WO2017162435A1 - Schieberventil - Google Patents

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WO2017162435A1
WO2017162435A1 PCT/EP2017/055386 EP2017055386W WO2017162435A1 WO 2017162435 A1 WO2017162435 A1 WO 2017162435A1 EP 2017055386 W EP2017055386 W EP 2017055386W WO 2017162435 A1 WO2017162435 A1 WO 2017162435A1
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WO
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valve
closing body
lock cylinder
outlet channel
slide
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/055386
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Stachnik
Sophie-Charlotte Deger-Panthene
Bernd Berghaenel
Stephan Wehr
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
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Priority to US16/087,735 priority Critical patent/US20190107210A1/en
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K3/00—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing
    • F16K3/22—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with sealing faces shaped as surfaces of solids of revolution
    • F16K3/24—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with sealing faces shaped as surfaces of solids of revolution with cylindrical valve members
    • F16K3/26—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with sealing faces shaped as surfaces of solids of revolution with cylindrical valve members with fluid passages in the valve member
    • F16K3/267—Combination of a sliding valve and a lift valve
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16K31/02—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
    • F16K31/06—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid
    • F16K31/0603—Multiple-way valves
    • F16K31/061—Sliding valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16K31/0603—Multiple-way valves
    • F16K31/0624—Lift valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Definitions

  • the invention relates to a slide valve.
  • the slide valve according to the invention can be used in particular in a waste heat recovery system of an internal combustion engine.
  • Valves are known in various designs from the prior art.
  • a known slide valve comprises a valve housing and a longitudinally movably arranged in the valve housing substantially axially symmetrical closing body.
  • an inlet channel, a first outlet channel and a second outlet channel are arranged in the valve housing.
  • the closing body cooperates with a first valve seat formed on the valve housing and thus opens and closes a first hydraulic connection to the first outlet channel.
  • the closing body cooperates by its longitudinal movement with a formed on the valve housing second valve seat and opens and closes a second hydraulic connection to the second outlet channel.
  • Such a valve is known for example from the non-prepublished application DE 10 2014 224979 AI.
  • the closing body of the known slide valve requires comparatively high forces for controlling the closing body.
  • the slide valve according to the invention can be controlled with very small forces, since it is pressure or force balanced.
  • the slide valve comprises a valve housing and a longitudinally movably arranged in the valve housing substantially axially symmetrical closing body.
  • the closing body cooperates by its longitudinal movement with a first valve seat formed in the valve housing and thereby opens and closes a first hydraulic connection between the inlet channel and the first outlet channel.
  • the closing body continues to act by its longitudinal movement with a second valve seat formed in the valve housing and thereby opens and closes a second hydraulic connection between the inlet channel and the second outlet channel.
  • the resulting hydraulic force on the closing body is almost zero in the axial direction; the closing body is thus pressure or force balanced.
  • the closing body is driven very dynamically and the slide valve can open and close the first hydraulic connection and the second hydraulic connection very quickly.
  • the first valve seat and the second valve seat are each designed as a sliding valve seat.
  • a first lock cylinder and a second lock cylinder are formed on the closure body.
  • the first lock cylinder acts together with the first valve seat and the second lock cylinder with the second valve seat.
  • the valve designed as a 3-way valve spool valve is output-controlled.
  • the first lock cylinder has the same diameter as the second lock cylinder. This is a very simple and inexpensive design of a pressure-balanced closing body. The effective in the axial direction, acted upon by fluid pressure end faces - the projection surfaces - the two lock cylinders thus have the same area.
  • the first lock cylinder limits a first valve space and the second lock cylinder defines a second valve space.
  • the projection surfaces of the first lock cylinder are consequently subjected to the fluid pressure of the first valve chamber and the projection surfaces of the second lock cylinder to the fluid pressure of the second valve chamber.
  • the pressure compensation on the closing body can be controlled via the pressures in the valve spaces.
  • both projection surfaces are the same size, so that the fluid pressure in the first valve chamber can be selected equal to the fluid pressure in the second valve chamber.
  • the first valve space is advantageously hydraulically connected to the second valve space via a through-bore. This ensures that the fluid pressures in the two valve chambers are the same.
  • the through hole is formed in the closing body.
  • a control bore opens into the first valve chamber or into the second valve chamber. Accordingly, the pressure in the two valve chambers, which are preferably connected to one another via the through-bore, can be controlled via the control bore.
  • the control bore is at atmospheric pressure, so that no additional measures must be taken to maintain a pressure difference to the atmosphere or the environment.
  • control bore is hydraulically connected to the second outlet channel.
  • the second outlet channel is a constant Pressure, in particular atmospheric pressure, on. This ensures a simple, low, constant pressure on the projection surfaces.
  • the longitudinal movement of the closing body can be controlled by an actuator unit.
  • the slide valve can be activated actively.
  • the actuator unit comprises an electromagnet.
  • the actuator unit can be designed to save space. Due to the force-balanced slide valve can be used for a very small electromagnet.
  • the slide valve according to the invention is arranged in a waste heat recovery system of an internal combustion engine.
  • the waste heat recovery system comprises a working medium carrying circuit, wherein the circuit in the flow direction of the working medium comprises a pump, an evaporator, a bypass valve, an expansion machine and a condenser.
  • a bypass line is arranged parallel to the expansion machine, with the bypass valve controlling the mass flow of the working medium to the expansion machine and to the bypass line.
  • the bypass valve is the slide valve according to the invention.
  • the second outlet channel of the slide valve opens into the bypass line.
  • such a slide valve then has the control bore, which is connected to the second outlet channel.
  • the pressure at the second outlet channel is thus the pressure which is present between the expansion machine and the evaporator, that is to say preferably atmospheric pressure. This pressure thus acts in both valve chambers for pressure compensation for the closing body.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of an embodiment of the slide valve according to the invention, wherein only the essential areas are shown.
  • FIG. 2 schematically shows the gate valve according to the invention within a waste heat recovery system.
  • Fig.l shows a longitudinal section of a slide valve 1 according to the invention, wherein only the essential areas are shown.
  • the slide valve 1 comprises a valve housing 4, arranged therein, for example pressed, valve sleeve 8 and a closing body 3 and is driven by a metal bellows-cylinder unit 2.
  • Many alternative drives are possible, for example an electromechanical drive or a piezoelectric drive.
  • an inlet channel 5, a first outlet channel 6a and a second outlet channel 6b are formed, so that the slide valve 1 is formed in this embodiment as a 3-way valve.
  • a guide bore 7 is formed, into which the inlet channel 5 and the two outlet channels 6a, 6b open.
  • the valve sleeve 8 can also be omitted; As a result, the guide bore 7 would then be formed in the valve housing 4.
  • the closing body 3 is arranged longitudinally movable for opening and closing the two outlet channels 6a, 6b.
  • the closing body 3 comprises a first locking cylinder 3a, a second locking cylinder 3b and a connecting bolt 3c for connecting the two locking cylinders 3a, 3b.
  • the first lock cylinder 3a, the second lock cylinder 3b and the connecting bolt 3c can be made in one piece but also in several parts.
  • the closing body 3 is formed substantially rotationally symmetrical.
  • the metal bellows-cylinder unit 2 comprises a first cylinder 22, a second cylinder 21 and a metal bellows 20.
  • the first cylinder 22 and the second cylinder 21 are arranged displaceable in the axial direction relative to one another and mechanically connected to each other and through the metal bellows 20 sealed on the outside.
  • the first cylinder 22 is arranged longitudinally movable substantially coaxially with the guide bore 7.
  • the second cylinder 21 is rigidly arranged to the valve housing 4, for example, screwed with this or executed in one piece with this.
  • an actuator bolt 31 is guided through the second cylinder 21 and through the metal bellows 20.
  • the Aktorbolzen 31 cooperates with the first cylinder 22, and this in turn with the lock cylinder 3a.
  • a valve spring 9 cooperates with the other lock cylinder 3b, so that the closing body 3 is clamped between the actuator bolt 31 and the valve spring 9.
  • the Aktorbolzen 31 is driven by an actuator unit 30 shown only schematically and can move the closing body 3 against the force of the valve spring 9 with the interposition of the first cylinder 22, in the illustration of Fig.l therefore to the right.
  • the valve spring 9 acts as a compression spring, is arranged in a bore of the second lock cylinder 3 b and is supported on a clamping nut 18.
  • the clamping nut 18 is fixedly connected to the valve housing 4 or the valve sleeve 8, so that it forms a fixed stop for the valve spring 9.
  • the actuator unit 30 is an electromagnetic drive, wherein an electromagnet controls the Aktorbolzen 31 in the longitudinal direction.
  • the first cylinder 22 may also be pneumatically or hydraulically controlled.
  • no Aktorbolzen 31 would be needed; in its place, the interior of the metal bellows 20 would be filled with a gas or fluid which would displace the first cylinder 22 under pressure.
  • the first lock cylinder 3a cooperates with the first cylinder 22 of the bellows-cylinder unit 2.
  • the first lock cylinder 3a and the first cylinder 22 may be made in one piece.
  • a first valve seat 8a and a second valve seat 8b are formed, the first valve seat 8a surrounding the first outlet channel 6a and the second valve seat 8b the second outlet channel 6b.
  • the first valve seat 8a and the second valve seat 8b are formed as partial regions of the guide bore 7.
  • the first lock cylinder 3a cooperates with the first valve seat 8a and the second lock cylinder 3b with the second valve seat 8b.
  • the slide valve 1 is designed to be output-controlled, it controls the mass flow of the working medium at the outlet or outlet-side valve seats 8a, 8b.
  • the closing body 3 is pressed by the valve spring 9 in the illustration of Fig.l to the left against the feed direction of the metal bellows-cylinder unit 2 and thereby opens a first hydraulic connection from the inlet channel 5 to the first outlet channel 6a and closes a second hydraulic connection from the inlet channel 5 to the second outlet channel 6b; this valve position is shown in the illustration of Fig.l.
  • the actuator pin 31 is pressed against the first cylinder 22 and thus indirectly pushes the closing body 3 against the spring force of the valve spring 9, ie in the illustration of Fig.l to the right.
  • the first lock cylinder 3a covers the first valve seat 8a, and the second lock cylinder 3b releases the second valve seat 8b so that the first hydraulic connection is closed and the second hydraulic connection is opened.
  • the metal bellows-cylinder unit 2 is compressed by the spring force of the valve spring 9 and the closing body 3 is pushed back into the starting position, so that the first hydraulic connection is opened and the second hydraulic connection is closed.
  • the slide valve 1 of Fig.l is designed pressure balanced.
  • a through hole 12 and a connecting bore 11 are formed in the closing body 3.
  • the through hole 12 exits at both ends of the substantially cylindrical closing body 3 from this, and opens at one end of the closing body 3 in a first valve chamber 25 and at the other end of the closing body 3 in a second valve chamber 26th
  • the first valve space 25 is bounded by the first lock cylinder 3 a, the valve sleeve 8, the valve housing 4 and the metal bellows-cylinder unit 2.
  • the second valve chamber 26 is bounded by the second lock cylinder 3 b, the valve sleeve 8, and the clamping nut 18. The valve spring 9 is thus arranged in the second valve chamber 26.
  • the first valve space 25 delimiting frontal surfaces of the closing body 3 are referred to as first projection surfaces 13.
  • the first projection surfaces 13 are substantially formed on the first lock cylinder 3a.
  • the second valve space 26 delimiting frontal surfaces of the closing body 3 are referred to as second projection surfaces 14.
  • the second projection surfaces 14 are substantially formed on the second lock cylinder 3b. However, both projection surfaces 13, 14 are always formed on the closing body 3.
  • the first valve chamber 25 is hydraulically connected via the through-bore 12 to the second valve chamber 26.
  • the two projection surfaces 13, 14 are acted on at both ends of the closing body 3 with the same fluid pressure.
  • the sum of the surface areas of the first projection surfaces 13 and the sum of the surface areas of the second projection surfaces 14 are the same size.
  • the diameters of the first lock cylinder 3a and the second lock cylinder 3b are advantageously the same. Due to the through hole 12 of the two projection surfaces 13, 14 acting fluid pressure is equal, so that the resulting hydraulic force on the closing body 3 is zero; the closing body 3 is thus pressure-balanced or force-balanced.
  • first valve chamber 25 further opens a formed in the valve housing 4 control bore 28.
  • the control bore 28 is connected to the second outlet channel 6b, or it is at a constant pressure, for example, atmospheric pressure.
  • the other effective in the axial direction of the surfaces of the closing body 3, especially in the region of the connecting bolt 3c, are acted upon by the fluid pressure of the inlet channel 5 and accordingly also pressure or force balanced.
  • the first lock cylinder 3a, the connecting bolt 3c and the second lock cylinder 3b may have the same diameter, so that the closing body 3 has no axially effective surfaces in the region of the connecting bolt 3c.
  • the contact between the first lock cylinder 3 a and the first cylinder 22 may interfere with a flow between the through hole 12 and the first valve chamber 25. Therefore, the connecting hole 11 is formed as a T-hole or as a star hole to the through hole 12 and opens into the first valve chamber 25th
  • FIG. 2 shows a waste heat recovery system 100 of an internal combustion engine 110, not shown.
  • the waste heat recovery system 100 has a working medium leading circuit 100 a, which in the direction of flow of the working medium comprises a Feiseflu- idpumpe 102, an evaporator 103, an expansion machine 104 and a condenser 105.
  • the working medium can be fed as needed via a branch line and a valve assembly 101a from a collecting container 101 in the circuit 100a.
  • the collecting container 101 may alternatively be integrated in the circuit 100a.
  • the evaporator 103 is connected to an exhaust pipe of the internal combustion engine, thus uses the heat energy of the exhaust gas of the internal combustion engine.
  • a bypass line 106 is arranged parallel to the expansion machine 104.
  • the working medium of the expansion machine 104 is supplied or passed by the bypass line 106 to the expansion machine 104.
  • a temperature sensor 107 is arranged in front of the condenser 105.
  • the temperature sensor 107 determines the temperature of the working medium in front of the condenser 105 and transmits a corresponding signal to a control unit 108.
  • the control unit 108 controls in dependence on various data, such as the temperature of the working medium upstream of the condenser 105, via the two electrical connections 61, 62 the control unit 50 on.
  • the control unit 50 is connected via the connecting line 54 with the slide valve 1 and with its actuator unit 30.
  • the spool valve 1 is switched so that the working medium is passed either through the expansion machine 104, or through the bypass line 106.
  • the mass flow of the working medium can also be divided so that a part of the working medium of the expansion machine 104 is supplied and another part of the bypass line 106th
  • the embodiments of the slide valve 1 according to the invention are very suitable for use within a waste heat recovery system 100 of an internal combustion engine, since the mass flow of the working medium can be quickly and energy-saving depending on the operating state on the expansion machine 104 and the bypass line 106 can be divided. Thus, the efficiency of the entire waste heat recovery system 100 is increased.

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 (6a) und ein zweiter Auslasskanal (6b) ausgebildet. Der Schließkörper (3) wirkt durch seine Längsbewegung mit einem im Ventilgehäuse (4) ausgebildeten ersten Ventilsitz (8a) zusammen und öffnet und schließt dadurch eine erste hydraulische Verbindung zwischen dem Einlasskanal (5) und dem ersten Auslasskanal (6a). Weiterhin wirkt der Schließkörper (3)durch seine Längsbewegung mit einem im Ventilgehäuse (4) ausgebildeten zweiten Ventilsitz (8b) zusammen und öffnet und schließt dadurch eine zweite hydraulische Verbindung zwischen dem Einlasskanal (5) und dem zweiten Auslasskanal (6b). Die resultierende hydraulische Kraft auf den Schließkörper (3) in axialer Richtung ist dabei nahezu Null.

Description

Beschreibung Titel
Schieberventil Beschreibung
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 hydraulische 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 hydraulische Verbindung zu dem zweiten Auslasskanal. Ein derartiges Ventil ist beispielsweise aus der nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2014 224979 AI 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, da es druck- bzw. kraftausgeglichen ist.
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 hydraulische 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 hydraulische Verbindung zwischen dem Einlasskanal und dem zweiten Auslasskanal. Die resultierende hydraulische Kraft auf den Schließkörper ist in axialer Richtung nahezu Null; der Schließkörper ist also druck- bzw. kraftausgeglichen. Dadurch sind lediglich geringe Kräfte erforderlich, um eine Längsbewegung des Schließkörpers zu erzeugen. Somit ist der Schließkörper sehr dynamisch ansteuerbar und das Schieberventil kann die erste hydraulische Verbindung und die zweite hydraulische Verbindung sehr schnell öffnen und schließen.
In vorteilhaften Ausführungen sind der erste Ventilsitz und der zweite Ventilsitz jeweils als Schiebeventilsitz ausgeführt. Dadurch sind keine hohen Kontaktpressungen, wie beispielsweise bei einem Tellerventil, erforderlich. Somit erfordern die Ventilstellungen des Schieberventils auch keine hohen Schließkräfte. Demzufolge sind die erforderlichen ansteuernden Kräfte auf den Schließkörper in allen Betriebssituationen sehr gering.
Vorteilhafterweise sind an dem Schließkörper ein erster Schließzylinder und ein zweiter Schließzylinder ausgebildet. Der erste Schließzylinder wirkt dabei mit dem ersten Ventilsitz zusammen und der zweite Schließzylinder mit dem zweiten Ventilsitz. Dadurch ist das als 3-Wege-Ventil ausgebildete Schieberventil ausgangsgesteuert. Dies ist eine sehr robuste Ausführung, die Fertigung muss keine engen Toleranzen einhalten. In vorteilhaften Ausführungen weist der erste Schließzylinder den gleichen Durchmesser auf wie der zweite Schließzylinder. Dies ist eine sehr einfache und kostengünstige Ausführung eines druckausgeglichenen Schließkörpers. Die in axialer Richtung wirksamen, mit Fluiddruck beaufschlagten endseitigen Flächen - die Projektionsflächen - der beiden Schließzylinder weisen so den gleichen Flächeninhalt auf.
In vorteilhaften Weiterbildungen begrenzt der erste Schließzylinder einen ersten Ventilraum und der zweite Schließzylinder einen zweiten Ventilraum. Die Projektionsflächen des ersten Schließzylinders sind demzufolge mit dem Fluiddruck des ersten Ventilraums beaufschlagt und die Projektionsflächen des zweiten Schließzylinders mit dem Fluiddruck des zweiten Ventilraums. Dadurch kann der Druckausgleich auf den Schließkörper über die Drücke in den Ventilräumen gesteuert werden. Vorzugsweise sind beide Projektionsflächen gleich groß, so dass der Fluiddruck im ersten Ventilraum gleich dem Fluiddruck im zweiten Ventilraum gewählt werden kann.
Vorteilhafterweise ist dazu der erste Ventilraum über eine Durchgangsbohrung mit dem zweiten Ventilraum hydraulisch verbunden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Fluiddrücke in den beiden Ventilräumen gleich groß sind.
In einer vorteilhaften Ausführung ist die Durchgangsbohrung in dem Schließkörper ausgebildet. Dadurch sind die beiden Ventilräume auf sehr einfache Art und Weise hydraulisch miteinander verbunden.
In vorteilhaften Weiterbildungen mündet eine Steuerbohrung in den ersten Ventilraum oder in den zweiten Ventilraum. Über die Steuerbohrung kann demzufolge der Druck in den beiden Ventilräumen, die vorzugsweise über die Durchgangsbohrung miteinander verbunden sind, gesteuert werden. Vorzugsweise liegt an der Steuerbohrung Atmosphärendruck an, so dass keine zusätzlichen Maßnahmen getroffen werden müssen, um einen Druckunterschied zur Atmosphäre bzw. zur Umgebung zu halten.
Vorteilhafterweise ist die Steuerbohrung hydraulisch mit dem zweiten Auslasska- nal verbunden. Vorzugsweise liegt am zweiten Auslasskanal dabei ein konstanter Druck, insbesondere Atmosphärendruck, an. Dadurch ist auf einfache Weise ein niedriger, konstanter Druck an den Projektionsflächen gewährleistet.
In vorteilhaften Ausführungen ist die Längsbewegung des Schließkörpers durch eine Aktoreinheit steuerbar. Dadurch kann das Schieberventil aktiv angesteuert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Aktoreinheit einen Elektromagneten. Dadurch kann die Aktoreinheit sehr bauraumsparend ausgeführt werden. Aufgrund des kraftausgeglichenen Schieberventils kann dafür ein sehr kleiner Elektromagnet 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 Bypasslei- tung 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 hydraulischer Verbindung erforderlich; dies kann mit dem erfindungsgemäßen Schieberventil vollzogen werden. Der niedrige Energieverbrauch des Schieberventils erhöht gleichzeitig die Effizienz des gesamten Abwärmerückgewinnungssystems. Vorteilhafterweise mündet der zweite Auslasskanal des Schieberventils in die By- passleitung. Vorzugsweise weist ein derartiges Schieberventil dann die Steuerbohrung auf, welche mit dem zweiten Auslasskanal verbunden ist. Der Druck am zweiten Auslasskanal ist somit der Druck, der zwischen Expansionsmaschine und Verdampfer anliegt, also vorzugsweise Atmosphärendruck. Dieser Druck wirkt damit in beiden Ventilräumen zum Druckausgleich für den Schließkörper.
Zeichnungen Fig.l zeigt einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Schieberventils, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Fig.2 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Schieberventil innerhalb eines Abwärmerückgewinnungssystems.
Beschreibung
Fig.l zeigt einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Schieberventils 1, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Das Schieberventil 1 umfasst ein Ventilgehäuse 4, eine darin angeordnete, beispielsweise eingepresste, Ventilhülse 8 und einen Schließkörper 3 und wird durch eine Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 angetrieben. Dabei sind viele alternative Antriebe möglich, beispielsweise ein elektromechanischer Antrieb oder ein piezoelektrischer Antrieb. In dem Ventilgehäuse 4 sind ein Einlasskanal 5, ein erster Auslasskanal 6a und ein zweiter Auslasskanal 6b ausgebildet, so dass das Schieberventil 1 in dieser Ausführung als 3-Wege-Ventil ausgebildet ist. In der Ventilhülse 8 ist eine Führungsbohrung 7 ausgebildet, in die der Einlasskanal 5 und die beiden Auslasskanäle 6a, 6b münden. In alternativen Ausführungen kann die Ventilhülse 8 auch wegfallen; demzufolge wäre die Führungsbohrung 7 dann in dem Ventilgehäuse 4 ausgebil- det.
In der Führungsbohrung 7 ist der Schließkörper 3 längsbeweglich zum Öffnen und Schließen der beiden Auslasskanäle 6a, 6b angeordnet. Der Schließkörper 3 umfasst dabei einen ersten Schließzylinder 3a, einen zweiten Schließzylinder 3b und einen Verbindungsbolzen 3c zum Verbinden der beiden Schließzylinder 3a, 3b. Dabei können der erste Schließzylinder 3a, der zweite Schließzylinder 3b und der Verbindungsbolzen 3c einteilig aber auch mehrteilig ausgeführt sein. Vorteilhafterweise ist der Schließkörper 3 im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet.
Die Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 umfasst einen ersten Zylinder 22, einen zweiten Zylinder 21 und einen Metallbalg 20. Der erste Zylinder 22 und der zweite Zylinder 21 sind in axialer Richtung zueinander verschiebbar angeordnet und mechanisch durch den Metallbalg 20 miteinander verbunden und durch diesen nach außen abgedichtet. Der erste Zylinder 22 ist längsbeweglich im Wesentlichen koaxial zur Führungsbohrung 7 angeordnet. Der zweite Zylinder 21 ist starr zum Ventilgehäuse 4 angeordnet, beispielsweise mit diesem verschraubt oder auch mit diesem einteilig ausgeführt.
In der Ausführung der Fig.l ist ein Aktorbolzen 31 durch den zweiten Zylinder 21 und durch den Metallbalg 20 geführt. Der Aktorbolzen 31 wirkt mit dem ersten Zylinder 22 zusammen, und dieser wiederum mit dem Schließzylinder 3a. Gegenüberliegend wirkt eine Ventilfeder 9 mit dem weiteren Schließzylinder 3b zusammen, so dass der Schließkörper 3 zwischen dem Aktorbolzen 31 und der Ventilfeder 9 verspannt ist. Der Aktorbolzen 31 wird von einer nur schematisch dargestellten Aktoreinheit 30 angesteuert und kann so unter Zwischenlage des ersten Zylinders 22 den Schließkörper 3 entgegen der Kraft der Ventilfeder 9 bewegen, in der Darstellung der Fig.l also nach rechts. Die Ventilfeder 9 wirkt als Druckfeder, ist in einer Bohrung des zweiten Schließzylinders 3b angeordnet und stützt sich an einer Spannmutter 18 ab. Die Spannmutter 18 ist fest mit dem Ventilgehäuse 4 oder der Ventilhülse 8 verbunden, so dass sie einen fixen Anschlag für die Ventilfeder 9 bildet.
Vorteilhafterweise ist die Aktoreinheit 30 ein elektromagnetischer Antrieb, wobei ein Elektromagnet den Aktorbolzen 31 in Längsrichtung steuert. Alternativ kann der erste Zylinder 22 jedoch auch pneumatisch oder hydraulisch gesteuert werden. Für diesen Fall würde kein Aktorbolzen 31 benötigt; an seiner Stelle wäre das Innere des Metallbalgs 20 mit einem Gas bzw. Fluid gefüllt, welches unter Druck den ersten Zylinder 22 verschieben würde. Der erste Schließzylinder 3a wirkt mit dem ersten Zylinder 22 der Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 zusammen. Alternativ können der erste Schließzylinder 3a und der erste Zylinder 22 auch einteilig ausgeführt werden. Am Ventilgehäuse 4, bzw. in der Ausführung der Fig.l an der Ventilhülse 8, sind ein erster Ventilsitz 8a und ein zweiter Ventilsitz 8b ausgebildet, wobei der erste Ventilsitz 8a den ersten Auslasskanal 6a umgibt und der zweite Ventilsitz 8b den zweiten Auslasskanal 6b. Im Ausführungsbeispiel der Fig.l sind der erste Ventilsitz 8a und der zweite Ventilsitz 8b als Teilbereiche der Führungsbohrung 7 aus- gebildet. Der erste Schließzylinder 3a wirkt mit dem ersten Ventilsitz 8a zusammen und der zweite Schließzylinder 3b mit dem zweiten Ventilsitz 8b. Das Schieberventil 1 ist dadurch ausgangsgesteuert gestaltet, es steuert die Massenströme des Arbeitsmediums an den ausgangs- bzw. auslassseitigen Ventilsitzen 8a, 8b.
Der Schließkörper 3 wird von der Ventilfeder 9 in der Darstellung der Fig.l nach links entgegen der Vorschubrichtung der Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 gedrückt und öffnet dadurch eine erste hydraulische Verbindung von dem Einlasskanal 5 zu dem ersten Auslasskanal 6a und schließt eine zweite hydraulische Verbindung von dem Einlasskanal 5 zu dem zweiten Auslasskanal 6b; diese Ventilstellung ist in der Darstellung der Fig.l gezeigt. Bei Aktivierung der Aktoreinheit 30 wird der Aktorbolzen 31 gegen den ersten Zylinder 22 gedrückt und schiebt so mittelbar den Schließkörper 3 entgegen der Federkraft der Ventilfeder 9, also in der Darstellung der Fig.l nach rechts. Dadurch überdeckt der erste Schließzylinder 3a den ersten Ventilsitz 8a und der zweite Schließzylinder 3b gibt den zweiten Ventilsitz 8b frei, so dass die erste hydraulische Verbindung geschlossen und die zweite hydraulische Verbindung geöffnet ist. Bei Beendung der Aktivierung der Aktoreinheit 30 wird die Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 durch die Federkraft der Ventilfeder 9 zusammengestaucht und der Schließkörper 3 wird wieder in die Ausgangsstellung geschoben, so dass die erste hydraulische Verbindung geöffnet und die zweite hydraulische Verbindung geschlossen ist.
Erfindungsgemäß ist das Schieberventil 1 der Fig.l druckausgeglichen gestaltet. Dazu sind in dem Schließkörper 3 eine Durchgangsbohrung 12 und eine Verbindungsbohrung 11 ausgebildet. Die Durchgangsbohrung 12 tritt an beiden Enden des im Wesentlichen zylinderförmigen Schließkörpers 3 aus diesem aus, und mündet an einem Ende des Schließkörpers 3 in einem ersten Ventilraum 25 und an dem anderen Ende des Schließkörpers 3 in einem zweiten Ventilraum 26.
Der erste Ventilraum 25 ist durch den ersten Schließzylinder 3a, die Ventilhülse 8, das Ventilgehäuse 4 und die Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 begrenzt. Der zweite Ventilraum 26 ist durch den zweiten Schließzylinder 3b, die Ventilhülse 8, und die Spannmutter 18 begrenzt. Die Ventilfeder 9 ist somit im zweiten Ventilraum 26 angeordnet.
Die den ersten Ventilraum 25 begrenzenden stirnseitigen Flächen des Schließkörpers 3 werden als erste Projektionsflächen 13 bezeichnet. Die ersten Projektionsflächen 13 sind im Wesentlichen an dem ersten Schließzylinder 3a ausgebildet. Die den zweiten Ventilraum 26 begrenzenden stirnseitigen Flächen des Schließkörpers 3 werden als zweite Projektionsflächen 14 bezeichnet. Die zweiten Projektionsflächen 14 sind im Wesentlichen an dem zweiten Schließzylinder 3b ausgebildet. Beide Projektionsflächen 13, 14 sind jedoch immer an dem Schließkörper 3 ausgebildet.
Der erste Ventilraum 25 ist über die Durchgangsbohrung 12 mit dem zweiten Ventilraum 26 hydraulisch verbunden. Dadurch sind die beiden Projektionsflächen 13, 14 an beiden Enden des Schließkörpers 3 mit demselben Fluiddruck beaufschlagt sind.
In axialer Richtung der Schließkörpers 3 sind die Summe der Flächeninhalte der ersten Projektionsflächen 13 und die Summe der Flächeninhalte der zweiten Projektionsflächen 14 gleich groß. Dazu sind vorteilhafterweise die Durchmesser von erstem Schließzylinder 3a und zweitem Schließzylinder 3b gleich groß. Aufgrund der Durchgangsbohrung 12 ist der auf beide Projektionsflächen 13, 14 wirkende Fluiddruck gleich groß, so dass die resultierende hydraulische Kraft auf den Schließkörper 3 Null ist; der Schließkörper 3 ist somit druckausgeglichen bzw. kraftausgeglichen.
In den ersten Ventilraum 25 mündet weiterhin eine in dem Ventilgehäuse 4 ausgebildete Steuerbohrung 28. Über die Steuerbohrung 28 können der erste Ventil- räum 25, und damit auch mittelbar über die Durchgangsbohrung 12 der zweite Ventilraum 26, mit Fluid gespeist werden. Vorteilhafterweise ist die Steuerbohrung 28 mit dem zweiten Auslasskanal 6b verbunden, bzw. es liegt an ihr ein konstanter Druck an, beispielsweise Atmosphärendruck. Die weiteren in axialer Richtung wirksamen Flächen des Schließkörpers 3, speziell im Bereich des Verbindungsbolzens 3c, sind mit dem Fluiddruck des Einlasskanals 5 beaufschlagt und dementsprechend auch druck- bzw. kraftausgeglichen. In alternativen Ausführungsformen können der erste Schließzylinder 3a, der Verbindungsbolzen 3c und der zweite Schließzylinder 3b den gleichen Durchmesser aufweisen, so dass der Schließkörper 3 im Bereich des Verbindungsbolzens 3c keine in axialer Richtung wirksamen Flächen aufweist.
Durch die beiden Kontakte zwischen dem ersten Schließzylinder 3a und dem ersten Zylinder 22 sowie zwischen den zweiten Schließzylinder 3b und der Ven- tilfeder 9 entstehen kleinere Toleranzen in der Summe der Flächeninhalte beider
Projektionsflächen 13, 14, da die jeweiligen Kontaktflächen nicht mit Fluiddruck beaufschlagt sind. Diese Kontaktflächen sind aber vergleichsweise klein, so dass der Schließkörper 3 im Wesentlichen druck- bzw. kraftausgeglichen ist. Der Kontakt zwischen erstem Schließzylinder 3a und erstem Zylinder 22 behindert unter Umständen eine Strömung zwischen der Durchgangsbohrung 12 und dem ersten Ventilraum 25. Daher ist die Verbindungsbohrung 11 als T-Bohrung oder auch als Sternbohrung zur Durchgangsbohrung 12 ausgebildet und mündet in den ersten Ventilraum 25.
Fig.2 zeigt ein Abwärmerückgewinnungssystem 100 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine 110.
Das Abwärmerückgewinnungssystem 100 weist einen ein Arbeitsmedium führen- den Kreislauf 100a auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speiseflu- idpumpe 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 al- ternativ 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 By- passleitung 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 Steuereinheit 50 an.
Die Steuereinheit 50 ist über die Anschlussleitung 54 mit dem Schieberventil 1 bzw. mit dessen Aktoreinheit 30 verbunden. Das Schieberventil 1 wird 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.

Claims

Ansprüche
1. 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 (6a) und ein zweiter Auslasskanal (6b) ausgebildet sind, wobei der Schließkörper (3) durch seine Längsbewegung mit einem im Ventilgehäuse (4) ausgebildeten ersten Ventilsitz (8a) zusammenwirkt und dadurch eine erste hydraulische Verbindung zwischen dem Einlasskanal (5) und dem ersten Auslasskanal (6a) öffnet und schließt, wobei der Schließkörper (3) weiterhin durch seine Längsbewegung mit einem im Ventilgehäuse (4) ausgebildeten zweiten Ventilsitz (8b) zusammenwirkt und dadurch eine zweite hydraulische Verbindung zwischen dem Einlasskanal (5) und dem zweiten Auslasskanal (6b) öffnet und schließt
dadurch gekennzeichnet, dass
die resultierende hydraulische Kraft auf den Schließkörper (3) in axialer Richtung nahezu Null ist.
2. Schieberventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ventilsitz (8a) und der zweite Ventilsitz (8b) jeweils als Schiebeventilsitz ausgeführt sind.
3. Schieberventil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Schließkörper (3) ein erster Schließzylinder (3a) und ein zweiter Schließzylinder (3b) ausgebildet sind, wobei der erste Schließzylinder (3a) mit dem ersten Ventilsitz (8a) und der zweite Schließzylinder (3b) mit dem zweiten Ventilsitz (3b) zusammenwirkt.
4. Schieberventil (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schließzylinder (3a) den gleichen Durchmesser aufweist wie der zweite Schließzylinder (3b).
Schieberventil (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schließzylinder (3a) einen ersten Ventilraum (25) begrenzt und dass der zweite Schließzylinder (3b) einen zweiten Ventilraum (26) begrenzt.
Schieberventil (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ventilraum (25) über eine Durchgangsbohrung (12) mit dem zweiten Ventilraum (26) hydraulisch verbunden ist.
Schieberventil (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrung (12) in dem Schließkörper (3) ausgebildet ist.
Schieberventil (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerbohrung (28) in den ersten Ventilraum (25) oder in den zweiten Ventilraum (26) mündet.
9. Schieberventil (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerbohrung (28) hydraulisch mit dem zweiten Auslasskanal (6b) verbunden ist.
10. Schieberventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsbewegung des Schließkörpers (3) durch eine Aktoreinheit (30) steuerbar ist.
11. Schieberventil (1) nach einem Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, d
die Aktoreinheit (30) einen Elektromagneten umfasst.
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 Arbeits- mediums zur Expansionsmaschine (104) und zur Bypassleitung (106) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypass-Ventil (1) ein Schieberventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ist.
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