Bypassventil für Expansionsmaschine

Die Erfindung betrifft ein Bypassventil für eine Expansionsmaschine,

insbesondere für eine Turbine eines Abwärmerückgewinnungssystems einer Brennkraftmaschine.

Stand der Technik

Ventile sind in vielfältigen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt. Ein bekanntes Bypassventil für eine Expansionsmaschine ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2014 224 979 AI bekannt. Das bekannte

Bypassventil umfasst ein Gehäuse mit einem darin ausgebildeten Ventilraum. In dem Gehäuse sind ein Einlass, ein Expanderauslass und ein Bypassauslass ausgebildet, welche in den Ventilraum münden. Ein Schließkörper ist in dem Ventilraum beweglich angeordnet. An dem Gehäuse ist ein Ventilsitz ausgebildet.

Der Schließkörper wirkt mit dem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen einer ersten hydraulischen Verbindung von dem Einlass zu dem Expanderauslass zusammen. Ein Steuerventil öffnet und schließt eine zweite hydraulische

Verbindung von dem Einlass zu dem Bypassauslass. Das Steuerventil bildet in einer geöffneten Position eine erste Drosselstelle aus. Zwischen dem Ventilraum und dem Bypassauslass ist eine zweite Drosselstelle angeordnet.

Derartige Ventile sind Gegenstand andauernder Weiterentwicklungen, insbesondere bezüglich Robustheit und Kosteneinsparungen.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Bypassventil, insbesondere zur Verwendung für eine Expansionsmaschine eines Abwärmerückgewinnungssystems, ist besonders kostengünstig und robust ausgeführt. Dazu umfasst das Bypassventil ein Gehäuse mit einem darin ausgebildeten Ventilraum. In dem Gehäuse sind ein Einlass, ein Expanderauslass und ein Bypassauslass ausgebildet, welche in den Ventilraum münden. Ein

Schließkörper ist in dem Ventilraum beweglich angeordnet. An dem Gehäuse ist ein Ventilsitz ausgebildet. Der Schließkörper wirkt mit dem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen einer ersten hydraulischen Verbindung von dem Einlass zu dem Expanderauslass zusammen. Ein Steuerventil öffnet und schließt eine zweite hydraulische Verbindung von dem Einlass zu dem Bypassauslass. Das

Steuerventil bildet in einer geöffneten Position eine erste Drosselstelle aus.

Zwischen dem Ventilraum und dem Bypassauslass ist eine zweite Drosselstelle angeordnet. Das Steuerventil, die zweite Drosselstelle und der Schließkörper begrenzen einen Steuerraum. Die erste Drosselstelle weist einen größeren Durchflussquerschnitt auf als die zweite Drosselstelle.

Durch die steuerbare erste Drosselstelle und die zweite Drosselstelle kann so der Druck im Steuerraum variiert werden. Dieser Druck wirkt auf einen Teilbereich des Schließkörpers, so dass aufgrund der Druckunterschiede eine Bewegung des Schließkörpers gegen den Ventilsitz bzw. weg vom Ventilsitz erfolgt. Das Steuerventil benötigt dabei nur sehr geringe Aktorkräfte, so dass das

Bypassventil energetisch sehr günstig ist. Weiterhin ist das Bypassventil auch einfacher zu fertigen und dementsprechend kostengünstiger als ein

Schieberventil. Vorzugsweise ist der Schließkörper als Kugel ausgeführt. Dadurch ist der

Verschleiß von Kugel und Ventilsitz minimiert. Dementsprechend robust ist die Funktionalität des Bypassventils, bzw. es erhöht sich dadurch seine

Lebensdauer. In vorteilhaften Weiterbildungen beaufschlagt eine Feder den Schließkörper in

Richtung des Ventilsitzes. Je nach Dimensionierung von Steuerraum, Ventilsitz und etwaigen weiteren Drosselstellen ist es sinnvoll bzw. sogar notwendig eine Feder zur Unterstützung der hydraulischen Kräfte zu verwenden. Diese

Unterstützung kann in Richtung des Ventilsitzes oder von diesem weg erfolgen. Vorteilhafterweise ist die Feder jedoch so im Ventilraum angeordnet, dass sie in Richtung des Ventilsitzes wirkt, da der Ventilsitz vorzugsweise den

Expanderauslass umgebend angeordnet ist und dementsprechend im

Expanderbetrieb mit dem höchsten Druck im System beaufschlagt ist. Gegen diesen Druck muss das Bypassventil die erste hydraulische Verbindung schließen können; dies geschieht mittels Unterstützung durch die Federkraft.

In vorteilhaften Ausführungen ist bei geschlossener erster hydraulischer

Verbindung eine dritte Drosselstelle in dem Ventilraum zwischen dem

Schließkörper und dem Gehäuse ausgebildet. Dadurch kann die Umschaltung vom Expanderbetrieb auf den Bypassbetrieb schneller erfolgen, da der

Steuerraum schneller mit dem unter Druck stehenden Fluid aus dem Einlass befüllt werden kann.

Vorteilhafterweise ist dabei der Durchflussquerschnitt durch die dritte

Drosselstelle kleiner als der Durchflussquerschnitt durch die zweite Drosselstelle.

Dies ist erforderlich, um ohne weitere Unterstützung von dem Bypassbetrieb in den Expanderbetrieb schalten zu können.

In einer vorteilhaften Ausführung ist das erfindungsgemäße Bypassventil in einem Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine angeordnet.

Das Abwärmerückgewinnungssystem umfasst einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf, wobei der Kreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Pumpe, einen Verdampfer, das Bypassventil nach einer vorangehend beschriebenen Ausführung, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator umfasst. Parallel zu der Expansionsmaschine ist eine Bypassleitung angeordnet, wobei das Bypassventil den Massenstrom des Arbeitsmediums zur

Expansionsmaschine und zur Bypassleitung steuert. 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. Aufgrund der Drücke im Kondensator (etwa Atmosphärendruck) und in der Expansionsmaschine (bis zu 50 bar) herrschen vergleichsweise hohe Druckunterschiede, welche für die Funktionalität des erfindungsgemäßen Bypassventils besonders vorteilhaft sind, da so der

Steuerraum mit entsprechend unterschiedlichen Drücken belastet werden kann. Zeichnungen

Fig.l zeigt schematisch ein Abwärmerückgewinnungssystem aus dem Stand der Technik.

Fig.2 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Bypassventil, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Fig.3 zeigt das Bypassventil in einer zweiten Ventilstellung.

Beschreibung

Fig.l zeigt ein Bypassventil 1 innerhalb eines Abwärmerückgewinnungssystems 100 als Bypassventil zu einer Expansionsmaschine 104. Das

Abwärmerückgewinnungssystem 100 weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf 100a auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums einen

Sammelbehälter 101, eine Pumpe 102, einen Verdampfer 103, das Bypassventil 1, eine Expansionsmaschine 104 und einen Kondensator 105 umfasst. Flüssiges Arbeitsmedium wird durch die Pumpe 102 aus dem Sammelbehälter 101 in den

Verdampfer 103 gefördert und dort durch die Wärmeenergie eines Abgases einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine verdampft. Das verdampfte

Arbeitsmedium wird anschließend in der Expansionsmaschine 104 unter Abgabe mechanischer Energie, beispielsweise an einen nicht dargestellten Generator oder an ein nicht dargestelltes Getriebe, entspannt. Anschließend wird das

Arbeitsmedium im Kondensator 105 wieder verflüssigt und in den

Sammelbehälter 101 zurückgeführt. Parallel zu der Expansionsmaschine 104 ist eine Bypassleitung 106 angeordnet. Das Bypassventil 1 steuert den

Massenstrom des Arbeitsmediums zur Expansionsmaschine 104 und zur Bypassleitung 106. Ein derartiges Abwärmerückgewinnungssystem 100 ist aus dem Stand der Technik bekannt.

Fig.2 zeigt ein erfindungsgemäßes Bypassventil 1 schematisch im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Das Bypassventil 1 umfasst ein Gehäuse 2, in welchem ein Einlass 3, ein Expanderauslass 4 und ein Bypassauslass 5, vorzugsweise als Bohrungen ausgebildet sind. Weiterhin weist das Bypassventil 1 einen Schließkörper 6, eine Feder 7 und ein Steuerventil 8 auf. Der Schließkörper und die Feder 7 sind in einem in dem Gehäuse 2 ausgebildeten Ventilraum 9 angeordnet. Das Gehäuse 2 ist dabei vorzugsweise mehrteilig ausgeführt, so dass der Schließkörper 6, die Feder 7 und das

Steuerventil 8 darin montiert werden können. In den Ventilraum 9 münden sowohl der Einlass 3 als auch der Expanderauslass 4 und der Bypassauslass 5. Das Steuerventil 8 kann dabei beliebig ausgeführt werden, beispielsweise als elektromagnetisch ansteuerbares Schieberventil oder Kugelventil. In der Ausführung der Fig.2 ist der Schließkörper 6 als Kugel ausgeführt.

Wird das Bypassventil 1 in einem Abwärmerückgewinnungssystem 100 verwendet, so ist der Expanderauslass 4 mit der Expansionsmaschine 104, beispielsweise einer Turbine, verbunden, und der Bypassauslass 5 ist mit der Bypassleitung 106 verbunden.

Das Bypassventil 1 weist zwei Ventilsitze auf, ist also als 3/2 -Wegeventil ausgeführt. Ein Ventilsitz 11 ist am Gehäuse 2 zwischen dem Einlass 3 und dem Expanderauslass 4 ausgebildet. In der Ausführung der Fig.2 ist der Ventilsitz 11 konisch gestaltet und den Expanderauslass 4 umgebend ausgeführt. Die Feder 7 drückt den Schließkörper 6 gegen den Ventilsitz 11. Wirkt der Schließkörper 6 mit dem Ventilsitz 11 zusammen, so ist eine erste hydraulische Verbindung von dem Einlass 3 über den Ventilraum 9 zu dem Expanderauslass 4 geschlossen. Üblicherweise ist gleichzeitig eine zweite hydraulische Verbindung von dem Einlass 3 über das Steuerventil 8 und den Ventilraum 9 zu dem Bypassauslass 5 geöffnet, nämlich durch das geöffnete Steuerventil 8.

Idealisiert tritt bei geschlossener erster hydraulischer Verbindung ein

Linienkontakt zwischen dem Schließkörper 6 und dem Gehäuse 2 auf; diese Sitzlinie ist in der Fig.2 mit IIa bezeichnet. In der Ausführung der Fig.2 ist weiterhin eine dritte hydraulische Verbindung von dem Einlass 3 über den Ventilraum 9 zu dem Bypassauslass 5 geöffnet. Die zweite hydraulische

Verbindung und die dritte hydraulische Verbindung sind im Wesentlichen parallel geschaltet. In alternativen Ausführungen kann das Bypassventil 1 auch ohne die dritte hydraulische Verbindung gestaltet sein. Ein weiterer Ventilsitz 12 bzw. ein Anschlag ist an dem Gehäuse 2 zwischen dem Einlass 3 und dem Bypassauslass 5 ausgebildet. Wirkt der Schließkörper 6 mit dem weiteren Ventilsitz 12 zusammen, so ist die erste hydraulische Verbindung von dem Einlass 3 über den Ventilraum 9 zu dem Expanderauslass 4 geöffnet und die dritte hydraulische Verbindung - falls vorhanden - von dem Einlass 3 über den Ventilraum 9 zu dem Bypassauslass 5 geschlossen.

Das Bypassventil 1 weist drei Drosselstellen auf: Eine erste Drosselstelle 21 am Steuerventil 8, also in der zweiten hydraulischen Verbindung, eine zweite

Drosselstelle 22 hinter dem weiteren Ventilsitz 12 bzw. dem Steuerventil 8 und vor dem Bypassauslass 5, also in der zweiten und dritten hydraulischen

Verbindung, und eine dritte Drosselstelle 23 in dem Ventilraum 9 zwischen dem Schließkörper 6 und dem Gehäuse 2, also in der dritten hydraulischen

Verbindung. Die erste Drosselstelle 21 ist durch das Steuerventil 8 steuerbar und durch dieses auch verschließbar. Die zweite Drosselstelle 22 weist einen konstanten Durchflussquerschnitt A22 auf. Die dritte Drosselstelle 23 ist in der dritten hydraulischen Verbindung ausgebildet, wenn der Schließkörper 6 in dem Ventilsitz 11 anliegt, sofern eine dritte hydraulische Verbindung vorhanden ist. Liegt der Schließkörper 6 in dem weiteren Ventilsitz 12 an, so ist die dritte

Drosselstelle 23 jedoch geschlossen.

Die erste Drosselstelle 21 und die dritte Drosselstelle 23 bilden eine

Parallelschaltung, wenn der Schließkörper 6 in dem Ventilsitz 11 anliegt. Dieser Parallelschaltung ist die zweite Drosselstelle 22 nachgeschaltet. Je nach

Schaltung des Steuerventils 8 kann die erste Drosselstelle 21 dabei jedoch auch geschlossen sein, so dass strömungstechnisch in diesem Zustand nur eine Reihenschaltung aus der dritten Drosselstelle 23 und der zweiten Drosselstelle 22 besteht, wobei dies funktional nur einen kurzzeitigen Übergangszustand des Bypassventils 1 darstellt.

Strömungstechnisch betrachtet ist ein Teilvolumen des Ventilraums 9 als Steuerraum 9a ausgebildet: Der Steuerraum 9a ist von dem Gehäuse 2, dem Steuerventil 8 bzw. der ersten Drosselstelle 21, der zweiten Drosselstelle 22, dem Schließkörper 6 und - falls vorhanden - von der dritten Drosselstelle 23 begrenzt. Das Steuerventil 8 steuert nun, vor allem durch die unterschiedlichen Durchflussquerschnitte der ersten Drosselstelle 21 und der zweiten Drosselstelle 22 den Druck in dem Steuerraum 9a. Der Druck in dem Steuerraum 9a wirkt im Wesentlichen auf den in der Fig.2 linken Bereich des Schließkörpers 6.

Letztendlich steuert das Steuerventil 8 somit die hydraulisch resultierende Kraft auf den Schließkörper 6.

Fig.2 zeigt das erfindungsgemäße Bypassventil 1 mit geschlossener erster hydraulischer Verbindung und mit geöffneter zweiter und dritter hydraulischer Verbindung, also im Bypassbetrieb. Fig.3 zeigt die gleiche Ausführung des Bypassventils 1 mit geöffneter erster hydraulischer Verbindung und mit geschlossener zweiter und dritter hydraulischer Verbindung, also im

Expanderbetrieb.

Vorzugsweise wird das Bypassventil 1 mit folgenden Abmaßen ausgelegt:

• Durchmesser des Schließkörpers 6 in der Ausführung als Kugel: 25 mm

• Durchmesser des Expanderauslasses 4: 15 mm

• Durchflussquerschnitt A21 der ersten Drosselstelle 21 bei geöffnetem Steuerventil 8: 30 mm ²

• Durchflussquerschnitt A22 der zweiten Drosselstelle 23: 16 mm ²

• Durchflussquerschnitt A23 der dritten Drosselstelle 23 bei geschlossener erster hydraulischer Verbindung: 8 mm ²

Das Bypassventil 1 funktioniert folgendermaßen:

Der Schließkörper 6 wird über die im Bypassventil 1 herrschenden Druckkräfte und die Federkraft der Feder 7 in eine jeweilige Bypass-oder Expanderstellung gedrückt. Die Druckkräfte werden über die drei Drosselstellen 21, 22, 23 eingestellt, wobei die erste Drosselstelle 21 über das Steuerventil 8 schaltbar ist. Die Drosselstellen 21, 22, 23 müssen so ausgelegt sein, dass der

Durchflussquerschnitt A21 der ersten Drosselstelle 21 größer ist als der

Durchflussquerschnitt A22 der zweiten Drosselstelle 22 und dieser wiederum größer als der Durchflussquerschnitt A23 der dritten Drosselstelle 23: A21 > A22 > A23. In einer Weiterführung der Erfindung kann die dritte Drosselstelle 23 dabei auch ganz entfallen. Das Bypassventil 1 befindet sich nun zunächst in der Bypassstellung, das heißt der Schließkörper 6 liegt an dem Ventilsitz 11 an und verschließt so die erste hydraulische Verbindung. Das Steuerventil 8 ist in dieser Stellung geöffnet, da es mit einer passive-fail-safe Funktion ausgelegt ist. Es ist also sowohl die zweite hydraulische Verbindung als auch die dritte hydraulische Verbindung geöffnet. Die dritte hydraulische Verbindung beinhaltet dabei die dritte Drosselstelle 23 und die zweite Drosselstelle 22, und die zweite hydraulische Verbindung beinhaltet dabei die erste Drosselstelle 21 und die zweite Drosselstelle 22.

Dadurch ergeben sich folgende Druckverhältnisse: Die Summe der

Durchflussquerschnitte an der ersten Drosselstelle 21 und der dritten

Drosselstelle 23, also A21 + A23, ist deutlich größer als der

Durchflussquerschnitt A22 an der zweiten Drosselstelle 22; daher stellt sich überall an dem Schließkörper 6 im Ventilraum 9 - und somit auch im Steuerraum 9a - der Einlassdruck, also der Druck des Einlasses 3 ein. Somit wird der

Schließkörper 6 durch die Federkraft der Feder 7 in den Ventilsitz 11 gedrückt.

Über die zweite Drosselstelle 22 wird der Druck zum Bypassauslass 5 wie gewünscht abgebaut.

Soll nun in den Expanderbetrieb umgeschaltet werden, also die erste

hydraulische Verbindung geöffnet werden, so muss das Steuerventil 8 (aktiv) geschlossen werden, so dass die erste Drosselstelle 21 und mit ihr die zweite hydraulische Verbindung geschlossen wird. Dadurch stellen sich folgende Druckverhältnisse ein: Über die dritte Drosselstelle 23, welche einen deutlich kleineren Durchflussquerschnitt als die zweite Drosselstelle 22 aufweist (A23 < A22) fällt der Druck im Steuerraum 9a unter den Druck des Einlasses 3 ab; der

Steuerraum 9a läuft quasi durch die zweite Drosselstelle 22 leer. Die Kräfte auf den in der Fig.2 linken Bereich des Schließkörpers 6 in Richtung des Ventilsitzes 11 werden dadurch deutlich reduziert. Auf den rechten Bereich des

Schließkörpers 6 wirken vom Expanderauslass 4 nahezu keine Kräfte, außerhalb der Sitzlinie IIa wirkt jedoch der hohe Druck des Einlasses 3 in Richtung von dem Ventilsitz 11 weg. Dadurch wird der Schließkörper 6 von dem Ventilsitz 11 weg entgegen der Federkraft der Feder 7 in den weiteren Ventilsitz 12 gedrückt und durch die Druckkräfte im weiteren Ventilsitz 12 gehalten. Die erste hydraulische Verbindung ist dann geöffnet und die zweite hydraulische

Verbindung sowie die dritte hydraulische Verbindung sind geschlossen.

Wird das Steuerventil 8 bzw. die zweite hydraulische Verbindung wieder geöffnet, baut sich wieder ein Druck im Steuerraum 9a zwischen dem

Schließkörper 6 und der zweiten Drosselstelle 22 auf, da der

Durchflussquerschnitt A21 durch die erste Drosselstelle 21 größer ist als der Durchflussquerschnitt A22 durch die zweite Drosselstelle 22. Unterstützt durch die Federkraft der Feder 7 verschiebt sich der Schließkörper 6 dann wieder in den Ventilsitz 11 und öffnet dabei auch die dritte hydraulische Verbindung.

Gleichzeitig wird die erste hydraulische Verbindung geschlossen.

Das erfindungsgemäße Bypassventil 1 kann somit durch sehr kleine Aktorkräfte des Steuerventils 8 angesteuert werden. Die Verschiebung des Schließkörpers 6 erfolgt daraufhin anhand der sich einstellenden Druckverhältnisse. Das

Steuerventil 8 kann dementsprechend günstig ausgeführt werden. Generell ist der Aufbau des Bypassventils 1 sehr einfach und kostengünstig ausgeführt. Weiterhin ist die Funktion des Bypassventils 1 sehr robust, da die Drosselstellen 21, 22, 23 keinem Verschleißrisiko ausgesetzt sind. Der vergleichsweise große Druckunterschied zwischen dem Expanderauslass 4 und dem Bypassauslass 5 im Einsatz des Bypassventils 1 in einem Abwärmerückgewinnungssystem 100 ist sehr vorteilhaft für den Einsatz des erfindungsgemäßen Bypassventils 1 in eben einem solchen Abwärmerückgewinnungssystem 100, da dadurch stark unterschiedliche Kräfte auf zwei Bereiche des Schließkörpers 6 realisiert werden können, was für die Funktionsweise des Bypassventils 1 wichtig ist.