O+P Fluidtechnik 3/2025

VENTILEMOBILE

VENTILEMOBILE MASCHINENDER ENTWICKLUNGSPROZESSFOLGT EINER STRUKTURIERTENMETHODIKWasserstoff als Energieträger nimmt zur Dekarbonisierungder Sektoren Industrie, Handel/Dienstleitung/Gewerbe,Verkehr und Haushalte eine immerzentralere Rolle ein. Durch die Nutzung von erneuerbarenEnergien, wie bspw. Solar- und Windkraft, kann aus Wassermittels Elektrolyse Wasserstoff (H 2) klimaneutral hergestelltwerden. Dadurch ist es möglich, den Strom aus erneuerbarenEnergien zu speichern, zu transportieren und für verschiedeneAnwendungen nutzbar zu machen. Zusätzlich hat Wasserstoff einesignifikante Bedeutsamkeit in Sektoren, in denen die direkteNutzung von regenerativ erzeugtem Strom aus technischen oderwirtschaftlichen Gründen nicht möglich ist. Diese sind bspw. dieLuft- und Schifffahrt, Eisen- und Stahlindustrie, landwirtschaftlicheund industrielle Nutzfahrzeuge sowie die Grundstoffchemie.Zwei Möglichkeiten zur Umwandlung der chemischen Energievon Wasserstoff in elektrische, thermische oder mechanischeEnergie bieten heute die Brennstoffzelle und der H2-Motor.Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff in Elektrizität um, währendWasserstoffmotoren Wasserstoff verbrennen. Wasserstoffmotorenkönnen als Hubkolben- oder Rotationskolben-Verbrennungsmotorausgeführt werden. Der Wirkungsgrad des Wasserstoffmotorsliegt zwischen dem des konventionellen, mit Benzinbetriebenen Ottomotors und dem des Dieselmotors. Brennstoffzellenund H2-Motoren werden heute in mobilen als auch stationärenAnwendungen eingesetzt. Typische Anwendungen fürstationäre Brennstoffzellen und H2-BHKW sind die Bereitstellungvon Wärme und Strom für Gebäude, die Stromversorgungkritischer und netzferner Infrastrukturen und Systeme für die Bereitstellungvon Strom für den Netzausgleich.Um das anforderungsgerechte Zu- und Abführen der Medienin den Brennstoffzellenstack und H2-Motor zu gewährleisten,werden u.a. Komponenten wie Verdichter, Filter, Sensorik, Wasserabscheider,Wärmetauscher und Ventiltechnik benötigt. Andie Ventiltechnik im Speziellen weden dabei höchste Anforderungengestellt.1. ANWENDUNG UND MULTIPHYSIK-VENTIL-ENTWICKLUNG FÜR WASSERSTOFFVENTILEHydac beschäftigt sich derzeit mit Ventillösungen für die beidenAnwendungsbereiche Brennstoffzelle und H2 Motor: Ventile zurLeistungsregelung der Brennstoffzelle, genauer gesagt zur elektronischenDruckregelung auf Anodenseite, werden steig weiterentwickelt.In diesem Zusammenhang hat Hydac auch PurgeundDrainventile konstruiert, um die Anodenseite zu spülen undentstandenes Wasser (DI-Wasser) abzuführen. Das Portfolio wirddurch Ventile zur maximal Druckabsicherung ergänzt, um Beschädigungenan der Brennstoffzelle zu verhindern.Auch im Bereich H2-Motoren ist die Hydac in der Entwicklungaktiv: Wie oben angerissen, wird im H2-Motor chemische Energiedurch Verbrennung von Wasserstoff in Antriebsenergie umgewandelt.In der Regel werden dazu Hubkolbenmotoren eingesetzt,die entweder nach dem Ottoprinzip oder dem Dieselprinziparbeiten. Beide Prinzipien können sich weiterhin nach der Gemischbildungunterscheiden, nämlich durch die beiden MethodenDirekteispritzung und Saugrohreinspritzung.In beiden Anwendungen werden Proportionalwegesitzventilezur Mengensteuerung und zur elektronischen Druckregelung benötigt.2. VENTILENTWICKLUNGUm diese komplexen Ventilsysteme effizient und zielgerichtet zuentwickeln, hat Hydac einen klar strukturierten Entwicklungsansatzetabliert. Der Entwicklungsprozess folgt einer strukturiertenMethodik mit definierten Prototypenstadien, die einer systematischenVorgehensweise unterliegen. Der Ansatz gewährleisteteine methodische, normkonforme Produktentwicklung mit systematischerQualitätssicherung. Innerhalb dieses strukturiertenRahmens legt Hydac besonders Wert auf die simulative undmesstechnische Evaluation der Kernkomponenten.Der Fokus in diesem Artikel liegt auf der präzisen Charakterisierungdes Proportional-Ventils für die elektronische Druckregelung.Kritische Bewertungskriterien umfassen die Analyse vonspezifischen Leistungsmerkmalen:n Massenstrom-Magnetstrom-Kennlinien Linearität und Stetigkeit der Massenstrom-Magnetstrom-Kennlinien Dynamische Reaktionsfähigkeitn Hysterese und Ansprechempfindlichkeit der Massenstrom-Magnetstrom-Kennlinien Einhaltung der Vorgaben für den maximalen Volumenstromn Hohe Auflösung Massenstrom/Magnetstrom um den Massenstromfein zu dosierenDiese Komponenten-Evaluation dieser Merkmale ermöglicht eineLeistungsbewertung des pneumatischen Proportionalventils.3. MULTIPHYSIK-VENTILDESIGNDie nachfolgende System-Analyse des Systems Kraftstoffverteilerermöglicht die systematische Herleitung der Funktionsmechanismendes Proportionalventils und eine detaillierte Untersuchungder Druckregelungsdynamik. Basierend auf thermodynamischenGrundprinzipien und der polytropen Zustandsänderungkann die Druckaufbaugleichung für Gase mittels mathematischerBeziehungen abgeleitet werden.Die polytrope Zustandsänderung charakterisiert unterschiedlicheTemperatur-Druck-Beziehungen:n Bei n = 1 repräsentiert die Gleichung eine isotherme Zustandsänderungmit konstanter Temperaturn Für n = 1,4 beschreibt die Gleichung die adiabatische Zustandsänderungeines idealisierten zweiatomigen Gases, bei der keineWärmeaustauschprozesse mit der Umgebung stattfindenDiese differenzierte Betrachtung ermöglicht ein präzises thermodynamischesVerständnis der Gaszustandsänderungen im pneumatischenSystem.Wählt man nun als Ausgangszustand den technischen Normzustand,so folgt für die Dichte:Ableiten nach der Zeit t ergibt:Nun folgt über die Ableitung der polytropen Zustandsänderungund die ideale Gasgleichung p=ϱ∙R∙T 0und der Ableitung der Massem=V über die Produktregel nach der Zeit:36 O+P Fluidtechnik 2025/03 www.oup-fluidtechnik.de

VENTILE01Beispiel-Kennlinie des Proportionalwegesitzventils mit Wasserstoff in blau im Vergleich zur Simulation des Proportionalwegesitzventilsin rot; die x-Achse repräsentiert den Magnetstrom in Milliampere von 600 bis 1.400 mAund umgestellt letztlich die Druckaufbaugleichung eines Gasesfür Volumen mit veränderlichen Volumenanteilen:Bei konstanten Volumenbedingungen kann die Gleichung vereinfachtwerden, um den pneumatischen Integrator zu charakterisierenund das dynamische Systemverhalten zu analysieren.Zur umfassenden Beschreibung der Massenbilanz wird der Massenstromals Summe der zu- und abströmenden Massenströmedargestellt, wodurch folgende Beziehung resultiert:Die Formulierung ermöglicht eine mathematische Modellierungder pneumatischen Systemdynamik unter Berücksichtigung vonTemperaturvarianz und Massenflussbilanzen. Die Druckdynamikist unter Berücksichtigung von Temperatur und Volumen direktvorgebbar durch den Massenstrom bzw. hängt von der Dynamikdes Ventils und Ventilöffnungsfläche und Druckverhältnis(Sekundärdruck/Primärdruck) an dem Proportionalventil ab.Die charakteristischen Eigenschaften (wie Massenstrom-Hystereseoder Magnethysterese) des Proportionalwegeventils übeneinen maßgeblichen Einfluss auf die Dynamik sowie die Regelgüteder Druckregelung aus. Die dynamischen Kenngrößen und diePräzision der Massenstromsteuerung werden substantiell durchdas eingesetzte Proportionalwegeventil und das Regelgesetz fürdie Druckregelung determiniert.Im Rahmen der nachfolgenden Analyse erfolgt eine detaillierteBetrachtung der funktionalen Eigenschaften des Proportionalwegeventils.Zerlegt man das Proportionalwegeventil in seine domainspezifischenphysikalischen Bereiche ergeben sich folgende physikalischenTeilsysteme, die sich wie folgt charakterisieren lassen:a) Elektrisches Teilsystem:Das elektrische Teilsystem besteht aus Spule und Polrohr mitdem beweglichen Anker. Über die zweite Kirchhoffsche Regel ergibtsich:U q=Spannung, R=Widerstand der Wicklung, L=Induktivität, i=Stromp=Druck, T=Temperatur, V=Volumen, R=Allgemeine GaskonstanteAus der obigen Gleichung für den Stromaufbau in einer Spulegeht hervor, dass die Induktivität den Stromaufbau verlangsamenkann und dass die Differenz zwischen Speisespannung und Spulenspannungdie Dynamik des Stromanstiegs beeinflusst. Je kleinerdie Induktivität und je größer die Spannungsdifferenz zurVersorgungsspannung, desto dynamischer ist der Stromaufbau.b) Magnetisches Teilsystem:Zum Magnetkreis gehören neben der Spule auch das Polrohr.Diese Bauteile leiten den Magnetfluss so, dass der Anker durchdie Magnetkraft zur Polfläche gezogen wird. Ausgehend von derZugkraftformel von Maxwell ergibt sich die Magnetkraft, verein-www.oup-fluidtechnik.de O+P Fluidtechnik 2025/03 37