DE102015114225A1

DE102015114225A1 - Ventil zur Regelung des Durchflusses eines Arbeitsmediums in einer Vorrichtung zur Expansion und Kompression

Info

Publication number: DE102015114225A1
Application number: DE102015114225.2A
Authority: DE
Inventors: Jörg Nickl
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2017-03-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil (2a, 2b) zur Regelung des Durchflusses eines Arbeitsmediums in einer Vorrichtung (1) zur Expansion und Kompression des Arbeitsmediums. Das Ventil (2a, 2b) weist eine Ventilkammer (4a, 4b), mindestens einen in axialer Richtung beweglich in einer Zylinderplatte (3a, 3b) angeordneten zylinderförmigen Ventilkörper (6a, 6b) zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts für das Arbeitsmedium zwischen einem Arbeitsraum (5) der Vorrichtung (1) und der Ventilkammer (4a, 4b) auf. Dabei wird der Strömungsquerschnitt abhängig von der Bewegung des mindestens einen Ventilkörpers (6a, 6b) in axialer Richtung freigegeben. Das Ventil (2a, 2b) ist zur Regelung des Durchflusses des Arbeitsmediums auf einem Niveau eines Hochdrucks (pH) und auf einem Niveau eines Niederdrucks (pN) ausgebildet und weist ein Drei-Wege-Ventil (11a, 11b) auf. Das Drei-Wege-Ventil (11a, 11b) ist dabei zum Wechseln des Druckniveaus des Arbeitsmediums zur Steuerung der Bewegung des Ventilkörpers (6a, 6b) ausgebildet. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben eines Ventils (2b) und die Verwendung des Ventils (2a, 2b) bei einer Hubkolbenmaschine (1) als Vorrichtung zur Expansion und Kompression des Arbeitsmediums.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil zur Regelung des Durchflusses eines Arbeitsmediums in einer Vorrichtung zur Expansion und Kompression des Arbeitsmediums. Das Ventil weist eine Ventilkammer, mindestens einen in axialer Richtung beweglich in einer Zylinderplatte angeordneten zylinderförmigen Ventilkörper zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts für das Arbeitsmedium zwischen einem Arbeitsraum der Vorrichtung und der Ventilkammer auf. Dabei wird der Strömungsquerschnitt abhängig von der Bewegung des mindestens einen Ventilkörpers in axialer Richtung freigegeben.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben eines Ventils und die Verwendung des Ventils bei einer Hubkolbenmaschine als Vorrichtung zur Expansion und Kompression des Arbeitsmediums.
Bei gattungsgemäßen Hubkolbenmaschinen, insbesondere bei Expansionsmaschinen oder Kompressionsmaschinen, wird zur Übertragung von Arbeit die oszillierende, lineare Bewegung mindestens eines in einem Zylinder angeordneten Kolbens über einen Pleuel beziehungsweise eine Pleuelstange und eine Kurbel in eine Drehbewegung umgewandelt oder umgekehrt. Bei einer Kompressionsmaschine wird durch die oszillierende, lineare Bewegung des innerhalb des Zylinders angeordneten Kolbens eine Volumenänderung des Arbeitsraums und damit des im Arbeitsraum eingeschlossenen Arbeitsmediums erzeugt, wobei das Arbeitsmedium verdichtet wird. Bei einer Expansionsmaschine bewirkt die Volumenänderung des Arbeitsraums beziehungsweise des im Arbeitsraum eingeschlossenen Arbeitsmediums die oszillierende, lineare Bewegung des innerhalb des Zylinders angeordneten Kolbens, welche in die Drehbewegung umgewandelt wird. Der durch den Kolben und die Zylinderwandung umschlossene Arbeitsraum wird mit Hilfe von Ventilen geöffnet und geschlossen.
Über die Stellungen der Ventile werden das Einströmen des Arbeitsmediums in den Arbeitsraum und das Ausströmen des Arbeitsmediums aus dem Arbeitsraum der Hubkolbenmaschine gesteuert. Die Ventile werden dabei beispielsweise durch Druckunterschiede des Arbeitsmediums im Arbeitsraum und in der Niederdruckleitung oder der Hochdruckleitung betätigt. Bei einer Kompressionsmaschine werden die Ventile herkömmlich durch Druckunterschiede des Arbeitsmediums zwischen dem Arbeitsraum und der Saugleitung oder der Druckleitung geöffnet oder geschlossen. Bei einer Expansionsmaschine werden die Ventile mittels einer äußeren mechanischen Steuerung, unabhängig vom Druck im Arbeitsraum, geöffnet oder geschlossen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Ventilanordnung für eine Hubkolbenmaschine, mit welcher die Hubkolbenmaschine sowohl als Kompressionsvorrichtung als auch als Expansionsvorrichtung betreibbar ist. Dabei soll die Hubkolbenmaschine zwischen den Betriebsmodi als Kompressionsvorrichtung und als Expansionsvorrichtung vom Arbeitsmedium in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden. Die Hubkolbenmaschine soll ohne den Einsatz zusätzlicher Medien steuerbar, zudem einfach konstruiert und kompakt aufgebaut sein sowie ein Minimum an Komponenten aufweisen, um damit die Herstellungskosten sowie den Aufwand für die Montage und die Wartung zu minimieren. Die Hubkolbenmaschine soll effizient und mit minimalen Verlusten betrieben werden.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Ventil zur Regelung des Durchflusses eines Arbeitsmediums in einer Vorrichtung zur Expansion und Kompression des Arbeitsmediums gelöst. Das Ventil weist eine Ventilkammer, mindestens einen in axialer Richtung beweglich in einer Zylinderplatte angeordneten zylinderförmigen Ventilkörper zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts für das Arbeitsmedium zwischen einem Arbeitsraum der Vorrichtung und der Ventilkammer auf. Dabei wird der Strömungsquerschnitt abhängig von der Bewegung des mindestens einen Ventilkörpers in axialer Richtung freigegeben.
Nach der Konzeption der Erfindung ist das Ventil zur Regelung des Durchflusses des Arbeitsmediums auf einem Niveau eines Hochdrucks und auf einem Niveau eines Niederdrucks ausgebildet und weist ein Drei-Wege-Ventil auf. Das Drei-Wege-Ventil ist dabei zum Wechseln des Druckniveaus des Arbeitsmediums zur Steuerung der Bewegung des Ventilkörpers ausgebildet.
Der mindestens eine zylinderförmige Ventilkörper ist bevorzugt als ein kreiszylinderförmiger Kolben ausgebildet, welcher im geschlossenen Zustand des Ventils den Strömungsquerschnitt fluiddicht verschließt.
Das Drei-Wege-Ventil wird zur Steuerung der Bewegung des Ventilkörpers vorteilhaft mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks und auf dem Niveau des Niederdrucks beaufschlagt, wobei das Drei-Wege-Ventil Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks durchlässt und Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks absperrt oder Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks durchlässt und Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks absperrt.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Drei-Wege-Ventil als ein Drei-Wege-Schieber ausgebildet. Dabei ist der Drei-Wege-Schieber in einer linearen Bewegungsrichtung hin- und herbeweglich angeordnet. Der Drei-Wege-Schieber ist vorteilhaft derart gehaltert, dass eine Bewegung um die Achse der linearen Bewegungsrichtung möglich ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Drei-Wege-Ventil ein Steuerelement zur Bewegung des Drei-Wege-Schiebers in der linearen Bewegungsrichtung auf. Das Steuerelement ist dabei bevorzugt als Elektromagnet ausgebildet.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Ventil mit mindestens einer Gegendruckkammer ausgebildet, welche mit Arbeitsmedium auf einem Druckniveau im Bereich vom Niveau des Niederdrucks bis zum Niveau des Hochdrucks des Arbeitsmediums beaufschlagbar ist. Dabei ist der Druck innerhalb der Gegendruckkammer zur Steuerung der Bewegung des mindestens einen Ventilkörpers vorgesehen.
Das Ventil weist bevorzugt mindestens einen Überströmkanal auf, welcher das Drei-Wege-Ventil mit der mindestens einen Gegendruckkammer zum Durchleiten von Arbeitsmedium fluidtechnisch verbindet.
Unter einer fluidtechnischen Verbindung ist dabei eine derartige Verbindung von unterschiedlichen Volumen miteinander zu verstehen, dass die Volumen von einem fluiden Arbeitsmedium mit einem Zustand, insbesondere mit einem Arbeitsmedium mit gleichem Druck und gleicher Temperatur, beaufschlagt sind. Als ein Fluid wird eine Flüssigkeit oder ein Gas, im Speziellen jedoch ein Gas, angesehen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Drei-Wege-Schieber eine zu einer Stirnseite hin geöffnete, von einer Wandung umschlossene Kammer, mindestens eine durch die Wandung hindurchführende Durchgangsöffnung und mindestens einen auf einer Außenseite der Wandung ausgebildeten Durchströmkanal auf. Dabei ist der Drei-Wege-Schieber zwischen zwei Endstellungen verschiebbar.
In einer ersten Endstellung des Drei-Wege-Schiebers verbindet der mindestens eine Durchströmkanal die Ventilkammer und den mindestens einen Überströmkanal fluidtechnisch miteinander, sodass die mindestens eine Gegendruckkammer mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Drucks in der Ventilkammer beaufschlagt ist. Dabei ist die Kammer des Drei-Wege-Schiebers im Bereich der Stirnseite verschlossen.
In einer zweiten Endstellung des Drei-Wege-Schiebers sind die Kammer und der mindestens eine Überströmkanal fluidtechnisch miteinander verbunden. Dabei ist die Kammer zudem über die mindestens eine Durchgangsöffnung mit einer Verbindungsleitung fluidtechnisch verbunden, sodass die mindestens eine Gegendruckkammer mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Drucks in der Verbindungsleitung beaufschlagt ist. Der mindestens eine Durchströmkanal ist verschlossen.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Gegendruckkammer in einer Führungsplatte ausgebildet und in der Zylinderplatte ist eine Ventilfeder derart angeordnet, dass die von der Ventilfeder erzeugte Federkraft und die von dem innerhalb des Arbeitsraums herrschenden Druck des Arbeitsmediums erzeugte Druckkraft in einer Richtung, den Strömungsquerschnitt verringernd, auf den Ventilkörper einwirken und die von dem innerhalb der Gegendruckkammer herrschenden Druck des Arbeitsmediums erzeugte Druckkraft in einer Richtung, den Strömungsquerschnitt vergrößernd, auf den Ventilkörper einwirkt. Dabei ist innerhalb der Führungsplatte ein in axialer Richtung beweglicher Hilfskolben angeordnet. Der Hilfskolben verschließt mit einer ersten Stirnseite die Gegendruckkammer und liegt mit einer zweiten Stirnseite am Ventilkörper an. Die Stirnseiten sind an distalen Enden des Hilfskolbens angeordnet.
Ein derart ausgebildetes Ventil, auch als niederdruckseitiges Poppet-Ventil bezeichnet, weist vorteilhaft eine Vielzahl von Ventilkörpern mit jeweils einer Ventilfeder, jeweils einer Gegendruckkammer und jeweils einem Hilfskolben auf. Die Ventilkörper werden parallel zueinander und gleichwirkend betrieben, das heißt die Ventilkörper werden gleichzeitig angesteuert, dabei jeweils in der gleichen Richtung bewegt und in gleicher Weise geöffnet oder geschlossen. Die Ventilkörper sind von den Hilfskolben seitens der Gegendruckkammern zwangsweise bewegbar, wobei die Ventilkörper über in der Zylinderplatte ausgebildete Durchgangsbohrungen auf der jeweils der Sitzfläche gegenüberliegenden Fläche mit dem momentanen Arbeitsraumdruck des Arbeitsmediums beaufschlagt sind.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Gegendruckkammer in der Zylinderplatte ausgebildet und in der Gegendruckkammer ist eine Ventilfeder derart angeordnet, dass die von der Ventilfeder erzeugte Federkraft und die von dem innerhalb der Gegendruckkammer herrschenden Druck des Arbeitsmediums erzeugte Druckkraft in einer Richtung auf den Ventilkörper, den Strömungsquerschnitt verringernd, einwirken.
Ein derart ausgebildetes Ventil, auch als hochdruckseitiges Poppet-Ventil bezeichnet, weist vorteilhaft eine Vielzahl von Ventilkörpern mit jeweils einer Ventilfeder und jeweils einer Gegendruckkammer auf. Die Ventilkörper werden parallel zueinander und gleichwirkend betrieben, das heißt die Ventilkörper werden gleichzeitig angesteuert, dabei jeweils in der gleichen Richtung bewegt und in gleicher Weise geöffnet oder geschlossen.
Die Aufgabe wird auch durch ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Ventils zur Regelung des Durchflusses eines Arbeitsmediums in einer Vorrichtung zur Expansion und Kompression des Arbeitsmediums gelöst. Das Ventil wird dabei durch Stellen eines Drei-Wege-Ventils auf Durchlassen von Arbeitsmedium auf dem Niveau eines Hochdrucks und Absperren von Arbeitsmedium auf dem Niveau eines Niederdrucks geschlossen und durch Stellen des Drei-Wege-Ventils auf Durchlassen von Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks und Absperren von Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks geöffnet.
Die Aufgabe wird auch durch ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Ventils zur Regelung des Durchflusses eines Arbeitsmediums in einer Vorrichtung zur Expansion und Kompression des Arbeitsmediums gelöst. Das Ventil wird dabei durch Stellen eines Drei-Wege-Ventils auf Durchlassen von Arbeitsmedium auf dem Niveau eines Niederdrucks und Absperren von Arbeitsmedium auf dem Niveau eines Hochdrucks geschlossen und durch Stellen des Drei-Wege-Ventils auf Durchlassen von Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks und Absperren von Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks geöffnet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass beim Betrieb der Vorrichtung als Kompressionsvorrichtung nach dem Vorgang des Ansaugens des Arbeitsmediums das mindestens eine, auch als Niederdruckventil oder Saugventil bezeichnete Ventil offengehalten wird, bis der Vorgang der Verdichtung beginnen soll und das Ventil während des Vorgangs der Verdichtung geschlossen wird, wobei der Voreinlass als Beginn der Öffnung des Ventils kurz vor das Erreichen des maximalen Volumens des Arbeitsraums gesetzt beziehungsweise eingestellt wird, sodass das Niederdruckventil nicht erst druckgesteuert selbsttätig schließt, und die gewünschte Offenhaltung des Niederdruckventils, entsprechend dem erforderlichen Durchsatz des Arbeitsmediums, eingestellt wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden beim Betrieb der Vorrichtung als Kompressionsvorrichtung das hochdruckseitige Ventil durch Einstellen eines Drei-Wege-Ventils mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks und das niederdruckseitige Ventil durch Einstellen des Drei-Wege-Ventils mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks beaufschlagt, sodass die Ventile selbsttätig druckgesteuert arbeiten.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung des Ventils bei einer Hubkolbenmaschine als Vorrichtung zur Expansion und Kompression des Arbeitsmediums.
Von besonderem Vorteil ist, dass die erfindungsgemäße Ventilanordnung zur Regelung des Durchflusses des Arbeitsmediums, beispielsweise an herkömmlichen Hubkolbenverdichtern anstelle der lediglich druckgesteuerten Ventile, neben dem Betrieb als Kompressionsvorrichtung auch einen Betrieb der Hubkolbenmaschine als Expansionsvorrichtung ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Ventilanordnung auf Basis eines druckgesteuerten, sogenannten Poppet-Ventils mit einer zusätzlichen wechselnden Möglichkeit der Druckbeaufschlagung auf die Ventilkörper beziehungsweise auf die Hilfskolben mit dem Arbeitsmedium selbst weist zudem zusammenfassend weitere Vorteile auf:

– Durchströmen der Hubkolbenmaschine je nach Betriebsmodus in umgekehrter Strömungsrichtung,
– Steuerung der Hubkolbenmaschine ohne den Einsatz zusätzlicher Medien, welche das Arbeitsmedium verunreinigen könnten,
– Integration des Drei-Wege-Ventils als Drei-Wege-Schieber innerhalb des Ventils, damit
– einfache und kompakte Konstruktion aus einem Minimum an Komponenten sowie
– einfache Montage.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: Schema einer Hubkolbenmaschine mit zwischen den Modi als Verdichter und Expansionsvorrichtung umschaltbarem Betrieb,
2a: ein Hochdruckventil der Hubkolbenmaschine,
2b: ein Niederdruckventil der Hubkolbenmaschine,
3: Hubkolbenmaschine mit einem Schema des Antriebs, Hochdruckventilen und Niederdruckventilen sowie der Ansteuerung der Ventile,
4a, 4b: Hochdruckventile als Anordnung an der Hubkolbenmaschine und Ausbildung der Drucksteuerung,
5a, 5b: Niederdruckventile als Anordnung an der Hubkolbenmaschine und Ausbildung der Drucksteuerung sowie
6a, 6b: Indikatordiagramme für den Betriebsmodus der Hubkolbenmaschine als Kompressionsvorrichtung und für den Betriebsmodus als Expansionsvorrichtung.
In 1 ist ein Schema einer Hubkolbenmaschine 1 mit einem zwischen zwei Modi als Kompressionsvorrichtung und Expansionsvorrichtung umschaltbaren Betrieb dargestellt.
Beim Betrieb als Kompressionsvorrichtung wird das Arbeitsmedium mit einem Druck auf dem Niveau des Niederdrucks p_N in Strömungsrichtung K durch das Saugventil in den Arbeitsraum angesaugt. Das auf den Hochdruck p_H verdichtete Arbeitsmedium strömt durch das Druckventil aus dem Arbeitsraum aus.
Beim Betrieb als Expansionsvorrichtung wird das Arbeitsmedium mit einem Druck auf dem Niveau des Hochdrucks p_H in Strömungsrichtung E durch das Einlassventil in den Arbeitsraum eingelassen. Das auf den Niederdruck p_N entspannte Arbeitsmedium wird durch das Auslassventil aus dem Arbeitsraum ausgeschoben.
Das Einlassventil der Hubkolbenmaschine 1 beim Betrieb als Expansionsvorrichtung entspricht dabei dem Druckventil der Hubkolbenmaschine 1 beim Betrieb als Kompressionsvorrichtung und wird nachfolgend als Hockdruckventil 2a bezeichnet. Ebenso entspricht das Auslassventil der Hubkolbenmaschine 1 beim Betrieb als Expansionsvorrichtung dem Saugventil der Hubkolbenmaschine 1 beim Betrieb als Kompressionsvorrichtung und wird nachfolgend als Niederdruckventil 2b bezeichnet. Nach dem Umschalten des Betriebsmodus der Hubkolbenmaschine 1 von der Expansionsvorrichtung, in welcher das Hochdruckventil 2a als Einlassventil und das Niederdruckventil 2b als Auslassventil durchströmt werden, auf die Kompressionsvorrichtung werden das Hochdruckventil 2a als Druckventil und das Niederdruckventil 2b als Saugventil betrieben.
Die 2a und 2b zeigen jeweils ein Hochdruckventil 2a beziehungsweise ein Niederdruckventil 2b der Hubkolbenmaschine 1, welche als Tellerventile ausgebildet sind.
Das in 2a im geöffneten Zustand dargestellte Hochdruckventil 2a weist ein Gehäuse 3, insbesondere mit einer Zylinderplatte 3a, auf, in welcher ein zylinderförmiger, speziell ein kreiszylinderförmiger, Ventilkörper 6a in axialer Richtung beweglich angeordnet ist. Infolge der Bewegung des Ventilkörpers 6a wird der Arbeitsraum 5 geschlossen oder geöffnet.
Im geschlossenen Zustand des Hochdruckventils 2a liegt der Ventilkörper 6a in einer ersten Endstellung mit einer Sitzfläche am Ventilsitz 8a an, sodass der Arbeitsraum 5 und die Ventilkammer 4a voneinander getrennt sind. In einer zweiten Endstellung des Ventilkörpers 6a ist das Hochdruckventil 2a geöffnet, die Sitzfläche und der Ventilsitz 8a sind voneinander, einen Spalt ausbildend, entfernt angeordnet. Der Ventilkörper 6a gibt eine Öffnung des Arbeitsraums 5 frei, das Arbeitsmedium kann auf Grund des Niveaus des Arbeitsraumdrucks p_AR durch das Hochdruckventil 2a in den Arbeitsraum 5 einströmen oder aus dem Arbeitsraum 5 ausströmen. Die Ventilkammer 4a ist mit dem Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks p_H beaufschlagt.
Die Zylinderplatte 3a weist eine als Sackbohrung ausgebildete Öffnung auf, in welcher der Ventilkörper 6a angeordnet ist. Der in der Form eines Flansches ausgebildete Teller des Ventilkörpers 6a weist einen größeren Außendurchmesser auf als der innerhalb der Sackbohrung integrierte Bereich des Ventilkörpers 6a beziehungsweise die Sackbohrung selbst. Die Sackbohrung und der innerhalb der Sackbohrung integrierte Bereich des Ventilkörpers 6a sind dabei mit gleichen Werten der Außendurchmesser zuzüglich einer Toleranz für die Bewegung in axialer Richtung des Ventilkörpers 6a innerhalb der Sackbohrung ausgebildet. Damit ist der Ventilkörper 6a bis in die zweite Endstellung maximal derart beweglich, bis der Flansch an der Zylinderplatte 3a anliegt.
Innerhalb der Sackbohrung ist eine Gegendruckkammer 10a ausgebildet, welche durch die zylindrische Wandung und den Boden der Sackbohrung einerseits sowie den beweglichen Ventilkörper 6a andererseits begrenzt ist. In der Gegendruckkammer 10a ist eine Ventilfeder 7a angeordnet. Die Ventilfeder 7a ist als zylindrische Schraubendruckfeder, sich am Boden der Sackbohrung abstützend und an der der Sitzfläche gegenüberliegenden Fläche des Ventilkörpers 6a anliegend, ausgebildet. Die Federkraft der Ventilfeder 7a wirkt folglich in axialer Richtung und damit in Richtung der geschlossenen, ersten Endstellung des Ventilkörpers 6a.
Die Gegendruckkammer 10a ist über einen Überströmkanal 9a zudem mit Arbeitsmedium auf einem bestimmten Druckniveau beaufschlagbar. Der Überströmkanal 9a erstreckt sich dabei von der Gegendruckkammer 10a, insbesondere vom Bereich des Bodens der Gegendruckkammer 10a, bis zu einem Drei-Wege-Ventil 11a. Am Drei-Wege-Ventil 11a liegt einerseits das Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks p_H und andererseits das Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks p_N an, sodass die Gegendruckkammer 10a je nach Stellung des Drei-Wege-Ventils 11a mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks p_H oder auf dem Niveau des Niederdrucks p_N beaufschlagt werden kann.
Die in axialer Richtung und in Richtung der geschlossenen, ersten Endstellung des Ventilkörpers 6a wirkende Federkraft der Ventilfeder 7a und die durch den Druck innerhalb der Gegendruckkammer 10a über die Fläche des Ventilkörpers 6a aufgebrachte Kraft wirken in die gleiche Richtung.
Das Drei-Wege-Ventil 11a wird mittels eines Steuerelements 12a gesteuert, welches vorteilhaft als Elektromagnet 12a ausgebildet ist.
Wenn die Gegendruckkammer 10a des Hochdruckventils 2a mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks p_H beaufschlagt wird, arbeitet das Hochdruckventil 2a druckgesteuert, wie ein herkömmliches Ventil einer Hubkolbenmaschine 1 beim Betrieb als Kompressionsvorrichtung.
Wenn die Gegendruckkammer 10a des Hochdruckventils 2a jedoch mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks p_N beaufschlagt wird, öffnet das Hochdruckventil 2a. Beim Betrieb der Hubkolbenmaschine 1 als Expansionsvorrichtung strömt das Arbeitsmedium in den Arbeitsraum 5 ein. Bei Beaufschlagung der Gegendruckkammer 10a des Hochdruckventils 2a mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks p_H wird das Hochdruckventil 2a geschlossen.
Das in 2b im geöffneten Zustand dargestellte Niederdruckventil 2b weist ein Gehäuse 3, insbesondere eine Zylinderplatte 3b und eine Führungsplatte 14b, auf. Innerhalb der Zylinderplatte 3b ist ein zylinderförmiger, speziell ein kreiszylinderförmiger Ventilkörper 6b in axialer Richtung beweglich angeordnet. Infolge der Bewegung des Ventilkörpers 6b wird der Arbeitsraum 5 geschlossen oder geöffnet.
Im geschlossenen Zustand des Niederdruckventils 2b liegt der Ventilkörper 6b in einer ersten Endstellung mit einer Sitzfläche am Ventilsitz 8b an, sodass der Arbeitsraum 5 und die Ventilkammer 4b voneinander getrennt sind. In einer zweiten Endstellung des Ventilkörpers 6b ist das Niederdruckventil 2b geöffnet, die Sitzfläche und der Ventilsitz 8b sind voneinander, einen Spalt ausbildend, entfernt angeordnet. Der Ventilkörper 6b gibt eine Öffnung des Arbeitsraums 5 frei, das Arbeitsmedium kann auf Grund des Niveaus des Arbeitsraumdrucks p_AR durch das Niederdruckventil 2b in den Arbeitsraum 5 einströmen oder aus dem Arbeitsraum 5 ausströmen. Die Ventilkammer 4b ist mit dem Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks p_N beaufschlagt.
Die Zylinderplatte 3b weist eine als Durchgangsbohrung mit Absätzen ausgebildete Öffnung auf, in welcher der Ventilkörper 6b angeordnet ist. Der in der Form eines Flansches ausgebildete Teller des Ventilkörpers 6b weist einen größeren Außendurchmesser auf als der innerhalb der Durchgangsbohrung integrierte Bereich des Ventilkörpers 6b. Die Durchgangsbohrung und der innerhalb der Durchgangsbohrung integrierte Bereich des Ventilkörpers 6b sind dabei mit gleichen Werten der Außendurchmesser zuzüglich einer Toleranz für die Bewegung in axialer Richtung des Ventilkörpers 6b innerhalb der Durchgangsbohrung ausgebildet. Damit ist der Ventilkörper 6b bis in die zweite Endstellung maximal derart beweglich, bis der Flansch an der Zylinderplatte 3b anliegt.
Innerhalb der Durchgangsbohrung ist ein Volumen ausgebildet, welches durch die zylindrische Wandung und einen Absatz einerseits sowie den beweglichen Ventilkörper 6b andererseits begrenzt ist. In der Durchgangsbohrung ist eine Ventilfeder 7b angeordnet. Die Ventilfeder 7b ist als zylindrische Schraubendruckfeder, sich an einem Absatz der Durchgangsbohrung abstützend und an der der Sitzfläche gegenüberliegenden Fläche des Ventilkörpers 6b anliegend ausgebildet. Die Federkraft der Ventilfeder 7b wirkt folglich in axialer Richtung und damit in Richtung der geschlossenen, ersten Endstellung des Ventilkörpers 6b.
Das innerhalb der Durchgangsbohrung ausgebildete Volumen ist zudem mit dem Arbeitsraum 5 fluidtechnisch verbunden, sodass der Ventilkörper 6b auf der der Sitzfläche gegenüberliegenden Fläche mit dem momentanen Arbeitsraumdruck p_Ar beaufschlagt ist. Die damit erzeugte Druckkraft wirkt, ebenso wie die Federkraft der Ventilfeder 7b, in axialer Richtung und damit in Richtung der geschlossenen, ersten Endstellung des Ventilkörpers 6b. Entgegen der geschlossenen, ersten Endstellung des Ventilkörpers 6b und damit in Richtung der geöffneten, zweiten Endstellung des Ventilkörpers 6b wirkt eine durch einen Druck innerhalb einer Gegendruckkammer 10b über die wirkende Fläche eines Hilfskolbens 13b aufgebrachte Kraft.
Der zylinderförmige, insbesondere kreiszylinderförmige Hilfskolben 13b ist in der Führungsplatte 14b in axialer Richtung beweglich gelagert angeordnet und weist drei Bereiche mit unterschiedlichen Außendurchmessern auf. Der Hilfskolben 13b ist dabei axial zum Ventilkörper 6b ausgerichtet. Mittels des Hilfskolbens 13b kann der Ventilkörper 6b entgegen der Federkraft der Ventilfeder 7b und der vom Arbeitsraumdruck p_Ar erzeugten Druckkraft in Richtung der geöffneten, zweiten Endstellung bewegt werden.
Der Bereich mit dem geringsten Außendurchmesser des Hilfskolbens 13b erstreckt sich durch die Ventilkammer 4b hindurch und ragt im geöffneten Zustand des Niederdruckventils 2b durch den kreisringförmigen Ventilsitz 8b hindurch. Die Stirnseite des Hilfskolbens 13b, insbesondere des Bereichs mit dem geringsten Außendurchmesser, liegt zumindest während des Vorgangs des Öffnens des Niederdruckventils 2b im Zentrum der Sitzfläche des Ventilkörpers 6b an.
An den Bereich mit dem geringsten Außendurchmesser schließt sich in axialer Richtung ein Bereich mit einem größeren Außendurchmesser an, welcher innerhalb der Führungsplatte 14b des Gehäuses 3 beweglich angeordnet ist. Die Führungsplatte 14b weist eine Durchgangsbohrung mit einem Durchmesser auf, welcher dem Wert des Außendurchmessers des Hilfskolbens 13b in dem betrachteten Bereich zuzüglich einer Toleranz für die Bewegung in axialer Richtung des Hilfskolbens 13b innerhalb der Durchgangsbohrung entspricht. Der innerhalb der Durchgangsbohrung angeordnete Bereich des Hilfskolbens 13b ist in axialer Richtung mit einer geringeren Länge als die Durchgangsbohrung oder maximal der Länge der Durchgangsbohrung ausgebildet.
Die Führungsplatte 14b weist eine sich an die Durchsgangsbohrung in axialer Richtung anschließende Öffnung auf, in welcher der dritte Bereich des Hilfskolbens 13b angeordnet ist. Der in der Form eines Flansches ausgebildete dritte Bereich des Hilfskolbens 13b weist einen größeren Außendurchmesser auf als der innerhalb der Durchgangsbohrung integrierte Bereich des Hilfskolbens 13b beziehungsweise die Durchgangsbohrung selbst. Der Hilfskolben 13b ist bis in die zweite Endstellung des Ventilkörpers 6b maximal derart beweglich, bis der Flansch des Hilfskolbens 13b an der Führungsplatte 14b anliegt.
Die sich an die Durchgangsbohrung in axialer Richtung anschließende Öffnung ist als Gegendruckkammer 10b ausgebildet, welche einerseits durch die zylindrische Wandung und einen Boden der Öffnung sowie andererseits durch den beweglichen Hilfskolben 13b, insbesondere den Flansch des Hilfskolbens 13b, begrenzt ist.
Die Gegendruckkammer 10b ist über einen Überströmkanal 9b mit Arbeitsmedium auf einem bestimmten Druckniveau beaufschlagbar. Der Überströmkanal 9b erstreckt sich dabei von der Gegendruckkammer 10b, insbesondere vom Bereich des Bodens der Gegendruckkammer 10b, bis zu einem Drei-Wege-Ventil 11b. Am Drei-Wege-Ventil 11b liegt einerseits das Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks p_H und andererseits das Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks p_N an, sodass die Gegendruckkammer 10b je nach Stellung des Drei-Wege-Ventils 11b mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks p_H oder auf dem Niveau des Niederdrucks p_N beaufschlagt werden kann.
Das Drei-Wege-Ventil 11b wird mittels eines Steuerelements 12b gesteuert, welches vorteilhaft als Elektromagnet 12b ausgebildet ist.
Wenn die Gegendruckkammer 10b des Niederdruckventils 2b mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks p_N beaufschlagt wird, arbeitet das Niederdruckventil 2b druckgesteuert, wie ein herkömmliches Ventil einer Hubkolbenmaschine 1 beim Betrieb als Kompressionsvorrichtung.
Wenn die Gegendruckkammer 10b des Niederdruckventils 2b jedoch mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks p_H beaufschlagt wird, öffnet das Niederdruckventil 2b. Beim Betrieb der Hubkolbenmaschine 1 als Expansionsvorrichtung strömt das Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum 5 aus. Bei Beaufschlagung der Gegendruckkammer 10b des Niederdruckventils 2b mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks p_N wird das Niederdruckventil 2b geschlossen.
Die druckgesteuerten Hochdruckventil 2a und Niederdruckventil 2b werden wechselnd mit Arbeitsmedium auf unterschiedlichen Druckniveaus beaufschlagt, wobei die wechselnden Drücke auf den Ventilkörper 6a beziehungsweise den Hilfskolben 13b wirken. Damit können die Ventilkörper 6a, 6b zwangsweise und druckgesteuert angesteuert werden, wobei das druckgesteuerte Verhalten entgegen der beabsichtigten Durchströmrichtung beibehalten werden kann, was beim Betrieb der Hubkolbenmaschine 1 als Expansionsvorrichtung eine möglichst geringe Schleifenbildung und beim Betrieb der Hubkolbenmaschine 1 als Kompressionsvorrichtung eine Saugventiloffenhaltung ermöglicht. Der Begriff Schleifenbildung bezieht sich dabei auf Indikatordiagramme für den Betriebsmodus der Hubkolbenmaschine 1 als Expansionsvorrichtung, wobei sich bei einer zu geringen Füllmenge in Bezug auf das anliegende Druckverhältnis auf dem Niveau des Niederdrucks und bei maximalem Arbeitsraumvolumen am Austritt der Hubkolbenmaschine 1 eine Schleife ausbildet. Die Größe der Schleife steht dabei für die Höhe der energetischen Verluste.
Aus 3 geht eine Hubkolbenmaschine 1 mit einem Schema des als Schubkurbeltriebwerk 20 ausgebildeten Antriebs, Hochdruckventilen 2a und Niederdruckventilen 2b sowie der Ansteuerung der Ventile 2a, 2b hervor.
Ein Pleuel 22 ist an einem ersten Ende beispielsweise mittels eines Kreuzkopfs 21 mit einer Kolbenstange 25 mechanisch verbunden. Am zum ersten Ende distalen zweiten Ende ist der Pleuel 22 mit der Kurbelwelle 23, insbesondere mit dem Kurbelzapfen der Kurbelwelle 23, gekoppelt, sodass der Pleuel 22 in Kombination mit dem Kreuzkopf 21 und der Kolbenstange 25 eine Verbindung des Kolbens 26 mit der Kurbelwelle 23 herstellt. Die Kurbelwelle 23 rotiert mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit w.
Mittels des Pleuels 22 und der Kurbelwelle 23 werden lineare, Hin- und Herbewegungen vom Kolben 26 beziehungsweise Kreuzkopf 21, auch als oszillierende Bewegung bezeichnet, in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 23 oder umgekehrt die Rotationsbewegung der Kurbelwelle 23 in eine oszillierende Bewegung des Kolbens 26 umgesetzt. Der Kolben 26 beziehungsweise der Kreuzkopf 21 werden in Richtung der Zylinderachse 24 oszillierend bewegt.
Die Hubkolbenmaschine 1 wird mittels der Drei-Wege-Ventile 11a, 11b mit Arbeitsmedium auf wechselnden Druckniveaus beaufschlagt. Die Druckniveaus werden abhängig von der Stellung der Kurbelwelle 23 beziehungsweise abhängig von der Totlage des Schubkurbeltriebwerks 20 über eine speicherprogrammierbare Steuerung, auch als SPS 27 bezeichnet, und die Steuerelemente 12a, 12b der Drei-Wege-Ventile 11a, 11b gesteuert. Das Arbeitsmedium wirkt dabei mit dem Niveau des Niederdrucks p_N oder mit dem Niveau des Hochdrucks p_H auf die Ventilkörper 6a, 6b. Die Steuerelemente 12a, 12b der Drei-Wege-Ventile 11a, 11b und ein Kurbelwellensensor 28 zur Bestimmung der Stellung der Kurbelwelle 23 beziehungsweise der Lage des Schubkurbeltriebwerks 20 sind mit der SPS 27 verbunden.
Beim Betrieb der Hubkolbenmaschine 1 als Expansionsvorrichtung strömt das Arbeitsmedium mit einem Druck auf dem Niveau des Hochdrucks p_H in Strömungsrichtung E in die Ventilkammer 4a und anschließend durch ein als Einlassventil betriebenes, geöffnetes Hochdruckventil 2a in den Arbeitsraum 5 ein. Die Hochdruckventile 2a werden in der Gegendruckkammer 10a jeweils mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks p_N beaufschlagt. Die am Drei-Wege-Ventil 11 angeordnete, geöffnete Leitung stellt dabei eine fluidtechnische Verbindung zur Ventilkammer 4b der Niederdruckventile 2b her. Durch Umschalten des Drei-Wege-Ventils 11 wird die Gegendruckkammer 10a mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks p_H beaufschlagt und das Hochdruckventil 2a ist geschlossen.
Nach dem arbeitsleistenden Entspannen des Arbeitsmediums auf das Niveau des Niederdrucks p_N wird das Arbeitsmedium durch ein als Auslassventil betriebenes, geöffnetes Niederdruckventil 2b aus dem Arbeitsraum 5 in die Ventilkammer 4b und anschließend in Strömungsrichtung E aus der Hubkolbenmaschine 1 ausgeschoben. Die Niederdruckventile 2b werden in der Gegendruckkammer 10b jeweils mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks p_H beaufschlagt. Die am Drei-Wege-Ventil 12b angeordnete, geöffnete Leitung stellt dabei eine fluidtechnische Verbindung zur Ventilkammer 4a der Hochdruckventile 2a her. Durch Umschalten des Drei-Wege-Ventils 11 wird die Gegendruckkammer 10b mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks p_N beaufschlagt und das Niederdruckventil 2b ist geschlossen.
Beim Betrieb der Hubkolbenmaschine 1 als Kompressionsvorrichtung arbeiten die Ventile 2a, 2b ausschließlich druckgesteuert, wobei keine Steuerung über die SPS 27 erfolgt. Die Niederdruckventile 2b werden als Saugventile lediglich zur Saugventiloffenhaltung über die SPS 27 zwangsgesteuert. Dabei strömt das Arbeitsmedium mit einem Druck auf dem Niveau des Niederdrucks p_N in Strömungsrichtung K in die Ventilkammer 4b und anschließend durch ein als Saugventil betriebenes, geöffnetes Niederdruckventil 2b in den Arbeitsraum 5 ein. Die Niederdruckventile 2b werden in der Gegendruckkammer 10b jeweils mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks p_H beaufschlagt. Die am Drei-Wege-Ventil 11 angeordnete, geöffnete Leitung stellt dabei eine fluidtechnische Verbindung zur Ventilkammer 4a der Hochdruckventile 2a her. Durch Umschalten des Drei-Wege-Ventils 11 wird die Gegendruckkammer 10b mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks p_N beaufschlagt und das Niederdruckventil 2b arbeitet ohne eine Steuerung durch die SPS 27 druckgesteuert selbsttätig.
Nach dem Verdichten des Arbeitsmediums auf das Niveau des Hochdrucks p_H strömt das Arbeitsmedium durch ein als Druckventil betriebenes, geöffnetes Hochdruckventil 2a aus dem Arbeitsraum 5 in die Ventilkammer 4a und anschließend in Strömungsrichtung K aus der Hubkolbenmaschine 1 aus. Die Hochdruckventile 2a werden in der Gegendruckkammer 10a jeweils mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks p_H beaufschlagt. Beim Betrieb der Hubkolbenmaschine 1 als Kompressionsvorrichtung arbeiten die Hochdruckventile 2a stets ohne eine Steuerung durch die SPS 27 druckgesteuert selbsttätig.
Beim ausschließlich druckgesteuerten Betrieb der Hubkolbenmaschine 1 als Kompressionsvorrichtung, das heißt beim Betrieb ohne Saugventiloffenhaltung, werden die Gegendruckkammern 10a der Hochdruckventile 2a mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks p_H beaufschlagt. Wenn der Druck p_AR des Arbeitsmediums im Arbeitsraum 5 über das Niveau des Hochdrucks p_H ansteigt, öffnen die Hochdruckventile 2a. Das verdichtete Arbeitsmedium strömt aus dem Arbeitsraum 5 aus. Wenn der Druck p_AR des Arbeitsmediums im Arbeitsraum 5 unter das Niveau des Hochdrucks p_H absinkt, schließen die Hochdruckventile 2a.
Die Gegendruckkammern 10b der Niederdruckventile 2b werden mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks p_N beaufschlagt. Wenn der Druck p_AR des Arbeitsmediums im Arbeitsraum 5 unter das Niveau des Niederdrucks p_N absinkt, öffnen die Niederdruckventile 2b. Das Arbeitsmedium strömt in den Arbeitsraum 5 ein. Wenn der Druck p_AR des Arbeitsmediums im Arbeitsraum 5 über das Niveau des Niederdrucks p_N ansteigt, schließen die Niederdruckventile 2b.
Die 4a und 4b zeigen ein Hochdruckventil 2a als Anordnung an der Hubkolbenmaschine 1 und die Ausbildung des Drei-Wege-Ventils 11a als dazugehörige Drucksteuerung. Das Hochdruckventil 2a ist mit dem Drei-Wege-Ventil 11a in 4a in einer Schnittdarstellung einer Seitenansicht und in 4b in einer Schnittdarstellung der Draufsicht dargestellt.
Das Hochdruckventil 2a weist eine Vielzahl von Ventilkörpern 6a mit jeweils einer Ventilfeder 7a auf. Die Ventilkörper 6a liegen im geschlossenen Zustand des Ventils 2a jeweils an einer Ventilplatte 8b an, welche für jeden Ventilkörper 6a als Ventilsitz 8a ausgebildet ist. Die Ventilkörper 6a sind innerhalb der Zylinderplatte 3a in axialer Richtung beweglich angeordnet. Die Ventilkörper 6a trennen den Arbeitsraum 5, in welchem das Arbeitsmedium auf dem Niveau des Arbeitsraumdrucks p_AR vorliegt, von der Ventilkammer 4a, in welcher das Arbeitsmedium das Niveau des Hochdrucks p_H aufweist.
Die Gegendruckkammern 10a sind mittels Überströmkanälen 9a miteinander verbunden und mit dem Arbeitsmedium auf einem bestimmten Druckniveau beaufschlagbar. Die Überströmkanäle 9a erstrecken sich dabei sternförmig von außen zu einer Mittelachse 30a des Hochdruckventils 2a, in welcher das Drei-Wege-Ventil 11a ausgebildet ist.
Das Drei-Wege-Ventil 11a wird mittels eines als Elektromagnet 12a ausgebildeten Steuerelements gesteuert. Das Steuerelement 12a weist einen Anker 31a und einen Drei-Wege-Schieber 33a auf, wobei über die Anregung des Ankers 31a der Drei-Wege-Schieber 33a bewegt wird. Der Drei-Wege-Schieber 33a ist in der Bewegungsrichtung 34a entlang der Mittelachse 30a beweglich. Der Anker 31a ist innerhalb eines Gehäuses 32a angeordnet.
Im Inneren des Drei-Wege-Schiebers 33a ist eine Kammer 35a ausgebildet, welche ein sich im Inneren entlang der Mittelachse 30a erstreckendes Volumen umschließt. Die Kammer 35a ist an einem oberen, zum Anker 31a hin ausgerichteten Ende verschlossen und an einem unteren, zur Ventilkammer 4a und dem Arbeitsraum 5 hin ausgerichteten Ende geöffnet. Innerhalb der Kammer 35a ist Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks p_N eingeschlossen. Die Kammer 35a ist über Durchgangsöffnungen 36a mit einer Verbindungsleitung 37 fluidtechnisch mit einem Bereich verbunden, in welchem das Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks p_N vorliegt.
An der Mantelfläche des Drei-Wege-Schiebers 33a sind im Bereich des Kontaktes mit der Zylinderplatte 3a in Richtung der Mittelachse 30a Durchströmkanäle 38a ausgebildet. Die Durchströmkanäle 38a sind dabei gleichmäßig über den Umfang der Mantelfläche verteilt und in radialer Richtung jeweils mit einem der Überströmkanäle 9a kommunizierend angeordnet, wie 4b zeigt.
Bei der Anordnung des Drei-Wege-Schiebers 33a nach 4a ist die Kammer 35a mit den Durchgangsöffnungen 36a am unteren Ende verschlossen. Der Drei-Wege-Schieber 33a liegt mit der äußeren Mantelfläche fluiddicht am Gehäuse 3 und der Zylinderplatte 3a des Hochdruckventils 2a an, sodass keine fluidtechnischen Verbindungen zwischen der Verbindungsleitung 37 mit dem Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks p_N und den Überströmkanälen 9a hergestellt ist.
Der Drei-Wege-Schieber 33a ist derart angeordnet, dass die Überströmkanäle 9a über die Durchströmkanäle 38a mit der Ventilkammer 4a fluidtechnisch verbunden sind. Da das Arbeitsmedium in der Ventilkammer 4a auf dem Niveau des Hochdrucks p_H vorliegt und die Gegendruckkammern 10a über die Überströmkanäle 9a und die Durchströmkanäle 38a des Drei-Wege-Schiebers 33a mit der Ventilkammer 4a verbunden sind, liegt das Arbeitsmedium auch in den Gegendruckkammern 10a auf dem Niveau des Hochdrucks p_H vor.
Bei einer nicht dargestellten Anordnung des Drei-Wege-Schiebers 33a ist die Kammer 35a mit den Durchgangsöffnungen 36a am unteren Ende geöffnet, sodass zwischen der Verbindungsleitung 37 mit dem Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks p_N und den Überströmkanälen 9a eine fluidtechnische Verbindung hergestellt ist. Dabei ist der Drei-Wege-Schieber 33a im Vergleich zur Anordnung aus 4a in Bewegungsrichtung 34a derart nach oben verschoben, dass das untere offene Ende des Drei-Wege-Schiebers 33a mit der unteren Kante oberhalb der Überströmkanäle 9a angeordnet ist. Damit sind gleichzeitig die Durchströmkanäle 38a verschlossen oder stehen lediglich mit der Ventilkammer 4a, aber nicht mit den Überströmkanälen 9a in fluidtechnischer Verbindung.
Da der Drei-Wege-Schieber 33a derart angeordnet ist, dass die Überströmkanäle 9a mit der Verbindungsleitung 37 und die Gegendruckkammern 10a über die Überströmkanäle 9a fluidtechnisch verbunden sind sowie das Arbeitsmedium in der Verbindungsleitung 37 auf dem Niveau des Niederdrucks p_N vorliegt, liegt das Arbeitsmedium auch in den Gegendruckkammern 10a auf dem Niveau des Niederdrucks p_N vor.
Bei geöffneten Hochdruckventilen 2a strömt das Arbeitsmedium beim Betrieb der Hubkolbvenvorrichtung 1 als Kompressionsvorrichtung auf dem Niveau des Hochdrucks p_H vom Arbeitsraum 5 durch die in Richtung der Mittelachse 30a ausgerichteten Durchströmöffnungen 39a in die Ventilkammer 4a und aus der Hubkolbvenvorrichtung 1 aus. Beim Betrieb der Hubkolbvenvorrichtung 1 als Expansionsvorrichtung strömt das Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks p_H durch die Ventilkammer 4a und die in Richtung der Mittelachse 30a ausgerichteten Durchströmöffnungen 39a in den Arbeitsraum 5 der Hubkolbvenvorrichtung 1 ein.
Über die Ansteuerung des Ankers 31a wird der Drei-Wege-Schieber 33a in Bewegungsrichtung 34a bewegt, wobei die Gegendruckkammern 10a je nach Stellung des Drei-Wege-Schiebers 33a mit am Drei-Wege-Ventil 11a einerseits auf dem Niveau des Hochdrucks p_H und andererseits auf dem Niveau des Niederdrucks p_N anliegendem Arbeitsmedium beaufschlagt werden können und damit das Hochdruckventil 2a zwangsgesteuert geschlossen oder geöffnet wird.
Die 5a und 5b zeigen ein Niederdruckventil 2b als Anordnung an der Hubkolbenmaschine 1 und die Ausbildung des Drei-Wege-Ventils 11b als dazugehörige Drucksteuerung. Das Niederdruckventil 2b ist mit dem Drei-Wege-Ventil 11b in 5a in einer Schnittdarstellung einer Seitenansicht und in 5b in einer Schnittdarstellung der Draufsicht dargestellt.
Das Niederdruckventil 2b weist eine Vielzahl von Ventilkörpern 6b mit jeweils einer Ventilfeder 7b auf. Die Ventilkörper 6b liegen im geschlossenen Zustand des Ventils 2b jeweils an einer Ventilplatte 8b an, welche für jeden Ventilkörper 6b als Ventilsitz 8b ausgebildet ist. Die Ventilkörper 6b sind innerhalb der Zylinderplatte 3b in axialer Richtung beweglich angeordnet. Dabei sind die Ventilkörper 6b jeweils auf der der Sitzfläche gegenüberliegenden Fläche mit dem momentanen Arbeitsraumdruck p_Ar beaufschlagt. Die Ventilkörper 6b trennen den Arbeitsraum 5, in welchem das Arbeitsmedium auf dem Niveau des Arbeitsraumdrucks p_AR vorliegt, von der Ventilkammer 4b, in welcher das Arbeitsmedium das Niveau des Niederdrucks p_N aufweist.
Die Gegendruckkammern 10b sind mittels Überströmkanälen 9b miteinander verbunden und mit dem Arbeitsmedium auf einem bestimmten Druckniveau beaufschlagbar. Die Überströmkanäle 9b erstrecken sich sternförmig von außen zu einer Mittelachse 30b des Niederdruckventils 2b, in welcher das Drei-Wege-Ventil 11b ausgebildet ist.
Das Drei-Wege-Ventil 11b wird mittels eines als Elektromagnet 12b ausgebildeten Steuerelements gesteuert. Das Steuerelement 12b weist einen Anker 31b und einen Drei-Wege-Schieber 33b auf, wobei über die Anregung des Ankers 31b der Drei-Wege-Schieber 33b bewegt wird. Der Drei-Wege-Schieber 33b ist in der Bewegungsrichtung 34b entlang der Mittelachse 30b beweglich. Der Anker 31b ist innerhalb eines Gehäuses 32b angeordnet.
Im Inneren des Drei-Wege-Schiebers 33b ist eine Kammer 35b ausgebildet, welche ein sich im Inneren entlang der Mittelachse 30b erstreckendes Volumen umschließt. Die Kammer 35b ist an einem unteren, zum Anker 31b hin ausgerichteten Ende verschlossen und an einem oberen, zur Ventilkammer 4b und dem Arbeitsraum 5 hin ausgerichteten Ende geöffnet. Innerhalb der Kammer 35b ist Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks p_H eingeschlossen. Die Kammer 35b ist über Durchgangsöffnungen 36b mit einer Verbindungsleitung 40 fluidtechnisch mit einem Bereich verbunden, in welchem das Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks p_H vorliegt.
An der Mantelfläche des Drei-Wege-Schiebers 33b sind im Bereich des Kontaktes mit der Führungsplatte 14b in Richtung der Mittelachse 30b Durchströmkanäle 38b ausgebildet. Die Durchströmkanäle 38b sind dabei gleichmäßig über den Umfang der Mantelfläche verteilt und in radialer Richtung jeweils mit einem der Überströmkanäle 9b kommunizierend angeordnet, wie 5b zeigt.
Bei der Anordnung des Drei-Wege-Schiebers 33b nach 5a ist die Kammer 35b mit den Durchgangsöffnungen 36b am oberen Ende verschlossen. Der Drei-Wege-Schieber 33b liegt mit der äußeren Mantelfläche fluiddicht am Gehäuse 3 und der Führungsplatte 14b des Niederdruckventils 2b an, sodass keine fluidtechnischen Verbindungen zwischen der Verbindungsleitung 40 mit dem Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks p_H und den Überströmkanälen 9b hergestellt ist.
Der Drei-Wege-Schieber 33b ist derart angeordnet, dass die Überströmkanäle 9b über die Durchströmkanäle 38b mit der Ventilkammer 4b fluidtechnisch verbunden sind. Da das Arbeitsmedium in der Ventilkammer 4b auf dem Niveau des Niederdrucks p_N vorliegt und die Gegendruckkammern 10b über die Überströmkanäle 9b und die Durchströmkanäle 38b des Drei-Wege-Schiebers 33b mit der Ventilkammer 4b verbunden sind, liegt das Arbeitsmedium auch in den Gegendruckkammern 10b auf dem Niveau des Niederdrucks p_N vor.
Bei einer nichtdargestellten Anordnung des Drei-Wege-Schiebers 33b ist die Kammer 35b mit den Durchgangsöffnungen 36b am oberen Ende geöffnet, sodass zwischen der Verbindungsleitung 40 mit dem Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks p_H und den Überströmkanälen 9b eine fluidtechnische Verbindung hergestellt ist. Dabei ist der Drei-Wege-Schieber 33b im Vergleich zur Anordnung aus 5a in Bewegungsrichtung 34b derart nach unten verschoben, dass das untere offene Ende des Drei-Wege-Schiebers 33b mit der oberen Kante unterhalb der Überströmkanäle 9b angeordnet ist. Damit sind gleichzeitig die Durchströmkanäle 38b verschlossen oder stehen lediglich mit der Ventilkammer 4b aber nicht mit den Überströmkanälen 9b in fluidtechnischer Verbindung.
Da der Drei-Wege-Schieber 33b derart angeordnet ist, dass die Überströmkanäle 9b mit der Verbindungsleitung 40 und die Gegendruckkammern 10b über die Überströmkanäle 9b fluidtechnisch verbunden sind sowie das Arbeitsmedium in der Verbindungsleitung 40 auf dem Niveau des Hochdrucks p_H vorliegt, liegt das Arbeitsmedium auch in den Gegendruckkammern 10b auf dem Niveau des Hochdrucks p_H vor.
Bei geöffneten Niederdruckventilen 2b strömt das Arbeitsmedium beim Betrieb der Hubkolbvenvorrichtung 1 als Expansionsvorrichtung auf dem Niveau des Niederdrucks p_N vom Arbeitsraum 5 durch die in Richtung der Mittelachse 30b ausgerichteten Durchströmöffnungen 39b in die Ventilkammer 4b und aus der Hubkolbvenvorrichtung 1 aus.
Beim Betrieb der Hubkolbvenvorrichtung 1 als Kompressionsvorrichtung strömt das Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks p_N durch die Ventilkammer 4b und die in Richtung der Mittelachse 30b ausgerichteten Durchströmöffnungen 39b in den Arbeitsraum 5 der Hubkolbvenvorrichtung 1 ein.
Über die Ansteuerung des Ankers 31b wird der Drei-Wege-Schieber 33b in Bewegungsrichtung 34b bewegt, wobei die Gegendruckkammern 10b je nach Stellung des Drei-Wege-Schiebers 33b mit am Drei-Wege-Ventil 11b einerseits auf dem Niveau des Hochdrucks p_H und andererseits auf dem Niveau des Niederdrucks p_N anliegendem Arbeitsmedium beaufschlagt werden können und damit das Niederdruckventil 2b zwangsgesteuert geöffnet oder geschlossen wird.
In den 6a und 6b sind Indikatordiagramme für den Betriebsmodus der Hubkolbenmaschine 1 als Kompressionsvorrichtung mit optionaler Saugventiloffenhaltung und für den Betriebsmodus als Expansionsvorrichtung dargestellt. Die Indikatordiagramme zeigen jeweils den Druckverlauf des Arbeitsmediums innerhalb des Arbeitsraums 5 der Hobkolbenmaschine 1 für einen Arbeitszyklus abhängig vom relativen Hubkolbenweg e. Die Diagramme werden auch als p,v-Diagramme bezeichnet.
Das Indikatordiagramm für den Betriebsmodus der Hubkolbenmaschine 1 als Kompressionsvorrichtung, siehe 6a, zeigt vier Zustandspunkte ZP1 bis ZP4 des Arbeitsmediums. Zwischen den Zustandspunkten ZP1, an welchem das als Saugventil betriebene Niederdruckventil 2b öffnet, und ZP2 wird das Arbeitsmedium angesaugt. Der Wert des Drucks ist dabei auf Grund von Druckverlusten in den Saugleitungen und den Ventilen 2b geringer als das Niveau des Niederdrucks p_N. Zwischen den Zustandspunkten ZP2, an welchem das als Saugventil betriebene Niederdruckventil 2b schließt, und ZP3, an welchem das als Druckventil betriebene Hochdruckventil 2a öffnet, wird das Arbeitsmedium verdichtet und anschließend durch die geöffneten Ventile 2a ausgeschoben. Der Wert des Drucks des Arbeitsmediums liegt zwischen den Zustandspunkten ZP3 und ZP4 auf Grund von zu überwindenden Leitungswiderständen oberhalb des Niveaus des Hochdrucks p_H. Das Hochdruckventil 2a schließt am Zustandspunkt ZP4. Die Verbindungslinie zwischen den Zustandspunkten ZP4 und ZP1 verdeutlicht die Rückexpansion des Arbeitsmediums innerhalb des Arbeitsraums 5 während der Rückbewegung des Kolbens 26 in den Ausgangszustand.
Mit Hilfe der Steuerung der Niederdruckventile 2b können beim Betrieb der Hubkolbenmaschine 1 als Kompressionsvorrichtung die Niederdruckventile 2b nach dem Vorgang des Ansaugens des Arbeitsmediums offengehalten werden, was auch als Zwangssteuerung bezeichnet wird. Die Zwangssteuerung wird speziell bei Teillastbetrieb der Hubkolbenmaschine 1 angewendet. Dabei werden die als Saugventile betriebenen Niederdruckventile 2b offengehalten bis der Vorgang der Verdichtung beginnen soll, was in 6a als Strecke ε_N,g zwischen den Zustandspunkten ZP2 und ZP2' verdeutlicht ist. Die Niederdruckventile 2b werden während des Vorgangs der Verdichtung geschlossen. Der Voreinlass wird als Beginn der Öffnung der Niederdruckventile 2b kurz vor dem Erreichen des maximalen Volumens des Arbeitsraums minimal gesetzt beziehungsweise eingestellt, was in 6a mit ε_N,o verdeutlicht ist. Die Niederdruckventile 2b werden offengehalten und schließen nicht druckgesteuert selbsttätig, wobei die gewünschte Offenhaltung ε_N,g entsprechend dem erforderlichen Durchsatz des Arbeitsmediums mit Hilfe der SPS 27 und dem Signal des Kurbelwellensensors 28 eingestellt wird. Ausgehend vom Zustandspunkt ZP2' wird das Arbeitsmedium auf den Zustand ZP3' verdichtet u anschließend ausgeschoben.
Das Indikatordiagramm für den Betriebsmodus der Hubkolbenmaschine 1 als Expansionsvorrichtung, siehe 6b, zeigt vier Zustandspunkte ZP5 bis ZP8 des Arbeitsmediums. Am Zustandspunkt ZP5 wird das als Einlassventil betriebene Hochdruckventil 2a geöffnet. Die in 6b als Strecke ε_H,0 bezeichnete Änderung des Zustands verdeutlicht den Voreinlass und die als Strecke ε_H,g bezeichnete Änderung des Zustands verdeutlicht den Einlass des Arbeitsmediums in den Arbeitsraum 5, das heißt die Befüllung des Arbeitsraums 5. Der Arbeitsraum 5 wird befüllt. Am Zustandspunkt ZP6 wird das Hochdruckventil 2a geschlossen. Zwischen den Zustandspunkten ZP6 und ZP7, an welchen die Ventile 2a, 2b geschlossen sind, expandiert das sich im Arbeitsraum 5 befindliche Arbeitsmedium. Am Zustandspunkt ZP7 wird das als Auslassventil betriebene Niederdruckventil 2b geöffnet. Die in 6b als Strecke ε_N,0 bezeichnete Änderung des Zustands verdeutlicht den Vorauslass und die als Strecke ε_N,g bezeichnete Änderung des Zustands verdeutlicht den Auslass beziehungsweise das Ausschieben des Arbeitsmediums. Am Zustandspunkt ZP8 wird das Niederdruckventil 2b geschlossen. Die Verbindungslinie zwischen den Zustandspunkten ZP8 und ZP5 verdeutlicht die Kompression des Arbeitsmediums innerhalb des Arbeitsraums 5 während der Rückbewegung des Kolbens in den Ausgangszustand.
Beim Betrieb der Hubkolbenmaschine 1 als Expansionsvorrichtung wird die mit der Strecke ε_H,g gekennzeichnete Befüllung des Arbeitsraums 5 mit Arbeitsmedium entsprechend dem gewünschten Durchsatz vorgegeben. Dabei wird abhängig vom gewünschten Durchsatz, der Drehzahl der Hubkolbenmaschine 1 und dem Eintrittszustand des Arbeitsmediums die Füllung berechnet oder die Füllung wird, entsprechend einem gemessenen Durchsatz, eingestellt. Die mit der Strecke ε_N,g gekennzeichnete Ausschubphase ergibt sich aus dem anliegenden Druckverhältnis, wobei die Druckverhältnisse der Expansionsphase und der Kompressionsphase übereinstimmen sollten. Die übrigen Zeiten der Ventilöffnungen, beispielsweise für den Voreinlass ε_H,o und den Vorauslass ε_N,o, sind konstant.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Expansion-Kompression, Hubkolbenmaschine
2a: Hochdruckventil, Ventil
2b: Niederdruckventil, Ventil
3, 32a, 32b: Gehäuse
3a, 3b: Zylinderplatte
4a, 4b: Ventilkammer
5: Arbeitsraum
6a, 6b: Ventilkörper
7a, 7b: Ventilfeder
8a, 8b: Ventilsitz, Ventilplatte
9a, 9b: Überströmkanal
10a, 10b: Gegendruckkammer
11a, 11b: Drei-Wege-Ventil
12a, 12b: Steuerelement, Elektromagnet
13b: Hilfskolben
14b: Führungsplatte
20: Schubkurbeltriebwerk
21: Kreuzkopf
22: Pleuel
23: Kurbelwelle
24: Zylinderachse
25: Kolbenstange
26: Kolben
27: SPS
28: Kurbelwellensensor
30a: Mittelachse Hochdruckventil 2a
30b: Mittelachse Niederdruckventil 2b
31a, 31b: Anker
33a, 33b: Drei-Wege-Schieber
34a, 34b: Bewegungsrichtung Drei-Wege-Schieber
35a, 35b: Kammer Drei-Wege-Schieber
36a, 36b: Durchgangsöffnung
37: Verbindungsleitung Niederdruck p_N
38a, 38b: Durchströmkanal
39a, 39b: Durchströmöffnung
40: Verbindungsleitung Hochdruck p_H
AR: Arbeitsraum
E: Strömungsrichtung Arbeitsmedium Expansion
g: geschlossen
H: Hoch-/Hub-
K: Strömungsrichtung Arbeitsmedium Kompression
N: Nieder
o: offen
p: Druck
p_H: Hochdruck
p_N: Niederdruck
p_AR: Druck im Arbeitsraum, Arbeitsraumdruck
v: relatives Hubvolumen
ZP1–ZP8: Zustandspunkt
ε, v/v_H: relativer Hubkolbenweg
ω: Winkelgeschwindigkeit Kurbelwelle 23

Claims

Ventil (2a, 2b) zur Regelung des Durchflusses eines Arbeitsmediums in einer Vorrichtung (1) zur Expansion und Kompression des Arbeitsmediums, aufweisend eine Ventilkammer (4a, 4b), mindestens einen in axialer Richtung beweglich in einer Zylinderplatte (3a, 3b) angeordneten zylinderförmigen Ventilkörper (6a, 6b) zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts für das Arbeitsmedium zwischen einem Arbeitsraum (5) der Vorrichtung (1) und der Ventilkammer (4a, 4b), wobei der Strömungsquerschnitt abhängig von der Bewegung des mindestens einen Ventilkörpers (6a, 6b) in axialer Richtung freigegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (2a, 2b) – zur Regelung des Durchflusses des Arbeitsmediums auf einem Niveau eines Hochdrucks (p_H) und auf einem Niveau eines Niederdrucks (p_N) ausgebildet ist und – ein Drei-Wege-Ventil (11a, 11b) aufweist, wobei das Drei-Wege-Ventil (11a, 11b) zum Wechseln des Druckniveaus des Arbeitsmediums zur Steuerung der Bewegung des Ventilkörpers (6a, 6b) ausgebildet ist.
Ventil (2a, 2b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drei-Wege-Ventil (11a, 11b) als ein Drei-Wege-Schieber (33a, 33b) ausgebildet ist, wobei der Drei-Wege-Schieber (33a, 33b) in einer linearen Bewegungsrichtung (34a, 34b) hin- und herbeweglich angeordnet ist.
Ventil (2a, 2b) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Drei-Wege-Ventil (11a, 11b) ein Steuerelement (12a, 12b) zur Bewegung des Drei-Wege-Schiebers (33a, 33b) in der linearen Bewegungsrichtung (34a, 34b) aufweist.
Ventil (2a, 2b) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Gegendruckkammer (10a, 10b) ausgebildet ist, welche mit Arbeitsmedium auf einem Druckniveau im Bereich vom Niveau des Niederdrucks (p_N) bis zum Niveau des Hochdrucks (p_H) beaufschlagbar ist, wobei der Druck innerhalb der Gegendruckkammer (10a, 10b) zur Steuerung der Bewegung des mindestens einen Ventilkörpers (6a, 6b) vorgesehen ist.
Ventil (2a, 2b) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Überströmkanal (9a, 9b) ausgebildet ist, welcher das Drei-Wege-Ventil (11a, 11b) mit der mindestens einen Gegendruckkammer (10a, 10b) zum Durchleiten von Arbeitsmedium fluidtechnisch verbindet.
Ventil (2a, 2b) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drei-Wege-Schieber (33a, 33b) eine zu einer Stirnseite hin geöffnete, von einer Wandung umschlossene Kammer (35a, 35b), mindestens eine durch die Wandung hindurchführende Durchgangsöffnung (36a, 36b) und mindestens einen auf einer Außenseite der Wandung ausgebildeten Durchströmkanal (38a, 38b) aufweist, wobei der Drei-Wege-Schieber (33a, 33b) zwischen zwei Endstellungen derart verschiebbar ist, dass – in einer ersten Endstellung der mindestens eine Durchströmkanal (38a, 38b) die Ventilkammer (4a, 4b) und den mindestens einen Überströmkanal (9a, 9b) miteinander fluidtechnisch verbindet, wobei die Kammer (35a, 35b) im Bereich der Stirnseite verschlossen ist, sodass die mindestens eine Gegendruckkammer (10a, 10b) mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Drucks in der Ventilkammer (4a, 4b) beaufschlagt ist, und – in einer zweiten Endstellung die Kammer (35a, 35b) und der mindestens eine Überströmkanal (9a, 9b) fluidtechnisch miteinander verbunden sind, wobei die Kammer (35a, 35b) über die mindestens eine Durchgangsöffnung (36a, 36b) mit einer Verbindungsleitung (37, 40) verbunden ist und der mindestens eine Durchströmkanal (38a, 38b) verschlossen ist, sodass die mindestens eine Gegendruckkammer (10a, 10b) mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Drucks in der Verbindungsleitung (37, 40) beaufschlagt ist.
Ventil (2b) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Gegendruckkammer (10b) in einer Führungsplatte (14b) ausgebildet ist und in der Zylinderplatte (3b) eine Ventilfeder (7b) derart angeordnet ist, dass die von der Ventilfeder (7b) erzeugte Federkraft und die von dem innerhalb des Arbeitsraums (5) herrschenden Druck des Arbeitsmediums erzeugte Druckkraft in einer Richtung, den Strömungsquerschnitt verringernd, auf den Ventilkörper (6b) einwirken, und die von dem innerhalb der Gegendruckkammer (10b) herrschenden Druck des Arbeitsmediums erzeugte Druckkraft in einer Richtung, den Strömungsquerschnitt vergrößernd, auf den Ventilkörper (6b) einwirkt, wobei innerhalb der Führungsplatte (14b) ein Hilfskolben (13b) in axialer Richtung beweglich angeordnet ist, welcher mit einer ersten Stirnseite die Gegendruckkammer (10b) verschließt und mit einer zweiten Stirnseite am Ventilkörper (6b) anliegt.
Ventil (2a) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Gegendruckkammer (10a) in der Zylinderplatte (3a) ausgebildet ist und in der Gegendruckkammer (10a) eine Ventilfeder (7a) derart angeordnet ist, dass die von der Ventilfeder (7a) erzeugte Federkraft und die von dem innerhalb der Gegendruckkammer (10a) herrschenden Druck des Arbeitsmediums erzeugte Druckkraft in einer Richtung auf den Ventilkörper (6a), den Strömungsquerschnitt verringernd, einwirken.
Verfahren zum Betreiben eines Ventils (2a) zur Regelung des Durchflusses eines Arbeitsmediums in einer Vorrichtung (1) zur Expansion und Kompression des Arbeitsmediums nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (2a) durch Stellen eines Drei-Wege-Ventils (11a) – auf Durchlassen von Arbeitsmedium auf dem Niveau eines Hochdrucks (p_H) und Absperren von Arbeitsmedium auf dem Niveau eines Niederdrucks (p_N) geschlossen und – auf Durchlassen von Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks (p_N) und Absperren von Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks (p_H) geöffnet wird.
Verfahren zum Betreiben eines Ventils (2b) zur Regelung des Durchflusses eines Arbeitsmediums in einer Vorrichtung (1) zur Expansion und Kompression des Arbeitsmediums nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (2b) durch Stellen eines Drei-Wege-Ventils (11b) – auf Durchlassen von Arbeitsmedium auf dem Niveau eines Hochdrucks (p_H) und Absperren von Arbeitsmedium auf dem Niveau eines Niederdrucks (p_N) geöffnet und – auf Durchlassen von Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks (p_N) und Absperren von Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks (p_H) geschlossen wird.
Verfahren zum Betreiben eines Ventils (2b) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb der Vorrichtung (1) als Kompressionsvorrichtung nach einem Vorgang des Ansaugens des Arbeitsmediums das mindestens eine Ventil (2b) offengehalten wird, bis der Vorgang der Verdichtung beginnen soll, und das Ventil (2b) während des Vorgangs der Verdichtung geschlossen wird, wobei der Voreinlass als Beginn der Öffnung des Ventils (2b) vor das Erreichen des maximalen Volumens des Arbeitsraums (5) und die Offenhaltung entsprechend dem erforderlichen Durchsatz des Arbeitsmediums eingestellt werden.
Verfahren zum Betreiben eines Ventils (2b) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb der Vorrichtung (1) als Kompressionsvorrichtung das Ventil (2a) durch Einstellen des Drei-Wege-Ventils (11a) mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Hochdrucks (p_H) und das Ventil (2b) durch Einstellen des Drei-Wege-Ventils (11b) mit Arbeitsmedium auf dem Niveau des Niederdrucks (p_N) beaufschlagt werden, sodass die Ventile (2a, 2b) selbsttätig druckgesteuert arbeiten.
Verwendung des Ventils (2a, 2b) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bei einer Hubkolbenmaschine (1) als Vorrichtung zur Expansion und Kompression des Arbeitsmediums.