Betriebsfeld und Energiebilanz eines Ottomotors

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1 Fachbereich Maschinenbau Fachgebiet Kraft- u. Arbeitsmaschinen Fachgebietsleiter Prof. Dr.-Ing. B. Spessert März 2016 Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen Versuch 2 Betriebsfeld und Energiebilanz eines Ottomotors 0. BESCHREIBUNG Der Motorenprüfstand mit Hydrobremse steht für umfassende Untersuchungen an einem Pkw- Ottomotor zur Verfügung. Der Motor ist direkt mit einer hydraulischen Axialkolbenpumpe verbunden. Diese dient als Bremse und nimmt die Motorleistung auf. Über einen Kühlkreislauf werden sowohl die Motorwärme als auch die Bremsenergie abgeführt. Dabei werden Volumenstrom und Temperaturen des Kühlwassers gemessen. Bei verschiedenen Betriebspunkten werden Drehzahl, Drehmoment, Brennstoffverbrauch sowie Abgastemperatur bestimmt. 1. AUFGABENSTELLUNG 1.1 Messen Sie bei verschiedenen Motordrehzahlen und -drehmomenten den Brennstoffvolumenstrom sowie die Abgastemperatur. Die einzustellenden Motorparameter sind unter 7. AUSWERTUNG in einer Tabelle aufgeführt. Stellen Sie den spezifischen Brennstoffverbrauch, die Abgastemperatur, den mittleren effektiven Druck und den Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Motordrehzahl und des Motordrehmomentes dar. Interpretieren Sie die Messergebnisse. 1.2 Für die Drehzahl U/min und das Drehmoment 39,4 Nm ist die Energiebilanz zu erstellen. Ermitteln Sie effektive Leistung und Wärmeabgabe über Kühlwasser, Abgas bzw. Wärmestrahlung. Gegeben sind für das Kühlwasser Eingangstemperatur 45 C, Ausgangstemperatur 85 C und Kühlwasservolumenstrom 800 l/h. 2. VORKENNTNISSE EAH Jena: Vorlesung Kraft- und Arbeitsmaschinen Abb. 1: Versuchsmotor Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen, Betriebsfeld und Energiebilanz eines Ottomotors

2 3. HINWEISE ZUR VERSUCHSDURCHFÜHRUNG Bei Versuchsbeginn den Motor warmlaufen lassen. Nach Volllastbetrieb Motor nicht sofort abstellen. Verschiedene Drehmomente können am Prüfstand mit Hilfe des Drosselventils eingestellt werden. Für die Energiebilanz ist es erforderlich, mit der Aufnahme der Messwerte so lange zu warten, bis sich ein thermisches Gleichgewicht eingestellt hat. 4. GERÄTE UND ZUBEHÖR Vierzylinder-Reihen-Ottomotor Opel C12NZ Hubvolumen V H = cm³ Nennleistung P e = 33 kw bei U/min max. Drehmoment T max = 86 Nm bei U/min Verdichtungsverhältnis 9,1 : 1 Der Ottomotor wird mit dem Brennstoff Benzin (unterer Heizwert h u = kj/kg) betrieben. Die Dichte des Brennstoffs beträgt ρ B = 0,74 kg/dm 3, die Umgebungstemperatur 20 C. 5. HINWEISE ZUR BERECHNUNG DES MITTLEREN EFFEKTIVEN DRUCKS, DES SPEZIFISCHEN BRENNSTOFFVERBRAUCHS UND DES EFFEKTIVEN WIRKUNGSGRADES Motorleistung: T - Motordrehmoment; n - Drehzahl P e = T 2 π n mittlerer effektiver Druck: V H - Hubvolumen des Motors p me = P e 2 V H n spez. Brennstoffverbrauch: b e = V B ρ B P e V B - Volumenstrom Brennstoff; ρ B - Dichte des Brennstoffs Chemische Energie von Benzin: m B h u m B - Massestrom Brennstoff; h u - unterer Heizwert effektiver Wirkungsgrad: η e = P e m B h u Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen, Betriebsfeld und Energiebilanz eines Ottomotors Seite 2 von 6

3 6. HINWEISE ZUR BERECHNUNG DER ENERGIEBILANZ Abb. 2: Schema zum Energiefluss Wärmestrom: Q i = m i c i T i i - Indize des jeweiligen Wärmestroms; m - Massestrom; c - Wärmekapazität; T - Temperatur Massenströme: m B = ρ B V B m Luft = m B L St λ L St - Luftbedarf bei stöchiometrischer Verbrennung; m B - Massestrom Brennstoff; λ - Verbrennungsluftverhältnis Stöchiometrischer Luftbedarf: L St = m Luft,St m B = 14,7 (Benzin) Verbrennungsluftverhältnis: λ = m Luft m Luft,St λ = 1 (für den untersuchten Motor mit geregeltem Katalysator) m Abgas = m B + m Luft Wärmekapazitäten: c Luft = 1,0 kj/kgk (bei 20 C) c Brennstoff = 2,3 kj/kgk (bei 20 C) c Abgas = 1,2 kj/kgk (bei 687 C) c Wasser = 4,2 kj/kgk (bei C ) Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen, Betriebsfeld und Energiebilanz eines Ottomotors Seite 3 von 6

4 7. AUSWERTUNG Messwerttabelle für Versuch 1.1 Einstellwerte (Sollwert/ Messwert) n in U/min 2.000/ / / / / / / / / M in Nm 15,0/ 15,2 30,0/ 30,0 60,0/ 61,0 10,0/ 10,0 20,0/ 21,0 40,0/ 39,4 7,5/ 8,5 15,0/ 15,2 30,0/ 30,0 Messwerte V B in l/h T A in C 3, , , , , , , , , P e in kw berechnete Werte (nur Messwerte verwenden) p me in bar b e in g/kwh η e in % 8. LITERATUR K.-H. Grote und J. Feldhusen (Hrsg.): Dubbel - Taschenbuch für den Maschinenbau; Springer Verlag, 22. Auflage, Berlin 2007 H. Th. Wagner u.a.: Strömungs- und Kolbenmaschinen; Vieweg Verlag, 3. Auflage, Braunschweig 1990 Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen, Betriebsfeld und Energiebilanz eines Ottomotors Seite 4 von 6

5 9. ANHANG Abb. 3: Brennstoffverbrauch und Abgastemperatur in Abhängigkeit von der Drehzahl Abb. 4: Brennstoffverbrauch und Abgastemperatur in Abhängigkeit vom Drehmoment Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen, Betriebsfeld und Energiebilanz eines Ottomotors Seite 5 von 6

6 Abb. 5: Wirkungsgrad und mittlerer effektiver Druck in Abhängigkeit von der Drehzahl Abb. 6: Wirkungsgrad und mittlerer effektiver Druck in Abhängigkeit vom Drehmoment Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen, Betriebsfeld und Energiebilanz eines Ottomotors Seite 6 von 6