Ich hoffe, dass das Praktikum auch Spaß machen wird. Je besser Sie sich vorbereiten, desto einfacher werden die Versuche sein. C. Hein 22.1.

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1 Übungen Maschinentechnik Termine: Durchgang: 9:00 10:30 2. Durchgang: 10:30 12: Durchgang: 9:00 10:30 4. Durchgang: 10:30 12: Durchgang: 9:00 10:30 6. Durchgang: 10:30 12:00 Gruppeneinteilung 1. Rasch, Kornmeier, Lutz 2. Jeyagumaar, Jansen, Heimbrock 3. Reckmann, Tissen, Ritter 4. Wippermann, Schürhörster, Rikowski 5. Meier, Groeger, Peetz 6. Sacher, Jungkamp Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3 Versuch 4 1. Durchgang Durchgang Durchgang Durchgang Durchgang Durchgang Vorbereitung: Bearbeiten Sie die Versuchsanleitung bereits zu Hause. Die Versuche sind nicht zu schaffen, wenn Sie erst im Institut beginnen, die Versuchsanleitung zu lesen. Tragen sie bereits alle Formeln in die Protokolle ein! Es kommen nur Formeln vor, die auch im Script stehen. Machen Sie sich mit der Zielstellung und dem Versuchsablauf vertraut. Ich hoffe, dass das Praktikum auch Spaß machen wird. Je besser Sie sich vorbereiten, desto einfacher werden die Versuche sein. Bis dahin C. Hein Institut für Technik und ihre Didaktik Übungen Maschinentechnik WS06/07 Hein 1

2 Versuch 1 Betriebsverhalten eines Windkonverters In dieser Übung sollen Sie Ihre theoretischen Kenntnisse über die physikalischen Zusammenhänge beim Betrieb eines Windkonverters vertiefen und praktisch überprüfen. Dabei stehen drei Zusammenhänge im Vordergrund: 1. Die Abhängigkeit der Drehzahl n, 2. die Abhängigkeit der Drehleistung P rot, 3. die Abhängigkeit des Wirkungsgrades η und 4. die Abhängigkeit der Schnelllaufzahl λ vom Drehmoment M und vom Anstellwinkel α. Der Versuch wir mit der maximalen Windgeschwindigkeit durchgeführt. Versuchsaufbau: Prüfstand Windkanal/Windkonverter (Studentische Arbeit von Maria v.d. Berge, Matthias Geukes und Gerd Willmer) Versuchsdurchführung: Nehmen Sie für die Anstellwinkel α = 3, 6 und 9 in Abhängigkeit vom Drehmoment die Messwerte auf. F in N n in s -1 ;α = 3 n in s -1 ;α = 6 n in s -1 ;α = 9 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 Messen Sie die Radiuslänge am Kraftmesser: r = Messen Sie die Länge des Rotorblatts: l = Auswertung der Messergebnisse: Notwendige Größen und Beziehungen 1. Leistung des Windes: 2. Leistung an der Welle: 3. Umfangsgeschwindigkeit an der Flügelspitze: 4. Wirkungsgrad: 5. Schnelllaufzahl: Richten Sie sich die EXCEL-Tabelle wie folgt ein: Institut für Technik und ihre Didaktik Übungen Maschinentechnik WS06/07 Hein 2

3 F in N 0 M in Nm n in P rot η λ n in Prot η λ n in Prot η λ 1/s in W 1/s in W 1/s in W Berechnen Sie alle Werte und fertigen Sie die Diagramme entsprechend der Aufgabenstellung an. Werten Sie mit Ihrer Gruppe und mit dem Versuchsleiter die Diagramme aus. Institut für Technik und ihre Didaktik Übungen Maschinentechnik WS06/07 Hein 3

4 Versuch 2 Betriebsverhalten eines Viertakt Otto - -Motors In dieser Übung sollen Sie Ihre Kenntnisse über das Betriebsverhalten eines 4 Zylinder 4 Takt Otto Motors vertiefen. Dabei festigen Sie Ihre Kenntnisse Messverfahren und lernen entsprechende Messanordnungen zu nutzen. Zur Anwendung steht ein kommerzieller Motorprüfstand mit einem Opel Motor, der mit einer Wasserwirbelbremse belastet wird. Versuchsaufbau Der Motorprüfstand besteht aus einem Vierzylinder 4 Takt Otto Motor in Verbindung mit einer Wasserwirbelbremse. Technische Daten des Motors: Motor: Opel C16NZ Zylinderzahl: 4 / OHC Hubraum 1598 cm³ Motorleistung: 55 kw (75 PS) bei 5200 min -1 Zündsystem: Map i Kraftstoffsystem: Multec ZE Zündkerzen: Bosch / WR7DC Motoröl: 10W / 40 (SG) (3,5l) Benzin bleifrei Technische Daten der Wasserwirbelbremse: Typ: DREHMOMESS Wasserdruck: 6 bar Volumenstrom: 32 l / min Arbeitssicherheit: 1. Absaugvorrichtung einschalten und Fenster öffnen 2. Sicherheitsabstand vor rotierenden und heißen Motorteilen einhalten 3. Kein offenes Feuer in Motornähe (nicht Rauchen) 4. Nach Bewegung des Prüfstandes Bockrollen fixieren Betriebssicherheit: 1. Vor dem Starten Öl- und Wasserstand kontrollieren. 2. Tank auffüllen. 3. Zu- und Abflußleitung des DREHMOMESS auf freien Zu- und Ablauf kontrollieren. 4. Wasserzufluß des DREHMOMESS öffnen und nur bei sichtbarem Wasserabfluß den Prüfstand starten. Achtung! Ohne Wasserzuführung werden die Dichtungen der Wasserwirbelbremse zerstört! 5. Motor nicht thermisch überlasten (siehe Temperaturmesser). Bei erreichen von 120 C das Drehmoment M auf 30 Nm verringern und Drehzahl auf 1500 min -1 absenken bis die normale Betriebstemperatur erreicht ist. Versuchsdurchführung Abgasabführung gesichert? Kraftstoffbehälter gefüllt? Wasserzu- und -ableitung in Betrieb? Alle Messgeräte (Stoppuhr und Waage) vorhanden und funktionsfähig? Versuchsablauf organisiert? Öl- und Wasserstand kontrolliert? Motor bei 1000min -1 bis auf 80 C warmlaufen lassen. Die Wasserzufuhr zur Bremse leicht öffnen, es fließt dann etwas Wasser ab. Achtung - Vor Inbetriebnahme unbedingt den Versuchsaufbau vom Versuchsleiter kontrollieren lassen! Es werden zwei Versuche durchgeführt. Beim ersten wird die Drehzahl 2000 min -1 und beim zweiten 3000 min -1 als Parameter konstant gehalten. Die Drehmomente werden in Schritten von 10 Nm von 0 auf 90 Nm erhöht. Institut für Technik und ihre Didaktik Übungen Maschinentechnik WS06/07 Hein 4

5 Füllen Sie zur Erfassung aller notwendigen Daten den Kopf Ihrer EXCEL Tabelle folgendermaßen aus. M P 1ab P 2ab m 1 in m 2 in m 1 in m 2 in P 1zu P 2zu η 1 η 2 in Nm in kw in kw g/20s g/20s g/s g/s in kw in kw Heizwert des Kraftstoffs H U = 43 kj / g. Auswertung der Messergebnisse Notwendige Größen und Beziehungen 1. zugeführte Leistung P zu : 2. Abgegebene Leistung P ab : 1. Berechnen Sie alle in der Tabelle geforderten Werte. 2. Stellen Sie die Leistungen, den Kraftstoffverbrauch und die Wirkungsgrade jeweils in einem Diagramm dar. 3. Bestimmen Sie die Parameter der Maschine für die besten Wirkungsgrade! M 2000 = M 3000 = m 2000 = m 3000 = Institut für Technik und ihre Didaktik Übungen Maschinentechnik WS06/07 Hein 5

6 Versuch 3 Analyse eines Viertakt Otto - -Motors In dieser Übung sollen Kenntnisse über den Aufbau und Zusammenwirken der Teile eines 4-Zylinder- 4Takt-Otto-Motors vertieft werden. Dabei sollen anhand Ihrer theoretischen und praktischen Kenntnisse die Funktionsweise einzelner Bauteile erklärt werden. Versuchsaufbau Es handelt sich um den typgleichen Motor in Versuch 2. Bei dem vorliegenden Motor handelt es sich um einen 4-Zylinder-4-Takt-Otto-Motor. Technische Daten des Motors: - Motor: Opel C16NZ - Zylinderzahl: 4/OHC - Hubraum:? - Motorleistung: 55kW (75PS) bei /min Der Montagestand ist eine studentische Arbeit. Bezeichnen Sie die angezeigten Elemente mit Fachbegriffen Versuchsdurchführung Gehen Sie in den vorgeschlagenen Arbeitsschritten vor und bearbeiten Sie an den entsprechenden Stellen die schriftlichen Aufgaben. Legen Sie die Einzelteile so ab, dass der Zusammenbau am Ende der Übung ohne Schwierigkeiten in umgekehrter Reihenfolge bewältigt werden kann. Arbeitssicherheit: Achten Sie darauf, dass der Motor immer fest verankert und somit lagestabil ist! Geben Sie alle Maße in mm an! Institut für Technik und ihre Didaktik Übungen Maschinentechnik WS06/07 Hein 6

7 Demontage des Motors: 1. Schritt: Montieren Sie die Abgasauslassrohre (Auspuffkrümmer) ab. 2. Schritt: Demontieren Sie das Sammelsaugrohr mit Drosselklappenteil. Legen Sie dann die Drosselklappe frei, indem sie vom Aggregat den oberen Hydraulikteil entfernen. Aufgaben: Messen Sie den Durchmesser der Drosselklappe (=Mischkammer) und des Lufttrichters. (Siehe Bild unten) d Lufttrichter = d 1 d Mischkammer = d 2 Handelt es sich im vorliegenden Fall um einen Einspritzer oder Vergaser? 2. Schritt: Entfernen Sie die Ölwanne und den Spritzschutz. Aufgabe: Lokalisieren Sie die Öl- und Wasserpumpe. 3. Schritt: Demontieren Sie die Zylinderkopfhaube. Aufgabe: Bestimmen Sie das Übersetzungsverhältnis zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle? i = 4. Schritt: Entfernen Sie den Nockenwellenkasten. Aufgabe: Bestimmen Sie mit Hilfe des des Nockens den Ventilhub. h = 5. Schritt: Entfernen Sie das Zylinderkopfgehäuse und legen somit das Zylinder-Kurbel-Gehäuse frei. Aufgaben: Messen Sie die Größen des Querschnitts des Auslasskanals für Kühlflüssigkeit und des Einlasskanals für das Luft-Benzingemisch sowie des Auslasskanals für Abgase am Zylinderkopfgehäuse. Kühlflüssigkeit Kraftstoff-Luft-Gemisch Abgase Bestimmen Sie den Durchmesser und die Zahl der Einlass- und Auslassventilteller. Ventil Anzahl Durchmesser Einlass Auslass Ermitteln Sie den Hub und den Durchmesser des Zylinders. h = d = Institut für Technik und ihre Didaktik Übungen Maschinentechnik WS06/07 Hein 7

8 Warum ist die Kurbelwelle gekröpft? Berechnen Sie den Gesamthubraum des Otto-Motors. Berechnen Sie die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des angesaugten Kraftstoff-Luft-Gemischs im Saugrohr an der Stelle mit dem Durchmesser d 2 bei der Drehzahl von 3000 min -1 und einem Liefergrad von λ = 0,75. Hubraumvolumen: Volumenstrom: Fläche mit d 2 : Strömungsgeschwindigkeit: 6. Schritt: Bauen Sie Kolben, der sich an der Seite des Schwungrades befindet, aus. Aufgaben: Ermitteln Sie die Länge des Pleuels, die Höhe des Kolbens, den Durchmesser der Kurbel und des Kolbenbolzens. l Pleuel h Kolben d Kurbel d Kolbenbolzen Montage des Motors: 7. Schritt: Montieren Sie den Motor in umgekehrter Reihenfolge wieder zusammen. Institut für Technik und ihre Didaktik Übungen Maschinentechnik WS06/07 Hein 8

9 Versuch 4 Betriebsverhalten eines Notstromaggregates In diesem Versuch ermitteln Sie den Wirkungsgrad eines Energieversorgungssystems (Motor Generator Satz). Weiterhin berechnen Sie als Alternative die Rotorblattlänge eines Windkonverters mit gleicher Nutzleistung. Danach berechnen Sie, in welchem Maße die Abwärme des Systems genutzt werden kann. Versuchsaufbau: Das Versuchsaggregat besteht aus einem Einzylinder Viertakt Ottomotor in Verbindung mit einem Asynchrongenerator (230 V, 50 Hz). Der direkt gekuppelte Asynchrongenerator ist einpolig und liefert bei einer Drehzahl von /min eine Wechselspannung von 50 Hz. Auf diese konstante Frequenz bzw. Drehzahl wird der Antriebsmotor geregelt. Die Leistungsabnahme erfolgt an der dafür vorgesehenen Steckdose. Herstellerangaben: Fabrikat Suzuki Motor: Einzylinder Viertakt Ottomotor, luftgekühlt, Ölmangel Abschaltautomatik. Typ: V 160 A Hubraum: 162 cm 3 Kraftstoff: Normalbenzin Kraftstoffverbrauch bei Nennleistung: ca. 1,7l h -1 Generator: Einpolige Asynchronmaschine Nennspannung: 230V Nennstrom: 8,2 A Nennleistung: 1900 W Versuchsdurchführung Arbeitssicherheit: 1. Absaugvorrichtung einschalten und Fenster öffnen 2. Sicherheitsabstand vor rotierenden und heißen Motorteilen einhalten 3. Elektrische Schutzmaßnahmen einhalten 4. Kein offenes Feuer in Motornähe (nicht Rauchen) 5. Sicheren Standort des Notstromaggregats und der Messeinrichtungen überprüfen Motoraufstellung getrennt von der Meßanordnung? Betriebssicherheit 1. Tank und Scheidetrichter ausreichend mit Kraftstoff gefüllt (Scheidetrichter ca. 600 ml)? 2. Abgasleitung an Abzug angeschlossen? 3. Alle Messgeräte (Multimeter, Stoppuhr) vorhanden und funktionsfähig? 4. Aufteilung der verschiedenen Messtätigkeiten in der Gruppe erfolgt? Motor starten: Nach ca. 5 min stellt sich infolge der Erwärmung ein stabiler Betriebszustand ein. Daten nach Anleitung in Tabelle erfassen. Die Messdauer beträgt 30 S. Belastung durch Zuschalten von Glühlampen um jeweils 100 W bis zur Nennleistung erhöhen. Nr. P ab in W U in V I in A Füllstand in ml Beginn Ende V in mls -1 m in gs -1 P zu in W η ges. η M Institut für Technik und ihre Didaktik Übungen Maschinentechnik WS06/07 Hein 9

10 Auswertung der Messergebnisse: Notwendige Größen und Beziehungen Gesamtwirkungsgrad: η ges = Zugeführte Leistung: P zu = Abgegebene Leistung: P ab = Dichte des Kraftstoffs: ρ = 0,75 gcm -3 Heizwert des Kraftstoffs: H u = 43,5 kjg -1 Wirkungsgrad des Generators: η G = 0,91 Stellen Sie den Kraftstoffverbrauch (Volumenstrom), die Zugeführte Leistung und den Gesamtwirkungsgrad als Funktionen der abgegebenen Leistung im Diagramm dar. Berechnung der Größe des Windkonverters Maximale Elektrische Leistung: Wirkungsgrad des Generators: Notwendige mechanische Leistung des Windkonverters: P rot = Auslegungswindgeschwindigkeit: v = 8 ms -1 Leistungsbeiwert: c p = 0,3 Luftdichte: ρ = 1,2 kgm -3 Leistung des Windes: P W = Institut für Technik und ihre Didaktik Übungen Maschinentechnik WS06/07 Hein 10

11 Nutzung der Wärme im Abgas Sankey Diagramm von Otto- und Dieselmotor Entnehmen Sie der Kennlinie für die maximale Leistung des Notstromaggregates und die dazugehörende Kraftstoffmenge. P zumax = m max = Ermitteln Sie die im Abgases enthalte Leistung (Wärmestrom) Q ab = Vervollständigen Sie die Daten im Blockschaltbild. P zu = P el = Motor Generator Q ab = Wärmetauscher Q Nutz = 50 l Wasser Q Verl = Berechnen Sie, in welcher Zeit 50l Wasser mit einer Temperatur von 10 C auf 50 C erwärmt werden können, wenn im Wärmetauscher noch 60% der Abgaswärme Q ab auf das Wasser als Nutzwärmemenge Q Nutz übergehen können. Spezifische Wärmekapazität des Wassers: c = 4,19 kj/kg K m c Wärmestrom Q& ϑ Nutz = t Institut für Technik und ihre Didaktik Übungen Maschinentechnik WS06/07 Hein 11