Kleine Leckagen erkennen

Aber bevor diese Neuentwicklung von den amerikanischen Automobilherstellern akzeptiert wurde, mußte eine Herstellungsmethode gefunden werden, die für jedes Ventil einzeln die zuverlässige Funktionsweise bei den hohen Gasdrücken, wie sie im Gastank vorkommen, dokumentiert. Die Suche führte zu einem kundenspezifischen System, welches Hochdruckdichtprüfen mittels Helium-Massenspektrometer und einem elektrischen/mechanischen Funktionstest in einem automatisch ablaufenden, sechstufigen Prüfprozeß in insgesamt nur 75 Sekunden kombiniert.

Ausgeklügelte Prüfprozeduren waren nötig, weil das Ventil – ein hochentwickeltes und patentiertes Design – einige innovative Konzeptionen und viele verschiedene Funktion bietet.

Unter dem Namen NaturalFlo Electronic Cylinder Shut-off-Ventil reduziert dieses Bauteil den Leitungsaufwand im Fahrzeug durch Bereitstellung eines einzigen Anschlusses sowohl für das Befüllen als auch für die Entnahme das Gases zum Motor. Das innenliegende Ventildesign wurde so ausgeführt, daß alle Betriebsteile inklusive dem Betätigungsmagnet und einem Überdruck-Sicherheitsventil (verhindert eine Explosion des Tanks bei Feuer durch kontrolliertes Ablassen des Überdrucks) innerhalb des Tanks gelegt wurden und so bestens geschützt sind vor Abscheren, Beschädigung oder Herumbastelei.

Das Ventil öffnet, betrieben mit der normalen Bordnetzspannung von 12 Volt, sobald der Fahrer den Zündschlüssel zum Anlassen des Motors herumdreht, und schließt, wenn die Zündung abgestellt wird. Dies stellt sicher, daß kein Gas im Stillstand über den Motor entweichen kann, welches besonders ein Sicherheitsrisiko in Garagen darstellen würde.

Die Kompliziertheit des Ventils liegt in dem hohen Betriebsdruck eines vollständig gefüllten Gastanks von typisch 3600 psi begründet. Das vorgesteuerte Design ermöglicht zuerst einen Gasfluß um den Ventil-teller, um einen Druckausgleich auf beiden Seiten zu schaffen. Durch den Druckausgleich kann ein relativ kleiner und wenig Energie verbrauchender Elektromagnet das Tellerventil öffnen. Durch diesen kleinen Betä-tigungsmagnet ist das innenliegende Ventilkonzept erst realisierbar geworden.

Wird der Tank aufgefüllt, so öffnet der höhere Druck des Füllsystems einfach ein federbelastetes Rohrventil und erlaubt so den Füllvorgang mit Erdgas. Dieses Ventil beinhaltet auch eine normal betätigte Abschalteinrichtung, welche es Mechanikern erlaubt, zur Sicherheit den Tank bei Servicearbeiten abzuschalten.

Das Zylinder-Abschaltventil ist der komplexeste der drei Komponenten, aus dem das Erdgas Steuerungssystem für Fahrzeuge besteht. Mit den anderen zwei sichert ein ähn-liches Kraftstoffverteiler-Abschaltventil bei niedrigeren Drücken von 200 psi ein zündungsgesteuertes Abschalten, um Gas aus dem Druckregulator bei abgeschaltetem Motor zurückzuhalten.

Das einfachste der drei Komponenten ist ei-ne Ventil-Anschlußkombination am anderen Ende der Fülleitung; dort, wo sonst der konventionelle Einfüllstutzen sitzt.

„Weil die meisten unserer Produkte nicht so komplex wie die Erdgasfahrzeug-Ventile sind, bedeutete eine Leckprüfung üblicherweise das Eintauchen in Wasser und Suchen nach austretenden Bläschen,“ erklärt Dwight Nafzinger, Manager von Superior. „Als wir mit der Produktion von Ventilen für erdgasbetriebene Fahrzeuge begannen, fanden wir heraus, daß die Automobilhersteller eine bessere Prüfmethode wollten.

In Übereinstimmung mit ANSI/AGA Standards legten sie ihre Prüfspezifikationen wie Prüfdruck, Leckraten und Antwortzeiten fest. Wir mußten ein Prüfsystem finden, welches nicht nur diese Anforderungen erfüllt, sondern auch schnell genug prüft, um sich an ein wachsendes Produktionsvolumen anpassen zu können.“

Auf der Suche nach dem richtigen Prüf-system sprach Superior Valve mit fünf Prüfsystemherstellern, und wählte am Ende die InterTech Development Company (IDC). „InterTech war eine der ganz wenigen Firmen, die gewillt waren, mit diesen hohen Drücken zu arbeiten,“ sagt er, „aber unsere hohen 3600 psi waren auch für sie das erste Mal. Außerdem meinten wir, sie wären stärker als die anderen an der Konstruktion ei-nes schlüsselfertigen, kundenspezifischen Systems, so wie wir es wollten, interessiert.“

Ein weitere Vorteil war IDC’s Erfahrung in der Automobilindustrie. „Einer unserer corporate execs, der von Ford kam, hatte bereits Erfahrungen mit IDC-Arbeit dort gemacht, und das gab uns besonderes Vertrauen in unsere Wahl,“ setzt er hinzu.

Das von IDC entwickelte System benutzt ein Helium Massenspektrometer, welches bevorzugt eingesetzt wird beim Dichtprüfen von Teilen, die gefährliche Gase enthalten, weil es sehr kleine Leckagen erkennen kann. Diese Fähigkeit resultiert aus der relativ kleinen molekularen Struktur des Heliums, welches es diesem Edelgas erlaubt, leicht durch kleinste Poren zu dringen, die andere Gase wie Sauerstoff oder Stickstoff nicht passieren könnten.

Bei dieser Technik wird – einfach ausgedrückt – der Prüfling in einer Glockenkammer abgedichtet und mit Helium, – in diesem Falle bevorzugt IDC ein 10/90 % Helium/ Luftgemisch – , befüllt, dann wird die Kammer evakuiert, so daß Helium durch eventuell vorhandene Undichtigkeiten in das in der Kammer herrschende Vakuum gelangen kann. Ein Helium-Massenspektrometer entnimmt Proben und durch Ionisation des Heliums können auch sehr kleine Mengen dieses Gases nachgewiesen werden.

Weil Superior 15 verschiedene Modelle mit unterschiedlichen Prüfbedingungen im Programm hat, besitzt das IDC-Prüfsystem 3 verschiedene, auf einem Transportschlitten befestigte Glockenkammern. Durch Auswahl über die Steuerung des Testsystems werden die richtigen Prüfkammern automatisch in die Prüfposition gebracht.

Das Prüfsystem überspannt eine Seite eines ovalen Paletten-Förderbandes, während die andere Seite durch einen Reinraum läuft, in dem die Ventile montiert werden. Dort wird jedes Ventil so in eine kundenspezifische Teileaufnahme montiert, daß die Bauteile, welche später im Erdgastank sitzen, von dieser Teileaufnahme umhüllt sind. Dadurch wird die Prüfung unter realistischen Bedingungen durchgeführt. Die Teileaufnahme ist auf der kundenspezifischen Förderpalette in der richtigen Position für späteren Anschluß im Prüfgerät aufgesteckt.

Jede Palette wird durch einen binären Code mit magnetischen Stiften identifiziert, so daß beim Laden der Palette die Steuerung des Förderbandes alle notwendigen Informationen über die darauf befindlichen Ventile erhält. Wird die Palette vom Förderband in das IDC-Prüfsystem bewegt, so tauscht die Steuerung des IDC-Prüfsystemes mit der Steuerung des Förderbandes diese Informationen aus. Dadurch wird sichergestellt, daß die Prüflinge immer mit der richtigen Glockenkammer und dem passenden Prüf-ablauf getestet werden.

Kommt eine Palette neben der nach unten offenen, glockenförmigen Prüfkammer an, wird ein Prüfling mit Teileaufnahme lagerichtig in die Testkammer gehoben und ab-gedichtet. Im weiteren Verlauf werden die elektrischen Anschlüsse und die Heliumgemischversorgung unterhalb der Teileaufnahme hergestellt. Dann wird die geschlossene Prüfkammer auf 50 millitorr evakuiert und der sechsstufige Prüfablauf läuft ab.

Falls eine Leckage mit mehr als 0,01 sccm (Standardkubikzentimeter pro Sekunde) auftritt oder ein anderer Funktionstest fehlschlägt, wird der Prüfvorgang abgebrochen und das fehlerhafte Teil aussortiert.

Nach Beendigung der Prüfsequenzen wird der Prüfling mit Halterung und Palette aus der Prüfkammer gesenkt und vom IDC-Prüfsystem an das Förderband zurückgegeben, welche die Palette zu einer Markierungsstation weitertranportiert.

Akzeptierte Ventile erhalten hier eine Seriennummer, welche vom IDC-Prüfsystem generiert wird. Zusätzlich werden eine Superior-, eine Kunden-Teilenummer und die PRD-Klassifizierungsdaten aufgebracht.

Diese Ventile werden dann verpackt und versandt.

Falls ein Ventil eine von den sechs Prüfungen nicht besteht, wird die Steuerung des Förderbandes vom IDC-Prüfsystem dahingehend instruiert, das Ventil umzumarkieren und durch die Markierungsstation zurück in den Reinraum zur Nachbesserung laufen zu lassen.

„In jedem Fall,“ sagt Nafzinger, „beobachtet ein Bediener den Bildschirm des Prüfsystems um sicherzustellen, daß alle sechs Prüfungen korrekt abgelaufen sind, oder um anhand des angezeigten Fehlers eventuelle Nacharbeiten zu bestimmen.“

Ausgerüstet mit einem Farbbildschirm, zeigt das IDC Prüfsystem die gesammelten Prüfdaten fortlaufend an. IDC’s Zentralrechner M-1065 liefert fortlaufend Daten über Leckraten, Spannungen, Antwortzeiten, Eingangsdrücken und Druckänderungen. Er sammelt und zeigt Gesamtresultate an – separat für jeden der sechs Prüfvorgänge – inklusive der Teile, die den Test ohne Beanstandung passieren, den Prozentsatz davon, Anzahl der abgelehnten Teile, Prüf- und Teilefehler. Der Zentralrechner M-1065 kann bis zu 2 Millionen Prüfzyklen speichern, aber als Vorsichtsmaßnahme gegen Datenverlust speichert Nafzinger auf Band im wöchent-lichen und monatlichen Rhythmus.

„Mit Produkten wie diesen Ventilen,“ sagt er, „erwarten die Automobilhersteller von uns, die Prüfergebnisse jederzeit parat zu halten, und das IDC-Prüfsystem nimmt uns diese Verantwortung ab. Das IDC-Prüfsystem ist so flexibel ausgelegt, daß zukünftige Ventile mit minimalem Umrüstungsaufwand geprüft werden können,“ fügt er hinzu.

Dies wird sehr hilfreich sein bei einer neuen Generation von Erdgastank-Abschaltventilen, welche einen Thermistor zur Temperaturkompensation haben, womit eine bessere Füllstandsanzeige möglich wird. Ebenso gilt das für zukünftige Ventile für Einsätze bei korrosiven, brennbaren und giftigen Gasen in der Halbleiterproduktion.

Das System wird mit einem Druck von 80 psi beaufschlagt, um grobe Undichtigkeiten an den Ventildichtungen, elektrischen Durchführungen, Ventilsitzen und die Gesamtdichtheit des PRD’s aufzuspüren. Dies zeigt alle Herstellungs- und Assemblierungsfehler auf, die einen weiteren Prüfablauf überflüssig machen bzw. behindern würden. Der interne Teile-Prüfdruck wird auf 3600 psi erhöht, um die gleichen Bedingungen wie in einem vollen Erd-gastank zu simulieren, und die Prüfungen aus Prüfablauf 1 laufen erneut ab.

Um diesen Druckanstieg zu erreichen, ist das Prüfsystem mit einem kundenspezifischen Heliumverstärker ausgerüstet, der 100 % Helium von einer 2000 psi Standardflasche bezieht und ein Helium-Luftgemisch von bis zu 4000 psi liefern kann. Ein drehmomentüberwachter Betätiger innerhalb der Prüfkammer schließt das manuelle Abschaltventil mit einer Kraft von 80 in-lb, dann wird der Hauptventilmagnet mit 12 Volt erregt, um das Tellerventil zu öffnen und das Abschaltventil mit Ventilsitz auf Dichtigkeit bei hohem Druck zu prüfen.

Der Elektromagnet wird abgeschaltet, das manuelle Abschaltventil wird geschlossen und die Prüfkammer wird wieder mit Atmosphärendruck geflutet. Zwei Zuhaltungen laufen durch die Wände der Prüfkammer zusammen und dichten den Ventil- Ein- und -Ausgang ab (der Ein- bzw. Ausgang befindet sich jeweils auf der gegen-überliegenden Seite des Ventils). Dann wird die Magnet-Erregerspannung mit 1 Volt/Sekunde erhöht, bis am Ausgangsanschluß ein Druck von 1 lb anliegt. Das erste Auftreten eines Überdruckes an diesem Anschluß zeigt den Punkt, an dem das Pilotventil öffnet, und die zum Öffnen notwendige Spannung kann gemessen werden. Das Öffnen des Pilotventils startet eine Zeitmessung, welche die Zeit bis zum vollständigen Öffnen des Tellerventils mißt. Mittlerweile wird die Prüfkammer wieder evakuiert, um Hochdruck-Undichtigkeiten der Dichtungen oder Metallporosität feststellen zu können.

Während die Zuhaltungen immer noch Ein- bzw. Ausgang abdichten und der interne Prüfdruck weiterhin 3600 psi beträgt, wird der Magnet abgeschaltet und damit das Hauptventil geschlossen. Es wird wieder eine Zeitmessung gestartet, bis der Druck durch eine kleine Öffnung innerhalb 8 Sekunden auf 220 psi abgefallen ist.

Dadurch wird die Dichtigkeit des wieder geschlossenen Tellerventils geprüft (d.h. der Ein-/Ausgang erhält keinen Druck mehr über das geschlossenen Tellerventil, hinter dem immer noch 3600 psi Prüfdruck anliegen).

Während die Zuhaltungen noch anliegen, wird der Prüfdruck von 3600 psi auf 80 psi verringert und das Hauptventil wieder geöffnet, um alle neun elastischen Dichtungen diesmal bei niedrigem Druck erneut zu überprüfen. Dieser Test prüft, ob die Dichtheit nicht nur unter dem deformierenden Einfluß des hohen Druckes gegeben ist; sondern auch bei niedrigen Drücken, wenn die Dichtungen entspannt sind.

Weitere Informationen A QE 600