не требуется никакого дополнительного конструктивного пространства для создания отверстий для центробежного вентилятора. В частности, с помощью этого решения предотвращается дальнейшее осевое увеличение охлаждаемого воздухом поршневого компрессора.
Предпочтительным является то, что отфильтрованный воздух поступает в соединительный трубопровод между головкой блока цилиндров и картером двигателя, причем часть для компрессии идет в направлении головки блока цилиндров и другая часть поступает к картеру двигателя с целью внутреннего охлаждения находящихся внутри картера двигателя опор подшипников.
Чтобы охлаждающий воздух бесполезно не подогревать перед достижением места действия внутри картера двигателя, предлагается, что охлаждающий воздух направляется в раздельно расположенные от цилиндров каналы в картере двигателя. Благодаря этому преимущественно отфильтрованный засосанный воздух из окружающей среды в месте, в котором он еще холодный, разделяется и с одной стороны направляется для компрессии в цилиндры и с другой стороны направляется через картер двигателя, причем идущий через картер двигателя охлаждающий воздух внутри картера должен разделяться преимущественно равномерно после камер и после подлежащих охлаждению конструктивных элементов, чтобы достичь особенно высокой степени эффективности внутреннего охлаждения.
Преимущественно засосанный и отфильтрованный воздух перед нагреванием за счет тепла отданного цилиндрами разделяется с помощью разветвления трубопровода таким образом, что он, во-первых, направляется к головке блока цилиндров для компрессии и, во-вторых, к картеру двигателя для охлаждения. При этом затем охлаждающий воздух может разделяться также равномерно после камер и подлежащих охлаждению конструктивных элементов внутри картера двигателя.
В соответствие с другим аспектом предлагается выполнение канала для охлаждающего воздуха в виде кожуха для изоляции звука. Таким путем может избегаться эмиссия звука от потока охлаждающего воздуха. Благодаря этому мероприятию реализуются мероприятия по изоляции звука, таким образом, уже самой конструкцией канала для охлаждающего воздуха.
В качестве альтернативы этому, однако, также возможно конструирование канала для охлаждающего воздуха в части по возможности компактной конструктивной адаптации к имеющимся геометрическим размерам нагнетателя, причем, при необходимости, могут приниматься меры по изоляции шума, например, применение материалов для изоляции шума. Они могут при этом перекрывать также другие излучающие шум компоненты картера двигателя, в частности, головки блоков цилиндров и картера двигателя.
Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
фиг.1 - вид в перспективе охлаждаемого воздухом поршневого компрессора;
фиг.2 - вид снизу охлаждаемого воздухом поршневого компрессора с нагнетателем в частичном разрезе;
фиг.3 - вид сбоку поршневого компрессора по фиг.1 с нагнетателем в частичном разрезе.
Согласно фиг.1 засосанный и отфильтрованный воздушным фильтром 13 воздух из окружающей среды через всасывающий трубопровод 14 для воздуха поступает от него в разветвляющийся соединительный трубопровод 10 между головкой блока цилиндров 11 картером двигателя 12 нагнетателя 2. Часть воздуха идет при этом для компрессии в направлении головки блока цилиндров 11 и остающаяся часть воздуха идет в картер двигателя 12 для охлаждения находящихся внутри опор подшипников. Засосанный снаружи воздух, таким образом, разделяется перед нагреванием отданным нагнетателем 2 теплом. Нагретый и при этом использованный охлаждающий воздух покидает охлаждающее прохождение через выход 15 для охлаждающего воздуха.
Между электрическим двигателем 3 и нагнетателем 2 интегрирован вентилятор 4, который образован типа центробежного вентилятора. Как нагнетатель 2, так и электрический двигатель 3 выполнены в самоцентрирующемся исполнении с фланцами и через лежащий между ними вентилятор 4 свинчиваются друг с другом. Вход воздуха происходит через радиальные отверстия 8.
Согласно фиг.2 охлаждаемый воздухом поршневой компрессор имеет внутри два цилиндра 1а и 1b, которые здесь представлены в виде снизу. Оба цилиндра 1а и 1b являются составной частью одноступенчатого и не содержащего масла нагнетателя 2, который приводится в действие электрическим двигателем 3.
Вентилятор 4 расположен на приводимом в движение двигателем 3 и идущим к нагнетателю 2 общем промежуточном вале 5, на котором вращается вентилятор 4 с числом оборотов двигателя, чтобы засасывать охлаждающий воздух из окружающей среды и транспортировать его в следующий далее канал 6 для охлаждающего воздуха. Канал 6 для охлаждающего воздуха, в дальнейшем ходе полностью опоясывающий цилиндры 1а и 1b, образован так, что оба расположенные в ряд цилиндры 1а и 1b нагнетателя - как описано выше - равномерно обтекаются охлаждающим воздухом.
Канал 6 для охлаждающего воздуха направляет использованный охлаждающий воздух в направлении потока после обоих цилиндров 1а и 1b с объединением в общий канал для отвода воздуха, откуда использованный охлаждающий воздух направляется с объединением наружу. После этого в этом примере осуществления ведение охлаждающего воздуха отрегулировано так, что вентилятор 4 сначала направляет воздух радиально от оси вращения нагнетателя 2, после чего осуществляется отклонение потока охлаждающего воздуха с помощью канала 6 для охлаждающего воздуха сначала в осевом направлении оси компрессора и потом воздух снова направляется в радиальном направлении от оси компрессора через цилиндры 1а и 1b.
Охлаждаемый воздухом поршневой компрессор имеет отверстия 8, распределенные по периметру фланца 9 двигателя 3, откуда поступает охлаждающий воздух в вентилятор 4 с экономией места.
Для дополнительного внутреннего охлаждения нагнетателя 2 предусмотрен соединительный трубопровод 10, который направляет часть засосанного воздуха для компрессии в цилиндры 1а и 1b, однако ответвляет другую часть для внутреннего охлаждения.
Отфильтрованный подлежащий сжатию воздух через соединительный трубопровод 10 поступает в изображенную на фиг.3 область головки блока цилиндров 11, которая перекрывает оба цилиндра 1а и 1b и включает не изображенные впускные и выпускные клапаны. Другая часть отфильтрованного воздуха направляется в картер двигателя 12 нагнетателя 2 для внутреннего охлаждения. При этом охлаждающим воздухом снабжаются внутренние опоры подшипников.
Как видно, часть канала 6 для охлаждающего воздуха снаружи опоясывает оба цилиндра 1а и 1b, чтобы обеспечить желательное равномерное обтекание расположенных в ряд обоих цилиндров 1а и 1b охлаждающим воздухом.