Benutzerhandbuch für das Programm Heizverlauf

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1 Benutzerhandbuch für das Programm Heizverlauf Version 1.4 Dr.-Ing. Peter-Wolfgang Manz Das Programm ist ausschließlich zur Unterstützung vorlesungsbegleitender Übungen für die Vorlesung Indiziertechnik an Verbrennungsmotoren gedacht. Ein gewerbliche Nutzung ist nicht vorgesehen, eine Haftung für die mit diesem Programm erzielten Ergebnisse ist ausdrücklich ausgeschlossen. 1) Allgemeine Beschreibung Das Programm Heizverlauf und das zugehörige Scilab Script dienen der Auswertung von Indizierdaten, die im Rahmen der Übungen zur Vorlesung Indiziertechnik an Verbrennungsmotoren erfasst werden. Alle dazu notwendigen Informationen sind Bestandteil des Vorlesungsstoffes und damit im Vorlesungsmanuskript enthalten. Programm : heizverlauf.exe (Windows) oder heizverlauf (Linux) Scilab Script : heiz_start.sce Für das Programm heizverlauf.exe wird Windows benötigt, es genügt entweder das Programm anzuklicken oder aber in einem DOS-Fenster zu Heizverlaufsrechnung 1

2 starten. Eine Installation ist nicht notwendig. Allerdings liegen dann alle Ergebnisse nur in Dateiform (ASCII 7Bit) vor. Besser ist es, das Scilab Script heiz_start.sce zu starten, in diesem Fall wird Scilab gestartet, dass Script gestartet und damit automatisch die Heizverlaufsrechnung. Die Ergebnisse werden dann zusätzlich in Form von Diagrammen auf dem Bildschirm dargestellt. Dazu muss aber Scilab auf dem Rechner installiert sein. Dieses Programmpaket ist freie Software, die sowohl für Windows als auch für Linux von heruntergeladen werden kann. Die Installation unter Windows erfolgt einfach durch Aufruf des heruntergeladenen Programmes und ist dann direkt startbar, für Linux sollten die entsprechenden Tar-Archive unter /usr installiert werden. Eine Anpassung des Profiles unter /etc ist dann allerdings noch notwendig damit Alles auch gefunden wird und ein Aufruf mit scilab möglich ist. Die Fähigkeiten von Scilab können sowohl den online gestellten Handbüchern, als auch der implementierten Hilfefunktion entnommen werden. Die verwendete Methode der Heizverlaufsrechnung ist in der Vorlesung im Kapitel 20 beschrieben, es handelt sich um die Berechnungsart auf Basis der Energiebilanz. Die Nullpunktkorrektur beruht auf dem Prinzip des Heizverlaufskriteriums, welches in den Vorlesungsunterlagen in Kapitel 18 enthalten ist. Die ebenfalls im Programm enthaltene Datenglättung zur Minderung des Digitalisierungsrauschens ist in Kapitel 5 zu finden. Die Berechnung der indizierten Arbeit wird mit Hilfe der Kreuzungspunktsuche im pv-diagramm durchgeführt und als Gesamtarbeit, Hochdruckarbeit und Ladungswechsel-arbeit ausgegeben. Das Prinzip ist in Kapitel 1 des Vorlesungsmanuskriptes zu finden. Damit sind alle im Programm enthaltenen Verfahren bekannt, der Rest ist eine einfache Statistik, einige Suchfunktionen für Größen wie z.b. Lage und Wert des maximalen Zylinderdruckes so die Handhabung der Daten. 2) Eingabedateien Die Heizverlaufsrechnung benötigt grundsätzlich zwei Eingabedateien, deren Namen fest vorgegeben sind. Die Steuerdatei : heiz.dat Die Datendatei : pzyl.dat Die Datei heiz.dat enthält die grundsätzlichen Daten des Motors, die immer bekannt sein müssen. Bei der Eingabe der Daten sind die Einheiten unbedingt zu beachten, denn fehlerhafte Eingaben führen zwangsläufig auch zu fehlerhaften Ergebnissen. Heizverlaufsrechnung 2

3 Bei der Eingabe des Kolbenbolzenversatzes / Schränkung ist unbedingt das Vorzeichen zu beachten. Alle dazu notwendigen Informationen sind in Kapitel 12 zu finden. Dateiaufbau von heiz.dat: #Pleuellaenge in m : x.yyy #Kurbelradius in m : x.yyy #Kolbenbolzenversatz in m : x.yyy #Zylinderbohrung in m : x.yyy #Verdichtungsverhaeltnis : x.yyy #Einlass-Schluss in KW : xxx.y #Auslass-Oeffnet in KW : xxx.y #Glaettungsordnung : xx #ZZP in KW : xxx.y # Start Nullpkt.-Korr in KW : xxx.y # Ende Nullpkt.-Korr in KW : xxx.y #Statistik nein:<0> ja:<1> : x Das Fenster für die Nullpunktkorrektur ist einstellbar, aber der Startpunkt darf keinesfalls vor Einlass Schluss liegen. Das Verfahren geht grundsätzlich nur bei geschlossenem Brennraum. Weiterhin muss der Endpunkt vor dem Zündzeitpunkt/Einspritzzeitpunkt liegen, denn während der Verbrennung ist die Voraussetzung für die Nullpunktkorrektur verletzt. Mit dem Flag Statistik ist es möglich die Berechnung der Statistiken im Programm abzuschalten. Die Option ist immer dann sinnvoll, wenn Instationär- Versuche gefahren werden, da in diesem Fall die Statistiken keine sinnvolle Aussage liefern. Die Messdaten-Datei pzyl.dat enthält in tabellarischer Form die Druckmesswerte für alle nachfolgenden Arbeitsspiele. Es müssen mindestens 2 Arbeitsspiele in der Datei enthalten sein. Die Datei pzyl.dat enthält zwei Zeilen mit der Überschrift was sich in der Datei befindet sowie den zugehörigen Einheiten. Dateien die nur Zahlen enthalten sind in der Regel wenig aussagekräftig und verlieren schnell ihren Wert wenn der Zusammenhang mit anderen Daten nicht bekannt ist. Weiterhin ist immer der Kurbelwinkel sowie der zugehörige Zylinderdruckwert im entsprechend Heizverlaufsrechnung 3

4 gewählten Messinkrement angegeben. Die Zyklen stehen alle untereinander und müssen grundsätzlich immer bis zum letzten Wert vorhanden sein. Der Aufbau von pzyl.dat: phi pzyl KW bar usw. 3) Die Ergebnisdateien Die Datei heiz_zyklus.dat enthält zu Anfang einen Block mit motorspezifischen Daten die selbsterklärend beschriftet sind und anschließend Kennzahlen die je einmal pro Zyklus berechnet werden. Alle Größen sind innerhalb der Datei mit den zugehörigen physikalischen Einheiten versehen. Zyklus phimax pmax Druck-Offset wi wi_hd Diagramm wi_nd phi_dpmax dpmax phi50 phi01 phi01-zzp Klopf_Grad Nummer des Zyklus Lage des maximalen Zylinderdruckes Maximaler Zylinderdruck Korrekturwert der Nullpunktkorrektur indizierte Arbeit des gesamten Arbeitsspiels indizierte Hochdruckarbeit nach Kreuzungspunkt im pv- Ladungswechselarbeit nach Kreuzungspunkt im pv-diagramm Lage des maximalen Druckgradienten maximaler Druckgradient 50% Umsatzlage 1% Umsatzlage Intervall vom Zündzeitpunkt bis zur 1% Umsatzlage Summe des Absolutwertes aller Druckgradienten. Wenn dieser Wert für einen Zyklus stark nach oben abweicht, dann liegt eine klopfende Verbrennung vor. Heizverlaufsrechnung 4

5 Eine typische Darstellung der zyklusbezogenen Werte ist z.b. die indizierte Arbeit. Heizverlaufsrechnung 5

6 Dieses Bild zeigt für jedes Arbeitsspiel die Umsatzlagen von 1% und 50% des normierten Heizverlaufs. Dadurch werden die zyklischen Schwanken deutlich, aber auch ob z.b. beim Stationärbetrieb Stabilität gegeben ist oder ob der Motor bei dem eingestellten Betriebspunkt driftet. Die Datei heiz_kw.dat enthält die Daten aller nachfolgenden Zyklen über dem Kurbelwinkel. Hierbei sind zwei Kurbelwinkelachsen in der Datei verfügbar, die eine Achse beginnt bei jedem Zykluswechsel wieder bei 0 KW, die andere Achse zählt durchgängig bis zum Ende der Messung. Damit können Instationär- Messungen besser dargestellt werden. phi phi_e V_phi pzyl Xheiz dp/dphi Zyklus Kurbelwinkel Kurbelwinkel (endlos) Zylindervolumen (notwendig für ein pv-diagramm) Zylinderdruck nullpunktkorrigiert bezogener Heizverlauf Verlauf des Druckgradienten über dem Kurbelwinkel aktuelle Zyklusnummer Wenn die Statistik nicht abgeschaltet ist, dann entstehen vier weitere Dateien die die statistischen Berechnungen aus den vorstehenden Daten enthalten. Die Darstellung ist grundsätzlich immer gleich, es wird jeweils der Mittelwert berechnet, die maximalen und minimalen Werte gesucht und die Standardabweichung berechnet. Diese Werte werden komplett ausgegeben, Heizverlaufsrechnung 6

7 wobei zusätzlich noch der Mittelwert +/- Standardabweichung ausgegeben wird (68% Vertrauensbereich). Hierbei wird bei den kurbelwinkel bezogenen Werten immer nur eine Größe für die gesamte Fünfergruppenstatistik dargestellt, es handelt sich dabei um den Druckgradienten, den Heizverlauf und den Zylinderdruckverlauf. Die zyklusbezogenen Werte werden in einer Tabelle dargestellt, eine sinnvolle grafische Darstellung ist nicht möglich. Es handelt sich dabei um die folgenden Dateien: stat_kw_dp.dat Verlauf des Druckgradienten phi dp_m dp_m+std dp_m-std dpmax dpmin Std Das vorstehende Bild zeigt die errechnete Statistik des Druckgradienten. Der steile Gradient am Ende des Zyklus hat damit zu tun, dass innerhalb des Ladungswechsels das Signalrauschen bei der Gradientenberechnung zum dominierenden Faktor wird. Eine Bedeutung hat dieser Wert nicht, da nur die hohen Werte in der Hochdruckphase des Motors von Bedeutung sind. Heizverlaufsrechnung 7

8 stat_kw_heiz.dat Verlauf des normierten Heizverlaufs phi heiz_m heiz_m+std heiz_m-std heizmax heizmin Std Dieses Bild zeigt die Statistik des normierten Heizverlaufs. Grundsätzlich muss hierbei nur der Bereich von ca KW betrachtet werden, denn nur wenn im Motor eine Verbrennung abläuft existiert ein sinnvoller Heizverlauf. Heizverlaufsrechnung 8

9 stat_kw_p.dat Verlauf des Zylinderdruckes phi pzyl_m pzyl_m+std pzyl_m-std pmax pmin Std Dieses Bild zeigt die zyklischen Schwankungen des nullpunktkorrigierten, gemessenen Zylinderdruckes. Heizverlaufsrechnung 9

10 stat_pv.dat pv-diagramm mit der zugehörigen Statistik V pzyl_m pzyl_m+std pzyl_m-std pmax pmin Std Dieses Bild zeigt ein pv-diagramm der aktuellen Messung mit der zugehörigen Statistik stat_zyklus.dat Mittel Mittel+Std Mittel-Std Max. Min. Std.-Abw. phi_max : [KW] pzyl_max : [bar] wi_ges : [J/cm^3] wi_hd : [J/cm^3] wi_nd : [J/cm^3] phi_dpmax : [KW] dp_max : [bar/kw] phi_50 : [KW] phi_01 : [KW] Entfl.-Ph. : [KW] Anmerkungen und Hinweise Entsprechend den Vereinbarungen im Vorlesungsmanuskript befindet sich Zünd-OT bei 360 KW und Ladungswechsel-OT bei 0 bzw. 720 KW. In der Form sind die OT-Lagen in der Heizverlaufsrechnung festgelegt und lassen sich auch nicht ändern. In dem Scilab Script heiz_start.sce wird der Programmname für das jeweilige Betriebssystem angepasst, es kann somit ohne Änderungen unter Windows und Linux eingesetzt werden. Heizverlaufsrechnung 10

11 Die Windows-Version des Programmes heizverlauf.exe hat folgende Grenzen: Es sind maximal 500 nachfolgende Zyklen möglich Das kleinste Kurbelwinkel-Inkrement ist 1 KW 32 Bit Version C-Compiler OpenWatcom 1.8 ( Die Linux-Version des statisch gelinkten (dadurch unabhängig von der Linux Version) Programmes heizverlauf hat andere Grenzen: Es sind maximal nachfolgende Zyklen möglich Das kleinste Kurbelwinkel-Inkrement ist 0,1 KW 64 Bit Version C-Compiler gcc (Bestandteil jeder Linux Distribution) Diese Unterschiede ergeben sich aufgrund der verwendeten C-Compiler. Heizverlaufsrechnung 11