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Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einer Metallbalg-Zylinder-Einheit, wobei das Ventil durch die Metallbalg-Zylinder-Einheit angetrieben wird. Das erfindungsgemäße Ventil kann beispielsweise in einem Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine verwendet werden.
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Stand der Technik
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Ventile sind in vielfältigen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt. Ein bekanntes Ventil umfasst ein Ventilgehäuse und einen längsbeweglich in dem Ventilgehäuse angeordneten Schließkörper. In dem Ventilgehäuse sind zumindest ein Einlasskanal und zumindest ein Auslasskanal angeordnet. Der Schließkörper wirkt durch seine Längsbewegung mit einem am Ventilgehäuse ausgebildeten Ventilsitz zusammen und öffnet und schließt dadurch zumindest eine hydraulische Verbindung zwischen dem zumindest einen Einlasskanal und dem zumindest einen Auslasskanal. Ein derartiges Ventil ist beispielsweise als Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor aus der Offenlegungsschrift
DE102011004640 A1 bekannt.
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Weiterhin ist aus der Offenlegungsschrift
DE102013114769 A1 bekannt, dass derartige Ventile in einem Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine als Ein- bzw. Auslassventile für eine im Abwärmerückgewinnungssystem angeordnete Expansionsmaschine eingesetzt werden können.
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Aus der Veröffentlichungsschrift
DE112012004058 A1 ist ferner ein elektromagnetisch ansteuerbares Ventil bekannt, das als Bypassventil in einem Abwärmerückgewinnungssystem angeordnet ist.
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Aufgrund der Wirkweisen der bekannten Ventile sind Auf- und Zu-Stellungen schnell und robust ansteuerbar, Zwischen-Stellungen wie beispielsweise Drossel-Stellungen sind jedoch nicht mehr schnell und robust ansteuerbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Ventil, welches mit einer Metallbalg-Zylinder-Einheit antreibbar ist, weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sämtliche Ventil-Stellungen schnell und robust ansteuerbar sind. Dadurch können die Durchflüsse durch das Ventil quantitativ sehr gut gesteuert werden und auch etwaige Drosselfunktionen des Ventils sehr gut realisiert und verwendet werden.
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Dazu umfasst das Ventil ein Ventilgehäuse und einen längsbeweglich in dem Ventilgehäuse angeordneten Schließkörper. In dem Ventilgehäuse sind zumindest ein Einlasskanal und zumindest ein Auslasskanal angeordnet. Der Schließkörper wirkt durch seine Längsbewegung mit einem im Ventilgehäuse ausgebildeten Ventilsitz zusammen und öffnet und schließt dadurch zumindest eine hydraulische Verbindung zwischen dem zumindest einen Einlasskanal und dem zumindest einen Auslasskanal. Der Schließkörper ist durch eine Metallbalg-Zylinder-Einheit antreibbar. Die Metallbalg-Zylinder-Einheit weist einen längenveränderbaren Metallbalg auf, wobei der Metallbalg einen volumenveränderbaren Arbeitsraum dichtend begrenzt. Dadurch ist der Metallbalg zum einen Bestandteil des Antriebs des Ventils, zum anderen dichtet er aber auch den Arbeitsraum zur Umgebung ab.
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Vorteilhafterweise ist der Schließkörper von der Metallbalg-Zylinder-Einheit entgegen der Federkraft einer Ventilfeder antreibbar. Die Ventilfeder kann dadurch den Schließkörper auf einfach Weise zurück in seine Ausgangsposition drücken.
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Aufgrund der Ansteuerung durch die Metallbalg-Zylinder-Einheit ist das erfindungsgemäße Ventil sehr robust in allen möglichen Ventil-Stellungen ansteuerbar. Durch den Druck im Arbeitsraum der Metallbalg-Zylinder-Einheit wird der Schließkörper verschoben und somit eine bestimmte Ventil-Stellung erreicht. Vorteilhafterweise ist der Schließkörper dabei zwischen der Metallbalg-Zylinder-Einheit und einer Ventilfeder verspannt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Metallbalg-Zylinder-Einheit einen ersten Zylinder, wobei der erste Zylinder verschiebbar zum Ventilgehäuse angeordnet ist. Dadurch kann die Metallbalg-Zylinder-Einheit gedehnt bzw. gestaucht werden, indem der Metallbalg gedehnt bzw. gestaucht wird; es tritt dann eine Relativverschiebung zwischen erstem Zylinder und Ventilgehäuse auf. Der Schließkörper des Ventils wird somit auf einfache und zuverlässige Weise durch die sich dehnende bzw. stauchende Metallbalg-Zylinder-Einheit angetrieben. Der erste Zylinder muss dabei nicht zwangsweise zylindrisch geformt sein, sondern kann beispielsweise auch kegelförmig ausgeführt sein.
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Vorteilhafterweise umfasst die Metallbalg-Zylinder-Einheit einen zweiten Zylinder, wobei der zweite Zylinder fest mit dem Ventilgehäuse verbunden, insbesondere verschraubt ist. Dadurch ist der zweite Zylinder zum Ventilgehäuse fixiert und lediglich der erste Zylinder muss verschiebbar geführt sein. Der zweite Zylinder muss dabei nicht im Ganzen zylindrisch geformt sein, lediglich sein mit dem Metallbalg verbundener Teil weist vorteilhafterweise eine zylindrische oder auch keglige Form auf.
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In einer Ausführung des erfindungsgemäßen Ventils wirkt der erste Zylinder mit dem Schließkörper zusammen. Dadurch erfolgt eine direkte Kraftübertragung vom ersten Zylinder auf den Schließkörper. Etwaige Montagetoleranzen zwischen erstem Zylinder und Schließkörper können ausgeglichen werden, indem der Kontakt zwischen erstem Zylinder und Schließkörper reibschlüssig ausgeführt ist.
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In einer anderen Ausführung des erfindungsgemäßen Ventils sind der erste Zylinder und der Schließkörper einteilig ausgeführt. Dadurch wird die Bauteilanzahl des Ventils reduziert, und das Ventil kann dementsprechend günstiger hergestellt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Ventils ist im zweiten Zylinder eine Zylinderbohrung ausgebildet. Im Inneren des Metallbalgs ist zwischen dem ersten Zylinder und dem zweiten Zylinder ein volumenveränderbares Zusatzvolumen ausgebildet, welches zusammen mit der Zylinderbohrung den Arbeitsraum bildet. Dadurch kann der Arbeitsraum auf einfache Art und Weise durch die Zylinderbohrung befüllt bzw. entleert werden.
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In einer alternativen Ausführung ist im ersten Zylinder eine Sacklochbohrung ausgebildet und im zweiten Zylinder eine Zylinderbohrung. Im Inneren des Metallbalgs ist zwischen dem ersten Zylinder und dem zweiten Zylinder ein volumenveränderbares Zusatzvolumen ausgebildet. Die Sacklochbohrung bildet zusammen mit der Zylinderbohrung und dem Zusatzvolumen den Arbeitsraum. Dadurch wird zum einen der Arbeitsraum vergrößert, so dass der Druckanstieg innerhalb der Metallbalg-Zylinder-Einheit besser gesteuert werden kann. Zum anderen wird durch die Sacklochbohrung die bewegte Masse des ersten Zylinders reduziert und somit seine Trägheit; sämtliche Ventil-Stellungen können damit ohne Nachschwingungen zuverlässig und schnell angesteuert werden.
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In einer Weiterbildung des Ventils ist der Arbeitsraum von einer Steuereinheit mit einem Arbeitsfluid befüllbar, wobei die Zylinderbohrung durch eine Anschlussleitung mit der Steuereinheit verbunden ist. Das Arbeitsfluid kann so auf einfach Weise durch die Zylinderbohrung in den Arbeitsraum gefördert werden bzw. aus diesem entleert werden. Vorzugsweise füllt bzw. entleert die Steuereinheit den Arbeitsraum in Abhängigkeit unterschiedlicher physikalischer Größen, beispielsweise eines Drucks und/oder einer Temperatur im Einlasskanal. Als Arbeitsfluid kann dabei sowohl eine Flüssigkeit als auch Gas verwendet werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Ventils umfasst der Schließkörper einen ersten Schließzylinder und einen zweiten Schließzylinder. Der erste Schließzylinder wirkt mit dem Ventilsitz zusammen, und der zweite Schließzylinder wirkt mit einem im Ventilgehäuse ausgebildeten weiteren Ventilsitz zusammen. Durch den weiteren Ventilsitz wird die Funktionalität des Ventils erweitert.
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Vorteilhafterweise ist im Ventilgehäuse ein weiterer Auslasskanal angeordnet, wobei der zweite Schließzylinder mit dem weiteren Ventilsitz zusammenwirkt und dadurch eine weitere hydraulische Verbindung zwischen dem Einlasskanal und dem weiteren Auslasskanal öffnet und schließt. Dadurch hat das Ventil drei Anschlüsse und mindestens zwei Ventil-Stellungen. Beispielsweise kann durch diese Ausführung ein 3/2-Wegeventil abgebildet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist in einer ersten Ventilstellung des Ventils die erste hydraulische Verbindung geöffnet und die zweite hydraulische Verbindung geschlossen ist und in einer zweiten Ventilstellung des Ventils die erste hydraulische Verbindung geschlossen und die zweite hydraulische Verbindung geöffnet. Dadurch ist gewährleistet, dass in den beiden End-Stellungen des Ventils die erste hydraulische Verbindung bzw. die zweite hydraulische Verbindung geschlossen ist, während die jeweils andere hydraulische Verbindung geöffnet ist. Somit kann das Ventil beispielsweise sehr gut als Bypass-Ventil eingesetzt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung sind in einer dritten Ventilstellung des Ventils die erste hydraulische Verbindung und die zweite hydraulische Verbindung geöffnet. Dadurch kann beispielsweise ein 3/3-Wegeventil abgebildet werden. Die zuverlässige und schnelle Ansteuerung von Ventil-Stellungen eignet sich besonders gut für Ventile, welche eine Vielzahl von Ventil-Stellungen haben. Der Massenstrom eines Fluids vom Einlasskanal zum Auslasskanal bzw. zum weiteren Auslasskanal kann dadurch beliebig aufgeteilt werden.
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In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung sind in einer dritten Ventilstellung des Ventils die erste hydraulische Verbindung und die zweite hydraulische Verbindung geschlossen. Dadurch können sowohl der Auslasskanal als auch der weitere Auslasskanal verschlossen werden. Das Ventil erfüllt in dieser Ventil-Stellung die Funktion von zwei Sperrventilen.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist das erfindungsgemäße Ventil in einem Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine angeordnet. Das Abwärmerückgewinnungssystem umfasst einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf, wobei der Kreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums einen Sammelbehälter, 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 Ventil. 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.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführung ist das erfindungsgemäße Ventil in einem weiteren Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine angeordnet. Das weitere Abwärmerückgewinnungssystem weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf, wobei der Kreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums einen Sammelbehälter, eine Pumpe, ein Verteilerventil, zwei Verdampfer in Parallelschaltung, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator umfasst. Das Verteilerventil steuert die Massenströme des Arbeitsmediums zu den zwei Verdampfern. Das Verteilerventil ist das erfindungsgemäße Ventil. Dadurch kann in Abhängigkeit der Leistungsfähigkeit der zwei Verdampfer der Massenstrom des Arbeitsmediums auf die zwei Verdampfer optimal aufgeteilt werden. Auch bei sich schnell ändernden Betriebssituationen der Brennkraftmaschine können somit nahezu beliebige Ventil-Stellungen des Ventils schnell angesteuert werden.
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Zeichnungen
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1 zeigt einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ventils, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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2 zeigt einen Längsschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ventils, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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3 zeigt einen Längsschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ventils, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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4 zeigt einen Längsschnitt einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ventils, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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5 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel des Ventils wie die 4, jedoch zusätzlich mit einer Ansteuerung der Metallbalg-Zylinder-Einheit, wobei die Ansteuerung nur schematisch dargestellt ist.
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6 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Ventil innerhalb eines Abwärmerückgewinnungssystems.
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7 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Ventil innerhalb eines weiteren Abwärmerückgewinnungssystems.
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Beschreibung
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1 zeigt einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ventils 1, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Das Ventil 1 umfasst eine Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 und ein Ventilgehäuse 4, wobei in dem Ventilgehäuse 4 ein Einlasskanal 5 und ein Auslasskanal 6 ausgebildet sind. Weiterhin ist in dem Ventilgehäuse 4 eine Gehäusebohrung 7 ausgebildet, in die der Einlasskanal 5 und der Auslasskanal 6 münden. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist das Ventilgehäuse 4 zweiteilig ausgeführt, mit einem ersten Gehäuseteil 4a und einem zweiten Gehäuseteil 4b, die miteinander verschraubt sind.
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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 in der Gehäusebohrung 7 angeordnet. Der zweite Zylinder 21 ist starr zum Ventilgehäuse 4 angeordnet.
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Im zweiten Zylinder 21 ist eine Zylinderbohrung 21a ausgebildet und im ersten Zylinder 22 eine Sacklochbohrung 22a. Zusätzlich zur Sacklochbohrung 22a können im ersten Zylinder 22 weitere Bohrungen ausgebildet sein, um beispielweise weitere Ventile 1 in Reihe zu schalten. Der Metallbalg 20 ist den ersten Zylinder 22 und den zweiten Zylinder 21 zumindest teilweise umgebend angeordnet, so dass das Innere des Metallbalgs 20 hydraulisch mit der Zylinderbohrung 21a und Sacklochbohrung 22a verbunden ist und sich dadurch ein Arbeitsraum 23 ausbildet. Der Arbeitsraum 23 umfasst somit die Zylinderbohrung 21a, die Sacklochbohrung 22a und ein im Inneren des Metallbalgs 20 ausgebildetes Zusatzvolumen 20a, welches aufgrund der Dehnbarkeit des Metallbalgs 20 variabel ist. Vorzugsweise ist der Metallbalg 20 aus einem gut verformbaren dünnen Metall gefertigt.
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In einer zur 1 alternativen Ausführungsform kann der Metallbalg 20 auch teilweise innerhalb der Sacklochbohrung 22a angeordnet sein, so dass ein Druckanstieg im Arbeitsraum 23 die Dichtwirkung zwischen Metallbalg 20 und erstem Zylinder 22 unterstützt, indem die Flächenpressung zwischen Metallbalg 20 und erstem Zylinder 22 erhöht wird.
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Am ersten Zylinder 22 ist ein Schließkörper 3 angeordnet, beispielweise angeschraubt oder aufgepresst. Der Schließkörper 3 wirkt durch die Längsbewegung des ersten Zylinders 22 mit einem am Ventilgehäuse 4 ausgebildeten Ventilsitz 8 zusammen und öffnet und schließt dadurch eine hydraulische Verbindung vom Einlasskanal 5 zum Auslasskanal 6. Der Schließkörper 3 wird von einer in der Gehäusebohrung 7 angeordneten Ventilfeder 9 gegen den Ventilsitz 8 gedrückt. Bei Befüllung des Arbeitsraums 23 dehnt sich die Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 entgegen der Federkraft der Ventilfeder 9 aus und der Schließkörper 3 wird vom Ventilsitz 8 abgehoben. Bei Entleerung des Arbeitsraums 23 wird die Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 durch die Federkraft der Ventilfeder 9 zusammengestaucht und der Schließkörper 3 wird gegen den Ventilsitz 8 gedrückt. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist das Zusammenwirken von Schließkörper 3 und Ventilsitz 8 dabei als Tellerventil ausgeführt.
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In alternativen Ausführungsformen weist der erste Zylinder 22 keine Sacklochbohrung 22a auf, so dass der Arbeitsraum 23 nur die Zylinderbohrung 21a und das Zusatzvolumen 20a umfasst. Dies verringert zwar das Volumen des Arbeitsraums 23, gleichzeitig werden jedoch die Fertigungskosten für den ersten Zylinder 22 gesenkt. Auch die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele können jeweils alternativ ohne Sacklochbohrung 22a ausgeführt werden.
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2 zeigt einen Längsschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ventils 1, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 1 eingegangen.
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In dem Ausführungsbeispiel der 2 ist der zweite Zylinder 21 mit dem Ventilgehäuse 4 verschraubt. Der erste Zylinder 22 und der nadelförmige Schließkörper 3 sind einteilig ausgeführt. Der Ventilsitz 8 ist den Einlasskanal 5 ringförmig umgebend angeordnet. Die Ventilfeder 9 ist zwischen dem ersten Zylinder 22 und dem Ventilgehäuse 4 verspannt und wirkt im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 öffnend auf den Schließkörper 3.
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3 zeigt einen Längsschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ventils 1, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Auch hier wird im Folgenden nur auf die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel der 1 eingegangen.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der Schließkörper 3 mit dem ersten Zylinder 22 einteilig ausgeführt. Dazu ist der erste Zylinder 22 längsbeweglich in der Gehäusebohrung 7 angeordnet, wobei die Gehäusebohrung 7 auch den Ventilsitz 8 darstellt. Das Ventil 1 ist somit als Schieberventil ausgeführt. Die Ventilfeder 9 ist zwischen erstem Zylinder 22 und Ventilgehäuse 4 verspannt und wirkt öffnend auf die hydraulische Verbindung zwischen dem Einlasskanal 5 und dem Auslasskanal 6. In alternativen Ausführungsformen kann die Ventilfeder 9 jedoch auch schließend wirken.
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4 zeigt einen Längsschnitt einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ventils 1, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Das Ventil 1 der 4 ist als Schieberventil mit zwei Auslasskanälen 6, 6b ausgeführt. Dazu münden der Auslasskanal 6 und ein weiterer Auslasskanal 6b in die Gehäusebohrung 7. Der Schließkörper 3 umfasst 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.
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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. Der zweite Zylinder 21 ist fest mit dem Ventilgehäuse 4 verschraubt.
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Am Ventilgehäuse 4 sind der Ventilsitz 8 und ein weiterer Ventilsitz 8b ausgebildet, wobei der Ventilsitz 8 den Auslasskanal 6 umgibt und der weitere Ventilsitz 8b den weiteren Auslasskanal 6b. Im Ausführungsbeispiel der 4 sind der Ventilsitz 8 und der weitere Ventilsitz 8b als Teilbereiche der Gehäusebohrung 7 ausgebildet. Der erste Schließzylinder 3a wirkt mit dem Ventilsitz 8 zusammen und der zweite Schließzylinder 3b mit dem weiteren Ventilsitz 8b.
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Die 5 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel des Ventils 1 wie die 4, jedoch zusätzlich mit einer Ansteuerung der Metallbalg-Zylinder-Einheit 2, wobei die Ansteuerung nur schematisch dargestellt ist. Die Ansteuerung des Ventils 1 erfolgt durch eine Steuereinheit 50. Die Steuereinheit 50 umfasst ein Steuerventil 53, zwei elektrische Anschlüsse 61, 62, einen Niederdruckspeicher 51, eine Druckversorgung 52 und eine Anschlussleitung 54.
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Die Anschlussleitung 54 führt vom Steuerventil 53 zu der Zylinderbohrung 21a der Metallbalg-Zylinder-Einheit 2. Über das Steuerventil 53 ist die Anschlussleitung 54 schaltbar entweder mit dem Niederdruckspeicher 51 oder mit der Druckversorgung 52 hydraulisch oder pneumatisch gekoppelt. Der Niederdruckspeicher 51 bzw. die Druckversorgung 52 können dabei beispielsweise mit einem Hydrauliköl oder mit Luft gefüllt sein; dementsprechend erfolgt die Ansteuerung der Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 entweder hydraulisch oder pneumatisch. Die Ansteuerung des Steuerventils 53 erfolgt elektrisch durch die beiden elektrischen Anschlüsse 61, 62 und wird vorzugsweise von einem nicht dargestellten Steuergerät ausgeführt.
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6 zeigt das erfindungsgemäße Ventil 1 innerhalb eines Abwärmerückgewinnungssystems 100 als Bypass-Ventil. 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 Ventil 1 als Bypass-Ventil, 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 Brennkraftmaschine verdampft. Das verdampfte Arbeitsmedium wird anschließend in der Expansionsmaschine 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.
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Erfindungsgemäß wird das Ventil 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 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 Ventil 1 verbunden. Das Ventil 1 wird so geschaltet, dass das Arbeitsmedium entweder durch die Expansionsmaschine 104 geführt wird, oder durch die Bypassleitung 106. Ist das Ventil 1 als 3/3-Wegeventil ausgebildet, dann kann der Massenstrom des Arbeitsmediums auch aufgeteilt werden, so dass ein Teil des Arbeitsmediums der Expansionsmaschine 104 zugeführt wird und ein weiterer Teil der Bypassleitung 106.
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7 zeigt das erfindungsgemäße Ventil 1 innerhalb eines alternativen weiteren Abwärmerückgewinnungssystems 100‘ als Verteilerventil 1. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 6 umfasst der Kreislauf 100a‘ dieses weiteren Abwärmerückgewinnungssystems 100‘ einen ersten Verdampfer 103a und einen zweiten Verdampfer 103b in Parallelschaltung; beispielsweise kann der erste Verdampfer 103a an eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine und der zweite Verdampfer 103b an eine Abgasrückführleitung der Brennkraftmaschine angeschlossen sein.
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Das erfindungsgemäße Ventil 1 ist als 3/3-Wegeventil ausgebildet und vor den beiden Verdampfern 103a, 103b angeordnet, so dass es den Massenstrom des Arbeitsmediums zu den beiden Verdampfern 103a, 103b aufteilt. Beispielhaft sind ein erster Drucksensor 111 nach dem ersten Verdampfer 103a und ein zweiter Drucksensor 112 nach dem zweiten Verdampfer 103b angeordnet, die als Steuergrößen innerhalb des Abwärmerückgewinnungssystems 100‘ verwendet werden können. Die Signale der beiden Drucksensoren 111, 112 werden dem Steuergerät 108‘ zugeführt, welches aus diesen Daten eine Ansteuerung für die Steuereinheit 50 ermittelt und die Steuereinheit 50 entsprechend ansteuert, so dass das Ventil 1 den Massenstrom des Arbeitsmediums optimal auf die beiden Verdampfer 103a, 103b aufteilt.
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Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ventils 1 ist wie folgt:
Das Ventil 1 wird durch die Steuereinheit 50 angesteuert. Das heißt: das Steuerventil 53 verbindet die Zylinderbohrung 21a der Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 entweder mit dem Niederdruckspeicher 51 oder mit der Druckversorgung 52. Der Niederdruckspeicher 51 ist mit unter Atmosphärendruck stehendem Arbeitsfluid – beispielsweise Hydrauliköl oder Luft – gefüllt. Die Druckversorgung 52 dagegen weist unter Arbeitsdruck – beispielsweise 1,5 bar bis 15 bar – stehendes Arbeitsfluid auf.
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Ist die Zylinderbohrung 21a mit dem Niederdruckspeicher 51 verbunden, so steht auch der Arbeitsraum 23 der Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 unter dem Druckniveau des Niederdruckspeichers 51, und der Schließkörper 3 wird von der Ventilfeder 9 in eine erste Ventilstellung in Richtung der Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 gedrückt, so dass der Metallbalg 20 gestaucht wird.
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Ist die Zylinderbohrung 21a mit der Druckversorgung 52 verbunden, so steht auch der Arbeitsraum 23 der Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 unter dem Druckniveau der Druckversorgung 52. Der Schließkörper 3 wird so durch den Druck des Arbeitsfluids auf den ersten Zylinder 22 entgegen der Federkraft der Ventilfeder 9 in eine zweite Ventilstellung von der Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 weggedrückt, so dass der Metallbalg 20 gedehnt wird.
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Je nach Ausführungsform des Ventils 1 haben die erste und die zweite Ventilstellung unterschiedliche Funktionen:
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– Ausführungsform der Fig. 1:
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- – Erste Ventilstellung: Der Schließkörper 3 wird durch die Ventilfeder 9 gegen den Ventilsitz 8 gedrückt und verschließt dadurch die hydraulische Verbindung vom Einlasskanal 5 zum Auslasskanal 6.
- – Zweite Ventilstellung: Der Schließkörper 3 wird durch die Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 vom Ventilsitz 8 weggedrückt und öffnet dadurch die hydraulische Verbindung vom Einlasskanal 5 zum Auslasskanal 6.
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– Ausführungsformen der Fig. 2 und Fig. 3:
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- – Erste Ventilstellung: Der Schließkörper 3 wird durch die Ventilfeder 9 vom Ventilsitz 8 weggedrückt bzw. weggeschoben und öffnet dadurch die hydraulische Verbindung vom Einlasskanal 5 zum Auslasskanal 6.
- – Zweite Ventilstellung: Der Schließkörper 3 wird durch die Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 gegen den Ventilsitz 8 gedrückt bzw. über den Ventilsitz 8 geschoben und schließt dadurch die hydraulische Verbindung vom Einlasskanal 5 zum Auslasskanal 6.
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– Ausführungsformen der Fig. 4 und Fig. 5 als 3/2-Wegeventil:
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- – Erste Ventilstellung: Der erste Schließzylinder 3a wird durch die Ventilfeder 9 vom Ventilsitz 8 weggeschoben und gleichzeitig der zweite Schließzylinder 3b über den weiteren Ventilsitz 8b geschoben. Dadurch wird die hydraulische Verbindung vom Einlasskanal 5 zum Auslasskanal 6 geöffnet und eine weitere hydraulische Verbindung vom Einlasskanal 5 zum weiteren Auslasskanal 6b geschlossen.
- – Zweite Ventilstellung: Der zweite Schließzylinder 3b wird durch die Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 über den Ventilsitz 8 geschoben und gleichzeitig der zweite Schließzylinder 3b vom weiteren Ventilsitz 8b weggeschoben. Dadurch wird die hydraulische Verbindung vom Einlasskanal 5 zum Auslasskanal 6 geschlossen und die weitere hydraulische Verbindung vom Einlasskanal 5 zum weiteren Auslasskanal 6b geöffnet.
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– Ausführungsformen der Fig. 4 und Fig. 5 als 3/3-Wegeventil: Diese Ausführungsformen weisen zusätzlich zu den oben beschriebenen Ausführungsformen eine dritte Ventilstellung auf:
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- – Erste Ventilstellung: wie oben beim 3/2-Wegeventil.
- – Zweite Ventilstellung: wie oben beim 3/2-Wegeventil.
- – Dritte Ventilstellung: Die dritte Ventilstellung ist eine Zwischenstellung zwischen der ersten und zweiten Ventilstellung, das heißt der Arbeitsraum 23 der Metallbalg-Zylinder-Einheit steht unter einem Druckniveau, welches zwischen dem Druckniveau des Niederdruckspeichers 51 und dem Druckniveau der Druckversorgung 52 liegt; dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, indem dem Arbeitsraum 23 nur kurzzeitig unter Druck stehendes Arbeitsfluid aus der Druckversorgung 52 zugeführt wird, oder indem das Steuerventil 53 einen weiteren Anschluss zu einem Zwischendruckspeicher aufweist. In der dritten Ventilstellung ist sowohl die hydraulische Verbindung vom Einlasskanal 5 zum Auslasskanal 6 als auch die weitere hydraulische Verbindung vom Einlasskanal 5 zum weiteren Auslasskanal 6b geöffnet.
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Bei allen gezeigten Ausführungsformen des Ventils 1 verschiebt die Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 bei Befüllung des Arbeitsraums 23 den Schließkörper 3 entgegen der Federkraft der Ventilfeder 9. Alternativ zur Ventilfeder 9 können jedoch auch Ausführungen mit einer Membran oder einem Kompressionsvolumen verwendet werden, welche den Schließkörper 3 bei Entleerung des Arbeitsraums 23 wieder zurückschieben, so dass die Metallbalg-Zylinder-Einheit 2 gestaucht wird.
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Die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ventils 1 der 4 und 5 als 3/3-Wegeventil eignen sich sehr gut für die Verwendung innerhalb eines Abwärmerückgewinnungssystems 100, 100‘ einer Brennkraftmaschine, wie in den 6 und 7 dargestellt. Dabei kann die dritte Ventilstellung so gestaltet sein, dass sowohl die hydraulische Verbindung vom Einlasskanal 5 zum Auslasskanal 6 als auch die weitere hydraulische Verbindung vom Einlasskanal 5 zum weiteren Auslasskanal 6b entweder geöffnet oder geschlossen sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011004640 A1 [0002]
- DE 102013114769 A1 [0003]
- DE 112012004058 A1 [0004]
