DE102010043614A1

DE102010043614A1 - Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums sowie zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102010043614A1
Application number: DE102010043614A
Authority: DE
Inventors: Hubert Stier; Ralf Schindler; Frank Ilgner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-11-09
Filing date: 2010-11-09
Publication date: 2012-05-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, umfassend einen Düsenkörper (2), mit wenigstens einer Durchlassöffnung (3), ein Schließelement (4), welches den Düsenkörper (3) freigibt und verschließt, einen Magnetaktor, welcher das Schließelement (4) für einen Öffnungsvorgang und einen Schließvorgang betätigt, und eine Steuereinheit (30), welche mit dem Magnetaktor verbunden ist und welche ausgelegt ist, den Magnetaktor bei geöffnetem Schließelement (4) derart anzusteuern, dass das Schließelement (4) permanent Mikroschwingungen (C) ausführt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Proportionalventils.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, und insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Proportionalventils.
Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasförmige Kraftstoffe eine zunehmende Rolle. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb müssen Wasserstoffgasströme gesteuert werden. Die Gasströme werden hierbei nicht mehr diskontinuierlich wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert, sondern es werden insbesondere Proportionalventile eingesetzt, die in Abhängigkeit von einer gewünschten Antriebsleistung einen Öffnungsquerschnitt des Ventils anpassen.
Hierbei sollte das Proportionalventil ein möglichst genaues und schnelles Regelverhalten aufweisen. Auch sollte das Proportionalventil möglichst einfach und kostengünstig herstellbar sein.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das Proportionalventil ein verbessertes Regelverhalten durch eine reduzierte Hysterese aufweist. Insbesondere kann erfindungsgemäß ein verbessertes Ansprechverhaltung bei Regelungs- und Steuerungsvorgängen erhalten werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Proportionalventil eine Steuereinheit umfasst, welche mit einem Magnetaktor zur Betätigung eines Schließelements verbunden ist, wobei die Steuereinheit ausgelegt ist, den Magnetaktor bei geöffnetem Schließelement derart anzusteuern, dass das Schließelement permanent Mikroschwingungen, d. h., hin- und hergehende Mikrohubbewegungen, ausführt. Aufgrund der permanenten Mikroschwingungen befindet sich das Schließelement in geöffnetem Zustand in einer kontinuierlichen, oszillierenden Bewegung, so dass insbesondere eine Gleitreibung und eine Haftreibung, welche die Beweglichkeit und das Ansprechverhalten des Schließelements einschränken können, reduziert ist.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise umfasst die Steuereinheit eine Pulsweitenmodulations-Vorrichtung, um die permanenten Mikroschwingungen des Schließelements zu erzeugen. Durch die Pulsweitenmodulation kann insbesondere vermieden werden, dass in einem Betriebszustand, beispielsweise bei einem vollständig geöffneten Proportionalventil, z. B. bei einer Vollgasfahrt, das Schließelement immer zwischen zwei gleichen Punkten hin- und herbewegt wird, was wieder zu einer unerwünschten Haftreibung führen kann. Dies wird durch die Modulation der Pulsweiten vermieden. Somit sind die mittels Pulsweitenmodulation erzeugten Mikroschwingungen unterschiedlich groß, so dass nur kleine Reibwerte auftreten.
Vorzugsweise liegen die Mikroschwingungen in einem Bereich von ungefähr kleiner oder gleich 6% eines Vollhubes, vorzugsweise kleiner oder gleich 3% eines Vollhubes, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1% eines Vollhubes. Beispielhaft beträgt ein Vollhub ungefähr 600 μm, so dass die Mikroschwingungen kleiner oder gleich 36 μm, vorzugsweise kleiner oder gleich 18 μm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 6 μm, und insbesondere bevorzugt ungefähr zwischen 1 μm bis 5 μm, bevorzugt zwischen 2 μm bis 4 μm, liegen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Pulsweitenmodulation in einem Frequenzbereich zwischen 800 bis 2000 Hz, vorzugsweise 1000 bis 1800 Hz ausgeführt.
Besonders bevorzugt ist das Schließelement mit einem Stift verbunden und der Stift ist an wenigstens einer Lagerstelle gelagert. Hierdurch kann ein besonders kompakter Aufbau erreicht werden. Ferner wird durch die Wahl der Lagerstelle am Stift auch eine von Haus aus reduzierte Reibung definiert. Weiter bevorzugt ist der Stift an einer ersten und zweiten Lagerstelle gelagert, wodurch insbesondere eine sicherere, verkippfreie Betätigung des Schließelements erreicht wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Proportionalventils für gasförmige Medien, insbesondere Wasserstoff, bei dem ein Schließelement in geöffnetem Zustand des Proportionalventils permanente Mikroschwingungen ausführt. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt dabei ein signifikant verbessertes Regelverhalten des Proportionalventils sicher, da Gleit- und Haftreibungen für das Schließelement signifikant reduziert werden können. Die Mikroschwingungen werden dabei vorzugsweise mittels Pulsweitenmodulation erzeugt. Weiter bevorzugt werden die Mikroschwingungen mittels eines Magnetaktors ausgeführt, wobei der Magnetaktor besonders bevorzugt als Betätigungsaktor zum Öffnen und Schließen des Schließelements vorgesehen ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle und mit einem erfindungsgemäßen Proportionalventil zur Steuerung von gasförmigem Wasserstoff.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Schnittansicht eines Proportionalventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 ein Proportionalventil 1 zum Steuern eines gasförmigen Mediums im Detail beschrieben. Das in den Figuren gezeigten Proportionalventil 1 dient hierbei zur Steuerung von gasförmigem Wasserstoff, welcher einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug zugeführt wird.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das Proportionalventil 1 ein Ventilgehäuse 6 mit einem Magnetanker 12, einer Magnetspule 13 und einem mit dem Magnetanker 12 verbundenen Stift 11. Eine Schließfeder 14 ist über eine Federaufnahme 15 mit dem Stift 11 verbunden. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet einen Einstellbolzen, um eine Rückstellkraft der Schließfeder 14 einzustellen. Die Magnetspule 13 ist in einer Umspritzung 17 aus Kunststoff am Ventilgehäuse 6 fixiert. Ein elektrischer Steckeranschluss 18 ist seitlich am Proportionalventil 1 vorgesehen. An dem der Schließfeder 14 entgegengesetzten Ende des Stifts 11 ist ein Schließelement 4 befestigt. Das Schließelement 4 verschließt Durchlassöffnungen 3, welche in einem Düsenkörper 2 ausgebildet sind. Die Durchlassöffnungen 3 sind dabei nierenförmig um eine Mittelachse X-X des Proportionalventils 1 angeordnet. Vorzugsweise sind hierbei drei Durchlassöffnungen 3 vorgesehen, es können jedoch auch nur zwei oder aber vier oder fünf Durchlassöffnungen ausgebildet sein. Zwischen den einzelnen Durchlassöffnungen sind jeweils Stege ausgebildet. Alternativ kann auch eine zentrale Durchlassöffnung im Düsenkörper 2 vorgesehen werden.
Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist am Düsenkörper 2 ein Filter 19 vorgesehen, durch welchen eine Zuströmung des gasförmigen Mediums (Pfeil A) erfolgt. Zur Abdichtung des Proportionalventils in einem Bauelement sind O-Ringe 20 vorgesehen. Eine Abströmung des gasförmigen Mediums erfolgt in radialer Richtung (Pfeile B).
Am Schließelement 4 sind eine axiale Abströmbohrung 9 sowie mehrere radiale Abströmbohrungen 10 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel sind drei radiale Abströmbohrungen vorgesehen. Weiterhin ist am Schließelement 4 ein ringförmiges, elastisches Dichtelement 5 angeordnet. Das ringförmige Dichtelement 5 dichtet die Durchlassöffnungen 3 an einem Ventilsitz am Düsenkörper 2 ab. Der Ventilsitz umfasst zwei Dichtkreise und verläuft jeweils um den inneren und äußeren Umfang der Durchlassöffnungen 3. Es sei angemerkt, dass das Dichtelement auch am Düsenkörper 2 angeordnet sein kann und der Ventilsitz am Schließelement 4 angeordnet sein kann, wobei dann die Abströmbohrungen im Schließelement 4 entfallen.
Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist der Stift 11 an einer ersten Lagerstelle 21 und einer zweiten Lagerstelle 22 gelagert. An diesen beiden Lagerstellen 21, 22 herrscht in einem vorbestimmten Betriebszustand jeweils immer eine gewisse Haftreibung. Um beispielsweise vom geschlossenen Zustand in einen in 1 gezeigten Öffnungszustand zu gelangen, muss gemäß dem den Magnetanker 12 und die Magnetspule 13 umfassenden Magnetaktor diese Haftkraft an den beiden Lagerstellen 21, 22 überwunden werden. Erst dann beginnt der Öffnungsvorgang. Da ein Proportionalventil im Betrieb praktisch immer geöffnet ist und auch häufig stationäre Zustände mit konstantem Öffnungsquerschnitt vorliegen, beispielsweise bei Fahrzeugen bei einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit, bleibt das Proportionalventil 1 in einer vorbestimmten Position bei einem vorbestimmten Öffnungsquerschnitt stehen, so dass auch bei geöffnetem Ventil eine derartige Haftreibung auftritt. Bei einer beispielsweise aufgrund einer Geschwindigkeitsänderung des Fahrzeugs notwendigen Positionsänderung des Schließelements 4 muss somit wieder die Haftreibung an den Lagerstellen 21, 22 überwunden werden. Dies wird nun jedoch erfindungsgemäß verhindert, da das erfindungsgemäße Proportionalventil eine Steuereinheit 30 mit einer Pulsweitenmodulations-Vorrichtung 31 umfasst. Die Steuereinheit 30 ist mit dem Magnetaktor verbunden und ist derart ausgelegt, dass bei geöffnetem Schließelement 4 der Magnetaktor so angesteuert wird, dass das Schließelement permanent Mikroschwingungen C ausführt. Die Mikroschwingungen C sind vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 1 μm bis 5 μm. Hierdurch kann das Auftreten der unerwünschten Haftreibung an den Lagerstellen 21, 22 vermieden werden. Die Pulsweitenmodulation sorgt dabei für unterschiedliche Frequenzen der Mikroschwingungen C, so dass sichergestellt ist, dass sich der Stift 11 nicht nur zwischen zwei Positionen hin- und her bewegt.
Somit kann erfindungsgemäß ein signifikant verbessertes Regelverhalten des Proportionalventils erreicht werden. Zwar ergeben sich durch die Mikroschwingungen C minimale Ungenauigkeiten bei der Gaszumessung durch das Proportionalventil. Da das Schließelement 4 die Mikroschwingungen jedoch um eine Öffnungsposition des Schießelements 4 herum ausführt, welche einen gewünschten Öffnungsquerschnitt des Proportionalventils entspricht, ergibt sich hierdurch ein gewisser Ausgleich, da der Öffnungsquerschnitt durch die Mikroschwingungen einmal etwas zu klein ist und einmal etwas zu groß ist. Mit anderen Worten, weicht der Öffnungsquerschnitt während der permanenten Mikroschwingungen abwechselnd, entsprechend der vorhandenen Amplitude vom gewünschten Öffnungsquerschnitt nach oben bzw. nach unten im μ-Bereich ab. Diese Ungenauigkeiten führen jedoch nicht zu einer Einschränkung der Verwendung des erfindungsgemäßen Proportionalventils.
Die Frequenz der Pulsweitenmodulation wird dabei derart gewählt, dass die Frequenz nicht im Resonanzbereich des Proportionalventils liegt. Hierdurch beeinflussen die Mikroschwingungen nicht das Durchflussverhalten durch das geöffnete Proportionalventil.
Somit wird erfindungsgemäß ein Proportionalventil 1 zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, bereitgestellt, welches insbesondere zur Gaszuführung zu Brennstoffzellen eingesetzt wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird eine schnellere Änderung eines Durchlassquerschnitts bei geöffnetem Proportionalventil möglich, so dass ein verbessertes Regelverhalten des Proportionalventils erreicht wird. Dadurch eignet sich das erfindungsgemäße Proportionalventil insbesondere in Brennstoffzellenfahrzeugen, bei denen eine Gaszuführung zur Brennstoffzelle über das Proportionalventil in Abhängigkeit von einer gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeit geregelt wird. Ferner wird eine einfachere zeit- und kosteneffiziente Fertigung des Proportionalventils 1 ermöglicht.

Claims

Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, umfassend: – einen Düsenkörper (2), mit wenigstens einer Durchlassöffnung (3), – ein Schließelement (4), welches den Düsenkörper (2) freigibt und verschließt, – einen Magnetaktor, welcher das Schließelement (4) für einen Öffnungsvorgang und einen Schließvorgang betätigt, und – eine Steuereinheit (30), welche mit dem Magnetaktor verbunden ist und welche ausgelegt ist, den Magnetaktor bei geöffnetem Schließelement (4) derart anzusteuern, dass das Schließelement (4) permanent Mikroschwingungen (C) ausführt.
Proportionalventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) eine Pulsweitenmodulations-Vorrichtung (31) umfasst, um die Mikroschwingungen (C) zu erzeugen.
Proportionalventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroschwingungen (C) in einem Bereich von kleiner oder gleich 6% eines Vollhubes, vorzugsweise kleiner oder gleich 3% eines Vollhubes, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1% eines Vollhubes liegen.
Proportionalventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsweitenmodulations-Vorrichtung (31) eine Pulsweitenmodulation in einem Bereich zwischen 800 Hz bis 2000 Hz, vorzugsweise 1000 Hz bis 1800 Hz, bereitstellt.
Proportionalventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (4) mit einem Stift (11) verbunden ist, wobei der Stift (11) an wenigstens einer Lagerstelle (21, 22) gelagert ist.
Proportionalventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (11) an einer ersten Lagerstelle (21) und an einer zweiten Lagerstelle (22) gelagert ist.
Verfahren zu Betreiben eines Proportionalventils (1) für gasförmige Medien, insbesondere Wasserstoff, mit einem Schließelement (4) und wenigstens einer Durchlassöffnung in einem Düsenkörper (2), wobei das Schließelement (4) in geöffnetem Zustand permanente Mikroschwingungen (C) ausführt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroschwingungen (C) mittels Pulsweitenmodulation erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroschwingungen (C) mittels eines Magnetaktors umgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetaktor auch das Schließelement (4) in einen Öffnungszustand und einen Schließzustand bringt.