DE3909693A1

DE3909693A1 - Elektrisch verstellbares ventil, insbesondere drosselventil

Info

Publication number: DE3909693A1
Application number: DE19893909693
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl Ing Piechnick
Original assignee: Mannesmann Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 1988-05-26
Filing date: 1989-03-23
Publication date: 1989-11-30
Also published as: DE3909693C2; US4938252A; JPH0217276A

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch verstellbares Ventil, insbesondere Drosselventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung geht von einer bekannten elektrohydraulischen Steuereinrichtung (DE-OS 25 23 600) aus, bei der der Druckunterschied am Einlaß und Auslaß des Ventils gemessen und die Position des Ventilgliedes mit Hilfe einer Regelschaltung so eingestellt wird, daß der Einfluß des von Belastungsänderungen abhängigen Druckunterschiedes kompensiert wird, so daß der Volumenstrom unabhängig von der anliegenden Druckdifferenz ist. Dies wird dadurch erreicht, daß der Druckunterschied in der Regelschaltung radiziert und der Sollwert für den Kolbenhub bzw. Volumenstrom durch den radizierten Wert dividiert wird. Dieses Ausgangssignal wird einem bekannten Lageregelkreis als Sollwert für den Ventilhub zugeführt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Ansteuerung des Ventils so auszubilden, daß in einfacher Weise eine Vielzahl von Ventilfunktionen realisierbar ist, nämlich außer einer Stromregelung auch beispielsweise eine Druckregelung, eine Leistungsregelung, eine Widerstandsregelung oder andere Kennlinien zwischen Durchfluß und Druckunterschied wie beispielsweise einer quadratisch progressiven Kennlinie.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 5 gelöst.

Es wird das der Druckdifferenz am Ein- und Auslaß des Ventils entsprechende Signal mit einem Exponenten potentiert. Der Exponent wird so gewählt, daß die gewünschte Abhängigkeit zwischen dem Volumenstrom und dem Ventilhub bzw. dem Öffnungsquerschnitt des Ventils erzielt wird. Das Ausgangsmaterial der Potenzierstufe wird mit dem Sollwert für die Ventilverstellung multipliziert und das Produkt liefert den Sollwert für den Kolbenhub. Je nach Wahl des Exponenten lassen sich in der Ausbildung der Regelschaltung gemäß Patentanspruch 1 verschiedene Ventilfunktionen realisieren, indem das Ventil als Stromregler, Leistungsregler oder linearer Widerstand arbeiten kann.

In der Ausbildung der Regelschaltung gemäß Patentanspruch 5 läßt sich das Ventil als Druckventil betreiben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

So ist beispielsweise das Ventil auch für beide Durchströmrichtungen geeignet, wobei zur Einhaltung der gewünschten Durchflußbeziehung jede Durchströmrichtung mit einem geeigneten Korrekturfaktor berücksichtigt wird. Dabei kann das Produkt des Ausgangssignals aus der Potenzierstufe und des Eingangssignals für den Sollwert mit dem Korrekturfaktor multipliziert werden oder das Ausgangssignal der Summierstufe für die Druckregelfunktion des Ventils wird mit dem Korrekturfaktor multipliziert.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Fig. 1 und 2 der Zeichnung näher erläutert, die Fig. 3-6 zeigen Kennlinien verschiedener Ventilfunktionen.

In Fig. 1 ist ein Drosselventil 1 mit seinem Schaltsymbol dargestellt. Die Durchflußrichtung ist normalerweise von A nach B. Die Einstellung des Kolbenhubs erfolgt durch einen Proportionalmagnet 2, mit dem ein Vorsteuerdruck zur Bestätigung des Blendenkolbens erzeugt wird. Der Zulauf für das Steueröl ist mit x bezeichnet, wobei der Anschluß X an den Einlaß A des Arbeitsanschlusses angeschlossen sein kann, während der Ablauf Y des Steueröls normalerweise in einen Tank geführt wird.

Die Position des Blendenkolbens wird in einem Wegaufnehmer 5 in eine Spannung U umgesetzt. In einem Regelverstärker 6 wird der Sollwert S _soll für den Kolbenhub mit dem Istwert des Wegaufnehmers 5 verglichen und entsprechend dem Differenzwert der Proportionalmagnet 2 angesteuert. Über diesen Lageregelkreis ist eine feste Zuordnung zwischen dem Sollwert und dem Istwert des Öffnungshubes erzielt.

Geht man von einem rechteckförmigen Öffnungsquerschnitt des Drosselventils aus, so ergibt sich folgende Durchflußbeziehung zwischen dem Volumenstrom Q und dem Sollwert für den Kolbenhub:

Q = B · S _soll Δ p ^0,5 (1)

dabei ist Δ p die Druckdifferenz am Drosselventil 1. B ist ein Durchflußbeiwert. Der Zusammenhang zwischen dem Volumenstrom Q und der Druckdifferenz Δ p ist somit nichtlinear.

In Fig. 1 wird das bekannte Drosselventil mit Lageregelkreis durch folgende Schaltung ergänzt. Das Drosselventil wird mit einem zusätzlichen Differenzdruckaufnehmer 10 versehen, der an den Einlaß A und Auslaß B des Drosselventils 1 angeschlossen ist. Aus der jeweiligen Druckdifferenz wird eine elektrische Spannung U erzeugt. Diese Spannung u wird in einer Potenzierstufe 12 mit einem Exponenten n potenziert. Das Ergebnis U ⁿ wird mit einem Eingangssignal E _soll (Gebersignal für Ventilhub bzw. Durchströmquerschnitt) und mit einem Korrekturfaktor C in einer Multiplizierstufe 14 multipliziert. Der Ausgang der Multiplizierstufe 14 stellt den Sollwert S _soll für den Kolbenhub dar.

Dieser Sollwert S _soll ergibt sich somit aus folgender Gleichung

S _soll = C E _soll Δ p ⁿ (2)

Setzt man diesen Sollwert S _soll in die Gleichung (1) ein, so erhält man

Q = B · C E _soll Δ p ^0,5+n (3)

Mit dem Exponenten 0,5 + n läßt sich die Kennlinie zwischen dem Durchlußvolumen und der Druckdifferenz am Drosselventil verändern. Der eine Eingangsanschluß der Potenzierstufe 12 erhält den Wert n und der andere Eingangsanschluß das Druckdifferenzsignal vom Druckaufnehmer 10. Durch geeignete Wahl des Exponenten n lassen sich verschiedene Ventilfunktionen realisieren.

Mit n = -0,5 ergibt sich folgende Beziehung

Q = B · C · E _soll (4)

Das Drosselventil arbeitet als Stromregler, da der Volumenstrom nicht mehr von der anliegenden Druckdifferenz abhängt. Die Kennlinien für E _soll verlaufen parallel zur Δ p-Achse (Fig. 3).

Mit n = 0,5 ergibt sich der Durchfluß zu

Q = B · C · E _soll · Δ p (5)

Die Drossel arbeitet als linearer Widerstand (z. B. als Dämpfung), dessen Linearität sich nicht mehr nur auf das Eingangssignal E _soll, sondern auch auf die Druckdifferenz Δ p bezieht (Fig. 4).

Mit n = -1,5 ergibt sich folgende Gleichung

Q · Δ p = B · C · E _soll (6)

In diesem Fall liegt eine Leistungsregelung vor, da das Produkt aus Volumenstrom und Druckdifferenz proportional zu Eingangssignal ist (Fig. 5).

Es können auch andere Werte für n gewählt werden, um das Q- bzw. Δ p-Kennfeld im Rahmen der Leistungsgrenzen beliebig vorzugeben. Es kann somit für jeden Anwendungsfall eine optimale Durchflußbeziehung erzeugt werden.

Das Drosselventil ist somit zu einem Multifunktionalventil ausgebaut, dessen Eigenschaften vom Anwender nahezu frei wählbar sind.

Bei der bisherigen Betrachtung blieb unberücksichtigt, daß das Drosselventil einen Leerhub aufweist, d. h. der Blendenkolben beginnt erst nach Durchfahren eines bestimmten Leerhubes zu öffnen. Dieser Leerhub läßt sich einfach dadurch berücksichtigen, daß dem Eingangswert E _soll ein Korrekturfaktor zugeordnet wird.

Es ist auch möglich, das Drosselventil für beide Durchströmrichtungen auszulegen. Für jede Durchströmrichtung gilt ein Durchflußkoeffizient, so daß zur Bildung des Sollwertes für den Kolbenhub unterschiedliche Werte für den Korrekturfaktor C verwendet werden. Die Umschaltung des Faktors C kann in Abhängigkeit vom Vorzeichen des Druckunterschiedes Δ p erfolgen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird das Ausgangssignal des Potenzierers 12 zum einen einer Summierstufe 16 und zum anderen über ein Invertierglied 17 einem Dividierer 18 zugeführt und dort durch das Eingangssignal E _soll dividiert. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 18 wird der Summierstufe 16 zugeführt und dort mit dem Ausgangssignal der Potenzierstufe 12 addiert. Das daraus sich ergebende Summensignal wird nunmehr in einer nur zwei Eingänge aufweisenden Multiplizierstufe 15 mit einem Korrekturfaktor C multipliziert. Der Ausgang dieser Multiplizierstufe 15 stellt den Sollwert S _soll für den Kolbenhub dar. Dieser Sollwert S _soll ergibt sich somit aus folgender Gleichung

Setzt man diesen Sollwert S _soll in die Gleichung (1) ein, so erhält man

Durch geeignete Wahl des Exponenten lassen sich auch damit wieder verschiedene Ventilfunktionen realisieren.

Mit n = 0,5 ergibt sich der Durchfluß zu

Q = B · C · Δ p - E (9)

Das Drosselventil arbeitet im vorliegenden Fall bei sehr kleinen Werten von C als Druckregelung, da die daraus sich ergebenden Q-Δ p-Kennlinien nahezu linear zur Q-Achse verlaufen und die Δ p-Achse rechts von der Nullinie schneiden (Fig. 6).

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Drosselventil beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung auch bei anderen Ventilen realisierbar, die eine Blende oder Steuerkante zur Drosselung des Volumenstroms aufweisen und elektrisch angesteuert sind. Bei Ventilen mit nichtlinearem Öffnungsquerschnitt sind Maßnahmen zur Berechnung der jeweiligen geometrischen Verhältnisse vorzusehen.

Die beschriebenen arithmetischen Operationen sind sowohl analog als auch digital zu realisieren.

Claims

1. Elektrisch verstellbares Ventil mit einem Wegaufnehmer für die Position des Ventilgliedes, mit einem Druckaufnehmer für die Druckdifferenz am Ein- und Auslaß des Ventils, mit einem Geber für den Ventilhub bzw. den Öffnungsquerschnitt des Ventils und mit einer Regelschaltung, von der das Druckdifferenzsignal in einem Algorithmus mit dem Gebersignal verknüpft und als Eingangsgröße eines Lageregelkreises zur Ansteuerung des Ventils verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckdifferenzsignal in einer Potenzierstufe (12) mit einem frei wählbaren Exponenten n potenziert wird und das Ausgangssignal in einer Multiplizierstufe (14) mit dem Gebersignal multipliziert wird.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit n = -0,5 das Ventil als Stromregelventil arbeitet.

3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit n = 0,5 der Volumenstrom linear abhängig vom Eingangssignal und der Druckdifferenz Δ p ist.

4. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit n = -1,5 das Ventil als Leistungsregler arbeitet.

5. Elektrisch verstellbares Ventil mit einem Wegaufnehmer für die Position des Ventilgliedes, mit einem Druckaufnehmer für die Druckdifferenz am Ein- und Auslaß des Ventils, mit einem Geber für den Ventilhub bzw. den Öffnungsquerschnitt des Ventils und mit einer Regelschaltung, von der das Druckdifferenzsignal in einem Algorithmus mit dem Gebersignal verknüpft und als Eingangsgröße eines Lageregelkreises zur Ansteuerung des Ventils verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckdifferenzsignal in einer Potenzierstufe (12) mit einem frei wählbaren Exponenten n potenziert wird und in einer Summierstufe (16) der Ausgang der Potenzierstufe (12) und der mit dem Gebersignal für den Ventilhub multiplizierende Kehrwert des Ausgangs der Potenzierstufe (12) subtrahiert wird.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das resultierende Signal mit einem Korrekturwert C multipliziert wird.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß für unterschiedliche Durchströmrichtungen der Korrekturfaktor C unterschiedlich und umstellbar ist.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Berücksichtigen des Leerhubes des Ventilgliedes dem Eingangssignal ein Konstantwert aufschaltbar ist.