DE102016224944A1

DE102016224944A1 - Schieberventil

Info

Publication number: DE102016224944A1
Application number: DE102016224944.4A
Authority: DE
Inventors: Francois Brusset; Frank Scholz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2018-06-14
Also published as: WO2018108347A1

Abstract

Schieberventil (1) mit einem Ventilgehäuse (4) und einem längsbeweglich in dem Ventilgehäuse (4) angeordneten im Wesentlichen axialsymmetrischen Schließkörper (3). In dem Ventilgehäuse (4) sind ein Einlasskanal (5), ein erster Auslasskanal (6) und ein zweiter Auslasskanal (7) ausgebildet. Der Schließkörper (3) wirkt durch seine Längsbewegung mit einem im Ventilgehäuse (4) ausgebildeten ersten Ventilsitz (11) zusammen und öffnet und schließt dadurch eine erste fluidische Verbindung zwischen dem Einlasskanal (5) und dem ersten Auslasskanal (6). Weiterhin wirkt der Schließkörper (3) durch seine Längsbewegung mit einem im Ventilgehäuse (4) ausgebildeten zweiten Ventilsitz (12) zusammen und öffnet und schließt dadurch eine zweite fluidische Verbindung zwischen dem Einlasskanal (5) und dem zweiten Auslasskanal (7). Der Schließkörper (3) ist mittels eines Ventilkolbens (21) einer Aktoreinheit (20) ansteuerbar. Das Ventilgehäuse (4), der Schließkörper (3) und der Ventilkolben (21) begrenzen einen Ausgleichsraum (29). Der Ventilkolben (21) wirkt mit dem Schließkörper (3) zum Öffnen und Schließen einer dritten fluidischen Verbindung von dem Ausgleichsraum (29) zu dem zweiten Auslasskanal (7) zusammen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schieberventil. Das erfindungsgemäße Schieberventil kann insbesondere in einem Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine verwendet werden.
Stand der Technik
Ventile sind in vielfältigen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt.
Ein bekanntes Schieberventil umfasst ein Ventilgehäuse und einen längsbeweglich in dem Ventilgehäuse angeordneten im Wesentlichen axialsymmetrischen Schließkörper. In dem Ventilgehäuse sind ein Einlasskanal, ein erster Auslasskanal und ein zweiter Auslasskanal angeordnet. Der Schließkörper wirkt durch seine Längsbewegung mit einem an dem Ventilgehäuse ausgebildeten ersten Ventilsitz zusammen und öffnet und schließt so eine erste fluidische Verbindung zu dem ersten Auslasskanal. Weiterhin wirkt der Schließkörper durch seine Längsbewegung mit einem an dem Ventilgehäuse ausgebildeten zweiten Ventilsitz zusammen und öffnet und schließt so eine zweite fluidische Verbindung zu dem zweiten Auslasskanal. Ein derartiges Ventil ist beispielsweise aus der Patentanmeldung DE 10 2014 224979 A1 bekannt.
Der Schließkörper des bekannten Schieberventils erfordert vergleichsweise hohe Kräfte zur Ansteuerung des Schließkörpers.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Schieberventil kann demgegenüber mit sehr geringen Kräften angesteuert werden.
Dazu umfasst das Schieberventil ein Ventilgehäuse und einen längsbeweglich in dem Ventilgehäuse angeordneten im Wesentlichen axialsymmetrischen Schließkörper. In dem Ventilgehäuse sind ein Einlasskanal, ein erster Auslasskanal und ein zweiter Auslasskanal ausgebildet. Der Schließkörper wirkt durch seine Längsbewegung mit einem im Ventilgehäuse ausgebildeten ersten Ventilsitz zusammen und öffnet und schließt dadurch eine erste fluidische Verbindung zwischen dem Einlasskanal und dem ersten Auslasskanal. Der Schließkörper wirkt weiterhin durch seine Längsbewegung mit einem im Ventilgehäuse ausgebildeten zweiten Ventilsitz zusammen und öffnet und schließt dadurch eine zweite fluidische Verbindung zwischen dem Einlasskanal und dem zweiten Auslasskanal. Der Schließkörper ist mittels eines Ventilkolbens einer Aktoreinheit ansteuerbar. Das Ventilgehäuse, der Schließkörper und der Ventilkolben begrenzen einen Ausgleichsraum. Der Ventilkolben wirkt mit dem Schließkörper zum Öffnen und Schließen einer dritten fluidischen Verbindung von dem Ausgleichsraum zu dem zweiten Auslasskanal zusammen.
Durch das Öffnen und Schließen der dritten fluidischen Verbindung ist der Ausgleichsraum, je nach Position des Schließkörpers, mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt, welche unter anderem auch auf den Schließkörper wirken. Vorzugsweise ist dabei die dritte fluidische Verbindung geöffnet, wenn auch die zweite fluidische Verbindung geöffnet ist, und die dritte fluidische Verbindung ist geschlossen, wenn auch die zweite fluidische Verbindung geschlossen ist. Dadurch ist das Schieberventil insbesondere bei geöffneter zweiter fluidischer Verbindung nahezu druckausgeglichen, das heißt die resultierenden fluidischen Kräfte in axialer Richtung sind nahezu Null.
Damit ist der Kraftaufwand für die Aktoreinheit zur Schaltung von geöffneter zweiter fluidischer Verbindung zu geschlossener zweiter fluidischer Verbindung sehr gering. Idealerweise erfolgt diese Schaltung mit Aktivierung der Aktoreinheit. Im Ausgleichsraum entsteht ein Druckaufbau, welcher die Bewegungsrichtung des Schließkörpers unterstützt.
Die Schaltung zurück zur geöffneten zweiten fluidischen Verbindung erfolgt dann durch Deaktivierung der Aktoreinheit, was einen Druckabbau in dem Ausgleichsraum zur Folge hat.
In vorteilhaften Ausführungen ist der erste Ventilsitz als Schiebeventilsitz ausgeführt. Dadurch sind keine hohen Kontaktpressungen, wie beispielsweise bei einem Tellerventil, erforderlich. Somit erfordern die Ventilstellungen des Schieberventils bzgl. des ersten Ventilsitzes auch keine hohen Schließkräfte. Weiterhin führt die Ausbildung als Schiebeventilsitz dazu, dass auch bei geschlossener erster fluidischer Verbindung eine gewisse Leckagemenge von dem Einlasskanal zu dem ersten Auslasskanal fließt. Die dem ersten Auslasskanal nachgeschalteten Komponenten können so während des Betriebs auf Temperatur gehalten werden. Insbesondere für die Anwendung des Schieberventils als ein Bypass-Ventil für eine Expansionsmaschine in einem Abwärmerückgewinnungssystem ist dies von Vorteil, um die Expansionsmaschine auf einer Mindesttemperatur halten zu können.
In vorteilhaften Ausführungen ist der zweite Ventilsitz als Kegelventilsitz ausgeführt. Dadurch kann die zweite fluidische Verbindung leckagefrei geschlossen werden. Insbesondere für die Anwendung des Schieberventils als ein Bypass-Ventil für eine Expansionsmaschine in einem Abwärmerückgewinnungssystem ist dies von Vorteil, um die Expansionsmaschine bei geöffneter erster fluidischer Verbindung mit einem hohen Wirkungsgrad betreiben zu können.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist in dem Schließkörper eine Innenbohrung als dritte fluidische Verbindung ausgebildet. Demzufolge sind der Ausgleichsraum und der zweite Auslasskanal an unterschiedlichen Enden des Schließkörpers ausgebildet, so dass der fluidische Druck des Ausgleichsraums den Schließkörper in Richtung des zweiten Auslasskanals beaufschlagt, also in Richtung der geschlossenen zweiten fluidischen Verbindung.
In vorteilhaften Ausführungen ist bei geschlossener erster fluidischer Verbindung die resultierende fluidische Kraft auf den Schließkörper in axialer Richtung nahezu Null. Damit ist in dieser Ventilstellung das Schieberventil quasi druckausgeglichen. Die erforderliche Ansteuerkraft durch die Aktoreinheit ist dadurch sehr gering, es kann eine vergleichsweise kleine und kostengünstige Aktoreinheit verwendet werden.
Vorteilhafterweise weisen dazu der Ausgleichsraum und der zweite Ventilsitz nahezu den gleichen Durchmesser auf. Dadurch sind die entgegengerichteten Flächen des Schließkörpers nahezu gleich groß, die bei geöffneter zweiter fluidischer Verbindung - und gleichzeitig geöffneter dritter fluidischer Verbindung - mit dem Druck des zweiten Auslasskanals beaufschlagt sind.
In vorteilhaften Weiterbildungen beaufschlagt eine Ventilfeder den Schließkörper, vorzugsweise entgegen der Wirkrichtung der Aktoreinheit. Die Ventilfeder kann demzufolge bei deaktivierter Aktoreinheit den Schließkörper auf einfache Art und Weise zurückstellen. Vorzugsweise stellt die Ventilfeder dabei den Schließkörper so, dass die zweite fluidische Verbindung geöffnet ist. Demzufolge stellt die Aktoreinheit den Schließkörper so, dass die erste fluidische Verbindung geöffnet ist. In der Anwendung in einem Abwärmerückgewinnungssystem ist die zweite fluidische Verbindung der Bypass-Betrieb, also an der Expansionsmaschine vorbei. Dies ist aus Sicherheitsaspekten vorteilhaft, so dass bei einem Ausfall der Aktoreinheit ein Überhitzen der Expansionsmaschine verhindert wird.
In vorteilhaften Weiterbildungen verspannt die Ventilfeder den Schließkörper bei geöffneter erster fluidischer Verbindung gegen den Ventilkolben. Vorzugsweise wird dadurch die dritte fluidische Verbindung geschlossen. Vorteilhafterweise ist dazu an dem Schließkörper ein die Innenbohrung umgebender Bohrungssitz ausgebildet, mit welchem der Ventilkolben zum Öffnen und Schließen der dritten fluidischen Verbindung zusammenwirkt. Bei geschlossener dritter fluidischer Verbindung kann sich in dem Ausgleichsraum ein Fluiddruck aufbauen, der so wirkt, dass die Schließkraft des Schließkörpers auf den zweiten Ventilsitz erhöht wird. Die Dichtwirkung zum Schließen der zweiten fluidischen Verbindung wird damit durch den Fluiddruck im Ausgleichsraum erhöht.
In vorteilhaften Ausführungen verspannt die Ventilfeder den Schließkörper bei geschlossener erster fluidischer Verbindung gegen einen Anschlag. In dieser Position ist der Ventilkolben von dem Bohrungssitz abgehoben, die dritte fluidische Verbindung also geöffnet. Der Ausgleichsraum wird damit druckentlastet, es stellt sich der Druck des zweiten Auslasskanals ein.
In vorteilhaften Weiterbildungen beaufschlagt eine Aktorfeder den Ventilkolben in Gegenrichtung zu dem Schließkörper. Das heißt die Aktorfeder bewegt im deaktivierten Zustand der Aktoreinheit den Ventilkolben auf einfache Art und Weise von dem Bohrungssitz weg und öffnet dadurch die dritte hydraulische Verbindung.
In vorteilhaften Ausführungen verbindet bei geschlossener dritter fluidischer Verbindung, vorzugsweise aber in jeder Position des Schließkörpers, ein Leckagesitz den ersten Auslasskanal mit dem Ausgleichsraum. Dadurch wird der Fluiddruck bei geschlossener dritter fluidischer Verbindung auf das Druckniveau des ersten Auslasskanals bzw. des Einlasskanals gehoben. Der zeitliche Druckaufbau erfolgt dabei je nach Stärke der Drosselwirkung des Leckagesitzes.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist der Leckagesitz als Schiebesitz ausgebildet, insbesondere zwischen dem Ventilgehäuse und dem Schließkörper. Dadurch kann der Leckagesitz gleichzeitig die Funktion einer Gleitlagerung übernehmen, so dass der Schließkörper in axialer Richtung sehr gut geführt ist.
In vorteilhaften Ausführungen ist die Aktoreinheit pneumatisch ansteuerbar, beispielsweise über die Druckluftversorgung von Lastkraftwagen. Dadurch kann die Aktoreinheit sehr bauraumsparend und günstig ausgeführt werden. Im Falle eines druckausgeglichenen Schieberventils kann dafür eine sehr kleine Aktoreinheit verwendet werden.
In einer vorteilhaften Ausführung ist das erfindungsgemäße Schieberventil in einem Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine angeordnet. Das Abwärmerückgewinnungssystem umfasst einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf, wobei der Kreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Pumpe, einen Verdampfer, ein Bypass-Ventil, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator umfasst. Parallel zur Expansionsmaschine ist eine Bypassleitung angeordnet, wobei das Bypass-Ventil den Massenstrom des Arbeitsmediums zur Expansionsmaschine und zur Bypassleitung steuert. Das Bypass-Ventil ist das erfindungsgemäße Schieberventil. Dadurch kann der Massenstrom des Arbeitsmediums beliebig zwischen der Expansionsmaschine und der Bypassleitung aufgeteilt werden. Dies kann beispielsweise in Abhängigkeit des Verdampfungsgrads des Arbeitsmediums oder der Temperatur des Arbeitsmediums erfolgen.
Um eine hohe Effizienz des Abwärmerückgewinnungssystems zu erzielen, ist es notwendig lediglich verdampftes Arbeitsmedium zur Expansionsmaschine zu fördern. Flüssiges Arbeitsmedium muss durch die Bypassleitung gefördert werden. Gegebenenfalls ist also ein schnelles Umschalten zwischen erster und zweiter fluidischer Verbindung erforderlich; dies kann mit dem erfindungsgemäßen, vorzugsweise druckausgeglichenen, Schieberventil vollzogen werden. Der niedrige Energieverbrauch des Schieberventils erhöht gleichzeitig die Effizienz des gesamten Abwärmerückgewinnungssystems.
Vorteilhafterweise münden der erste Auslasskanal des Schieberventils in die Expansionsmaschine und der zweite Auslasskanal in die Bypassleitung. Vorzugsweise weist ein derartiges Schieberventil dann als ersten Ventilsitz einen Schiebeventilsitz auf, so dass die Expansionsmaschine auch im Bypass-Betrieb auf einer Mindesttemperatur gehalten werden kann.
Figurenliste

1 zeigt einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Schieberventils, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
2 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Schieberventil der 1 in einer weiteren Ventilstellung.
3 zeigt schematisch ein Abwärmerückgewinnungssystem mit einem Schieberventil.

Beschreibung
1 und 2 zeigen einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Schieberventils 1, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Dabei zeigt die 1 eine erste Endstellung des Schieberventils 1, und die 2 zeigt eine zweite Endstellung des Schieberventils 1.
Das Schieberventil 1 umfasst ein Ventilgehäuse 4, eine darin angeordnete, beispielsweise eingepresste, Ventilhülse 2 und einen Schließkörper 3 und wird durch eine Aktoreinheit 20 angetrieben. Dabei sind viele alternative Antriebe möglich, beispielsweise eine pneumatische Aktoreinheit, eine elektromechanische Aktoreinheit oder eine piezoelektrische Aktoreinheit.
In dem Ventilgehäuse 4 sind ein Einlasskanal 5, ein erster Auslasskanal 6 und ein zweiter Auslasskanal 7 ausgebildet, so dass das Schieberventil 1 in dieser Ausführung als 3-Wege-Ventil ausgebildet ist. Das Ventilgehäuse 4 umfasst ein erstes Gehäuseteil 4a und ein zweites Gehäuseteil 4b, welche fest miteinander verbunden sind und dadurch die Ventilhülse 2 in axialer Richtung verspannen bzw. fixieren. Der Einlasskanal 5 und der erste Auslasskanal 6 sind volutenförmig gestaltet und im ersten Gehäuseteil 4a ausgebildet. Der zweite Auslasskanal 7 ist bohrungsförmig gestaltet und im zweiten Gehäuseteil 4b ausgebildet.
In der Ventilhülse 2 ist eine Führungsbohrung 10 ausgebildet, in der der im Wesentlichen zylinderförmige Schließkörper 3 längsbeweglich geführt ist. Alternativ kann die Ventilhülse 2 auch weggelassen bzw. mit dem Ventilgehäuse 4 einstückig ausgeführt werden; für diesen Fall wäre die Führungsbohrung 10 dann in dem Ventilgehäuse 4 ausgebildet.
1 zeigt eine geöffnete erste fluidische Verbindung von dem Einlasskanal 5 zu dem ersten Auslasskanal 6. Dazu ist ein erster Ventilsitz 11 geöffnet. Weiterhin ist eine zweite fluidische Verbindung von dem Einlasskanal 5 zu dem zweiten Auslasskanal 7 geschlossen. Dazu ist ein zweiter Ventilsitz 12 geschlossen. In dieser ersten Endstellung des Schieberventils 1 spannt die Aktoreinheit 20 den Schließkörper 3 gegen den zweiten Ventilsitz 12 und gleichzeitig gegen eine Ventilfeder 9 vor.
Der erste Ventilsitz 11 ist als Schiebeventilsitz an dem Ventilgehäuse 4 ausgebildet und wirkt mit einer an dem Schließkörper 3 ausgebildeten Verjüngung 31 bzw. einer an dem Schließkörper 3 ausgebildeten Mantelfläche 32 zusammen, wobei die Mantelfläche 32 benachbart zu der Verjüngung 31 angeordnet ist. Bei geöffneter erster fluidischer Verbindung (1) ist die Verjüngung 31 gegenüberliegend zu dem ersten Ventilsitz 11 angeordnet, so dass Arbeitsmedium zwischen dem ersten Ventilsitz 11 und der Verjüngung 31 von dem Einlasskanal 5 zu dem ersten Auslasskanal 6 strömen kann. Bei geschlossener erster fluidischer Verbindung (2 ist der Schließkörper 3 axial verschoben und so die der Verjüngung 31 benachbarte Mantelfläche 32 gegenüberliegend zu dem ersten Ventilsitz 11 angeordnet, so dass - abgesehen von der Leckage - kein Arbeitsmedium mehr von dem Einlasskanal 5 zu dem ersten Auslasskanal 6 strömen kann. In dieser zweiten Endstellung des Schieberventils 1 ist die Aktoreinheit 20 nicht aktiviert und die Ventilfeder 9 stellt den Schließkörper 3 zurück.
Der zweite Ventilsitz 12 ist ebenfalls als Schiebeventilsitz oder als Kegelsitz oder als Kombination aus beidem ausgeführt. Zur Ausführung des zweiten Ventilsitzes 12 als Schiebeventilsitz ist an dem Schließkörper 3 eine Führungsfläche 34 ausgebildet, welche mit der Führungsbohrung 10 zusammenwirkt und in dieser in axialer Richtung abgleitet. In dem Schließkörper 3 ist in axialer Richtung eine durchgängige Innenbohrung 38 ausgebildet. Weiterhin ist in dem Schließkörper 3 zumindest eine Verbindungsbohrung 39 in radialer Richtung ausgebildet; im vorliegenden Beispiel der 1 und 2 sind es zwei Verbindungsbohrungen 39.
Die Verbindungsbohrungen 39 zweigen dabei von der Innenbohrung 38 ab und können auf der Außenseite des Schließkörpers 3 von der Führungsbohrung 10 verdeckt werden. In der Ventilstellung der 1 sind die Verbindungsbohrungen 39 von der Fläche der Führungsbohrung 10 überdeckt, der zweite Ventilsitz 12 bzw. die zweite fluidische Verbindung ist damit geschlossen. In der zweiten Endstellung der 2 sind die Verbindungsbohrungen 39 außerhalb der Führungsbohrung 10 positioniert und münden dadurch in den Eingangskanal 5; in dieser Ventilstellung ist die zweite fluidische Verbindung von dem Eingangskanal 5 über die Verbindungsbohrungen 39 und die Innenbohrung 38 zu dem zweiten Auslasskanal 7 geöffnet, die Ventilfeder 9 hat den Schließkörper 3 aus dem zweiten Ventilsitz 12 gedrückt.
In der Ausführung der 1 und 2 ist die geschlossene zweite fluidische Verbindung jedoch leckagefrei. Dazu ist der zweite Ventilsitz 12 als konische Fläche bzw. als Kegelventilsitz an einer Stirnseite der Ventilhülse 2 ausgebildet und wirkt mit einer an dem Schließkörper 3 ausgebildeten ebenfalls konischen Schließfläche 33 zusammen. Die Schließfläche 33 ist zwischen der Führungsfläche 34 und der Mantelfläche 32 angeordnet. Vorzugsweise weisen der Ventilsitz 12 und die Schließfläche 33 dabei einen leicht unterschiedlichen Winkel auf, so dass sich im geschlossenen Zustand der zweiten fluidischen Verbindung idealisiert eine Dichtkante zwischen dem Schließkörper 3 und der Ventilhülse 2 ergibt. Alternativ kann der Kegelventilsitz dabei auch an dem Ventilgehäuse 4 ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße Schieberventil 1 ist bei einer geöffneten dritten fluidischen Verbindung - und damit auch bei geöffneter zweiter fluidischer Verbindung - druckausgeglichen. Dazu mündet die Innenbohrung 38 in einen im zweiten Gehäuseteil 4b ausgebildeten Federraum 8 und von dort weiter in den zweiten Auslasskanal 7. Am entgegengesetzten Ende des Schließkörpers 3 mündet die Innenbohrung 38 in einen im ersten Gehäuseteil 4a ausgebildeten Ausgleichsraum 29. Der Ausgleichsraum 29 ist über die dritte fluidische Verbindung mit der Innenbohrung 38 bzw. mit dem zweiten Auslasskanal 7 verbunden. Der Ausgleichsraum 29, die Innenbohrung 38 und der Federraum 8 sind bei geöffneter dritter fluidischer Verbindung mit dem Fluiddruck des zweiten Auslasskanals 7 beaufschlagt. Vorteilhafterweise ist die Ventilfeder 9 dabei bauraumsparend in dem Federraum 8 angeordnet.
Der Ausgleichsraum 29 wird durch einen am ersten Gehäuseteil 4a ausgebildeten Leckagesitz 13 begrenzt, welcher mit einer an dem Schließkörper 3 ausgebildeten Schieberfläche 35 zusammenwirkt. Der Leckagesitz 13 trennt so den Ausgleichsraum 29 von dem ersten Auslasskanal 6 in Form einer starken Drosselung. Weisen nun der Leckagesitz 13 und der zweite Ventilsitz 12 in etwa den gleichen Durchmesser auf, so ist der Schließkörper 3 in der zweiten Endstellung des Schieberventils 3 (2), also bei geöffneter dritter fluidischer Verbindung, druckausgeglichen.
Bei geöffneter erster fluidischer Verbindung ist der Einlasskanal 5 mit dem ersten Auslasskanal 6 verbunden, es stellt sich also ein vergleichsweise hoher Druck im ersten Auslasskanal 6 ein. Die zweite fluidische Verbindung ist gleichzeitig geschlossen, die Innenbohrung 38 aber dennoch mit dem vergleichsweise niedrigen Fluiddruck des zweiten Auslasskanals 7 beaufschlagt.
Vorteilhafterweise wirkt in dieser ersten Endstellung ein Ventilkolben 21 der Aktoreinheit 20 derart mit einem an dem Schließkörper 3 ausgebildeten Bohrungssitz 14 zusammen, dass dadurch die dritte fluidische Verbindung von der Innenbohrung 38 zu dem Ausgleichsraum 29 geschlossen wird. Dazu ist der Bohrungssitz 14 die Innenbohrung 38 umgebend angeordnet. Der Ventilkolben 21 drückt den Schließkörper 3 in diesem Zustand entgegen der Federkraft der Ventilfeder 9 in den zweiten Ventilsitz 12.
In der ersten Endstellung (1) sind somit die erste fluidische Verbindung geöffnet und die zweite fluidische Verbindung und die dritte fluidische Verbindung geschlossen.
In der zweiten Endstellung (2) sind die erste fluidische Verbindung geschlossen und die zweite fluidische Verbindung und die dritte fluidische Verbindung geöffnet. Zur Öffnung der dritten fluidischen Verbindung wird der Ventilkolben 21 von dem Bohrungssitz 14 abgehoben. Dies ist dadurch realisiert, dass die Ventilfeder 9 den Schließkörper 3 gegen einen Anschlag 36 drückt und gleichzeitig eine Aktorfeder 22 den Ventilkolben 21 weg vom Schließkörper 3 drückt. Beide Federn 9, 22 wirken dabei in derselben Richtung. Der Anschlag 36 kann dabei, wie in den 1 und 2 dargestellt, an einem eigenen Bauteil ausgebildet sein, welches in dem Ventilgehäuse 4 angeordnet ist. Der Anschlag 36 kann alternativ aber auch am Ventilgehäuse 4 selbst ausgebildet sein.
Der Ausgleichsraum 29 ist mittels eines Dichtelements 28, durch welches der Ventilkolben 21 geführt ist, begrenzt. Die Aktorfeder 22 und weitere Bestandteile der Aktoreinheit 20 sind vorzugsweise außerhalb des Ausgleichsraums 29 angeordnet, lediglich der Ventilkolben 21 ragt in den Ausgleichsraum 29 hinein.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Schieberventils 1 ist wie folgt:
Wenn sich das Schieberventil in der zweiten Endstellung befindet (siehe 2), ist die dritte fluidische Verbindung zwischen dem Federraum 8 und dem Ausgleichsraum 9 geöffnet. Das heißt, die Drücke auf beide Seiten des Schließkörpers 3 sind gleich groß, und entsprechen dem vergleichsweise niedrigen Druck des zweiten Auslasskanals 7. Die einzigen Kräfte, die den Schließkörper 3 in seiner Position halten, sind für den Fall einer druckausgeglichenen Ausführung des Schieberventils 1 die Kraft der Ventilfeder 9 und die Druckkraft resultierend aus dem Fluiddruck des Einlasskanals 5, welche auf die Schließfläche 33 wirkt. Das Arbeitsmedium fließt durch die Verbindungsbohrungen 39. Die Verbindungsbohrungen 39 stellen gleichzeitig die Drosselbohrungen dar, die den Druck vom Einlasskanal 5 zum zweiten Auslasskanal 7 abbauen. Es können dazu auch mehr als eine Verbindungsbohrung 39 verwendet werden.
Um das Schieberventil 1 in seine erste Endstellung (1) umzuschalten, wird die Aktoreinheit 20 aktiviert, also beispielsweise der Ventilkolben 21 mit Druckluft beaufschlagt, so dass der Ventilkolben 21 in den Bohrungssitz 14 gedrückt wird. Der Ventilkolben 21 drückt dann den Schließkörper 3 entgegen der Kraft der Ventilfeder 9 in den zweiten Ventilsitz 12. Die dritte fluidische Verbindung zwischen dem Federraum 8 und dem Ausgleichsraum 29 wird somit geschlossen, und durch den Leckagesitz 13 baut sich ein Druck in dem Ausgleichsraum 29 auf, der nach einiger Zeit dem Druck des ersten Auslasskanals 6 bzw. des Einlasskanals 5 entspricht. Befindet sich der Schließkörper 3 im zweiten Ventilsitz 12, stellt sich somit also ein stationärer Druck im Ausgleichsraum 29 ein, wodurch der Schließkörper 3 stärker in den zweiten Ventilsitz 12 gedrückt wird und somit eine bessere Dichtwirkung der zweiten fluidischen Verbindung erzielt wird. Der Volumenstrom des Arbeitsmediums vom Einlasskanal 5 zum ersten Auslasskanal 6 ist damit quasi leckagefrei.
Um das Schieberventil 1 wieder in die zweite Endstellung umzuschalten, wird die Aktivierung der Aktoreinheit 20 aufgehoben, also beispielsweise die Druckluftversorgung ausgeschaltet. Die Aktorfeder 22 bewegt den Ventilkolben 21 zurück, so dass der Ventilkolben 21 von dem Bohrungssitz 14 abhebt und die dritte fluidische Verbindung freigibt. Daraufhin baut sich der Druck in dem Ausgleichsraum 29 über die dritte fluidische Verbindung wieder ab und der Schließkörper 3 bewegt sich aufgrund der Kraft durch die Ventilfeder 9 und den Fluiddruck auf die Schließfläche 33 wieder zurück gegen den Anschlag 36. Der Ventilkolben 21 durchläuft jedoch einen größeren Hub als der Schließkörper 3, so dass die dritte fluidische Verbindung geöffnet bleibt. Durch das Abheben des Schließkörpers 3 vom zweiten Ventilsitz 12 werden die Verbindungsbohrungen 39 wieder freigegeben und dadurch die zweite fluidische Verbindung geöffnet.
3 zeigt ein Abwärmerückgewinnungssystem 100 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine 110.
Das Abwärmerückgewinnungssystem 100 weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf 100a auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe 102, einen Verdampfer 103, eine Expansionsmaschine 104 und einen Kondensator 105 umfasst. Das Arbeitsmedium kann nach Bedarf über eine Stichleitung und eine Ventilanordnung 101a aus einem Sammelbehälter 101 in den Kreislauf 100a eingespeist werden. Der Sammelbehälter 101 kann dabei alternativ auch in den Kreislauf 100a eingebunden sein.
Der Verdampfer 103 ist an eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeschlossen, nutzt also die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine.
Erfindungsgemäß wird das als 3-Wege-Ventil ausgebildete Schieberventil 1 als ein Bypassventil für die Expansionsmaschine 104 verwendet. Dazu ist eine Bypassleitung 106 parallel zur Expansionsmaschine 104 angeordnet. Je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine und daraus resultierender Größen, beispielsweise Temperaturen des Arbeitsmediums, wird das Arbeitsmedium der Expansionsmaschine 104 zugeführt oder durch die Bypassleitung 106 an der Expansionsmaschine 104 vorbeigeführt. Beispielhaft ist ein Temperatursensor 107 vor dem Kondensator 105 angeordnet. Der Temperatursensor 107 ermittelt die Temperatur des Arbeitsmediums vor dem Kondensator 105 und übermittelt ein entsprechendes Signal an ein Steuergerät 108. Das Steuergerät 108 steuert in Abhängigkeit verschiedener Daten, wie beispielsweise der Temperatur des Arbeitsmediums vor dem Kondensator 105, über die beiden elektrischen Anschlüsse 61, 62 die Aktoreinheit 20 des Schieberventils 1 an.
Das Schieberventil 1 wird durch den Ventilkolben 21 der Aktoreinheit 20 so geschaltet, dass das Arbeitsmedium entweder durch die Expansionsmaschine 104 geführt wird, oder durch die Bypassleitung 106. Der Massenstrom des Arbeitsmediums kann auch aufgeteilt werden, so dass ein Teil des Arbeitsmediums der Expansionsmaschine 104 zugeführt wird und ein weiterer Teil der Bypassleitung 106.
Die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schieberventils 1 eignen sich sehr gut für die Verwendung innerhalb eines Abwärmerückgewinnungssystems 100 einer Brennkraftmaschine, da der Massenstrom des Arbeitsmediums schnell und energiesparend je nach Betriebszustand auf die Expansionsmaschine 104 und die Bypassleitung 106 aufgeteilt werden kann. Somit wird die Effizienz des gesamten Abwärmerückgewinnungssystems 100 erhöht.
Vorzugsweise münden der zweite Auslasskanal 7 in die Bypassleitung 106 und der erste Auslasskanal 6 in die Expansionsmaschine 104. Dabei ist vorteilhafterweise die Leckage durch den als Schiebesitz ausgeführten ersten Ventilsitz 11 so ausgelegt, dass auch in der zweiten Endstellung des Schieberventils 1 durch die durch den ersten Ventilsitz 11 fließende Leckagemenge die Expansionsmaschine 104 auf Temperatur gehalten wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014224979 A1 [0003]

Claims

Schieberventil (1) mit einem Ventilgehäuse (4) und einem längsbeweglich in dem Ventilgehäuse (4) angeordneten im Wesentlichen axialsymmetrischen Schließkörper (3), wobei in dem Ventilgehäuse (4) ein Einlasskanal (5), ein erster Auslasskanal (6) und ein zweiter Auslasskanal (7) ausgebildet sind, wobei der Schließkörper (3) durch seine Längsbewegung mit einem im Ventilgehäuse (4) ausgebildeten ersten Ventilsitz (11) zusammenwirkt und dadurch eine erste fluidische Verbindung zwischen dem Einlasskanal (5) und dem ersten Auslasskanal (6) öffnet und schließt, wobei der Schließkörper (3) weiterhin durch seine Längsbewegung mit einem im Ventilgehäuse (4) ausgebildeten zweiten Ventilsitz (12) zusammenwirkt und dadurch eine zweite fluidische Verbindung zwischen dem Einlasskanal (5) und dem zweiten Auslasskanal (7) öffnet und schließt, wobei der Schließkörper (3) mittels eines Ventilkolbens (21) einer Aktoreinheit (20) ansteuerbar ist, wobei das Ventilgehäuse (4), der Schließkörper (3) und der Ventilkolben (21) einen Ausgleichsraum (29) begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (21) mit dem Schließkörper (3) zum Öffnen und Schließen einer dritten fluidischen Verbindung von dem Ausgleichsraum (29) zu dem zweiten Auslasskanal (7) zusammenwirkt.
Schieberventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ventilsitz (11) als Schiebeventilsitz ausgeführt ist.
Schieberventil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ventilsitz (12) als Kegelventilsitz ausgeführt ist.
Schieberventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schließkörper (3) eine Innenbohrung (38) als dritte fluidische Verbindung ausgebildet ist.
Schieberventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei geschlossener erster fluidischer Verbindung die resultierende fluidische Kraft auf den Schließkörper (3) in axialer Richtung nahezu Null ist.
Schieberventil (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsraum (29) und der zweite Ventilsitz (12) nahezu den gleichen Durchmesser aufweisen.
Schieberventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilfeder (9) den Schließkörper (3) beaufschlagt.
Schieberventil (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilfeder (9) den Schließkörper (3) bei geöffneter erster fluidischer Verbindung gegen den Ventilkolben (21) verspannt.
Schieberventil (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilfeder (9) den Schließkörper (3) bei geschlossener erster fluidischer Verbindung gegen einen Anschlag (36) verspannt.
Schieberventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktorfeder (22) den Ventilkolben (21) in Gegenrichtung zu dem Schließkörper (3) beaufschlagt.
Schieberventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei geschlossener dritter fluidischer Verbindung ein Leckagesitz (13) den ersten Auslasskanal (6) mit dem Ausgleichsraum (29) verbindet.
Schieberventil (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Leckagesitz (13) als Schiebesitz, insbesondere zwischen dem Ventilgehäuse (4) und dem Schließkörper (3), ausgebildet ist.
Schieberventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoreinheit (20) pneumatisch ansteuerbar ist.
Abwärmerückgewinnungssystem (100) mit einem ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf (100a), wobei der Kreislauf (100a) in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Pumpe (102), einen Verdampfer (103), ein Bypass-Ventil (1), eine Expansionsmaschine (104) und einen Kondensator (105) umfasst, wobei parallel zur Expansionsmaschine (104) eine Bypassleitung (106) angeordnet ist und wobei das Bypass-Ventil (1) den Massenstrom des Arbeitsmediums zur Expansionsmaschine (104) und zur Bypassleitung (106) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypass-Ventil (1) ein Schieberventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ist.