Kennlinien eines 4-Takt Dieselmotors

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1 HTBL Wien 1 Kennlinien eines Dieselmotors Seite 1 von 5 DI Dr. techn. Klaus LEEB klaus.leeb@schule.at Kennlinien eines 4-Takt Dieselmotors Didaktische Inhalte: Kennfeld und Kennlinien eines Dieselmotors; Zusammenspiel eines Motors mit einem Verbraucher; Einsatz von MathCAD bei der Auswertung von Messdaten. Kurzzusammenfassung Ergebnis: 1) Durch Messung des Drehmomentes M T und der Drehzahl n Motor an der Kupplungswelle des Dieselmotor erhält man die effektive Leistung P eff des Motors 2) Durch Messung der Durchlaufzeit t für 5ml Diesel und dem Heizwert von Diesel erhält man die zugeführte primäre Energie bzw. Leistung P zu. 1) Berechnung folgender Größen: Effektive Leistung P eff, Gesamtwirkungsgrad η gesamt,stündlicher Kraftstoffverbrauch B e, spezifischer Kraftstoffverbrauch b e, Drehmoment M T 2) Dimensionslose Darstellung der Ergebnisse als Funktion der Drehzahl in einem Diagramm, wobei die Bezugsgrößen Index "opt" die Werte beim besten Wirkungsgrad sein sollen. Lehrplanbezug (bzw. Gegenstand / Abteilung / Jahrgang): Verbrennungsmotoren: Die bestimmenden Größen eines Dieselmotors, 5. Jahrgang Mathcad-Version: Mathcad 21 Literaturangaben: H. Grohe "Otto- und Dieselmotoren", ISBN ,Vogel-Fachbuch K.-H. Küttner "Kolbenmaschinen", ISBN , Teubner - Stuttgart Probleme der Messung bzw. Messdaten: Datum der Messdaten: 12.Nov 24 Es wurde eine konstante Drehzahl gefahren und die Belastung kontinuierlich mit einer Wirbelstrombremse bis zur Volllast erhöht. Definition von Nicht - SI-Einheiten: bar := 1 5 Pa kj := 1 3 J kmol := 1 3 mol Liter := l ml := 1 3 Liter C := K T := K ms := 1 3 s Gramm := gm Nm := N m kj := 1 3 J

2 HTBL Wien 1 Kennlinien eines Dieselmotors Seite 2 von 5 Grundlagen und Daten des "Hatz 2L3Z" Dieselmotors Technische Daten des Motors: Type: Hatz 2L3S Arbeitsverfahren: 4-Takt Einspritzverfahren: Direkteinspritzung Zylinderzahl: 2 Bohrung: 95mm Hub: 1mm Hubraum: 1416cm 3 Verdichtungsverhältnis: 17:1 Einspritzdruck: 25+8bar (8bar zum Öffnen der Einspritzdüse) Verbrennungsluftbedarf: bei n=3min -1 ungefähr 2.12 m 3 /min Kühlluftbedarf: bei n=3min -1 ungefähr 23 m 3 /min Mittlere Kolbengeschwindigkeit: bei n=3min -1 ungefähr 1 m/s Kennfeld eines 4-Takt Motors: Das unten dargestellte Kennfeld zeigt Linien konstanten spezifischen Kraftstoffbedarfs in Abhängigkeit des effektiven Druckes p e und der Drehzahl n. Durch die Belastung mit einem Verbraucher (Antrieb einer Maschine) wird dieses 3D-Kennfeld mit der Verbraucherkennlinie bzw. -fläche geschnitten --> daraus erhält man die gewünschte Kennlinie des Motors. Versuchsanordnung: Der 2-Zylinder drehzahlgeregelte 4-Takt Dieselmotor kann durch eine direkt an der Kurbelwelle angebaute Wirbelstrombremse beliebig belastet werden (ein beliebiges Drehmoment kann eingestellt werden). Ebenso kann der Brennstoffbedarf bestimmt werden (es wird die Zeit gemessen, die für einen Dieselverbrauch von 5ml benötigt wird). Durchführung des Versuches: SIMULATION der Linie 1 (Antrieb von Notstromaggregaten oder Simulation eines Tempomaten). D.h. der Motor wird auf einer konstanten Drehzahl gehalten und unterschiedlich belastet, vgl. Autobahnfahrt mit Tempomat mit einem PKW bei konstanter Geschwindigkeit (Wechselgebiet oder Packabschnitt der A2)

3 HTBL Wien 1 Kennlinien eines Dieselmotors Seite 3 von 5 Kennlinie Dieselmotor - bei konstanter Drehzahl Auswertung der Messung Die folgenden Messdaten wurden in der "Laborübung Verbrennungsmotoren" am 12. November 24 gemessen. Daten := Messdaten HATZ n14 12Nov4.xls Die Messdaten sind im Excelfile "Messdaten HATZ n14 12Nov4.xls" abgelegt. Spalte 1: Kraft F [N] an der Waage Spalte 2: Durchlaufzeit [s] für 5ml Diesel Daten = "Kraft [N]" "Zeit [s]" Wielviele Messdaten? n := zeilen( Daten) n = 8 Bereichvariable für Auswertung i:= 1.. n 1 Extrahieren der Messdaten aus dem Array "Daten" Kraft an der Waage: F Waagei := Daten i, N Kraftstoffdurchlaufzeit t i := Daten i, 1 s Drehzahl: n Motor := 14 min 1 Die Drehzahl wurde konstant gehalten Berechnen der geforderten Werte 1) Die effektive Leistung P eff P eff = F Waage L Hebel ω Motor ω Motor := 2 π n Winkelgeschwindigkeit Motor Daten der Wasserwirbelbremse: Hebelarm der Waage: (an der Waage abzulesen) L Hebel := mm := F Waagei L Hebel ω Motor 2) Die zugeführte Leistung P zu bzw. Wärmestrom P zu = m Punkt_Kraftstoff H u_diesel mit m Punkt_Kraftstoff = V Kraftstoff_5ml ρ Diesel t Durchlaufzeit Daten des Dieselöls Dichte ρ Diesel := 84 kg Brennwert = unterer Heizwert m 3 H u_diesel := 417 kj kg

4 HTBL Wien 1 Kennlinien eines Dieselmotors Seite 4 von 5 Anmerkung: Während des Versuchs wurde die Zeit gemessen, die vergeht, während 5ml Dieselöl verbraucht wird. V Kraftstoff_5ml := 5 ml Massenstrom Kraftstoff V Kraftstoff_5ml ρ Diesel m Punkt_Kraftstoffi := t i Zugeführter Wärmestrom bzw. zugeführte chemische Leistung (durch Brennstoff) P zui := m Punkt_Kraftstoffi H u_diesel 3) Der effektive Wirkungsgrad η eff : η eff = Nutzen Aufwand = P eff P zu η effi := P zui Gibt die Prozent an, die von der im Kraftstoff enthaltenen chemischen Energie an der Kupplung ankommt. 4) Der mittlere effektive Druck p e : P eff = p e V H n motor n Zyl n Zyl := 2 V H := 1416 cm 3 Der mittlere effektive Kolbendruck ist eine reine Rechengröße, die sich zur Auslegung von Motoren bestens eignet. p ei := V H n Zyl n Motor 5) Der spezifische Kraftstoffverbrauch b e [g/kwh]: Stündlicher Kraftstoffbedarf B e [kg/h] B ei := m Punkt_Kraftstoffi spezifischer Kraftstoffverbrauch b e [g/kwh] b e = B e P eff oder 1 b e = η eff H u_diesel b ei := B ei Mit Hilfe dieser Größe kann man im Kennfeld (siehe oben) den wirtschaftlichsten Betriebspunkt ( = geringster Kraftstoffverbrauch) des Motors ermitteln.

5 HTBL Wien 1 Kennlinien eines Dieselmotors Seite 5 von 5 Darstellung der Kennlinien (bei konstanter Drehzahl) Spezif. Kraftstoffverbr. be [g/kwh] spezifischer Kraftstoffverbrauch stündl. Kraftstoffverbr. B [kg/h] Stündlicher Kraftstoffverbrauch Eff. Wirkungsgrad [%] spezifischer Kraftstoffverbrauch Der Vergleich der Messdaten mit dem theoretischen Verlauf der Kennlinien nach Bild Küttner zeigt eine zufriedenstellende qualitative Übereinstimmung mit den gemessenen der Kennlinien eines Dieselmotors bei konstanter Drehzahl.