O+P Fluidtechnik 3/2025

VENTILEDieses

VENTILEDieses Kräftegleichgewicht besagt, dass der Ventilkolben an jedemSchnittpunkt der Federkennlinie mit der Magnetkraft positioniertwerden kann, wenn die Reibung sehr gering ist. Aus diesemGrund wird bei der Entwicklung von Proportionalventilengroßer Wert auf die konstruktive Reibungsreduzierung gelegt, daWasserstoff keine schmierenden Bestandteile enthält.d) Pneumatisches Teilsystem:Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit nimmt der Einflussder Gasdichte auf die Strömung zu. Bei Schallgeschwindigkeitdes Gases bestimmen die kritischen Zustandsdaten die Massendynamikdes kompressiblen Gases. Bei gegebenen Druckverhältnisp2/p1 und der Ventilöffnung A 2kann man den Massenstromwie folgt berechnen. Mit 2 wird die Niederdruckseite und mit 1die Hochdruckseite bezeichnet.Der Massenstrom ist für p2/p1 > p kritisch:Formel 1102 Hydacbeschäftigt sichderzeit mitVentillösungenfür die BereicheBrennstoffzelleund H2-MotorA=Fläche, κ=Isentropenexponent, ρ=Dichte, p=DruckBei einer schallnahen Strömung ergibt sich der Massenstrom, alsosobald im engsten Querschnitt der kritische Druck erreichtwird, zu: facht ohne Kennlinienbeeinflussung des Magneten ohne Materialnichtlinearitäten,zuµ 0=magnetische Feldkonstante, µ R=magnetische Leitfähigkeit, N=Anzahl Windungen,l=Länge der Windungen, i=Strom, A Pol=Fläche des PolsDiese Formel gilt nur unter der Annahme eines homogenen Magnetfeldesund dient in erster Linie zur groben Abschätzung derMagnetkraft. Eine Berechnung der Magnetkraft nach der Finite-Elemente-Methode erlaubt eine genauere Berücksichtigung desMagnetkreises und ergibt eine genauere Darstellung der Kraft-Weg-Kennlinie des Magneten.A=Fläche, κ=Isentropenexponent, ρ=Dichte, p=DruckSetzt man die Gleichungen in ein Simulationsmodell um, kanndie Massenstrom-Magnetstrom-Kennlinie vorausberechnet undeine Abschätzung der zu erwartenden Dynamik des Proportionalventilsgegeben werden.Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass im Simulationsmodellauch ein Regler für den elektrischen Strom implementiertwerden sollte. In einem ersten Ansatz kann der elektrische Stromüber einen PI-Regler mit Anti-Windup aufgebaut werden. DerRegler ohne Anti-Windup und die Berechnung der Stellgrößeu Reglerkann man mit folgender Gleichung durchgeführt werden:MOBILE MASCHINENc) Mechanisches Teilsystem:Die Bewegungsgleichung des Ventilkolbens mit Anker lässt sichwie folgt aufstellen, wenn man annimmt, dass das Ventil mit einerentsprechenden Ansteuerung betrieben wird, welche dieHaftreibung reduziert und vernachlässigbarem Stick-Slip-Effekt.m=Masse, d=Dämpfungskonstante, c=Federsteifigkeit, F0=Federkraft in Ruhestellung,F Coul=Reibkraft. FStröm=Strömungskraft, F Mag=MagnetkraftFür den stationären Zustandund F Ström= 0 erhält man c x + F 0+ F Coul= F Mag.Diese Gleichung berechnet den notwendigen Spannungsabfall inder Spule um den gewünschten Strom aufzubauen.4. LEISTUNGSMERKMALE UND VERGLEICHSIMULATION-MESSUNG DES PROP.-VENTILSDie Grafik (siehe Bild 01, S.37) zeigt die gemessene Beispiel-Kennlinie des Proportionalwegesitzventils mit Wasserstoff inblau im Vergleich zur Simulation des Proportionalwegesitzventilsin rot. Die x-Achse repräsentiert den Magnetstrom in Milliamperevon 600 bis 1.400 mA. Die Stromänderungsrate beträgt 65 mA/s.Die y-Achse zeigt den Massenstrom in kg/h bzw. die Druckdifferenzin bar. Die Druckversorgung wurde so eingestellt, dass derEingangsdruck bei maximaler Öffnung des Ventils 26 bar und derGegendruck 2 bar beträgt.Durch die Simulation wird die Kennlinie des Ventils sehr gutvorhergesagt. Es ergeben sich Abweichungen durch Reibungseffekteund Unterschiede in der Kraft-Hub-Kennlinie des Magneten.Die Auflösung des Ventils beträgt von Start bis Ende 510 mAbei guter Linearität, Stetigkeit und geringer Hysterese. Nimmtman die Mitte der Kennlinie bei I=1.045 mA zur Bewertung der38 O+P Fluidtechnik 2025/03 www.oup-fluidtechnik.de

VENTILE03Kleinsignalhysterese bei MagnetstromänderungenGroßsignal-Hysterese ergibt sich für die Differenz zwischen untererKennlinie und obere Kennlinie 2,4 kg/h.Die geringe Hysterese und die gute Auflösung des Ventils in Bezugauf den Massenstrom beim Durchfahren der Großsignalkennliniesind positive Eigenschaften für die elektronischeDruckregelung, da dadurch der Gasmassenstrom genauer vorgegebenund der Druck entsprechend der Druckaufbaugleichunggenauer geregelt werden kann.Eine weitere wichtige Eigenschaft des Prop.-Wegesitzventils istdie Kleinsignalhysterese (siehe Bild 03) bei Magnetstromänderungenvon hier im Beispiel +/-50 mA und einer Stromänderungsratevon 2,5 mA/s. Hier ergibt sich eine Massenstromhysteresevon 1,2 kg/h und eine Magnetstromhysterese von 19 mA.Die erhöhte Sensitivität des Proportionalventils verbessert dieRegelungsqualität durch eine optimierte Signalumsetzung, wasbesonders bei Anwendungen mit strengen Präzisionsanforderungenvon entscheidender Bedeutung ist. Die Fähigkeit, aufkleinste Stellsignale zu reagieren, ermöglicht eine Feinabstimmungder Druckregelparameter innerhalb enger Toleranzgrenzen,wodurch die Gesamtleistung des pneumatischen Systemssignifikant gesteigert wird.FAZITIn dem vorliegenden Artikel wurde der Entwicklungsprozess vonWasserstoffventilen, insbesondere von Proportionalwegesitzventilen,in kurzer Form dargestellt. Es wurden die theoretischenGrundlagen für die Ventilentwicklung erläutert und anhand vonBeispiel-Kennlinien die positiven Eigenschaften der Hydac-Proportionalventilefür Wasserstoff veranschaulicht. Darüber hinauswurden wichtige Eigenschaften der Hydac-Proportionalventilefür die Druckregelung diskutiert. Hydac ist bereits seit über 50Jahren ein starker Partner in der Ventiltechnik. Neben denmarktüblichen Standardprodukten sind es vor allem spezialisierteVentile, mit denen Erfolge erzielt werden. Möglich ist dies vorallem durch breit angelegte Kompetenzen in Entwicklung undFertigung in den Bereichen Elektronik, Fluid- oder Magnettechnik.Auch bei der Entwicklung von Wasserstoffventiltechnikhaben sich diese Umstände bewährt.Bilder: Hydacwww.hydac.comPOINTIERTVENTILLÖSUNGEN FÜR DIE BEREICHEBRENNSTOFFZELLE UND H2-MOTORSIMULATIVE UND MESSTECHNISCHEEVALUATION DER KERNKOMPONENTENERHÖHTE SENSITIVITÄT DES VENTILSVERBESSERT REGELUNGSQUALITÄTSIMULATION SAGT KENNLINIE DESVENTILS SEHR GUT VORAUSwww.oup-fluidtechnik.de O+P Fluidtechnik 2025/03 39