DE102011116872A1

DE102011116872A1 - Verfahren zum Ansteuern eines elektromechanischen Schaltventils sowie elektromechanische Schaltventilanordnung

Info

Publication number: DE102011116872A1
Application number: DE102011116872A
Authority: DE
Inventors: Tobias Glück; Rüdiger Neumann; Bernd Kärcher; Wolfgang Kemmetmüller; Andreas Kugi
Original assignee: Technische Universitaet Wien; Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2013-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines elektromechanischen Schaltventils (2; 32), das einen relativ zu einem Ventilsitz (20; 50) beweglichen, in einem Ventilgehäuse (18; 48) aufgenommenen Ventilkörper (10; 40), eine Stelleinrichtung (6; 36) zur Bereitstellung einer Stellkraft auf den Ventilkörper (10; 40) sowie eine Steuereinrichtung (3; 33) zur Bereitstellung von elektrischer Energie an die Stelleinrichtung (6; 36) umfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung (3; 33) für eine Bewegung des Ventilkörpers (10; 40) innerhalb eines Schaltzyklus, der zum Erreichen einer Öffnungsstellung oder zum Erreichen einer Schließstellung des Schaltventils (2; 32) dient, eine elektrische Energiemenge bereitstellt, die derart bemessen ist, dass der Ventilkörper (10; 40) in der Öffnungsstellung bei mechanischem Kontakt mit einem vom Ventilsitz (20; 50) beabstandeten Anschlag (22; 52) und/oder in der Schließstellung bei mechanischem Kontakt mit dem Ventilsitz (20; 50) eine verschwindende Relativgeschwindigkeit gegenüber dem Anschlag (22; 52) und/oder Ventilsitz (20; 50) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines elektromechanischen Schaltventils, das einen relativ zu einem Ventilsitz beweglichen, in einem Ventilgehäuse aufgenommenen Ventilkörper, eine Stelleinrichtung zur Bereitstellung einer Stellkraft auf den Ventilkörper sowie eine Steuereinrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie an die Stelleinrichtung umfasst. Ferner betrifft die Erfindung eine elektromechanische Schaltventilanordnung.
Die DE 10 2009 003 977 B3 offenbart eine Vorrichtung zum Steuern des Stromflusses durch einen Spulenantrieb eines Ventils, mit einem ersten Schaltelement zum Koppeln des Spulenantriebs mit einer ersten Spannungsquelle, welche eine erste Versorgungsspannung bereitstellt und einem zweiten Schaltelement zum Koppeln des Spulenantriebs mit einer zweiten Spannungsquelle, welche eine zweite Versorgungsspannung bereitstellt, die grösser ist als die erste Versorgungsspannung. Weiterhin ist eine Strommesseinrichtung vorgesehen, welche mit dem Spulenantrieb gekoppelt ist und welche bei einem Stromfluss durch den Spulenantrieb ein Strommesssignal ausgibt, welches für den Stromfluss durch den Spulenantrieb indikativ ist. Die Strommesseinrichtung ist mit einer Steuereinrichtung und mit den beiden Schaltelementen gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung einen Integrator zum Bestimmen eines Stromintegrals aufweist, welches für das Integral über das Strommesssignal von einem Startzeitpunkt bis zu einem Endzeitpunkt indikativ ist. Dabei ist vorgesehen, dass abhängig von dem Stromintegral der Schaltzustand von zumindest einem der beiden Schaltelemente steuerbar ist.
Die DE 19836586 B4 offenbart ein hydraulisches Bremssystem mit einem Sitzventil, das einen Ventilsitz, einen zum Ventilsitz hin und von diesem weg bewegbaren Ventilkörper, eine Vorspanneinrichtung für den Ventilkörper und eine Ventilantriebsvorrichtung zur Erzeugung einer Ventilantriebskraft, die auf den Ventilkörper wirkt umfasst. Zudem ist eine Steuervorrichtung zur Steuerung der Ventilantriebsvorrichtung vorgesehen, um das Sitzventil selektiv zu öffnen und zu schließen, wobei die Steuervorrichtung eine Einrichtung zur Verminderung der Aufsetzgeschwindigkeit wenigstens während eines Bewegungsabschnitts des Ventilkörpers zum Ventilsitz umfasst, um die Aufsetzgeschwindigkeit, mit der der Ventilkörper auf dem Ventilsitz aufsetzt, derart zu vermindern, dass die durch die Ventilantriebskraft verminderte Aufsetzgeschwindigkeit niedriger ist als eine Aufsetzgeschwindigkeit eines Bewegungsabschnitts, während dessen die Ventilantriebsvorrichtung keine Ventilantriebskraft erzeugt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Ansteuern eines elektromechanischen Schaltventils sowie eine elektromechanische Schaltventilanordnung bereitzustellen, die bei einfacher Aufbauweise einen geräusch- und verschleißarmen Betrieb eines Schaltventils ermöglichen.
Diese Aufgabe wird für ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung für eine Bewegung des Ventilkörpers innerhalb eines Schaltzyklus, der zum Erreichen einer Öffnungsstellung oder zum Erreichen einer Schließstellung des Schaltventils dient, eine elektrische Energiemenge bereitstellt, die derart bemessen ist, dass der Ventilkörper in der Öffnungsstellung bei mechanischem Kontakt mit einem vom Ventilsitz beabstandeten Anschlag und/oder in der Schließstellung bei mechanischem Kontakt mit dem Ventilsitz eine verschwindende Relativgeschwindigkeit gegenüber dem Anschlag und/oder Ventilsitz aufweist.
Eine erste Variante des Verfahrens ist für elektromechanische Schaltventile vorgesehen, bei denen sich der Ventilkörper ohne Aktivierung der Stelleinrichtung aufgrund der Wirkung einer Federeinrichtung in einer Vorzugsstellung befindet. Bei dieser Vorzugsstellung kann es sich um eine Blockierstellung handeln, bei der der Ventilkörper abdichtend am Ventilsitz anliegt und einen freien Strömungsquerschnitt zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss am Ventilgehäuse blockiert. Alternativ handelt es sich bei der Vorzugsstellung um eine Freigabestellung, in der der Ventilkörper an einem dem Ventilsitz gegenüberliegenden Anschlag anliegt und der freie Strömungsquerschnitt durch den Ventilraum freigegeben ist. Bei dieser Variante des Verfahrens wird angestrebt, dass der Ventilkörper bei Aktivierung der Stelleinrichtung und einer daraus resultierenden Bewegung aus der Vorzugsstellung in eine Funktionsstellung und damit entgegen der Vorspannkraft der Federeinrichtung nur derart beschleunigt wird, dass er beim Erreichen der Funktionsstellung mit einer verschwindenden, also gegen Null gehenden Geschwindigkeit an dem zugeordneten Anschlag oder am Ventilsitz aufläuft. Hierdurch sollen eine Geräuschbildung und ein aufprallbedingter Verschleiß des Ventilkörpers, des Anschlags und des Ventilsitzes möglichst gering gehalten werden. Die Bewegung des Ventilkörpers aus der Vorzugsstellung in die Funktionsstellung wird als Schaltzyklus bezeichnet. Zusätzlich kann vorgesehen werden, dass in einem weiteren Schaltzyklus, in dem eine von der Federeinrichtung hervorgerufene Rückstellbewegung des Ventilkörpers in die Vorzugsstellung stattfindet, durch eine Bereitstellung elektrischer Energie an die Stelleinrichtung vor Erreichen des Ventilsitzes oder Anschlags abgebremst wird, um auch für diesen Schaltzyklus eine verschwindende Geschwindigkeit des Ventilkörpers bei Erreichen der Vorzugsstellung zu gewährleisten.
Bei einer zweiten Variante des Verfahrens, die auf elektromechanische Schaltventile angepasst ist, die keine Federeinrichtung aufweisen und bei denen die Vorzugsstellung des Ventilkörpers im Wesentlichen oder ausschließlich durch das zu steuernde Fluid bestimmt wird, ist sowohl für den Schaltzyklus zum Öffnen des Ventils als auch für den Schaltzyklus zum Schließen des Ventils eine jeweils unterschiedliche, vorgebbare Energiemenge zur Beschleunigung des Ventilkörpers vorzusehen, um eine verschwindende Geschwindigkeit bei Erreichen des Ventilsitzes und des Anschlags zu gewährleisten. Die Energiemengen für die beiden Schaltzyklen unterscheiden sich, da bei der Bewegung des Ventilkörpers aus der Vorzugsstellung in die Funktionsstellung der Ventilkörper gegen den Fluiddruck beschleunigt werden muss, während für die entgegengesetzte Bewegung die Beschleunigungswirkung durch das Fluid, das den Ventilkörper in die Vorzugsstellung drängt, berücksichtigt werden muss und die Energiemenge dementsprechend kleiner ist.
Bei beiden Varianten des Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn die Charakteristik des Schaltventils und die Einsatzbedingungen für das Schaltventil bekannt sind, um auf eine aufwendige Rückkopplung von ventilkörperbezogenen Informationen, beispielsweise Positions- und/oder Geschwindigkeitsinformationen, verzichten zu können, dementsprechend kann der elektronische Aufwand für die Steuereinrichtung gering gehalten werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zweckmäßig ist es, wenn die Steuereinrichtung innerhalb des Schaltzyklus nach Bereitstellung einer ersten, zur Einleitung einer Annäherungsbewegung des Ventilkörpers auf den Anschlag oder den Ventilsitz an die Stelleinrichtung vorgesehenen elektrischen Energiemenge eine zweite, gegensinnig gepolte Energiemenge bereitstellt, um eine raschere Abbremsung des Ventilkörpers vor Erreichen des Anschlags oder des Ventilsitzes zu ermöglichen. Während die erste von der Steuereinrichtung bereitgestellte Energiemenge der Beschleunigung des Ventilkörpers dient, die möglichst hoch sein soll, um einen raschen Schaltvorgang für das Schaltventil zu gewährleisten, dient die zweite Energiemenge dazu, die Bewegungsgeschwindigkeit des Ventilkörpers kurz vor der Berührung mit dem Anschlag oder dem Ventilsitz zu reduzieren, um die gewünschte verschwindende Geschwindigkeit beim mechanischen Kontakt zwischen Ventilkörper und Anschlag oder Ventilsitz zu gewährleisten. Die zweite, gegensinnig gepolte Energiemenge führt im Fall einer als Magnetspule ausgebildeten Stelleinrichtung zu einem rascheren Abbau des Magnetfelds, das durch Bereitstellung der ersten Energiemenge aufgebaut wurde. Hierdurch können auch die auf den Ventilkörper einwirkenden Magnetkräfte schneller reduziert werden, als dies bei einer reinen Abschaltung der Stromversorgung nach Einspeisung der der ersten Energiemenge, selbst bei Einsatz einer parallel zur Magnetspule geschalteten Freilaufdiode zum Abbau der im Magnetfeld gespeicherten Energie der Fall wäre. Dies schließt jedoch nicht aus, dass zusätzlich zur zweiten, gegensinnig gepolten Energiemenge auch weitere Maßnahmen wie beispielsweise eine parallel zur Magnetspule geschaltete Freilaufdiode vorgesehen sind.
Vorteilhaft ist es, wenn die Steuereinrichtung die Bereitstellung der zweiten Energiemenge innerhalb des Schaltzyklus nach Ablauf eines mit Beendigung der Bereitstellung der ersten Energiemenge beginnenden vorgebbaren Zeitintervalls vornimmt. Hierdurch kann der Ablauf der Beschleunigungs- und Abbremsphasen für den Ventilkörper zuverlässig gesteuert werden.
Bei einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung innerhalb des Schaltzyklus eine dritte elektrische Energiemenge an die Stelleinrichtung bereitstellt, deren Polung der ersten elektrischen Energiemenge entspricht, um einen Verbleib des Ventilkörpers in der vorgegebenen Position am Anschlag oder am Ventilsitz sicherzustellen. Die Bereitstellung der dritten Energiemenge erfolgt vorzugsweise zu einem Zeitpunkt, zu dem der Ventilkörper noch eine Restgeschwindigkeit aufweist, da insbesondere bei Verwendung einer Magnetspule als Stelleinrichtung, eine Zeitspanne berücksichtigt werden muss, innerhalb der das Magnetfeld soweit aufgebaut wird, dass eine Einwirkung auf den Ventilkörper erfolgt. Bei Erreichen des Ventilsitzes oder des Anschlags wird der Ventilkörper gegebenenfalls durch die Federkraft einer Federeinrichtung und/oder durch die Einwirkung fluidischer Kräfte wieder von der jeweiligen Zielposition (Anschlag/Ventilsitz) entfernt. Eine zu spät einsetzende Wirkung der Stelleinrichtung zur Fixierung des Ventilkörpers in der Zielposition führt ebenfalls zu einem unerwünschten Anprall des Ventilkörpers auf den Anschlag oder Ventilsitz, so dass eine Bereitstellung der dritten elektrischen Energiemenge kurz vor Erreichen der Zielposition besonders vorteilhaft ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Bereitstellung der ersten und/oder der zweiten elektrischen Energiemenge und/oder der dritten Energiemenge für die Stelleinrichtung innerhalb des Schaltzyklus mit einem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal, insbesondere mit einer Folge von Rechtecksignalen.
Bevorzugt werden aufeinanderfolgende Schaltzyklen, insbesondere Öffnungs- und Schließbewegungen für das Schaltventil, von der Steuereinrichtung mit einer Frequenz größer 10 Hz, vorzugsweise größer 50 Hz, besonders bevorzugt größer 100 Hz, gesteuert werden, um eine Proportionalventilfunktion für das Schaltventil zu erzielen. Mit einer derartigen Ansteuerung des Schaltventils kann ein Volumenstrom des zu steuernden Fluids, bei dem es sich insbesondere um Druckluft handeln kann, und der eine gewisse Trägheit aufweist, in gleicher Weise wie mit einem Proportionalventil angesteuert werden, bei dem ein freier Ventilquerschnitt proportional zu einem Steuersignal einstellbar ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Schaltzyklen in derart rascher Folge vorgenommen, dass der Volumenstrom des Fluids kontinuierlich und in stetiger Weise erhöht oder reduziert werden kann.
Zweckmäßig ist es, wenn eine Signalübertragung von der Steuereinrichtung an die Stelleinrichtung ausschließlich unidirektional erfolgt. Hierdurch wird ein einfacher Aufbau der Steuereinrichtung und des oder der zugeordneten Schaltventile gewährleistet, da keine Rückkopplungsleitungen, beispielsweise für Sensorsignale, bereitgestellt werden müssen und auch keine Verarbeitung derartiger externer Sensorsignale in der Steuereinrichtung erforderlich ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und/oder die zweite und/oder die dritte elektrische Energiemenge durch Überwachung einer bereitgestellten Strommenge begrenzt werden und hierzu in der Steuereinrichtung eine Stromregelung vorgenommen wird. Eine derartige Strommengenüberwachung kann mit einem begrenzten schaltungstechnischen Aufwand in der Steuereinrichtung verwirklicht werden.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird anhand einer Verlaufskurve des an die Stelleinrichtung bereitgestellten elektrischen Stroms auf wenigstens eine elektrische Charakteristik der, insbesondere als Magnetspule, ausgebildeten Stelleinrichtung geschlossen wird. Durch Überwachung der bereitgestellten Strommenge, die von der Steuereinrichtung ermittelt wird, ist eine zuverlässige Ferndiagnose der Eigenschaften der Stelleinrichtung, insbesondere einer Magnetspule, möglich.
Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Aspekt durch eine elektromechanische Schaltventilanordnung gelöst. Die Schaltventilanordnung umfasst ein Ventilgehäuse, in dem ein Ventilraum ausgebildet ist, der einen Eingangsanschluss für eine Fluidzufuhr in den Ventilraum und einen Ausgangsanschluss für eine Fluidabfuhr aus dem Ventilraum umfasst, sowie ein relativ zu einem im Ventilgehäuse ausgebildeten Ventilsitz beweglichen Ventilkörper, der für eine Beeinflussung eines freien Strömungsquerschnitts zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss ausgebildet ist und dem eine, insbesondere im Ventilgehäuse aufgenommene, Stelleinrichtung zugeordnet ist, die zur Bereitstellung einer Stellkraft auf den Ventilkörper ausgebildet ist, sowie eine Steuereinrichtung, die für eine Bereitstellung von elektrischer Energie an die Stelleinrichtung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung derart für eine Ansteuerung der Stelleinrichtung ausgebildet ist, dass eine Geschwindigkeit des Ventilkörpers bei Berührung des Ventilsitzes verschwindet.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektromechanischen Schaltventilanordnung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung für eine unidirektionale Signalübertragung mit der Stelleinrichtung ausgebildet ist und Mittel zur Erfassung der an die Stelleinrichtung bereitgestellten elektrischen Energiemenge umfasst.
In weiterer Ausgestaltung der elektromechanischen Schaltventilanordnung ist die Steuereinrichtung für Anpassung der an die Stelleinrichtung bereitgestellten elektrischen Energiemenge in einem nachfolgenden Schaltzyklus anhand einer im vorausgegangenen Schaltzyklus ermittelten elektrischen Charakteristik der Stelleinrichtung ausgebildet. Somit kann die Steuereinrichtung eine Anpassung der Energiemengen an sich verändernde Randbedingungen vornehmen.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer elektromechanischen Schaltventilanordnung,
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer elektromechanischen Schaltventilanordnung,
3 ein Ablaufdiagramm für die Ansteuerung der Schaltventilanordnung bei einem ersten Schaltvorgang und
4 ein Ablaufdiagramm für die Ansteuerung der Schaltventilanordnung bei einem zweiten Schaltvorgang.
Eine in der 1 dargestellte erste Ausführungsform einer elektromechanischen Schaltventilanordnung 1 umfasst als wesentliche Komponenten ein elektromechanisches Schaltventil 2 und eine Steuereinrichtung 3. Die Steuereinrichtung 3 ist über zwei Versorgungsleitungen 4, 5 elektrisch mit einer als Magnetantrieb ausgebildeten Stelleinrichtung 6 verbunden. Über die Versorgungsleitungen 4, 5 kann die Steuereinrichtung 3 positive oder negative elektrische Potentiale an die Stelleinrichtung 6 bereitstellen. Die Stelleinrichtung 6 umfasst exemplarisch eine, insbesondere mit Wickelungen ausgebildete, Magnetspule 7, die auf einem U-förmig ausgebildeten Koppelkörper 8 aufgebracht ist, der aus magnetisch leitendem Material hergestellt ist.
Weiterhin umfasst die Stelleinrichtung 6 einen im Inneren der Magnetspule 7 angeordneten Kern 9, der vorzugsweise aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt ist. Ein vorteilhaft rotationssymmetrisch ausgebildeter Ventilkörper 10, ebenfalls aus magnetisch leitendem Material hergestellt, bildet einen weiteren Bestandteil der Stelleinrichtung 6. Der Ventilkörper 10 wird von einer exemplarisch als Wendelfeder ausgebildeten Federeinrichtung 11, die zwischen dem Kern 9 und dem Ventilkörper 10 angeordnet und mit einer Druck-Vorspannung montiert ist, in einer Vorzugsstellung gehalten. In dieser Vorzugsstellung verschließt eine Steuerplatte 12 des Ventilkörpers 10 einen ersten Strömungskanal, der zwischen einem Eingangsanschluss 15 und einem Arbeitsanschluss 16 ausgebildet ist. Exemplarisch wird durch die Steuerplatte 12 in der Vorzugsstellung ein zweiter Strömungskanal zwischen dem Arbeitsanschluss 16 und einem Ausgangsanschluss 17 freigegeben. Der Eingangsanschluss 15, der Arbeitsanschluss 16 und der Ausgangsanschluss 17 sind alle an einem Ventilgehäuse 18 angeordnet. Dementsprechend ist das Schaltventil 2 exemplarisch als 3/2-Wegeventil ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Eingangsanschluss 15 mit einer nicht dargestellten Fluidquelle, die zur Bereitstellung eines Fluids ausgebildet ist, verbunden. Der Arbeitsanschluss 16 ist vorzugsweise mit einem nicht dargestellten fluidischen Verbraucher verbunden. Der Ausgangsanschluss 17 ermöglicht ein Entweichen des Fluids, insbesondere Druckluft, in die Umgebung.
Exemplarisch liegt der Ventilkörper 10 in der Vorzugsstellung mit einer ersten Dichtfläche 19 seiner Steuerplatte 12 abdichtend an einem Ventilsitz 20, der im Ventilgehäuse 18 ausgebildet ist, an. Für eine Auslenkung des Ventilkörpers 10 und eine damit einhergehende Öffnung des ersten Strömungskanals wird von der Steuereinrichtung 3 eine erste elektrische Energiemenge bereitgestellt, die in der Magnetspule 7 der Stelleinrichtung 7 zum Aufbau eines Magnetfelds führt. Dieses Magnetfeld durchsetzt den Koppelkörper 8 und führt an freien Endbereichen der U-Schenkel des Koppelkörpers 8 zu einer hohen magnetischen Flussdichte. Hierdurch findet eine Magnetisierung des Ventilkörpers 10 statt, wodurch Anziehungskräfte zwischen Koppelkörper 8 und Ventilkörper 10 hervorgerufen werden. Diese magnetischen Anziehungskräfte führen nach Überwindung der Haftreibung zwischen Ventilkörper 10 und Ventilgehäuse 18 sowie der Vorspannkraft der Federeinrichtung 11, die den magnetischen Anziehungskräften entgegengesetzt ist, zu einer beschleunigten Bewegung des Ventilkörpers 10 in Richtung des Koppelkörpers 8.
Bei einer Aufrechterhaltung des Magnetfelds findet mit der Verringerung des Abstands zwischen Ventilkörper 10 und Koppelkörper 8 ein Anwachsen der Anziehungskräfte statt, so dass der Ventilkörper 10 seine beschleunigte Bewegung fortsetzt und mit hoher kinetischer Energie mit einer an der Steuerplatte 12 ausgebildeten zweiten Dichtfläche 21 an einem durch das Ventilgehäuse 18 gebildeten Anschlag 22 aufschlägt. Hierdurch finden zum einen eine erhebliche Geräuschentwicklung und zum anderen ein erheblicher Verschleiß an Ventilkörper 10 und Anschlag 22 statt, die beide unerwünscht sind.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, die Energiemenge für die Magnetspule 7 derart zu begrenzen, dass das aufgebaute Magnetfeld zwar zur Überwindung der Haftreibung zwischen Ventilkörper 10 und Ventilgehäuse 18 sowie zur Kompression der Federeinrichtung 11 ausreicht, jedoch so bemessen ist, dass der Ventilkörper 10 mit seiner Steuerplatte 12 den Anschlag 22 mit gegen Null gehender Geschwindigkeit erreicht. Hierdurch wird ein Anprall der zweiten Dichtfläche 21 auf den Anschlag 22 vermieden und dennoch die Freigabe des ersten Strömungskanals zwischen Eingangsanschluss 15 und Arbeitsanschluss 16 sowie die Blockierung des zweiten Strömungskanals zwischen Arbeitsanschluss 16 und Ausgangsanschluss 17 ermöglicht.
Für die nachstehende Beschreibung der Bewegung des Ventilkörpers 10 und der dazu notwendigen Bereitstellung von elektrischer Energie an die Magnetspule 7 wird auf die Darstellung der 3 verwiesen. Im Schaubild der 3 ist auf der Abszisse die Zeit t aufgetragen, während auf der Ordinate die Versorgungsspannung Uv aufgetragen ist. Exemplarisch wird die Magnetspule entweder mit der positiven Versorgungsspannung +Uv oder der negativen Versorgungsspannung –Uv versorgt, wobei die Beträge der Versorgungsspannungen +Uv und –Uv vorzugsweise gleich groß sind. Die verschiedenen Schaltzeitpunkte während des Schaltvorgangs für die Magnetspule sind mit te(x) gekennzeichnet.
Um eine besonders rasche Lageänderung des Ventilkörpers 10 aus der Vorzugsstellung in die Funktionsstellung, in der die zweite Dichtfläche 21 am Anschlag 22 anliegt, zu erreichen, kann innerhalb eines Schaltzyklus, der sich gemäß der 3 zeitlich zwischen te(1) und te(4) erstreckt, zunächst eine maximale Beschleunigung des Ventilkörpers 10 durch Bereitstellung einer großen ersten Energiemenge an die Stelleinrichtung 6 vorgesehen werden, diese Bereitstellung erfolgt zwischen te(1) und te(2) mit der positiven Versorgungsspannung +Uv. Das Magnetfeld in der Magnetspule 7 bricht nicht schlagartig zusammen, sobald ab dem Zeitpunkt te(2) keine weitere Energiezufuhr an die Stelleinrichtung 6 mehr erfolgt. Vielmehr wird das Magnetfeld ohne äußere Einflussnahme langsam abgebaut, wodurch eine weitere Beschleunigung des Ventilkörpers 10 hervorgerufen wird, die jedoch gegebenenfalls unerwünscht ist, da der zur Verfügung stehende Bremsweg für den Ventilkörper 10 sich durch seine Bewegung stets verringert.
Somit ist es vorteilhaft, wenn nach Ablauf eines vorgebbaren Zeitintervalls, das mit dem Ende der Bereitstellung der ersten Energiemenge an die Stelleinrichtung 6 und somit exemplarisch bei te(2) beginnt, eine gegensinnig zur ersten Energiemenge gepolte zweite Energiemenge von der Steuereinrichtung 3 an die Stelleinrichtung 6 bereitgestellt wird. Diese zweite Energiemenge dient dazu, den Abbau des sich ansonsten nur langsam reduzierenden Magnetfelds zu beschleunigen, um schneller zu einem Kräftegleichgewicht zwischen beschleunigend wirkender Magnetkraft und abbremsend wirkenden Reibungskräften zwischen Ventilkörper 10 und Ventilgehäuse 18 sowie den abbremsend wirkenden Kompressionskräften für die Federeinrichtung 11 zu gelangen. Vorliegend wird also ab dem Zeitpunkt te(2) bis zum Zeitpunkt te(3) die negative Versorgungsspannung –Uv an die Magnetspule 7 bereitgestellt. Vorzugsweist ist die zweite Energiemenge so bemessen, dass der Ventilkörper 10 bei der Annäherung an die Funktionsstellung aufgrund der Reibungskräfte derart abgebremst wird, dass er die Funktionsstellung mit einer Geschwindigkeit Null erreicht.
Um ein Verharren des Ventilkörpers 10 in der Funktionsstellung, bei der die zweite Dichtfläche 21 am Anschlag 22 anliegt, zu gewährleisten, kann die Steuereinrichtung 3 innerhalb des Schaltzyklus für den Schaltvorgang des Schaltventils 2 eine dritte Energiemenge bereitstellen, die gleichsinnig mit der ersten Energiemenge gepolt ist. Vorzugsweise wird die dritte Energiemenge von der Steuereinrichtung 3 zu einem Zeitpunkt bereitgestellt, zu dem die zweite Dichtfläche 21 noch nicht zur Anlage am Anschlag 22 gekommen ist, da aufgrund der Trägheit der Magnetspule 7 eine gewisse Vorlaufzeit beachtet werden muss, bis nach Bereitstellen der Energiemenge auch tatsächlich eine Magnetkraft vom Koppelkörper 8 auf den Ventilkörper 10 ausgeübt werden kann, die ausreicht, um die Vorspannkraft der komprimierten Federeinrichtung 11 zu kompensieren. Vorliegend entspricht dieser Zeitpunkt im Schaubild der 3 der Zeit te(3). Die dritte Energiemenge kann entweder begrenzt sein, wenn eine vorgebbare Verweildauer des Ventilkörpers in der Funktionsstellung angestrebt ist, wie dies durch das bei te(4) endende zeitliche Intervall für die Bereitstellung der dritten Energiemenge offenbart wird. Alternativ kann die dritte Energiemenge unbegrenzt sein und der Energiefluss von der Steuereinrichtung 3 in die Stelleinrichtung 6 so lange aufrecht erhalten werden, bis eine entgegengesetzte Bewegung des Ventilkörpers 10 zurück in die Vorzugsstellung gewünscht ist, diese Variante ist in der 3 nicht dargestellt.
Bei einem nachfolgenden Schaltzyklus, bei dem der Ventilkörper 10 aus der Funktionsstellung wieder zurück in die Ausgangsstellung gemäß der 1 gebracht wird, kann vorgesehen sein, nach einer Beschleunigungsphase des Ventilkörpers 10, die vorzugsweise ausschließlich durch die in der Federeinrichtung 11 gespeicherte Energie hervorgerufen wird, eine Bremsphase für den Ventilkörper 10 vorzusehen, die nach einer vorgebbaren Zeitdauer nach Beendigung der Zufuhr der dritten Energiemenge im vorhergehenden Schaltzyklus bereitgestellt wird, um einen harten Aufprall des Ventilkörpers 10 auf den Ventilsitz 20 zu verhindern. Dieser nachfolgende Schaltzyklus ist in der 4 näher dargestellt, die von der grundsätzlichen Darstellungsweise der 3 entspricht und sich dadurch unterscheidet, dass zu einem Zeitpunkt ta(1), der dem Beginn dieses Schaltzyklus entspricht, zunächst die negative Versorgungsspannung –Uv an die Magnetspule 7 bereitgestellt wird, um deren Magnetfeld, das möglicherweise durch einen vorausgegangenen, in der 4 nicht dargestellten Haltestrom aufrechterhalten worden war, möglichst rasch abzubauen. Damit wird erreicht, dass der Einfluss von Magnetkräften auf den Ventilkörper 10 in kurzer Zeit gegen Null geht und der Ventilkörper 10 aufgrund der Federenergie, die in der Federeinrichtung 11 gespeichert ist, ausgehend von der Funktionsstellung in Richtung der Ruhestellung beschleunigt wird. Exemplarisch ist vorgesehen, dass der Abbau des Magnetfelds in der Magnetspule 7 durch die Bereitstellung der negativen Versorgungsspannung –Uv zum Zeitpunkt ta(2) beendet wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der Ventilkörper 10 in vollem Maße durch die Federkraft der Federeinrichtung 11 beschleunigt. Um eine zu starke Beschleunigung des Ventilkörpers 10 zu vermeiden, wird exemplarisch zum Zeitpunkt ta(3) eine Bereitstellung einer zweiten Energiemenge an die Stelleinrichtung 6 vorgesehen, die zu einer der Federkraft entgegengesetzten Magnetkraft auf den Ventilkörper 10 führt. Die Bereitstellung der zweiten Energiemenge mit der positiven Versorgungsspannung +Uv endet zum Zeitpunkt ta(4). Vorzugsweist ist vorgesehen, zu diesem Zeitpunkt erneut einen raschen Abbau des Magnetfelds der Magnetspule 7 durch Bereitstellung der dritten Energiemenge vorzusehen, was durch Anlegen der negativen Versorgungsspannung –Uv an die Magnetspule 7 erreicht wird. Dieser Abbauvorgang für das Magnetfeld wird zum Zeitpunkt ta(5) beendet.
Die zweite Ausführungsform einer elektromechanischen Schaltventilanordnung 31, wie sie in der 2 dargestellt ist, unterscheidet sich durch den Aufbau des elektromechanischen Schaltventils 32 und durch eine dementsprechend geänderte Auslegung der Steuereinrichtung 33. Das Schaltventil 33 weist an dem Ventilgehäuse 48 einen Eingangsanschluss 45 und einen Arbeitsanschluss 46 auf und ist somit exemplarisch als 2/2-Wegeventil ausgebildet. Der Ventilkörper 40 des Schaltventils 32 ist translatorisch im Ventilgehäuse 48 geführt. Bei Druckbeaufschlagung des Eingangsanschlusses 45 und Vorliegen eines niedrigeren Drucks am Arbeitsanschluss 46 wird der Ventilkörper 40 durch die Druckwirkung des Fluids mit seiner ersten Dichtfläche 49 an den Ventilsitz 50 gepresst. Zur Freigabe des Strömungskanals zwischen Eingangsanschluss 45 und Arbeitsanschluss 46 wird von der Steuereinrichtung 33 eine erste elektrische Energiemenge an die Stelleinrichtung 36 bereitgestellt. Da die Stelleinrichtung 36 mit Ausnahme des anderen Ventilkörpers 40 und dem Entfall der Federeinrichtung den prinzipiell gleichen Aufbau aufweist, werden für funktionsgleiche Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet und es erfolgt diesbezüglich keine erneute Beschreibung. Durch Bereitstellung der ersten Energiemenge wird der Ventilkörper 40 vom Ventilsitz 50 abgehoben, wodurch ein rapider Abfall der Druckkraft auf den Ventilkörper 40 eintritt. Dementsprechend kann die erste Energiemenge gering gewählt sein, da sie nur für die Überwindung der statischen Druckkraft und der Haftreibung zwischen Ventilkörper 40 und Ventilgehäuse 48 sowie für die Beschleunigung des Ventilkörpers 40 auf eine Zielgeschwindigkeit erforderlich ist. Die weitere Bewegung des Ventilkörpers 40 in Richtung der Stelleinrichtung 36 wird primär von den Gleitreibungskräften zwischen Ventilkörper 40 und Ventilgehäuse 48 geprägt, zudem muss ein gewisser fluidischer Widerstand überwunden werden. Dementsprechend ist es vorteilhaft, bereits zu einem frühen Zeitpunkt die zweite, gegensinnig zur ersten Energiemenge gepolte zweite Energiemenge an die Stelleinrichtung 36 bereitzustellen, um einen raschen Abbau des Magnetfelds der Magnetspule 7 zu gewährleisten. Sobald der Ventilkörper 40 sich an den Koppelkörper 8 annähert, kann die dritte Energiemenge bereitgestellt werden, um einen neuerlichen Aufbau eines Magnetfelds zu bewirken, so dass der Ventilkörper 40, nachdem eine Anlage am Koppelkörper 8 mit verschwindender Geschwindigkeit erfolgt ist, auch zuverlässig am Koppelkörper gehalten werden kann. Eine Rückführung des Ventilkörpers 40 in die Ausgangsstellung gemäß der 2 wird allein durch Abschalten der Stelleinrichtung 36 bewirkt. Der Ventilkörper 40 wird durch den Fluidstrom zwischen Eingangsanschluss 45 und Ausgangsanschluss 46 in Richtung des Ventilsitzes 50 gedrängt und komm dort schließlich zur Anlage. Um einen harten Anprall des Ventilkörpers 40 am Ventilsitz 50 zu vermeiden, kann in diesem Schaltzyklus ebenfalls eine elektrische Energiemenge als Bremsenergie für den Ventilkörper 40 an die Stelleinrichtung 36 bereitgestellt werden.
Um einen einfachen Aufbau der Stellenrichtungen 6, 36 und der Steuereinrichtungen 3, 33 zu gewährleisten, ist vorzugsweise ausschließlich eine Steuerung der Bewegung des Ventilkörpers 10, 40 vorgesehen. Bei erhöhten Genauigkeitsanforderungen an die Schaltvorgänge der elektromechanischen Schaltventile 2, 32 kann eine nicht näher dargestellte Erfassung des an die jeweilige Magnetspule 7 abgegebenen Stroms in der Steuereinrichtung 3, 33 vorgesehen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009003977 B3 [0002]
DE 19836586 B4 [0003]

Claims

Verfahren zum Ansteuern eines elektromechanischen Schaltventils (2; 32), das einen relativ zu einem Ventilsitz (20; 50) beweglichen, in einem Ventilgehäuse (18; 48) aufgenommenen Ventilkörper (10; 40), eine Stelleinrichtung (6; 36) zur Bereitstellung einer Stellkraft auf den Ventilkörper (10; 40) sowie eine Steuereinrichtung (3; 33) zur Bereitstellung von elektrischer Energie an die Stelleinrichtung (6; 36) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3; 33) für eine Bewegung des Ventilkörpers (10; 40) innerhalb eines Schaltzyklus, der zum Erreichen einer Öffnungsstellung oder zum Erreichen einer Schließstellung des Schaltventils (2; 32) dient, eine elektrische Energiemenge bereitstellt, die derart bemessen ist, dass der Ventilkörper (10; 40) in der Öffnungsstellung bei mechanischem Kontakt mit einem vom Ventilsitz (20; 50) beabstandeten Anschlag (22; 52) und/oder in der Schließstellung bei mechanischem Kontakt mit dem Ventilsitz (20; 50) eine verschwindende Relativgeschwindigkeit gegenüber dem Anschlag (22; 52) und/oder Ventilsitz (20; 50) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3; 33) innerhalb des Schaltzyklus nach Bereitstellung einer ersten, zur Einleitung einer Annäherungsbewegung des Ventilkörpers (10; 40) auf den Anschlag (22; 52) oder den Ventilsitz (20; 50) an die Stelleinrichtung (6; 36) vorgesehenen elektrischen Energiemenge eine zweite, gegensinnig gepolte Energiemenge bereitstellt, um eine raschere Abbremsung des Ventilkörpers (10; 40) vor Erreichen des Anschlags (22; 52) oder des Ventilsitzes (20; 50) zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3; 33) die Bereitstellung der zweiten Energiemenge innerhalb des Schaltzyklus nach Ablauf eines mit Beendigung der Bereitstellung der ersten Energiemenge beginnenden vorgebbaren Zeitintervalls vornimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3; 33) innerhalb des Schaltzyklus eine dritte elektrische Energiemenge an die Stelleinrichtung (6; 36) bereitstellt, deren Polung der ersten elektrischen Energiemenge entspricht, um einen Verbleib des Ventilkörpers (10; 40) in der vorgegebenen Position am Anschlag (22; 52) oder am Ventilsitz (20; 50) sicherzustellen.
Verfahren nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellung der ersten und/oder der zweiten elektrischen Energiemenge und/oder der dritten Energiemenge für die Stelleinrichtung (6; 36) innerhalb des Schaltzyklus mit einem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal, insbesondere mit einer Folge von Rechtecksignalen, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderfolgende Schaltzyklen, insbesondere Öffnungs- und Schließbewegungen für das Schaltventil (2; 32), von der Steuereinrichtung (3; 33) mit einer Frequenz größer 10 Hz, vorzugsweise größer 50 Hz, besonders bevorzugt größer 100 Hz, gesteuert werden, um eine Proportionalventilfunktion für das Schaltventil (2; 32) zu erzielen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalübertragung von der Steuereinrichtung (3; 33) an die Stelleinrichtung (6; 36) ausschließlich unidirektional erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite und/oder die dritte elektrische Energiemenge durch Überwachung einer bereitgestellten Strommenge begrenzt werden und hierzu in der Steuereinrichtung (3, 33) eine Stromregelung vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand einer Verlaufskurve des an die Stelleinrichtung (6; 36) bereitgestellten elektrischen Stroms auf wenigstens eine elektrische Charakteristik der, insbesondere als Magnetspule (7), ausgebildeten Stelleinrichtung (6; 36) geschlossen wird.
Elektromechanische Schaltventilanordnung mit einem Ventilgehäuse (18; 48), in dem ein Ventilraum ausgebildet ist, der einen Eingangsanschluss (15; 45) für eine Fluidzufuhr in den Ventilraum und einen Ausgangsanschluss (16; 46) für eine Fluidabfuhr aus dem Ventilraum umfasst, sowie mit einem relativ zu einem im Ventilgehäuse (18; 48) ausgebildeten Ventilsitz (20; 50) beweglichen Ventilkörper (10, 40), der für eine Beeinflussung eines freien Strömungsquerschnitts zwischen dem Eingangsanschluss (15; 45) und dem Ausgangsanschluss (16; 46) ausgebildet ist und dem eine, insbesondere im Ventilgehäuse (18; 48) aufgenommene, Stelleinrichtung (6; 36) zugeordnet ist, die zur Bereitstellung einer Stellkraft auf den Ventilkörper (10; 40) ausgebildet ist, sowie mit einer Steuereinrichtung (3; 33), die für eine Bereitstellung von elektrischer Energie an die Stelleinrichtung (6; 36) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3; 33) derart für eine Ansteuerung der Stelleinrichtung (6; 36) ausgebildet ist, dass eine Geschwindigkeit des Ventilkörpers (10; 40) bei Berührung des Ventilsitzes (20; 50) oder des Anschlags (22; 52) verschwindet.
Elektromechanische Schaltventilanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3; 33) für eine unidirektionale Signalübertragung mit der Stelleinrichtung (6; 36) ausgebildet ist und Mittel zur Erfassung der an die Stelleinrichtung (6; 36) bereitgestellten elektrischen Energiemenge umfasst.
Elektromechanische Schaltventilanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3; 33) für Anpassung der an die Stelleinrichtung (6; 36) bereitgestellten elektrischen Energiemenge in einem nachfolgenden Schaltzyklus anhand einer im vorausgegangenen Schaltzyklus ermittelten elektrischen Charakteristik der Stelleinrichtung (6; 36) ausgebildet ist.