Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder- Anordnung für einen Kolbenkompressor, umfassend einen Zylinderraum, den eine Zylinderlauffläche für einen Kolben begrenzt, der mit mindestens einer umlaufenden und einen Nutraum einschließenden Ringnut für die Aufnahme eines den Nutraum ebenfalls

begrenzenden Kolbenrings zur dynamischen Abdichtung zwischen Kolben und Zylinderlauffläche versehen ist. Außerdem betrifft die Erfindung einen

Kolbenkompressor, der eine solche Kolben-Zylinder- Anordnung umfasst.

Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich insbesondere auf ölfreie

Kolbenkompressoren für Schienenfahrzeuge. Bei solchen Kompressoren wird ein Kolben zur Verdichtung von Luft in einem Zylinderraum entlang einer

Zylinderlauffläche geführt, die den Zylinderraum mit einem Kurbelgehäuse verbindet. Dabei soll möglichst verhindert werden, dass komprimierte Luft aus dem Zylinderraum in das Kurbelgehäuse eindringt. Zu diesem Zweck wird gewöhnlich ein Kolbenring verwendet, welcher in einer Ringnut des Kolbens eingesetzt ist, und welcher eine dynamische Abdichtung gegenüber der Zylinderlauffläche herstellt. Bei ölfreien Kolbenkompressoren kann ein zusätzlicher Ölabstreifring entfallen, der bei ölgeschmierten Kolbenkompressoren ein Eindringen von Schmieröl aus dem

Kurbelgehäuse in den Zylinderraum verhindert.

Der Kolbenring liegt an der Zylinderlauffläche an und sorgt so für Dichtheit. Die dafür notwendige Anpresskraft setzt sich aus der Vorspannkraft nach Einbau, abhängig von Form und Abmessungen des Rings, und dem Luftdruck innerhalb der Ringnut auf der Kolbenringrückseite zusammen. Letztere ist zum Zylinderraum geöffnet und gegenüber dem Kurbelgehäuse abgedichtet. Der Kraftanteil F durch Druckbeaufschlagung ist somit abhängig vom Zylinderraumdruck p und der Fläche A der Innenseite des Kolbenrings der Ringdruckseite, F = p · A.

Da die Fläche A während der Komprimierung konstant bleibt, der

Zylinderraumdruck p aber stark ansteigt, führt dies bei der Auslegung der

Ringgeometrie zu einem Zielkonflikt. Denn mit dem Anstieg des

Zylinderraumdrucks p soll zwar einerseits die Anpresskraft des Kolbenrings eine Verstärkung erfahren, um die Dichtheit zu gewährleisten. Allerdings soll andererseits, um die Reibung des Kolbenrings an der Zylinderinnenwand wegen der resultierenden Wärmeentwicklung und dem resultierenden Verschleiß zu begrenzen, die maximale Anpresskraft auf den Kolbenring herabgesetzt werden.

Aus der WO 2006/071344 AI geht eine gattungsgemäße Kolben-Zylinder- Anordnung eines ölfreien Kolbenkompressors hervor, bei der eine

Strömungsverbindung vom Zylinderraum zum Nutraum vorhanden ist, so dass der Kolbenring von durch den im Zylinderraum anliegenden Druck beaufschlagt und gegen die Zylinderlauffläche gepresst wird. Diese Strömungsverbindung entsteht durch einen Ringspalt, da der Radius des Kolbens etwas geringer ist als der Radius der Zylinderbohrung, so dass Luft in beide Richtungen zwischen Zylinderraum und Nutraum strömen kann. Zusätzlich ist die den Kolbenring aufnehmende Nut im Kolben etwas breiter als die Breite des Kolbenrings. Dadurch wird erreicht, dass der im Nutraum angeordnete Kolbenring stärker gegen die Zylinderlauffläche gepresst wird, wenn der Luftdruck im Zylinderraum steigt. Dies ist teilweise wünschenswert, denn ein erhöhter Luftdruck im Zylinderraum erfordert prinzipiell auch eine stärkere Abdichtung zum Kurbelgehäuse. Durch die unterschiedlichen Breiten von Nut und Kolbenring könnte ein einseitiger Verschleiß durch Verkippen des Kolbenrings relativ zum Kolben entstehen. Nachteilhaft an dieser Lösung ist allerdings gleichzeitig, dass durch das stärkere Anpressen des Kolbenrings an die Zylinderlauffläche auch erhöhte Gleitreibung entsteht, und damit Erhitzung, stärkerer Verschleiß der beteiligten Komponenten und Effizienzverluste aufgrund der Bremswirkung der Gleitreibung.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kolben-Zylinder- Anordnung für einen ölfreien Kolbenkompressor zu schaffen, deren Dichtwirkung bei steigender Druckbelastung automatisch ansteigt, und die gleichzeitig unerwünschte

Reibungsverluste verringert.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kolben-Zylinder-Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte

Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass zwischen dem Nutraum im Kolben und dem Zylinderraum eine im oder am Kolben angeordnete bedüste Strömungsverbindung vorgesehen ist, um einen Druckausgleich im Nutraum gegenüber dem Zylinderraum zeitlich gesteuert zu verzögern.

Der Vorteil einer solchen bedüsten, also gedrosselten, Strömungsverbindung kann darin gesehen werden, dass der Druck im Nutraum langsamer ansteigt als der Druck im Zylinderraum. Der Druck im Nutraum gleicht sich somit nur zeitlich verzögert an den Druck im Zylinderraum an. Dadurch wird bei den zyklischen

Kompressionsvorgängen eines Kolbenkompressors erreicht, dass der maximale Nutraumdruck, der den Kolbenring beaufschlagt und gegen die Zylinderlauffläche presst, stets geringer ist als der Zylinderraumdruck. Dies bewirkt eine Reduktion unerwünschter Reibverluste und reduziert den Verschleiß und die

Wärmeentwicklung des Kolbenkompressors. Durch Dimensionierung des Strömungswiderstandes der Drosselstelle ist es zusätzlich möglich, den Nutraumdruck in einen gewünschten Bereich zu

beschränken. Der maximale erreichbare Nutraumdruck kann hierdurch eingestellt werden. Bei einem verschwindend geringen Strömungswiderstand ist der maximale Druck identisch zu dem im Zylinderraum, mit der Folge einer hohen Dichtwirkung aber auch nachteilhaft erhöhter Reibung. Bei einem effektiv unendlich hohen Strömungswiderstand, also bei pneumatischer beziehungsweise hydraulischer Abschottung des Nutraums, würde der Druck im Nutraum im Wesentlichen konstant bleiben. Dies hätte zwar den Vorteil minimaler Reibung, aber auch den Nachteil verminderter Dichtwirkung. Die Erfindung ermöglicht eine dimensionierbare Dichtwirkung und Reibung zwischen beiden Extremen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die bedüste Strömungsverbindung zwischen Nutraum und Zylinderraum als mindestens eine Düsenbohrung im Kolben ausgebildet ist, welche vom Randbereich des

Kolbenbodens ausgeht und in den Nutraum einmündet. Der Vorteil ist hier darin zu sehen, dass diese Strömungsverbindung fertigungstechnisch sehr einfach herstellbar ist und mit unveränderten im Markt erhältlichen Kolbenringen funktioniert. Es ist auch denkbar, eine standardisierte Düse als eigenständiges Bauteil in eine Bohrung im Kolben einzusetzen.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die bedüste

Strömungsverbindung zwischen Nutraum und Zylinderraum als mindestens eine Düsenfräsung im Flankenbereich der Ringnut ausgebildet ist, welche vom Rand der Ringnut ausgehend zum Nutboden verläuft. Der Vorteil besteht auch hier insbesondere in der konstruktiv einfachen Gestaltung, die beispielsweise durch lokales Zerspanen der Oberfläche der Ringnut erzeugt werden kann. Eine

Düsenfräsung ist also prinzipiell eine Einkerbung oder anders geartete Ausnehmung in Form eines Kanals, durch den eine Strömungsverbindung direkt am Kolbenring vorbei ermöglicht wird.

Eine alternative, bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass die bedüste Strömungsverbindung zwischen Nutraum und Zylinderraum als Düsenfräsung im Flankenbereich seitens des Kolbenrings ausgebildet ist. Vorteilhaft daran ist, dass lediglich der Kolbenring modifiziert werden muss und beispielsweise zur Änderung des Strömungswiderstandes in einfacher Weise ausgetauscht werden kann. Diese Ausführungsformen werden dadurch weiter verbessert, dass Kolbenring passungsgenau in die Ringnut eingesetzt ist. Dies bedeutet, dass zwischen beiden Bauteilen eine Passung besteht, die zwar eine radiale relative Bewegung zueinander zulässt, nicht jedoch ein Spaltmaß in Axialrichtung bei den einander zur Anlage kommenden Bereichen besteht, das einen Leckagestrom zulässt.

Der Vorteil besteht hierbei darin, dass sichergestellt wird, dass eine

Strömungsverbindung nur durch die jeweilige dafür vorgesehenen Düsen in Form mindestens einer Bohrung oder Kanal stattfindet, und nicht zusätzlich durch einen axialen Ringspalt zwischen Kolbenring und Kolben.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht ferner vor, dass die bedüste Strömungsverbindung zwischen Nutraum und Zylinderraum als radialer Ringspalt zwischen Kolbenring und axial breiterer Ringnut ausgebildet ist. Vorteilhaft hieran ist die konstruktiv einfache Gestaltung, bei der auf Bohrungen oder Fräsungen verzichtet wird, und bei der die Düsenwirkung über geometrisch geschickte Dimensionierung der Bauteile erzeugt wird. Wenn der Kolbenring in axialer Richtung nur geringfügig schmaler ist als die Ringnut, wirkt der dazwischen angeordnete schmale Ringspalt auf die Strömungsverbindung drosselnd. Das Maßverhältnis ist hierbei so eng zu wählen, dass andererseits keine Verkippgefahr des Dichtrings besteht. Alternativ hierzu kann die bedüste Strömungsverbindung zwischen Nutraum und Zylinderraum auch als axialer Ringspalt zwischen einem Kolbensteg des Kolbens und der Zylinderlauffläche ausgebildet sein. Der Kolbensteg ist der Teil des Kolbenmantels zwischen Kolbenboden und Ringnut. Wenn der Radius des Kolbenstegs geringfügig geringer ist als der Radius der Zylinderbohrung beziehungsweise der Zylinderlauffläche, wirkt der dazwischen angeordnete Ringspalt auf die Strömungsverbindung drosselnd. Vorzugsweise ist der Kolbenring als ein offener Ring mit gasdichtem Stoß ausgebildet und besteht aus einem spritzgegossenen Kunststoff, beispielsweise aus PTFE, was eine einfache und genau reproduzierbare Herstellung ermöglicht.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen jeweils schematisch:

Figur 1 einen teilweise Längsschnitt durch eine Kolben-Zylinder- Anordnung mit Düsenbohrung im Kolben,

Figur 2 einen teilweise Längsschnitt durch eine Kolben-Zylinder- Anordnung mit Düsenfräsung im Kolben,

Figur 3 einen teilweise Längsschnitt durch eine Kolben-Zylinder- Anordnung mit Düsenfräsung im Kolbenring,

Figur 4 einen teilweise Längsschnitt durch eine Kolben-Zylinder- Anordnung mit radialem Ringspalt am Kolbenring, Figur 5 einen teilweise Längsschnitt durch eine Kolben-Zylinder- Anordnung mit axialem Ringspalt am Kolben, und

Figur 6 eine graphische Darstellung zur Verdeutlichung der Funktionsweise der Erfindung.

Gemäß Figur 1 umfasst eine teilweise dargestellte Kolben-Zylinder- Anordnung 1 einen Zylinderraum 2, der seitlich von einer Zylinderlauffläche 3 zur Aufnahme eines zylindrischen Kolbens 4 begrenzt ist. An der Zylinderlauffläche 3 kommt ein Kolbenring 5 zu Anlage, der in einem Nutraum 8 einer Ringnut 7 des Kolbens 4 angeordnet ist. Der Kolben 4 weist zwischen dessen Kolbenboden 10 und Ringnut 7 einen axialen Kolbensteg 6 auf. Der Kolbenring 5 besitzt in diesem

Ausführungsbeispiel einen nicht-quaderförmigen Querschnitt, indem dieser entlang des Innenumfangs innenprofiliert ausgebildet ist, um die Dichtwirkung in Richtung Nutflanken der Ringnut 7 zu erhöhen.

Der Nutraum 8 ist durch eine Düsenbohrung 11 bedüst mit dem Zylinderraum 2 strömungsverbunden. Dadurch ist eine zeitliche Verzögerung des Druckausgleichs zwischen Zylinderraum 2 und Nutraum 8 gewährleistet. Insbesondere ist der Druck im Nutraum 8 geringer als der Druck im Zylinderraum 2, wodurch die Anpresskraft, symbolisiert durch die auf den Kolbenring deutenden Pfeile, geringer ist als bei einer freien, unbedüsten Strömungsverbindung von Zylinderraum 2 zu Nutraum 8.

Gemäß Figur 2 ist zur bedüsten Strömungsverbindung zwischen Nutraum 8 und Zylinderraum 2 mindestens eine Düsenfräsung 12 im Flankenbereich der Ringnut 7 vorgesehen. Dadurch entsteht ein zeitverzögerter Druckausgleich zwischen

Zylinderraum 2 und Nutraum 8, und somit eine geringere Kraft (symbolisiert durch die Pfeile) der Anpressung des Kolbenrings 5 gegen die Zylinderlauffläche 3. In Figur 3 ist eine Kolben-Zylinder- Anordnung 1 mit Düsenfräsung 12 im

Flankenbereich des Kolbenrings 5 illustriert. Die bedüste Strömungsverbindung entsteht also so wie in dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen Kolbenring 5 und Ringnut 7, allerdings ist die betreffende Ausnehmung in Form der Düsenfräsung 12 hier in dem Kolbenring 5 angeordnet.

Figur 4 zeigt eine Kolben-Zylinder- Anordnung 1 mit einem schmalen radial gerichteten Ringspalt 13 zwischen dem im Querschnitt quaderförmigen Kolbenring 5 und der Ringnut 7. Dieser Ringspalt 13 entsteht, da die axiale Breite des Kolbenrings 5 geringfügig schmaler ist als die axiale Breite der Ringnut 7. Der Ringspalt 13 ist derart dimensioniert, dass dieser strömungstechnisch als Düse zur Drosselung des Luftflusses aus dem Zylinderraum 2 in den Nutraum 8 wirkt.

Figur 5 zeigt eine Kolben-Zylinder- Anordnung 1 mit axialem Ringspalt 13a zwischen Kolbensteg 6 und der Zylinderlauffläche 3. Dieser Ringspalt 13a entsteht, da der Radius des zylinderförmigen Kolbenstegs 6 geringfügig geringer ist als der Radius der die Zylinderbohrung ummantelnden Zylinderlauffläche 3. Der Ringspalt 13a ist derart dimensioniert, dass dieser auch hier strömungstechnisch als Düse zur Drosselung des Luftflusses aus dem Zylinderraum 2 in den Nutraum 7 wirkt.

Figur 6 zeigt ein Koordinatensystem, in dem der Druck p über der Zeit t aufgetragen ist. Darin aufgetragen sind zwei Graphen, die den Zylinderraumdruck 14 und den Nutraumdruck 15 darstellen. Der Nutraumdruck 15 beaufschlagt den Kolbenring und ist daher für erhöhte Gleitreibung und Verschleiß sowie verminderte Effizienz verantwortlich. Wie zu erkennen ist, steigt der Nutraumdruck 15 aufgrund der bedüsten Strömungsverbindung erst zeitverzögert nach dem Zylinderraumdruck 14 an und erreicht daher, aufgrund der zyklischen Funktionsweise des

Kolbenkompressors, nie dessen maximalen Druck. Die Reibung wird also, aufgrund der Proportionalität von beaufschlagendem Druck und resultierender Kraft, gegenüber einer Kolben-Zylinder- Anordnung 1 mit ungedrosselter

Strömungsverbindung, entsprechend reduziert.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, mehr als eine, gegebenenfalls viele beispielsweise gleichmäßig über die Ringnut verteilte Düsenbohrungen oder separate im Kolben eingesetzte Düsen als Mittel zur bedüsten Strömungsverbindung zu verwenden. Solche Düsen müssen nicht notwendigerweise als kreisrunde Bohrungen ausgebildet sein, sondern können beispielsweise als länglicher Spalt oder Schlitz geformt sein.

Auch ist denkbar, dass ein freier Bereich eines gasdichten Stoßes eines Nutrings oder Kolbenrings als bedüste Strömungsverbindung ausgeführt ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn mit geringen Temperaturschwankungen zu rechnen ist, und die Breite des freien Bereichs des Stoßes, der zum Ausgleich von

temperaturbedingten Längenveränderungen des Kolbenrings dienen soll, somit relativ konstant bleibt.

Bezugszeichenliste o Iben-Zylinder- Anordnung

Zylinderraum

Zylinderlauffläche

Kolben

Kolbenring

Kolbensteg

Ringnut

Nutraum

Stoß

Kolbenboden

Düsenbohrung

Düsenfräsung

Ringspalt

Zylinderraumdruck

Nutraumdruck