Titel:

Kolbenverdichter Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter zum Verdichten eines Arbeitsfluids mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Bei dem Arbeitsfluid kann es sich insbesondere um einen flüssigen oder Leckagemini- mierungshülse 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.

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. Stand der Technik

Aus der WO 2003/010446 AI 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 Kompressions- kammer 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.

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.

Zur Lösung der Aufgabe wird der Kolbenverdichter mit den Merkmalen des

Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

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 innen- umfangseitig im Zylinder eine umlaufende Ringnut ausgebildet, in der eine Leckageminimierungshülse aufgenommen ist, die gemeinsam mit dem Zylinder eine ringförmige Druckkammer definiert, die mit dem Kompressionsraum hydraulisch verbunden ist. In der Druckkammer herrscht somit der gleiche Druck wie im Kompressionsraum. Zwischen dem Kolben und der Leckageminimierungshülse bleibt über den gesamten Druckbereich hinweg ein Spalt und somit eine gewisse Strömung im Spalt erhalten.

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 mit dem Kompressionsraum hydraulisch verbundenen Druckkammer an. Da der Druck außen an der Leckageminimierungshülse größer als innen ist, zieht sich die Hülse zusammen, was dazu führt, dass sich der zwischen dem Kolben und der Leckageminimierungshülse verbleibende Spalt verringert. Mit der Verringerung des Spalts nimmt auch die Leckage über den Spalt ab, so dass auf diesem Wege eine Erhöhung des Wirkungsgrads des Kolbenverdichters erreicht wird.

Die Kontraktion der Leckageminimierungshülse erfolgt proportional zum Druckanstieg im Kompressionsraum bzw. in der Druckkammer. Das heißt, dass mit fortschreitendem Druckanstieg auch die Kontraktion zunimmt. Ursache hierfür ist der in Längsrichtung konstante Druck in der Druckkammer, während sich im Spalt zwischen der Leckageminimierungshülse und dem Kolben in Längsrichtung ein (näherungsweise) linearer Druckabfall einstellt. Der gewünschte Effekt der Spaltminimierung ist somit über den gesamten Druckbereich hinweg gegeben.

Die Kontraktion der Leckageminimierungshülse wird zudem dadurch begünstigt, dass die Innenumfangsfläche kleiner als die Außenumfangsfläche der Hülse ist, so dass radial außen auf die Leckageminimierungshülse bereits aufgrund der größeren Fläche eine größere Druckkraft wirkt.

Die Leckageminimierungshülse gilt es von einer herkömmlichen Dichthülse zu unterscheiden. Denn durch die Hülse wird keine Abdichtung, sondern lediglich eine Spaltminimierung erreicht. Das heißt, das eine gewisse Strömung im Spalt erhalten bleibt. Auf diese Weise können Reibungsverluste minimiert werden. Vorzugsweise ist daher auch der Innendurchmesser der Leckageminimierungshülse über die gesamte Länge größer als der Außendurchmesser des Kolbens gewählt, so dass Verschleiß und Klemmen auf ein Minimum reduziert werden.

Darüber hinaus ermöglicht die Leckageminimierungshülse einen Ausgleich etwaiger fertigungsbedingter Durchmessertoleranzen, so dass zugleich die Fertigung des Kolbenverdichters vereinfacht wird.

Bevorzugt ist die Ringnut zumindest abschnittsweise auf Höhe des Kolbens innenum- fangseitig im Zylinder angeordnet, um die gewünschte Leckageminimierung durch eine Minimierung des Spalts zwischen dem Kolben und der in der Ringnut aufgenommenen Leckageminimierungshülse zu bewirken. Ferner bevorzugt weist die Ringnut eine Höhe Hi auf, die größer als eine Höhe H2 der Leckageminimierungshülse ist. Das heißt, dass ein axialer Spalt zwischen der Leckageminimierungshülse und dem Zylinder verbleibt, über welche die erforderliche hydraulische Verbindung der Druckkammer mit dem Kompressionsraum herstellbar ist. An- dernends liegt die Leckageminimierungshülse bevorzugt dichtend an dem Zylinder an, so dass eine Umgehung der Leckageminimierungshülse ausgeschlossen ist.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in der Ringnut ein Federelement aufgenommen ist, mittels dessen die Leckageminimierungshülse gegen den Zylinder axial vorgespannt ist. Durch die axiale Vorspannung wird die Leckageminimierungshülse in axialer Richtung lagefixiert, so dass eine Umgehung der Leckageminimierungshülse dauerhaft ausgeschlossen ist. Die Vorspannkraft dient zugleich als initiale Dichtkraft in axialer Richtung.

Zur axialen Vorspannung der Leckageminimierungshülse wird vorgeschlagen, dass das Federelement an einer Stirnfläche der Leckageminimierungshülse abgestützt ist. Als Federelement kann beispielsweise eine Schraubendruckfeder, eine Wellfeder oder eine Tellerfeder verwendet werden, die in die Ringnut eingesetzt wird, und zwar vorzugsweise in den zwischen der Leckageminimierungshülse und dem Zylinder verbleibenden axialen Spalt. Über die konkrete Gestaltung des Federelements ist sicherzustellen, dass die erforderliche hydraulische Verbindung der Druckkammer mit dem Kompressionsraum nicht unterbrochen oder beeinträchtigt wird.

Alternativ kann das Federelement als doppelte Bundhülse ausgebildet sein, die einen nach radial außen ragenden ersten Bund zur axialen Abstützung am Zylinder und einen nach radial innen ragenden zweiten Bund zur axialen Abstützung an der Leckageminimierungshülse aufweist. Über die Bundbuchse ist die Leckageminimierungshülse ebenfalls in ihrer axialen Lage fixiert. Um zugleich eine axiale Vorspannung der Leckageminimierungshülse zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass der zweite Bund der Bundbuchse nach Art eines Federarms ausgebildet ist und nur über eine ringförmige Kontur an der Stirnfläche der Leckageminimierungshülse anliegt. Über den federarmar- tig ausgebildeten zweiten Bund kann dann die axiale Vorspannkraft aufgebracht werden. Bevorzugt weist die Leckageminimierungshülse zur Abstützung am Zylinder eine stirnseitig angeordnete, im Wesentlichen eben ausgeführte ringförmige Aufstandsfläche auf, an die radial innen ein Konus anschließt. Über den Konus wird die Aufstandsfläche reduziert, die somit kleiner als die Stirnfläche am anderen Ende der Leckageminimierungshülse ist. Über die Reduzierung der Aufstandsfläche kann eine verbesserte Dichtwirkung erzielt werden. Vorzugsweise weist der Konus in radialer Richtung eine Breite b auf die größer als eine Breite a der Aufstandsfläche ist, so dass die Aufstandsfläche deutlich verkleinert wird. Bevorzugt beträgt das Verhältnis der Breite a zur Breite b 3:1. Auf diese Weise wird eine definierte lokale Aufstandsfläche geschaffen.

Darüber hinaus kann die der Aufstandsfläche der Leckageminimierungshülse gegenüber liegende Fläche am Zylinder derart geformt sein, dass der Kontaktbereich zwischen der Leckageminimierungshülse und dem Zylinder verringert wird. In diesem Fall kann die Stirnfläche der Leckageminimierungshülse auch eben ausgeführt sein.

Der an der dem Kompressionsraum zugewandten Stirnfläche der Leckageminimierungshülse anliegende Druck führt zu einer hydraulischen Druckkraft, welche die Leckageminimierungshülse gegen den Zylinder drückt. Da an der anderen Stirnfläche der Leckageminimierungshülse, und zwar zumindest im Bereich radial innerhalb des Kontaktbereichs mit dem Zylinder bzw. der Aufstandsfläche, kein Kompressionsraumdruck anliegt, wird die Leckageminimierungshülse auf diese Weise in Anlage mit dem Zylinder gehalten. Aufgrund der in axialer Richtung bestehenden Kraftdifferenz kann ggf. auf ein Federelement zur axialen Vorspannung der Leckageminimierungshülse gänzlich verzichtet werden.

Vorteilhafterweise ist der Zylinder mehrteilig ausgeführt und umfasst zumindest ein Oberteil und ein Unterteil, die vorzugsweise im Bereich der Ringnut axial aneinander- gesetzt sind. Die mehrteilige Ausführung erleichtert die Herstellung der Ringnut, insbesondere, wenn die Ringnut in nur einem Teil, vorzugsweise im Oberteil, ausgebildet werden muss. Zudem kann die Ringnut als stirnseitig offene Nut ausgebildet werden, die durch das Ansetzen des weiteren Teil, vorzugsweise des Unterteils, in axialer Richtung geschlossen wird. Vor dem Fügen der beiden Teile werden das Federelement und die Leckageminimierungshülse in die Ringnut eingesetzt. Die mehrteilige Ausführung des Zylinders vereinfacht somit auch die Montage des Kolbenverdichters. 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.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kolbenverdichters gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1 im Bereich der im Zylinder ausgebildeten Ringnut,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 2 im Bereich der Abstützung des Federelements an der Leckageminimierungshülse,

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 2 im Bereich der Abstützung der Leckageminimierungshülse am Zylinder,

Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform (beschränkt auf den Bereich der Ringnut), Fig. 6 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform (beschränkt auf den Bereich der Ringnut) und

Fig. 7 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Der in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Kolbenverdichter 1 umfasst einen Zylinder 3 mit einer Bohrung 2, in der ein Kolben 4 hin und her beweglich aufgenommen ist (siehe Pfeil 20). Der Kolben 4 begrenzt innerhalb der Bohrung 2 einen Kompressionsraum 5, der über ein Einlassventil 16 mit einer Fluidversorgung 17 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 18 einer Druckleitung 19 zugeführt werden. An die Druckleitung 13 kann ein Fluidspeicher (nicht dargestellt) angeschlossen sein.

Um die Leckage aus dem Kompressionsraum 5 über einen Ringspalt 24 zu verringern, der zwischen dem Kolben 4 und dem Zylinder 3 verbleibt, weist der Zylinder 3 auf Höhe des Kolbens 4 innenumfangseitig eine umlaufende Ringnut 6 auf, in der eine Le- ckageminimierungshülse 7 aufgenommen ist. Die Leckageminimierungshülse 7 begrenzt mit dem Zylinder 3 eine ringförmige Druckkammer 8, die mit dem Kompressionsraum 5 hydraulisch verbunden ist, so dass radial außen an der Leckageminimierungshülse 7 der gleiche Druck wie im Kompressionsraum 5 anliegt. Bei einem Druckanstieg im Kompressionsraum 5 steigt auch der Druck radial außen an der Leckageminimierungshülse 7 an, die sich daraufhin zusammenzieht und dichtend an den Kolben 4 legt.

Wie insbesondere der Fig. 2 zu entnehmen ist, wird die ringförmige Druckkammer 8 über den Ringspalt 24 mit Arbeitsfluid befüllt (siehe Pfeil 22). Bei einem Kompressionshub des Kolbens 4 steigen der Druck im Kompressionsraum und zugleich der Druck in der Druckkammer 8 an. Aufgrund des Flächenverhältnisses Außenumfangsfläche der Leckageminimierungshülse 7 zur Innenumfangsfläche der Leckageminimierungshül- se 7 und aufgrund der Druckdifferenz zwischen den Drücken beidseits der Leckagemi- nimierungshülse 7 wird die Leckageminimierungshülse in radialer Richtung (siehe Pfeil 21) und in axialer Richtung (siehe Pfeil 23) zusammengedrückt. Dabei gelangt sie radial innen über einen Kontaktbereich 25 zur dichtenden Anlage an dem Kolben 4 sowie stirnseitig zur dichtenden Anlage an dem Zylinder 3. Die dichtende Anlage am Zylinder 3 verhindert, dass die durch die Leckageminimierungshülse 7 bewirkte Abdichtung umgangen werden kann.

Die Dichtwirkung wird vorliegend noch dadurch verstärkt, dass die Leckageminimierungshülse 7 über ein Federelement 9 gegen den Zylinder 3 axial vorgespannt ist. Das Federelement 9 besitzt die Form einer Bundhülse mit einem ersten Bund 11, der am Zylinder 3 abgestützt ist, und einem zweiten Bund 12, der an der Leckageminimierungshülse 7 abgestützt ist. Der zweite Bund 12 ist nach Art eines Federarms ausgeführt und liegt nur über eine ringförmige Kontur 13 an einer Stirnfläche 10 der Leckageminimierungshülse 7 an (siehe Fig. 3). Über den Bund 12 kann somit eine axiale Vorspannkraft aufgebracht werden. Andernends ist die Leckageminimierungshülse 7 über eine Aufstandsfläche 14 am Zylinder 3 abgestützt. Die Aufstandsfläche 14 ist kleiner als die Stirnfläche 10, da an die Aufstandsfläche 14 ein Konus 15 anschließt (siehe Fig. 4). Durch die verringerte Aufstandsfläche 14 kann die Dichtwirkung weiter verbessert werden. Vorliegend weist der Konus 15 eine Breite b auf, die größer als eine Breite a der Aufstandsfläche 14 ist.

Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, weist das Federelement 9 umfangseitig eine Ausnehmung 26 auf. Die Ausnehmung 26 dient der Schaffung eines Druckausgleich innerhalb der Druckkammer 8. Der erste Bund 11 des Federelements 9 ist zudem zwischen einem Oberteil 3.1 und einem Unterteil 3.2 des Zylinders 3 eingespannt. Die mehrteilige Ausführung des Zylinders 3 erleichtert die Fertigung der Ringnut 6 sowie die Montage der Leckageminimierungshülse 7 und des Federelements 9.

Den Figuren 5 und 6 sind alternative Ausführungsformen eines Federelements 9 für einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter 1 zu entnehmen. In der Fig. 5 ist das Federelement 9 als Schraubendruckfeder ausgeführt. Diese benötigt einen größeren Bauraum als die in der Fig. 6 dargestellte Wellfeder, so dass die Höhe Hi der Ringnut 6 deutlich variieren kann. Die Höhe H2 gibt demgegenüber die Höhe der Leckagemini- mierungshülse 7 an, die kleiner als die Höhe Hi der Ringnut 6 ist. Auf diese Weise ist die erforderliche hydraulische Verbindung der Druckkammer 8 mit dem Kompressionsraum 5 hergestellt. Die Breite Bi der Ringnut 6 ist ebenfalls größer als die Breite B2 der Leckageminimierungshülse 7, so dass die Differenz in der Breite der Breite der Druckkammer 8 zugutekommt.

Wie dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 zu entnehmen ist, kann darüber hinaus auf ein Federelement 9 gänzlich verzichtet werden. Denn aufgrund der Flächendifferenz der in axialer Richtung mit Kompressionsraumdruck beaufschlagten Flächen (Stirnfläche 10 einerseits und die Aufstandsfläche 14 ausbildende Stirnflächen andererseits), wirken auf die Leckageminimierungshülse 7 hydraulische Druckkräfte, welche die Hülse 7 in Anlage mit dem Zylinder 3 halten.