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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dosierventils für ein Fluid, wie es beispielsweise eingesetzt werden kann, um ein Gasdosierventil zu betreiben, das über einen Elektromagneten zur Steuerung der Eindosierung verfügt.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Gasdosierventile für Fluide bekannt. So ist aus der
DE 10 2020 201 973 A1 ein Gasdosierventil bekannt, bei dem ein bewegliches Ventilelement mit Hilfe eines Elektromagneten bewegt wird. Das Ventilelement verschließt die Einlassöffnung für den gasförmigen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und wird als Tauchanker vom Elektromagneten gegen die Kraft einer Schließfelder bewegt. Bei diesem Gasdosierventil drückt der gasförmige Brennstoff ein zweites Ventilelement auf, das die eigentliche Eindüsöffnung verschließt. Die Beaufschlagung des Ventilelements durch die Schließfeder ist notwendig, damit das Ventilelement einerseits bei ausgeschaltetem Elektromagneten die Einlassöffnung verschließt und andererseits das Ventilelement eine definierte Ausgangsstellung einnimmt. Nur wenn die Ausgangsstellung des Ventilelements genau bekannt ist, kann der Elektromagnet gezielt angesteuert werden und die Eindosierung des gasdosierten Brennstoffs zum gewünschten Zeitpunkt und mit der exakten Menge erfolgen.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Gasdosierventil für ein Fluid, insbesondere für einen gasförmigen Brennstoff, weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das Gasdosierventil ohne eine Rückstellfeder am Ventilelement auskommt und damit weniger Bauraum benötigt und günstigere Herstellungskosten aufweist. Dazu wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Dosierventil verwendet, das einen Elektromagneten aufweist, der mit einem beweglichen Magnetanker zusammenwirkt, wobei der Magnetanker zwischen einer Endposition und einer Ausgangsposition beweglich ist. Darüber hinaus weist das Dosierventil ein in einer Öffnungsrichtung bewegliches Ventilelement auf, an dem der Magnetanker in der Ausgangsposition anliegt, wobei der Magnetanker durch den Elektromagneten in die Ausgangsposition bewegbar ist und zusammen mit dem Ventilelement in der Öffnungsrichtung gegen die Kraft einer Schließfeder bewegbar ist, wobei das Ventilelement durch seine Bewegungen in Öffnungsrichtung einen Strömungsquerschnitt für das Fluid öffnet und schließt.
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Die Verfahrensschritte sind wie folgt:
- - Bestromen des Elektromagneten mit einem ersten Haltestrom, so dass der Magnetanker in Anlage an das Ventilelement bewegt wird, wobei das Ventilelement in einer Schließstellung verharrt;
- - Bestromen des Elektromagneten mit einem Öffnungsstrom, so dass der Magnetanker das Ventilelement in Öffnungsrichtung gegen die Kraft der Schließfeder bewegt, bis das Ventilelement in einer Öffnungsendstellung ist;
- - Bestromen des Elektromagneten mit einem zweiten Haltestrom, der größer als der erste Haltestrom ist und der ausreicht, das Ventilelement in seiner Öffnungsstellung zu halten;
- - Beenden der Bestromung des Elektromagneten, so dass die Schließfeder das Ventilelement wieder in dessen Schließstellung drückt.
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Durch den Entfall der Ventilfeder vermindert sich zum einen der Bauraumbedarf und zum anderen wird eine größere Flexibilität bei der Ventilauslegung ermöglicht. Die Vermeidung der Ventilfeder, die das Ventilelement bei den bekannten Dosierventilen zurück in seine Schließstellung drückt, weist deshalb eine kleinere Toleranzkette auf und führt zu einer geringeren Streuung von einem Exemplar des Dosierventils zum anderen. Neben den eingesparten Kosten durch den Entfall der Ventilfeder, die darüber hinaus noch eingestellt werden müsste, kann auch ein kleinerer Elektromagnet verbaut werden, da der Magnetkraftbedarf beim Entfall der Ventilfeder kleiner ist.
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Die Unterteilung der beweglichen Teile in einen Magnetanker und ein Ventilelement weist darüber hinaus den Vorteil auf, dass die bewegte Masse verringert wird. Beim Schließen des Ventilelements bewegt sich der Magnetanker zusammen mit dem Ventilelement zurück in die Schließstellung des Ventilelements, der Magnetanker wird jedoch nicht durch das Aufsetzen des Ventilelements auf dem Ventilsitz gebremst, sondern setzt seine Bewegung ohne das Ventilelement fort. Dies bewirkt eine geringere Kraft auf den Ventilsitz, so dass eine bessere Dynamik, eine höhere Stabilität und eine höhere Lebenserwartung des Dosierventils erreicht werden.
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Durch das Anlegen des ersten Haltestroms wird der Magnetanker in Anlage an das Ventilelement gebracht, das beweglich innerhalb des Gehäuses des Dosierventils angeordnet ist und durch eine Schließfeder in seiner Ausgangsposition fixiert ist, wobei das Ventilelement in der Ausgangsposition in seiner Schließstellung ist und die Dosieröffnung verschließt. Damit erreicht der Magnetanker seine Ausgangsposition in Anlage am Ventilelement und damit eine definierte Stellung bezüglich des Elektromagneten, so dass ab diesem Zeitpunkt das Ventilelement und der Magnetanker beim weiteren Bestromen des Magneten einer definierten Dynamik folgen. Zur eigentlichen Eindosierung des gasförmigen Brennstoffs bzw. Fluids wird anschließend der Elektromagnet mit einem Öffnungsstrom, der den ersten Haltestrom übersteigt. Durch die jetzt erhöhte Magnetkraft wird der Magnetanker weiter in Öffnungsrichtung des Ventilelements gezogen und drückt dadurch das Ventilelement gegen die Kraft der Schließfeder auf, so dass ein Strömungsquerschnitt für das Fluid geöffnet wird. Sobald das Ventilelement in seiner Öffnungsstellung ist, wird der Strom des Elektromagneten auf einen zweiten Haltestrom abgesenkt. Dieser Strom reicht aus, um den Magnetanker und damit das Ventilelement gegen die Kraft der Schließfeder in der Öffnungsstellung zu halten. Soll die Eindosierung des gasförmigen Brennstoffs beendet werden, so wird die Bestromung des Elektromagneten beendet und die Schließfeder drückt das Ventilelement zurück in die Schließstellung. Dadurch bewegt sich auch der Magnetanker zurück in seine Ausgangsstellung, wobei die Ausgangsstellung wegen der fehlenden Verbindung zum Ventilelement nicht genau festgelegt ist.
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Durch das Anlegen des ersten Haltestroms wird der Magnetanker in die Ausgangslage am Ventilelement gebracht. Damit ist auch der Vorteil verbunden, dass ein schnellerer Magnetkraftaufbau für die anschließende Eindosierung möglich ist. Da der Haltestrom bereits ein Magnetfeld aufbaut, kann diese Energie des Magnetfeldes bei der mit geringem zeitlichen Abstand einsetzenden Öffnungsbewegung genutzt werden und es ist weniger Energie für den eigentlichen Öffnungsvorgangs des Magnetankers bzw. des Ventilelements notwendig. Darüber hinaus bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass die Ventildynamik überwacht werden kann. Dies wird später noch näher erläutert.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem Bestromen mit dem Öffnungsstrom für eine Haltezeit kein Strom durch den Elektromagneten geleitet. Durch den zeitlichen Abstand zwischen dem Ende des ersten Haltestroms und dem Einsetzen des Öffnungsstroms werden genau definierte Ausgangsbedingungen für den Öffnungsstrom erreicht und damit eine bessere Kontrollierbarkeit der Brennstoffdosierung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die maximale Öffnungsstromstärke größer als der zweite Haltestrom. Dies erhöht die Dynamik des Öffnungsprozesses, da durch einen anfänglich hohen Strom eine hohe magnetische Kraft auf den Magnetanker ausgeübt werden kann, der damit schnell in seine Öffnungsrichtung bewegt wird. Zum Halten dieser Öffnungsstellung reicht hingegen ein geringerer Strom aus und die Verluste, insbesondere die Wärmeverluste im Elektromagneten, können so minimiert werden.
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Der Magnetanker ist in vorteilhafter Weise frei zwischen der Endposition und der Ausgangsposition beweglich. Dies vermindert die Toleranzen, die bei der Herstellung eingehalten werden müssen, so dass die Herstellung des Dosierventils entsprechend günstiger ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Stromregelung durch eine Zweipunktstromregelung. Dies bedeutet, dass die Spannung, durch die der Strom gesteuert wird, mit einer variablen Frequenz zwischen zwei Werten hin- und hergeschaltet wird. Da der Strom bei einer Spule mit einer zeitlichen Verzögerung der Spannung folgt, ergibt sich so ein relativ konstanter Strom, je nach Frequenz der angelegten Spannung. Über die Auswertung der Regelungsfrequenz kann die Anlage des Magnetankers an der Ausgangsposition, d. h. am Ventilelement, detektiert werden. Dieses Verfahren erlaubt in vorteilhafter Weise darüber hinaus, Rückschlüsse auf den Verschleißzustand des Dosierventils zu ziehen. Dazu kann die Zeit analysiert werden, die erforderlich ist, bis der Magnetanker an seiner Ausgangsposition in Anlage am Ventilelement ist. Diese Zeitdauer ist im Mittel abhängig vom Verschleiß des Magnetankers, der im Gehäuse des Dosierventils geführt ist, so dass über eine Änderung dieser Zeitdauer auf einen Verschleiß des Magnetankers und damit des Ventils geschlossen werden kann. Es können damit Kompensationsmaßnahmen eingeleitet werden, beispielsweise ein höherer erster Haltestrom, um schneller den Magnetanker in seine Ausgangsposition zu fahren.
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Figurenliste
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In der Zeichnung ist ein Gasdosierventil und verschiedene Diagramme zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Es zeigt
- 1 einen Längsschnitt durch ein Dosierventil, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann,
- 2a, 2b, 2c und 2d verschiedene Zustände des Dosierventils und darüber den zugehörigen Stromverlauf und
- 3 eine Darstellung von Regelungsfrequenz, Strom, Hub und Spannung bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und zur Auffindung des Zeitpunkts, an dem der Magnetanker am Ventilelement anliegt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele und des erfindungsgemäßen Verfahrens
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In 1 ist ein Dosierventil für Fluide, insbesondere für gasförmige Brennstoffe, im Längsschnitt dargestellt, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann. Das Dosierventil 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das einen Haltekörper 3, einen Magnetkörper 4 und einen Düsenkörper 5 umfasst, wobei diese Teile der Gehäuses 2 durch ein Spannmutter 8 gegeneinander gasdicht verspannt sind. In den Haltekörper 3 kann über Zuströmöffnungen 6 gasförmiger Brennstoff einströmen und gelangt von dort in einen Fluidraum 7, der sich vom Haltekörper 3 über den Magnetkörper 4 bis in den Düsenkörper 5 erstreckt. Im Haltekörper 3 ist ein Magnetanker 10 längsverschiebbar angeordnet, der im Wesentlichen kolbenförmig ausgebildet ist und in dem Bohrungen 11 zur Durchleitung des gasförmigen Brennstoffs ausgebildet sind. Der Magnetanker 10 weist an seinem dem Düsenkörper 5 zugewandten Ende eine Kolbenstange 12 auf, mit der der Magnetanker 10 in Anlage an ein Ventilelement 15 gelangen kann. Das Ventilelement 15 ist als kolbenförmige Ventilnadel ausgebildet und im Düsenkörper 5 in einem ersten Führungsabschnitt 16 und einem zweiten Führungsabschnitt 17 geführt, wobei sowohl im ersten Führungsabschnitt 16 als auch im zweiten Führungsabschnitt 17 Anschliffe vorgesehen sind zur Durchleitung des gasförmigen Brennstoffs.
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Das Ventilelement 15 weist eine Nadelspitze 18 mit einer konischen Außenfläche auf, die eine Dichtfläche 20 bildet und mit einem ebenfalls konischen Ventilsitz 21, der am austrittsseitigen Ende des Düsenkörpers 5 ausgebildet ist, einen Dichtsitz bildet. Der Düsenkörper ist im Bereich, in dem das Ventilelement 15 geführt ist, zylindrisch ausgebildet und weist an seinem in der Zeichnung unteren, ausströmseitigen Ende eine Öffnung 19 auf, durch die der gasförmige Brennstoff oder ein sonstiges Fluid, das mit dem Dosierventil dosiert abgegeben werden soll, austreten kann. Bei Anlage des Ventilelements 15 am Ventilsitz 21 verschließt dieses die Öffnung 19. Dabei ist das Ventilelement 15 am ventilsitzabgewandten Ende mit einem Federteller 23 verbunden, zwischen dem und einer Schulter im Düsenkörper 5 ist eine Schließfeder 24 unter Druckvorspannung angeordnet ist, so dass das Ventilelement 15 durch die Kraft der Schließfeder 24 in Anlage an den Ventilsitz 21 gedrückt wird. Wenn das Ventilelement 15 aus dem Düsenkörper 5 herausbewegt wird, so strömt Brennstoff zwischen der Dichtfläche 20 und dem Ventilsitz 21 nach außen.
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Zur Bewegung des Magnetankers 10 ist im Magnetkörper 4 ein Elektromagnet 9 vorgesehen. Der Elektromagnet 9 umgibt den Magnetanker 10, so dass der Magnetanker 10 als Tauchanker wirkt. Bei Bestromung des Elektromagneten 9 wird der Magnetanker 10 in Richtung des Ventilelements 15 gezogen, wobei die Kraft des Elektromagneten 9 ausreicht, den Magnetanker 10 zusammen mit dem Ventilelement 15 gegen die Kraft der Schließfeder 24 zu bewegen, so dass durch eine Bestromung des Elektromagneten 9 der Strömungsquerschnitt 19 aufgesteuert werden kann. Zur Begrenzung des Öffnungshubs kommt der Magnetanker 10 dabei an einer Anschlagfläche 13 zur Anlage, die als Ringfläche im Magnetkörper 4 ausgebildet ist.
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Zur Illustrierung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in 2a, 2b, 2c und 2d verschiedene Zustände des Dosierventils 1 dargestellt. Oberhalb der Dosierventilabbildungen ist der Verlauf des zugehörigen Spulenstroms I jeweils in einem Diagramm dargestellt und der jeweils zugehörige Verlaufsabschnitt hervorgehoben. In 2a ist der Ausgangszustand des Gasdosierventils 1 gezeigt vor der Bestromung bis zum Zeitpunkt t1 (Phase A). Das Gasdosierventil 1 weist einen Ausgangszustand auf, bei dem das Ventilelement 15 durch die Schließfeder 24 in Schließstellung gehalten wird, während der Magnetanker 10 eine nicht näher definierte Position zwischen seiner Endstellung in der obigen Anschlagposition und der Anlage am Ventilelement 15 einnimmt. In welcher Position der Magnetanker 10 zu Beginn des Öffnungszyklus ist, ist nicht festgelegt, da der Anker nicht durch eine Feder oder eine andere Einrichtung in einer definierten Position gehalten wird. In der Regel wird der Magnetanker 10 nicht am Ventilelement 15 anliegen und einen Abstand zu diesem aufweisen, hier mit hv bezeichnet. 2b zeigt den Zustand, nachdem zum Zeitpunkt t1 ein erster Haltestrom I1 durch den Elektromagneten 9 geleitet und bis zum Zeitpunkt t2 gehalten wird (Phase B). Dieser erste Haltestrom I1 reicht aus, um den Magnetanker 10 in Richtung des Ventilelements 15 zu bewegen, so dass dieser an der Anlagefläche 14 des Ventilelements 15 zur Anlage kommt, ohne jedoch die Kraft der Schließfeder 24 zu überwinden. Die Zeitspanne, die der Magnetanker 10 benötigt, bis er in Anlage am Ventilelement 15 ist, hängt von seiner Ausgangsposition ab und variiert von einem Öffnungszyklus zum anderen. Die Dauer der Phase B muss deshalb ausreichen, den Magnetanker 10 aus jeder Ausgangsposition in Anlage an das Ventilelement 15 zu bringen. In der anschließenden Phase C zwischen dem Zeitpunkt t2 und dem Beginn des Öffnungsstroms zum Zeitpunkt t3 wird kein Strom durch den Elektromagneten 9 geleitet, wobei das durch den ersten Haltestrom I1 erzeugte Magnetfeld noch eine gewisse Zeit erhalten bleibt. Der Magnetanker 10 befindet sich jetzt in an der Anlagefläche 14 des Ventilelements 15 und damit in einer genau definierten Position. Die Dauer der Phase C ist dabei recht gering, beispielsweise eine Millisekunde. Die 2c zeigt das Gasdosierventil in diesem Zustand. Der Hub ha, der den Abstand des Magnetankers 10 zur Schulter 13 angibt, markiert den maximalen Hub des Ventilelements 15. Der maximale Überhub des Magnetankers 10 ist hier mit hu gekennzeichnet.
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In 2d ist der eigentliche Öffnungshub illustriert. Es wird in einer Phase D zu einem Zeitpunkt t3 ein Öffnungsstrom an den Elektromagneten 9 angelegt, wobei dieser Strom im Maximum deutlich höher ist als der erste Haltestrom I1. Dadurch wird eine Kraft auf den Magnetanker 10 ausgeübt, die den Magnetanker 10 und das Ventilelement 15 gegen die Kraft der Schließfeder 24 bewegt, so dass das Ventilelement 15 aus dem Düsenkörper 5 austaucht und die Öffnung 19 zwischen dem Ventilsitz 21 und der Dichtfläche 20 freigibt. Durch die Öffnung 19 strömt gasförmiger Brennstoff aus dem Fluidraum 7 des Dosierventils 1 nach außen. Sobald das Ventilelement 15 seine maximale Öffnungsstellung erreicht hat, d.h. wenn der Magnetanker 10 in Anlage an der Anschlagfläche 13 ist, wird der Strom durch den Elektromagneten 9 zurückgefahren und ein Haltestrom I2 konstant gehalten. Der Haltestrom I2 ist geringer als der maximale Öffnungsstrom und hält den Magnetanker 10 zusammen mit dem Ventilelement 15 in der Öffnungsstellung gegen die Kraft der Schließfeder 24. Zur Beendigung der Dosierung des gasförmigen Brennstoffs wird der Strom im Elektromagneten 9 bis zum Zeitpunkt t4 auf 0 zurückgefahren. Mit nachlassender Magnetkraft auf den Magnetanker 10 drückt die Schließfeder 24 das Ventilelement 15 wieder zurück in seine Ausgangsstellung. Der Magnetanker 10 bewegt sich zusammen mit dem Ventilelement 15, wird aber nicht gestoppt, wenn das Ventilelement 15 am Ventilsitz 21 aufliegt, sondern setzt seine Öffnungsbewegung 10 fort, bis er an der Endposition oder an irgendeiner Zwischenposition davor zur Ruhe kommt. Die Masse des Magnetankers 10 muss damit nicht durch das Ventilelement 15 abgefangen werden, was die mechanische Belastung des Ventilsitzes 21 deutlich mindert.
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In 3 ist illustriert, wie aus der Regelung des Magneten 9 während des ersten Haltestroms I1 in der Phase A zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 die Anlage des Magnetankers 10 auf dem Ventilelement 15 detektiert werden kann. Dies erlaubt, den Zeitpunkt zu messen, zu dem die Öffnungsbewegung des Ventilelements gestartet werden kann, und die Regelung zu optimieren. Das linke Diagramm zeigt den Verlauf des Stroms I durch den Elektromagneten 9 über der Zeit t, wie schon in den 2a bis 2d dargestellt. Auf der rechten Seite befinden sich in zeitlicher Korrelation vier übereinander angeordnete Diagramme: Die Reglungsfrequenz f der Spannung im oberen Diagramm, nochmals der schon links gezeigte Strom I in höherer Auflösung, der Hub h des Magnetankers im dritten Diagramm und unten die Spannung U am Magneten. Der Hub h startet dabei vom Wert hv, wie in 2a definiert, und h=0 markiert die Anlage des Magnetankers 10 am Ventilelement 15.
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Zum Zeitpunkt t1 wird der erste Haltestrom I1 durch den Elektromagneten 9 geleitet, indem eine Spannung U angelegt wird. Die Spannung U(t) wird dabei nicht konstant gehalten, sondern in Form einer Zweipunktregelung mit einer Frequenz f zwischen zwei Spannungswerten U0 und U1 schnell hin- und hergeschaltet. Den Verlauf der Frequenz f der Spannung U(t) zeigt dazu das obere Diagramm. Aufgrund der Induktivität der Spule folgt der Strom I der Spannung U jedoch mit zeitlicher Verzögerung, wodurch sich ein gegenüber dem Spannungsverlauf U(t) geglätteter Verlauf ergibt.
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Die Induktivität des Elektromagneten 9 ändert sich je nach Position des Magnetankers 10: Je näher der Magnetanker 10 dem Ventilelement 15 kommt und damit je tiefer er in den Elektromagneten 9 eintaucht, desto höher ist die Induktivität und desto höher ist auch die Regelungsfrequenz f. Dies zeigt sich im Spannungsdiagramm U(t), wo die Regelungsfrequenz f bei Erreichen des Anlagepunktes am Ventilelement 15 zum Zeitpunkt t2' abknickt und dann konstant bleibt. Der Zeitpunkt t2', zu dem der Magnetanker 10 am Ventilelement 15 anliegt und das Dosierventil in einer definierten Ausgangsstellung ist, lässt sich so über eine Auswerteelektronik einfach bestimmen. Die Kenntnis dieses Zeitpunkts t2' ermöglicht es, den Verlauf des Spulenstroms anzupassen und damit einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Sollte beispielsweise der Zeitpunkt t2' zu nahe am Ende des ersten Haltestroms I1 liegen (Zeitpunkt t2), so kann der Zeitpunkt t1 nach vorne verlegt und damit die Dauer der Phase A verlängert werden, damit das Dosierventil zum vorgegebenen Zeitpunkt t2 bereit für den Öffnungsvorgang ist.
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Eine weitere Größe, die über die Regelungsfrequenz f bestimmt werden kann, ist die Zeitdauer, die der Magnetanker 10 nach dem Anlegen des ersten Haltestroms I1 benötigt, um in Anlage an das Ventilelement 15 zu fahren. Diese Zeitdauer (t1 bis t2' in 3) hängt neben der Position des Magnetankers 10 zu Beginn des ersten Haltestroms I1 vom Verschleiß des Magnetankers 10 im Gehäuse 2 ab, da ein höherer Verschleiß einen höheren Bewegungswiderstand des Magnetankers 10 bedeutet. Im Laufe der Zeit benötigt der Magnetanker 10 im Mittel eine immer längere Zeitdauer, bis er in die Ausgangsposition am Ventilelement 15 gelangt. Umgekehrt lässt sich aus der Zunahme dieser Zeitdauer auf den Verschleiß des Dosierventils rückschließen. Zur Kompensation des Verschleißes kann der Haltestrom I1 erhöht werden, was die Kraft auf den Magnetanker 10 erhöht und damit die Zeitdauer verkürzt, in der der Magnetanker die Anlage am Ventilelement 15 erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020201973 A1 [0002]
