DE4305362A1 - Verfahren zum Abgleich eines gepulsten elektromagnetischen Ventils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleich eines Volumenstroms, der durch ein elektromagnetisch betätigtes Durchflußventil fließt, in Abhängigkeit von einem Tastver­ hältnis einer Impulsfolge, die an die Erregerspule des einen Ventilkörper betätigenden Elektromagneten angelegt ist nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Steuerung eines Volumenstromes kann ein elektromagnetisches Schaltventil mit einer Impulsfolge beaufschlagt werden, wobei sich ein dem Tastverhältnis der Impulsfolge entsprechender Volumenstrom einstellt. Zur Steuerung des Volumenstroms ist daher lediglich eine Änderung des Tastverhältnisses notwendig, wodurch der technische Aufwand gering gehalten werden kann. Bei einem derartigen gepulsten elektrischen Durchflußventil kann jedem Tastverhältnis ein Volumenstrom fester Größe zugeordnet werden, was auf dem Gebiet der Fluidik vorteilhaft ist.

In der Serienfertigung von elektromagnetischen Durchfluß­ ventilen kommt es jedoch aufgrund von Fertigungstoleranzen zu nicht unerheblichen Streuungen in der Zuordnung zwischen Tastverhältnis und Größe des Volumenstroms. Nach der Montage eines Durchflußventils ist daher ein Abgleich zwischen dem Tastverhältnis und dem Volumenstrom zwingend notwendig. Hier zu wird an die Erregerspule eine Impulsfolge mit vorge­ gebenem Tastverhältnis und vorgegebener fester Amplitude angelegt und der sich nach einer Einschwingzeit einstellende Volumenstrom gemessen. Entsprechend der festgestellten Abweichung des gemessenen Volumenstroms von dem dem vorge­ gebenen Tastverhältnis zugeordneten Volumenstrom wird eine vorzugsweise auf der Ventilauslaßseite angeordnete Drossel eingestellt. Nach jeder Einstellung der Drossel muß der sich einstellende neue Volumenstrom wieder gemessen werden und ist mit dem zugeordneten Volumenstrom erneut zu vergleichen. Ein derartiger Abgleichvorgang ist sehr zeitaufwendig und damit auch kostentreibend und hat ferner den Nachteil, daß selbst bei optimaler Auslegung des Abgleichvorgangs selbst minimale Abgleichzeiten nicht unterschritten werden können. In der Serienfertigung kann der Ausstoß abgeglichener Durchflußventile somit nur durch weitere, parallel arbeitende Abgleichstationen gesteigert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abgleich von elektromagnetischen Durchflußventilen anzu­ geben, mit dem bei hoher Genauigkeit minimale Abgleichs­ zeiten erzielbar sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der wesentliche Schritt zur Erzielung minimaler Abgleich­ zeiten liegt darin, daß der Volumenstrom nicht mehr unmittelbar, sondern nur noch über ihn mitbestimmende Größen mittelbar erfaßt wird. Hierbei wird ausgenutzt, daß bei Anlegen einer. Impulsfolge mit vorgegebenem Tastverhältnis und fester Amplitude die Größe des Volumenstroms von den Öffnungs- und Schließzeiten des Ventilkörpers unmittelbar abhängig ist. Kurze Öffnungszeiten und lange Schließzeiten führen zu einem größeren Volumenstrom; langsame Öffnungs­ zeiten und kurze Schließzeiten führen zu einem geringen Volumenstrom. Die Schließzeiten selbst sind dabei insbe­ sondere abhängig von den auf den Ventilkörper wirkenden Kräften, insbesondere Reibungskräften, Federkräften und Magnetkräften. Gemäß der Erfindung wird die Öffnungszeit und die Schließzeit eines abzugleichenden Druchflußventils gemessen, was nur eines geringen Zeitaufwandes bedarf. Diese gemessenen Zeiten werden dann mit den Zeiten verglichen, die dem Volumenstrom bei vorgegebenem Tastverhältnis und Ampli­ tude der Impulsfolge zugeordnet sind. Diese zugeordneten Werte werden an einem Musterventil ermittelt und in ein Kennfeld oder dgl. aufgenommen, in welchem ferner die bei den jeweiligen Zeiten wirkenden Federkräfte und Stromgrößen eingetragen sind. Entsprechend der ermittelten Zeitdifferenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert wird die auf den Ventilkörper wirkende Kraft im Sinne eines Vergrößerns oder Verkleinerns der Öffnungs- und/oder Schließzeit eingestellt.

Vorteilhaft wird die auf den Ventilkörper wirkende Feder­ kraft eingestellt, die sowohl auf die Öffnungszeit wie auf die Schließzeit Einfluß hat. Dies kann in einfacher Weise durch Ein- oder Ausdrehen einer Einstellschraube erfolgen, an der die Feder abgestützt ist.

Ein ohne großen technischen Aufwand mögliches Abgleichen ist durch Anschalten eines ohmschen Abgleichwiderstandes in den Erregerkreis möglich. Hierdurch ist ein Einstellen des Erregerstroms ohne Änderung von dessen Tastverhältnis möglich, wodurch die Öffnungszeit des Durchflußventils ohne Änderung der Schließzeit einstellbar ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der nachfolgend ein im einzelnen beschriebenes Ausführungs­ beispiel der Erfindung dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein elektromagnetisches Durchflußventil,

Fig. 2 ein Schaubild zur Abhängigkeit der Größe V des Volumenstroms zum Tastverhältnis T1/T0 der an der Erregerspule anliegenden Impulsfolge,

Fig. 3 eine Darstellung einer Impulsfolge,

Fig. 4 ein Schaubild des Schaltverhaltens des Ventilkörpers des Durchflußventils nach Fig. 1.

Das in Fig. 1 dargestellte Elektromagnetventil 1 besteht im wesentlichen aus einem einen Ventilkörper 33 betätigenden Elektromagneten 2 sowie einem Durchflußventil 4. Das Durch­ flußventil 4 weist einen Ventileinlaß 5 auf, welcher in eine Ventilkammer 6 mündet. Die Ventilkammer 6 ist über eine Ventildüse 8 mit einer Ventilkammer 7 verbunden, aus der ein Fluidum über einen Ventilauslaß 9 abströmen kann. Die Ventildüse 8 besteht aus einem Ventilsitz 13, dem der Ventilkörper 3 gegenüberliegt. Der Ventilkörper 33 ist durch den Anker 15 des Elektromagneten 2 und einer auf der dem Ventilsitz 13 zugewandten Stirnseite des Ankers 15 befestigten elastomeren Ventilplatte 3 gebildet. Der Anker 15 ist Teil eines magnetischen Kreises, der aus einem Spulenkern, einem topfförmigen Metallgehäuse 10 und einer dieses verschließenden Polplatte 11 besteht. Der Kern 14 und der Anker 15 liegen zueinander axial ausgerichtet innerhalb eines Spulenträgers 16, der die Erregerspule 12 hält. Im Zentrum des ringförmigen Spulenträgers 16 liegt der gehäuse­ feste Kern 14 und der axial beweglich gehaltene Anker 15. Der Spulenträger 16 besteht bevorzugt aus Kunststoff und weist an seinem der Polplatte 11 zugewandten Ende eine umlaufende Dichtlippe 17 auf, welche abdichtend an der Innenwand des topfförmigen Metallgehäuses 10 anliegt.

Zwischen dem Spulenkörper 16 und dem Kern 14 bzw. dem Anker 15 ist nach Art einer Gleitbuchse ein dünnwandiges Zylinder­ rohr 18 angeordnet, welches die Polplatte 11 durchragt und dichtend an dieser anliegt.

Zwischen dem Anker 15 und dem Spulenkern 14 ist eine Schraubenfeder 20 angeordnet, welche sich an ihrem dem Anker 15 abgewandten Ende an einem Widerlager 19 abstützt. Das Widerlager ist an dem einen Ende einer Einstellschraube 21 angeordnet, welche zentral in den Kern 14 eingeschraubt ist. Durch Ein- oder Ausschrauben der Einstellschraube 21 ist die Vorspannkraft der auf den Anker 15 wirkenden Schraubenfeder 20 einstellbar.

Die Anschlüsse 22 und 23 der Erregerspule 12 sind durch den Boden des Metallgehäuses 10 nach außen geführt.

Das gezeigte Elektromagnetventil 1 ist stromlos geschlossen, da die Kraft der Schraubenfeder 20 den Anker 15 mit dem an seiner außenliegenden Stirnseite angeordneten Ventilkörper 33 auf den Ventilsitz 13 drückt. Liegt an den Anschlüssen 22, 23 eine Erregerspannung an, ist die auf den Anker 15 wir­ kende Magnetkraft der Kraft der Schraubenfeder 20 entgegen­ gerichtet. Die Magnetkraft ist größer als die Kraft der Schraubenfeder 20 ausgelegt, so daß der Anker 15 in Richtung auf den Kern 14 angezogen wird und sich die Ventilplatte 3 des Ventilkörpers 33 vom Ventilsitz 13 abhebt. In dieser in Fig. 1 dargestellten Öffnungsstellung liegt der Anker 15 über einen elastischen Dämpfungsring 24 an der zugewandten Stirnseite des Spulenkerns 14 an. Der Dämpfungsring 24 und die Ventilplatte 3 sind als einteiliges elastisches Bauteil ausgebildet, wobei der im Querschnitt kreisförmige Verbin­ dungssteg zwischen den Teilen in einer zentralen Bohrung des Ankers 15 eingeknöpft ist.

Bei geöffnetem Durchflußventil 4 stellt sich ein mit Pfeilen angedeuteter Volumenstrom 25 maximaler Größe ein.

Wird an die elektrischen Anschlüsse 22 und 23 eine Impuls­ folge 26 angelegt, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, schaltet das Durchflußventil wiederholt zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung, so daß sich ein Volumenstrom 25 geregelter Größe ergibt. Die Größe des Volumenstroms ist dabei unmittelbar proportional dem Tastverhältnis T₁/T₀ der Impulsfolge 26, wie dies in Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Die Abhängigkeit ist der Einfachheit halber als linear angenommen und als Gerade 27 dargestellt.

Zum Abgleich eines Elektromagnetventils gemäß Fig. 1 ist der Arbeitspunkt AP einzustellen. Hierzu wird an die elek­ trischen Anschlüsse 22, 23 ein Erregerstrom in Form einer Impulsfolge 26 mit dem Tastverhältnis T_AP und einer Impulsamplitude I₀ angelegt. Mit der ansteigenden Flanke 28 des Impulses 30 wird ein Erregerstrom fließen, der in Abhängigkeit der Induktivität der Erregerspule 12 und des Luftspaltes zwischen dem Kern 14 und dem Anker 15 eine magnetische Kraft auf den Anker 15 wirken läßt. Der Anker 15 wird aus der Schließstellung am Ventilsitz 13 in die Fig. 1 gezeigte Öffnungsstellung bewegt, wobei die Öffnungszeit t₁ (Fig. 4) im wesentlichen abhängig ist von der Kraft der Schraubenfeder 20 und der auf den Anker 15 einwirkenden Reibungskräfte. Mit der abfallenden Flanke 29 des Impulses 30 wird der Anker 15 unter der Wirkung der Kraft der Schrau­ benfeder 20 in Richtung auf die Schließstellung bewegt, wobei die Schließzeit t₂ (Fig. 4) abhängig ist von der Federkraft der Schraubenfeder 20, der Induktivität der Spule 12 und der auf den Anker 15 wirkenden Reibungskräfte.

Wie Fig. 4 zeigt, ergibt sich bei Anlegen eines Impulses 30 an die elektrischen Anschlüsse 22, 23 der Erregerspule 12 der in Fig. 4 dargestellte Bewegungsablauf des Ankers 15 bzw. des Ventilkörpers 3, wobei die Fläche B unmittelbar proportional der Größe des Volumenstroms ist. Die Öffnungs­ zeit t₁ und die Schließzeit t₂ sind daher unmittelbare Einflußgrößen des Volumenstroms 25. Bei einer Impulsfolge 26 mit fest vorgegebenem Tastverhältnis kann durch Einstellung der auf den Anker 15 wirkenden Kräfte die Öffnungszeit t₁ wie die Schließzeit t₂ beeinflußt werden, wodurch ein Einstellen des Volumenstroms 25 bei fest vorgegebenem Tastverhältnis möglich ist.

Um ein Elektromagnetventil abzugleichen, wird mit einem Körperschallmesser 40, dessen Sensor 41 am Metallgehäuse 10 oder am Durchflußventil 4 anliegt, die Öffnungszeit t₁ bzw. die Schließzeit t₂ gemessen. Durch Ein- bzw. Ausdrehen der Einstellschraube 21 kann die wirkende Federkraft der Schraubenfeder 20 eingestellt und somit die Öffnungszeit wie die Schließzeit beeinflußt werden. Nach jeder Einstellung kann durch einfaches Ein- und Ausschalten der aktuelle Meßwert t₁ bzw. t₂ ermittelt werden und durch Vergleich mit den dem vorgegebenen Tastverhältnis zugeordneten Öffnungs­ zeiten und Schließzeiten der Abgleich überprüft werden. Die durch Änderung der Vorspannkraft der Schraubenfeder 20 sich ergebenden Veränderungen des Hubverlaufs des Ankers 15 sind in Fig. 4 rechts dargestellt.

Vorteilhaft wird ein Abgleich durch ein in den Erregerkreis geschalteten ohmschen Abgleichwiderstand R durchgeführt. Wird z. B. ein Ist-Wert t₁ ermittelt, der größer als der Soll-Wert ist, so liegt der Betriebspunkt B des elektromagnetischen Durchlußventils unterhalb des Arbeits­ punktes AP (Fig. 2). Um den Volumenstrom anzuheben, muß der Wert des Abgleichwiderstandes R im Erregerkreis gesenkt werden, wodurch sich ein höherer Impulsstrom I₁ (Fig. 3) einstellt. Das Tastverhältnis der Impulsfolge 26 bleibt unverändert. Durch den größeren Erregerstrom I₁ erfährt der Anker 15 eine größere magnetische Kraft, weshalb die Öffnungszeit T₁ um Δt kleiner wird. Die steilere Hubflanke bewirkt, daß sich die Fläche B um die Teilfläche A ver­ größert, wodurch der Volumenstrom 25 erhöht wird. Der Betriebspunkt B wird um ΔV auf den Arbeitspunkt AP angehoben, in dem die gewünschte Größe des Volumenstroms V_AP fließt (Fig. 2).

Ergibt sich bei einer Messung eine zu kleine Öffnungszeit t₁, wird durch Vergrößern des Abgleichwiderstandes R die Hubflanke abgeflacht, wodurch sich die Fläche B und damit die Größe des Volumenstromes 25 verringert.

In Fig. 1 ist ein einstellbarer Abgleichwiderstand R dargestellt; zweckmäßig wird nach Feststellen der Größe des Abgleichwiderstandes R ein Festwiderstand in Reihe oder parallel zur Spule 12 geschaltet.

Da die Öffnungs- und Schließzeiten t₁ und t₂ im wesentlichen durch die auf den Anker 15 wirkenden Kräfte bestimmt sind, kann anstelle eines Körperschallmessers 40 auch ein Kraft­ messer 50 zum Abgleich eingesetzt werden. Der Sensor 51 wird durch eine verschließbare Öffnung 53 und durch den Ventil­ sitz 13 unmittelbar an den Ventilkörper 33 herangeführt, um die wirkende Schließkraft zu messen, welche auf einer Anzeige der Auswerteeinheit 52 angezeigt wird. Da die anderen Größen des Elektromagnetventils bekannt sind, läßt sich ein Bezug zwischen der wirkenden Kraft und den Öffnungs- bzw. Schließzeiten herstellen, welche der Größe des Volumenstroms 25 proportional sind. Durch unmittelbare Einstellung der Schließkraft (Ein- oder Ausdrehen der Einstellschraube 21) oder durch Ändern der Größe des Impulsstroms in Kenntnis der gemessenen Federkraft kann eine Hubkurve (Fig. 4) eingestellt werden, die die gewünschte Größe des Volumenstroms 25 garantiert.

Claims (8)

1. Verfahren zum Abgleich eines Volumenstroms, der durch ein elektromagnetisch betätigtes Durchflußventil (4) fließt, in Abhängigkeit von einem Tastverhältnis (T₁/T₀) einer Impulsfolge (26), die an die Erregerspule (12) eines einen Ventilkörper (33) betätigenden Elektromagneten (2) angelegt ist und der Ventilkörper (33) von einer Feder (20) kraftbeaufschlagt ist, wobei zunächst der sich bei vorgegebenem Tastverhältnis (T₁/T₀) einstellende Volumen­ strom (25) ermittelt und auf einen dem vorgegebenen Tast­ verhältnis (T₁/T₀) zugeordneten Volumenstrom (25) einge­ stellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungszeit (t₁) und die Schließzeit (t₂) des Ventilkörpers (33) ermittelt werden und in Abhängigkeit einer bestehenden Differenz (Δt) zu den dem zugeordneten Volumenstrom entsprechenden Zeiten mindestens eine auf den Ventilkörper (33) wirkende Kraft verändert wird, wodurch der Volumenstrom (25) auf das Tastverhältnis (T₁/T₀) der Impulsfolge (26) abgeglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Ventilkörper (33) wirkende Kraft einer Feder (20) eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft durch Ein- oder Ausdrehen eines Widerlagers (19) einer auf den Ventilkörper (33) wirkenden Schraubenfeder (20) einge­ stellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Erregerkreis ein ohmscher Abgleichwiderstand (R) geschaltet ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Abgleichwiderstand (R) ein einstellbarer Widerstand verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungszeit (t₁) und die Schließzeit (t₂) des Ventilkörpers (33) durch einen Körperschallmesser (40) erfaßt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Ventilkörper (33) wirkende Kraft durch ein den Ventilsitz (13) durchra­ genden Sensor (51) gemessen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (33) in Richtung auf seine Schließstellung von der Feder (20) kraftbeaufschlagt ist.