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.