Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenkompressor für ein Druckluftversorgungsystem in einem Kraftfahrzeug, wie einem LKW, Bus oder Schienenfahrzeug. Ein Hubkolben verdichter umfasst im Wesentlichen zwei Bereiche, den Zylinderkopfbereich in dem die Ventile angeordnet sind und das Kurbelwellengehäuse mit zumindest einem Zylinder, der in einem Arbeitsraum bewegbar ist, so dass eine Saughubbewegung und eine Kompressionshubbewegung entsteht. Der Hubkolbenverdichter kann einstu fig oder mehrstufig, insbesondere zweistufig, ausgeführt sein.

Die Ventilvorrichtung zur Steuerung des Luftstroms ist üblicherweise dem Zylinder kopf zugeordnet und umfasst selbsttätig wirksame Säugventile und Druckventile, die durch die in dem Arbeitsraum durch die Hubbewegung des Kolbens herrschenden Drücke geöffnet und geschlossen werden.

Der Saughub des Kolbens bewirkt einen Unterdrück im Arbeitsraum des jeweiligen Zylinders, so dass sich das zugeordnete Säugventil öffnet und das zugeordnete Druckventil geschlossen wird. Über die Einlasskammer und die Einlasskanäle in der Ventilträgerplatte gelangt Luft in den Arbeitsraum des Zylinders, bzw. wird in den Arbeitsraum gesaugt.

Der Verdichtungshub des Kolbens bewirkt einen Überdruck im Arbeitsraum des jeweiligen Zylinders, so dass sich das zugeordnete Säugventil schließt und das zugeordnete Druckventil geöffnet wird, wodurch komprimierte Luft aus dem Arbeits raum des Zylinders über den Druckkanal in das nachfolgende Druckluftsystem geför dert wird.

Wie auch aus der DE 10 2016 006 358 A1 bekannt, ist das Säugventil meistens als Ventillamelle ausgebildet, dessen Ventilzunge einseitig zwischen dem Zylindergehäu se und dem Zylinderkopf des Hubkolbenkompressors eingespannt ist und an ihrem freien Ende mit mindestens einer Lasche in einer Aussparung des Zylindergehäuses geführt ist. Mittels der Ventilzunge sind die Eintrittsöffnungen in der Ventilträgerplatte, die eine Ansaugkammer mit dem Arbeitsraum des Zylinders verbinden, verschließbar. Weiterhin ist die Ventillamelle derart gestaltet, dass zumindest eine Austrittsöffnung in der Ventilträgerplatte ausgespart wird, die zwischen dem Arbeitsraum des Zylinders und dem Druckkanal angeordnet ist. Das Druckventil, über das die Austrittsöffnung verschließbar ist, befindet sich üblicherweise innerhalb des Zylinderkopfbereichs.

Der Förderbetrieb des Hubkolbenkompressors erfolgt so lange, bis der Druck in der Hauptdruckleitung einen vorgegebenen Abschaltdruck erreicht hat. Dann wird der Kompressor in den Leerlaufbetrieb geschaltet, durch den die Leistungsaufnahme im Leerlaufbetrieb reduziert wird. Derartige Systeme nennt man auch Entlastungssyste me oder Leerlaufsysteme. Aus der EP 1 650 434 A2 ist beispielsweise ein Leerlaufventil bekannt, dass sich automatisch öffnet, sobald der Systemdruck erreicht ist und sich ein Überströmventil geöffnet hat. Dadurch entfällt der Gegendruck des Druckluftsystems, der das Leer laufventil in einer Schließstellung hält. Das geöffnete Leerlaufventil verbindet den Arbeitsraum mit der Einlasskammer, so dass keine Verdichtung während des Ver- dichtungshubs stattfinden kann. Ein Vorteil eines solchen Kolbenverdichters besteht darin, dass das Abschalten bei Erreichen des Soll-Fülldruckes im Druckbehälter automatisch erfolgt.

Ein weiteres Leerlaufventil ist beispielsweise aus der DE 10 2013 001 147 A1 be- kannt. Hier wird ein Leerlaufventil für ein Entlastungssystem vorgeschlagen, dass mittels einer Feder in der Schließstellung gehalten wird und wahlweise durch Aufbrin gen eines Druckes in eine Offenstellung geschaltet werden kann. Derartige Systeme werden auch„fremdgesteuerte-Systeme“ genannt. Aus der EP 0091 994 ist eine Leerlauf-Ventileinrichtung bekannt. Diese ist derart angeordnet, dass sie nicht in den Kolben des Verdichters überfahrenden Bereich ragt. Alle Leerlaufsysteme haben gemeinsam, dass im Leerlaufbetrieb der Arbeitsraum über einen Entlastungskanal mit einem weiteren Raum verbunden wird, so dass keine oder eine verringerte Kompression stattfindet.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Entlastungssystem vorzuschlagen durch das sich der Energieverbrauch eines Hubkolbenverdichters weiter reduzieren lässt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführung finden sich in den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung handelt es sich um einen Hubkolbenkom pressor für ein Druckluftversorgungsystem in einem Kraftfahrzeug, mit einem Zylin derkopf in dem ein Entlastungssystem integriert ist, mittels dem ein Entlastungskanal in einer Ventilträgerplatte des Zylinderkopfes, der einen Arbeitsraum des Hubkolben- kompressors mit einem Raum im Zylinderkopf verbindet, schaltbar ist.

Zur Verbesserung der Effizienz des Hubkolbenkompressors wird vorgeschlagen, dass das Entlastungssystem eine Schaltvorrichtung und eine Lamelle umfasst, wobei die Lamelle arbeitsraumseitig an der Ventilträgerplatte befestigt ist und derart ausgelegt ist, das diese zum Öffnen des Entlastungskanals von der Ventilträgerplatte abhebbar ist, wobei das Abheben des Lamelle selbsttätig und/oder gesteuert mittels des Entlas tungssystems erfolgen kann.

Durch das selbsttätige Abheben der Lamelle wird erreicht, dass ein vergrößerter wirksamer Kanalquerschnitt entsteht, durch den der Einströmwiderstand der Luft in den Arbeitsraum beim Saughub des Zylinders reduziert wird.

Durch das gesteuerte Abheben der Lamelle wird erreicht, dass der Kompressor in den Leerlaufbetrieb geschaltet wird, bei der keine Kompression stattfindet.

Eine bevorzugte Ausführungsform kann vorsehen, dass der Zylinderkopf eine Ein lasskammer aufweist, welche über mehrere Einlasskanäle in der Ventilträgerplatte und einer selbsttätig wirksamen als Zungenventil ausgebildete, Einlassventillamelle mit dem Arbeitsraum verbindbar ist, wobei der mindestens eine Entlastungskanal innerhalb der Einlasskanäle angeordnet ist. Mit anderen Worten, dass der mindestens eine Entlastungskanal von Einlasskanälen umgeben ist.

Die Lamelle kann dabei vorzugsweise als Zungenventil ausgeführt sein, wobei man unter einem Zungenventil eine Lamelle versteht, die einseitig eingespannt ist und in der unbetätigten Stellung einen Kanal verschließt und in der betätigten Stellung den Durchgang durch den Kanal öffnet.

Vorzugweise ist die Einlasskammer über die Einlasskanäle und den Entlastungskanal mit dem Arbeitsraum verbindbar. Die Einlasskammer ist mit einem Lufteinlass ver bunden, durch den insbesondere Umgebungsluft in die Einlasskammer gelangt. In der Einlasskammer verteilt sich die Luft auf die Einlasskanäle und den mindestens einen Entlastungskanal und wird über diese in den Arbeitsraum gesaugt. Durch den vergrößerten Querschnitt wird die Saughubbewegung des Kolbens erleichtert, was den Energieverbrauch reduziert.

Weiterhin kann das Entlastungssystem zur Stützung der Lamelle ein Mittel zur Hub- begrenzung der Lamelle umfassen. Insbesondere bei großen Luftvolumen, die beim Saughub in den Arbeitsraum durch den entstehenden Unterduck gesaugt werden, kann es erforderlich sein, dass die Lamellenbewegung begrenzt werden muss, wie dies auch bei der Ventillamelle entsprechend dem StdT notwendig ist. Zur Hubbe grenzung der Lamelle kann beispielsweise eine in den Arbeitsraum ragende Begren- zungslamelle verwendet werden. Damit der Totraum trotzdem relativ klein bleibt, kann der Zylinder, für die Begrenzungslamelle, eine entsprechende Aussparung aufweisen. Alternativ kann diese Aussparung auch direkt als Mittel zur Begrenzung verwendet werden, so dass die Lamelle zumindest beim Start der Hubbewegung in die Ausspa rung schlägt.

Weiterhin kann das Entlastungssystem einen mittels einem Federelement rückstellba ren Entlastungskolben umfassen, der mittels eines Steuerdrucks betätigbar ist. ln einer weiteren Ausführung kann der Hubkolbenverdichter als zweistufiger Verdich ter, mit einer Vorstufe und einer Hochdruckstufe, ausgeführt sein, wobei im Zylinder kopf für jede Stufe ein Entlastungssystem und ein Verbindungskanal, der den Entlas tungskanal der Hochdruckstufe mit der Einlasskammer verbindet, vorgesehen sind. Bei mehrstufigen Verdichtern erfolgt die Entlastung des Kompressionshubs aller Stufen über eine Verbindung die den jeweiligen Arbeitsraum über den Entlastungska nal gesteuert mit der Einlasskammer verbindet. So kann in der Entlastungsstellung der Lamelle auch beim Saughub der Hochdruckstufe Umgebungsluft direkt in den Arbeitsraum gelangen

Im Gegensatz zur Lamelle der Vorstufe, ist die Lamelle des Entlastungssystems der Hochdruckstufe derart ausgelegt, dass diese im Betrieb beim Saughub in der Schließstellung verbleibt. Die Lamelle der Hochdruckstufe bzw. nachfolgender Hoch druckstufen ist somit so ausgelegt, dass die Lamelle nur aktiv, mittels des Kolbens des Entlastungssystems in die Offenstellung, bewegbar ist.

Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben eines Hubkolbenkompressors zur Erzeu gung von Druckluft für ein Nutzfahrzeug vorgeschlagen. Der Hubkolbenkompressor weist einen Zylinderkopf, in dem ein Entlastungssystem integriert ist, auf, mittels dem ein Entlastungskanal in einer Ventilträgerplatte des Zylinderkopfes, der einen Arbeits raum des Hubkolbenkompressors mit einem Raum im Zylinderkopf verbindet, schalt bar ist.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Saughub, bei dem ein Unterdrück im Arbeitsraum erzeugt wird, eine Lamelle des Entlastungssystems, selbsttätig oder, bei Betätigung des Entlastungssystems, zwangsweise in eine Offen stellung bewegt wird, so dass zusätzliche Luft über die Einlasskammer und den Entlastungskanal in den Arbeitsraum gesaugt wird, oder bei Betätigung des Entlas tungssystems Luft über den Entlastungskanal aus dem Arbeitsraum herausgedrückt werden kann. Dieses Verfahren kommt bei einem einstufigen Hubkolbenverdichter oder der Vorstufe bzw. der ersten Stufe eines mehrstufigen Hubkolbenverdichters zum Einsatz. In einer Ausführung des Hubkolbenkompressors als zweistufiger Verdichter sind eine Vorstufe und eine Hochdruckstufe in Reihe hintereinander geschaltet, wobei im Zylinderkopf für jede Stufe ein Entlastungssystem vorgesehen ist. Bei einem derarti gen Aufbau wird die Lamelle der Vorstufe beim Saughub selbsttätig in die Offenstel- lung bewegt und die Lamelle der Hochdruckstufe kann derart ausgelegt sein, dass diese beim Saughub in der Schließstellung verbleibt.

Weiterhin kann im Zylinderkopf des zweistufigen Verdichters ein Verbindungskanal zur Verbindung der Entlastungssysteme vorgesehen sein, wobei der Entlastungska nal der Hochdruckstufe über den Verbindungskanal mit der Einlasskammer der Vorstufe verbunden ist, wobei zur Entlastung bzw. Schaltung in den Leerlaufbetrieb des Hubkolbenkompressors die Entlastungskolben beider Entlastungssysteme derart geschaltet werden, dass die Lamellen beider Stufen in eine Offenstellung bewegt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

Fig.1 Kolbenseitige Ansicht auf die Ventilplatte eines zweistufigen

Hubkolbenverdichters mit Entlastungssystem

Fig.2 Zylinderkopfseitige Ansicht auf die Ventilplatte eines zweistufigen

Hubkolbenverdichters mit Entlastungssystem

Fig.3 Entlastungssystem der ersten Verdichterstufe im Schnitt

Fig.4 Entlastungssystem der zweiten Verdichterstufe im Schnitt

Figur 1 zeigt eine kolbenseitige Ansicht auf die Ventilträgerplatte 4 eines zweistufigen Hubkolbenverdichters mit dem Entlastungssystem die dem Zylinderkopf 12 zugeord net ist. Die beiden Verdichterstufen, die Vorstufe 2 und die Hochdruckstufe 3, sind ähnlich aufgebaut und unterscheiden sich aber in der Größe und der Funktion etwas voneinander. Gleich ist der grundsätzliche Aufbau. Beide Verdichterstufen haben ein Einlassventil 5a, b, das einseitig fixiert ist und auf der gegenüberliegenden Seite Anschlagflächen aufweist. Für die Anschlagflächen sind in dem Kurbelwellengehäuse 11 hier nicht dargestellte Aussparungen vorgesehen, durch die die Öffnungsbewe gung der Einlassventile 5a, b begrenzt wird. Die Auslasskanäle 23 sind innerhalb der Außenkontur der Einlassventile 5a, b angeordnet und verlaufen teilweise durch Aus sparungen in den Einlassventilen 5a, b. Etwa in der Mitte der Einlassventile 5a, b, also etwa in der Mitte des Arbeitsraums der Zylinder 20 a, b, an der die Einlassventile 5a, b eine Aussparung aufweisen, sind die zum Entlastungssystem 7a, b gehörenden Lamellen 9a, b angeordnet. Auch die Lamellen 9a, b sind einseitig eingespannt.

Durch die unterschiedlich Funktion der Entlastungssysteme 7a, b unterscheiden sich die Ventile der Vorstufe 2 und der Hochdruckstufe 3 etwas. Durch das größere Luft volumen, dass beim Saughub des Zylinders 20a der Vorstufe 2 angesaugt werden muss, ist die Lamelle 9a derart ausgelegt, dass sich das Ventil bei jedem Saughub des Zylinders 20a der Vorstufe 2 selbststätig öffnet. Zu Begrenzung der Öffnungsbe wegung ist eine Begrenzungslamelle 22 vorgesehen, die einen Anschlag für die Lamelle 9a darstellt.

Figur 2 zeigt eine zylinderkopfseitige Ansicht auf die Ventilträgerplatte 4 eines zwei stufigen Hubkolbenverdichters mit Entlastungssystem. In dieser Ansicht sind die Kanäle und Kammern der Verdichterstufen gut zu erkennen. Beide Stufen 2, 3 weisen jeweils eine Einlasskammer 14a, b und eine Auslasskammer 15 a, b auf. In den Auslasskammern sind die selbsttätig wirksamen Auslassventile 6a, b angeordnet, die in der Schließstellung die Auslasskanäle 23 in der Ventilträgerplatte verschließen und in eine Offenstellung bewegt werden, wenn ein festlegbarer Druck im Arbeitsraum überschritten wird.

Im Bereich der Einlasskammer 14a der Vorstufe 2 sind mehrere Kanalöffnungen durch die Ventilträgerplatte 4 dargestellt. Ein Teil der Öffnungen, der äußere Halb kreis, sind die Einlasskanäle 21 a, die dem Einlassventil 5a mit der Einlassventillamel le 18a zugeordnet sind. Bei einem Saughub wird die Luft durch die Einlasskanäle 21 a in den Arbeitsraum gesaugt, die Einlassventillamelle 18a in eine Offenstellung bewegt. Bei einem Kompressionshub verschließt die Einlassventillamelle 18a die Einlasskanäle 21 a. Innerhalb des Halbkreises der Einlasskanäle 21 a sind die Entlas- tungskanäle 19a angeordnet. Deren Durchgang wird mittels der Lamelle 9a des Entlastungssystems 7a geschaltet.

Die Hochdruckstufe ist etwas anders ausgelegt, hier ist der Entlastungskanal 19b des Entlastungssystems 7b in einer separaten Kammer angeordnet, die über den Verbin dungskanal 13 mit der Einlasskammer 14a der Vorstufe 2 verbunden ist. Nicht darge stellt ist die separate Kanalverbindung zwischen Auslasskammer 15a der Vorstufe 2 und Einlasskammer 14b der Hochdruckstufe 3. Figur 3 und 4 zeigen die Entlastungssysteme 7a, b der Vorstufe 2 und der Hoch druckstufe 3 im Schnitt. Der generelle schichtweise Aufbau des Zylinderkopfes 12 ist aus dem Stand der Technik bekannt, so dass hier nur die erfindungswesentlichen Kanäle und Kammern weiter betrachtet werden. Das erfindungsgemäße Entlastungs system 7a für die Vorstufe ist in Figur 3 und das Entlastungssystem 7b für die Hoch- druckstufe 3 ist in Figur 4 dargestellt.

Bei einem einstufigen Verdichter kann das Entlastungssystem 7a der Vorstufe wie oben beschrieben und in Figur 3 dargestellt verwendet werden. Bei einem Mehrstufi gen, also mehr als zwei Stufen, erhalten alle der Vorstufe folgenden Stufen das Entlastungssystem 7b der Hochdruckstufe 2, wobei in einer bevorzugten Ausführung ein Verbindungskanal vorgesehen sein kann, über den alle Stufen mit der Einlass kammer der Vorstufe verbindbar sind. Alternativ kann auch jede Stufe einen separa ten Kanal umfassen der mit der Umgebung verbunden ist Das Besondere am Entlastungsventil der Vorstufe 2 ist die Begrenzungslamelle 22, die als massives Bauteil ausgeführt ist und die Lamelle 9a abstützt so dass die La melle 9a sich nicht zu weit in den Arbeitsraum verbiegt und es so zu einer zu großen Biegebeanspruchung kommt. Der Zylinder 20a hat eine Aussparung an der Stirnflä che in die die Begrenzungslamelle 22 eintaucht, wenn der Zylinder sich am oberen Totpunkt befindet, so dass der Schadraum möglichst klein wird.

Die Aussparung ist gerade so groß, dass die Begrenzungslamelle 22 und die im geöffneten Zustand darauf liegende Lamelle 9a darin Platz finden. Weiterhin ist der Entlastungskolben 10a zu erkennen der im Zylinderkopf 12 geführt ist. In der dargestellten Position befindet sich dieser in der Ruhestellung, und wird von einer Feder in dieser Stellung gehalten. Über den dargestellten Steuerdruckkanal 16 kann der Entlastungskolben 10a druckbeaufschlagt werden, so dass dieser in die Entlastungsstellung und die Lamelle 9a in die Offenstellung bewegt werden.

Die Besonderheit des in Figur 4 dargestellten Entlastungssystem 8b der Hochdruck stufe 3 ist die Auslegung der Lamelle 9b die derart federsteif ausgelegt ist, dass sie nur mit Hilfe des Entlastungskolbens 10b in die Offenstellung bewegt werden kann Ein Saughub des Kolbens 20b der Hochdruckstufe 2 bewirkt keine selbsttätige Bewe gung der Lamelle 9b in die Offenstellung. Beide Entlastungskolben 10a, b werden über den dargestellten Steuerdruckkanal 16 gleichzeitig mit Druckluft beaufschlagt. Der Kolben 20b weist ebenfalls eine Vertiefung auf, in der die Lamelle 9b in der Offenstellung Platz hat.

Bezugszeichenliste

1 Hubkolbenverdichter

2 Vorstufe

3 Hochdruckstufe

4 Ventilträgerplatte

5a, b Einlassventil

6a, b, Auslassventil

7a, b Entlastungssystem

8a, b Schaltvorrichtung

9a, b Lamelle

10a, b Entlastungskolben

1 1 Kurbelwellengehäuse 12 Zylinderkopf

13 Verbindungskanal

14a, b Einlasskammer

15a ,b Auslasskammer

16 Steuerdruckkanal

17 Kühlkanal

18a, b Einlassventillamelle 19a, b Entlastungskanal

20a, b Kolben im Arbeitsraum 21 a, b Einlasskanal

22 Begrenzungslamelle

23 Auslasskanäle

24 Einlass Umgebungsluft