MOTORENPRÜFSTAND FÜR GASMOTOREN

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1 MOTORENPRÜFSTAND FÜR GASMOTOREN P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 1

2 Praktikum Kolben- und Strömungsmaschinen 1. Wirkungsgradbestimmung Zielsetzung: Im Rahmen dieses Versuches sollen sowohl der mechanische Wirkungsgrad η m als auch der indizierte Wirkungsgrad η i bei verschiedenen Lastpunkten ermittelt werden. Hieraus lässt sich auf den effektiven Wirkungsgrad η e schließen. η = η η e i m Effektiver Wirkungsgrad: W η = Q e e = zu abgegebene Arbeit zugeführte Wärme Der effektive Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors errechnet sich aus der an der Leistungsbremse innerhalb der Messzeit abgeführten Nutzarbeit und der zugeführten, chemisch gebundenen Energie in Form der in dieser Zeit benötigten Gasmenge. 1 Innenwirkungsgrad: wi η = w i = zu spezifisch indizierte Arbeit spezifisch zugeführte Arbeit Die während eines Arbeitsspiels vom Arbeitsstoff auf den Kolben übertragene mechanische Arbeit W i ergibt sich, wenn das Integral aus dem Produkt des auf den Kolben wirkenden veränderlichen Gasdrucks p G und dem Kolbenvolumen dv gebildet wird. 2 W i = pg dv 1 Pischinger S Küntscher S.62 P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 2

3 Die spezifisch indizierte Arbeit ergibt sich, wenn die mechanische Arbeit durch das Hubvolumen (des indizierten Zylinders) dividiert wird. Somit erhält man eine von der Motordimensionierung unabhängige Kenngröße. w i Wi = V H aus Indiziermessung w zu = m Gas V H H U = dem Zylinder je Arbeitspiel zugeführte Gasmenge Heizwert Zylindervolumen Der Innenwirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Wärme während des Arbeitsprozesses in mechanische Arbeit umgewandelt wird. 3 Der Innenwirkungsgrad kann noch aufgeteilt werden in diejenigen Verluste, die grundsätzlich mit dem Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors verbunden sind, und diejenigen Verluste, die durch die spezielle Motorkonstruktion und Einstellung verursacht werden. Zu diesem Zweck wird der idealisierte Prozess des vollkommenen Motors definiert, bei dem ein vorgegebener Brennverlauf angenommen wird und Wärmeübergangs- sowie Ladungswechselverluste vernachlässigt werden. 4 Nach DIN 1940 ist der vollkommene Motor wie folgt definiert: Ein dem wirklichen Motor geometrisch gleicher Motor, der folgende Eigenschaften besitzt: a) reine Ladung (ohne Restgase) b) gleiches Luftverhältnis wie der wirkliche Motor c) vollständige Verbrennung d) Verbrennungsablauf nach vorgegebener Gesetzmäßigkeit e) wärmedichte Wandungen f) keine Strömungs- und Lässigkeitsverluste g) ohne Ladungswechsel arbeitet 3 Küntscher S.63 4 Küntscher S.124 P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 3

4 Der Kreisprozess des vollkommenen Motors wird mit idealen Gasen, jedoch mit temperaturabhängigen spezifischen Wärmekapazitäten berechnet. 5 Der Idealprozess des vollkommenen Motors ist ein Maß dafür, welche Arbeit in einem bestimmten Motor bei einem gegebenem Luftverhältnis verrichtet werden könnte. 6 Die Verluste des vollkommenen Motors werden durch den Wirkungsgrad η v erfasst. Der Gütegrad η g beinhaltet alle übrigen Verluste (realer Brennverlauf, Wärmeübergang, Ladungswechsel) mit Ausnahme der mechanischen Verluste. Damit ergibt sich folgende Aufteilung: 7 η = η η i v g Mechanischer Wirkungsgrad: η we = w m = i spezifisch abgegebene Arbeit spezifisch indizierte Arbeit w e = M 2 2π Drehmoment des Motors Arbeitsspiel ( = 720 ) = V Zylindervolumen H Der mechanische Wirkungsgrad trägt nun jenen Verlusten im Motor Rechnung, die nach der Verbrennung bei der Übertragung des auf den Kolben wirkenden Drucks in ein an der Welle anliegendes Drehmoment. 5 DIN Pischinger S Pischinger S.124 P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 4

5 Die Reibung eines Gesamtmotors setzt sich aus den Reib- bzw. Antriebsleistungen der einzelnen Komponenten zusammen: 8 - Kurbelwellenhauptlager mit Radialwellendichtringen - Pleuellager und Kolbengruppe (Kolben, Kolbenringe, Kolbenbolzen) - eventuell vorhandenem Massenausgleich - Ventil- und Steuertrieb - Nebenaggregate: Ölpumpe, etc. Im Leerlauf ist wegen w e = 0 auch η m = 0; die zugeführte Energie wird vollständig durch mechanische Verluste aufgezehrt. 9 Durch das nachfolgend näher erläuterte Messverfahren des Indizierens lässt sich die indizierte Arbeit w i ermitteln, die zugeführte Arbeit w zu ergibt sich aus dem Erdgasvolumenstrom in Verbindung mit der Motorendrehzahl und dem Heizwert. Die abgegebene Arbeit lässt sich anhand des an der Wirbelstrombremse gemessenen Drehmoments unter Berücksichtigung von einer möglichen Messabweichung bestimmen. 8 van Basshuysen S Küntscher S.78 P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 5

6 Abb. 11: Energiefluss und Verluste in einem Verbrennungsmotor P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 6

7 Indizierung: Einleitung: Als Indizieren werden das Messen des Drucks im Zylinder über dem Kolbenweg und die Darstellung in Abhängigkeit vom Zylindervolumen verstanden. In der Regel muss beim Messen der Umweg über eine kurbelwinkelabhängige Messung gegangen werden. Aus dem Kurbelwinkel wird unter Anwendung der Kolbenweggleichung das Zylindervolumen berechnet. Indiziermessungen mit einer sich anschließenden Prozessanalyse gehören zu den unverzichtbaren Hilfsmitteln bei der Entwicklung des Arbeitsprozesses von Verbrennungsmotoren. Die Prozessanalyse umfasst vor allem die thermodynamische Untersuchung der Innenvorgänge (Druckverlauf-, Verbrennungsablaufanalyse), aber auch die Ermittlung der Ladungswechselarbeit bzw. der mechanischen Verluste. 10 Abb. 12: pv-diagramm eines 4-Takt-Zyklus (Saugmotor) 1) Hochdruckprozess 6) Auslass schließt 2) Gaswechselschleife 7) Einlass öffnet 3) indizierter Mitteldruck p i 8) Einlass schließt 4) Umgebungsdruck p u 9) 10) Zustände 1,2 für Polytropenmethode 5) Auslass öffnet 10 Küntscher S.186 P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 7

8 Abb. 13: Indikatordiagramm mit spezifisch indizierter Arbeit w i als Differenz aus Hochdruckprozess und Gaswechselschleife beim Saugmotor Abb. 14: Grafische Bestimmung des inneren Mitteldrucks bei einem Saugmotor P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 8

9 Einfluss der Abgasturboaufladung auf die Ermittlung des indizierten Mitteldrucks Bei der am häufigsten angewendeten Form der Aufladung, der Abgasturboaufladung, wird der Verdichter von einer Turbine angetrieben, welche die Abgasenergie ausnützt. Motor und Abgasturbolader sind thermodynamisch gekoppelt. Bei der Stauaufladung werden die Abgase der einzelnen Zylinder in ein großvolumiges Auspuffsystem geleitet, in dem sich ein annähernd konstanter Zustand einstellt, mit dem die Turbine beaufschlagt wird. 11 Abb. 15: Schema und pv-diagramm eines Motors mit Abgasturboaufladung und Rückkühlung; p i als Summe von Hochdruckprozess u. Gaswechselschleife Wenn der Druck des zuströmenden Mediums vor dem Motor (Pos. 1) größer ist als vor Druck des Abgases vor dem Turbineneintritt (Pos. 6), wird ein Teil der Turboladerarbeit wieder über eine nun positive Ladungswechselschleife an die Kurbelwelle abgegeben. 12 Während sich die spezifisch indizierte Arbeit des Saugmotors als Differenz aus positivem Hochdruckprozess und negativer Gaswechselschleife darstellt ist die beim aufgeladenen Motor w i die Summe der beiden genannten Prozessschleifen. 11 Pischinger S nach van Basshuysen S.449f P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 9

10 Messprinzip: Mittels eines piezoelektrischen Druckaufnehmers, der in die Glühkerzenöffnung im Brennraum appliziert ist, wird das Drucksignal zu einem Ladungsverstärker weitergeleitet. Dieser filtert es und wandelt die vom Messwertsensor abgegebenen Ladungssignale in proportionale Spannungen um. Das aufbereitete Signal wird anschließend zum Messrechner weitergeleitet. Über einen Kurbelwinkelgeber wird die aktuelle Position der Kurbelwelle gemessen, so dass es möglich ist, den Druckverlauf im Zylinder über der Kurbelwellenstellung und damit über dem Zylindervolumen darzustellen. Abb. 16: Aufbau der Indiziermesskette P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 10

11 Aufbau: Da die vom Druckaufnehmer abgegebene Ladung nur sehr gering ist, muss die Leitung zwischen Aufnehmer und Ladungsverstärker möglichst kurz gehalten sein, um ein reproduzierbares Messergebnis zu erhalten. Über einen Ladungsverstärkermodul im Motorprüfraum nahe am Motor werden die Messsignale dann an den Messrechner weitergeleitet und von der Windowsbasierten Indizierungssoftware INDY der Firma gmf ausgewertet. Mit dem System INDY NGx ist unter anderem eine Online-Berechnung und Darstellung aller wichtigen Betriebspunktdaten wie indizierter Mitteldruck, Spitzendruck, Heizverlauf und pv-diagramm sowie gemittelter Druckverlauf möglich. Die Aufnahme des Kurbelwinkelgebers erfolgt über den Schwingungsdämpfer des Motors. Hierzu ist ein Adapter erforderlich, der auf den Schwingungsdämpfer aufgeschoben und verschraubt wird. P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 11

12 Versuchsdurchführung - Aufgabenstellung: Nach dem Starten und Warmlaufen des Motors bei schwacher Last sollen die folgenden sechs Betriebspunkte bei Nenndrehzahl (n=1500 1/min) nacheinander Drehmoment-geregelt angefahren werden: 1. Drehmoment = 0 (Leerlauf) 2. Drehmoment = 20% Volllast 3. Drehmoment = 40% Volllast 4. Drehmoment = 60% Volllast 5. Drehmoment = 80% Volllast 6. Drehmoment = Volllast Nach dem Einschwingen eines jeden Betriebspunktes sind folgende Daten für die spätere Auswertung zu erfassen: Drehzahl Drehmoment Gasvolumenstrom Indizierter Mitteldruck = indizierte spezifische Arbeit Ausdruck des pv-diagramms der Indizierung Ausdruck des pφ-diagramms der Indizierung Weiterhin sind der Druck des zuströmenden Gases sowie das Hubvolumen eines Zylinders zu notieren. Die Auswertung soll sowohl tabellarisch als auch grafisch die mechanischen, den inneren sowie den effektiven Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der Last darstellen. P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 12

13 2. Abgasmessung Zielsetzung: In diesem Versuch sollen die Konzentrationen von Kohlenmonoxid, Stickoxiden und unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas unter Variation vom Luftverhältnis λ ermittelt werden. Abgaszusammensetzung: Die folgende Beschreibung der Zusammensetzung des motorischen Abgases und seiner wesentlichen Bestandteile erfolgt in enger Anlehnung an Merker (1999): Technische Verbrennung Motorische Verbrennung. Bei der vollständigen Verbrennung eines nur aus C- und H-Atomen bestehenden sog. C x H y -Brennstoffes enthält das Abgas die Komponenten Sauerstoff (O 2 ), Stickstoff (N 2 ), Kohlendioxid (CO 2 ) und Wasserdampf (H 2 O). Bei der realen, unvollständigen Verbrennung treten zusätzlich zu diesen Bestandteilen auch Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Stickoxide (NO x ), sowie Partikel auf. Im Gegensatz zu diesen gesundheitsschädlichen Stoffen wird das für den Treibhauseffekt mitverantwortliche CO 2 nicht als Schadstoff angesehen, da es keine direkte Gefahr für die Gesundheit des Menschen darstellt und als Endprodukt jeder vollständigen Oxidation eines Kohlenwasserstoffs auftritt. Eine Reduktion von CO 2 im Abgas ist daher auch nur durch eine Verbrauchsreduzierung oder durch einen veränderten Brennstoff, der bezogen auf seinen Heizwert einen geringeren Kohlenstoffanteil aufweist, zu erreichen. Die Bildung von CO, HC und NO x ist in erster Linie vom Luftverhältnis λ und der damit gekoppelten Verbrennungstemperatur abhängig. Während CO und HC als Produkte der unvollständigen Verbrennung bei fettem Gemisch (λ < 1,0) ansteigen, wird die NO x -Bildung durch eine hohe Temperatur bei ausreichendem P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 13

14 Sauerstoffangebot begünstigt (λ =1,1). Bei magerem Gemisch (λ > 1,2) sinkt die Verbrennungstemperatur, so dass die NO x -Emission abfällt und die HC-Emission ansteigt. Abb. 17: Typische Lambda-Linien bei der Verbrennung von Erdgas Kohlenmonoxid (CO): Bei lokalem Luftmangel (λ < 1,0) entsteht grundsätzlich CO als ein Produkt der unvollständigen Verbrennung. Die Oxidation des CO läuft in Abhängigkeit des Luftverhältnisses λ unterschiedlich ab. Im extrem mageren Gemisch (λ > 1,4) entsteht wieder vermehrt CO wegen der niedrigen Temperaturen und der unvollständigen Verbrennung im wandnahen Bereich des Brennraums. Generell ist die CO-Oxidation stark von der Temperatur abhängig, so dass die Reaktion auch während der Expansion zunehmend langsamer wird. Die CO-Konzentration im Abgas entspricht deshalb etwa der Gleichgewichtskonzentration bei 1700 K. P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 14

15 Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC): Bei der Verbrennung von C x H y -Brennstoffen treten hinter der Flammenfront keine messbaren HC-Konzentrationen auf. HC stammt deshalb aus Zonen, die nicht oder nicht vollständig von der Verbrennung erfasst werden. Dabei setzen sich die unverbrannten Kohlenwasserstoffe aus einer Vielzahl verschiedener Komponenten zusammen, die entweder vollständig unverbrannt oder aber schon teiloxidiert sein können. Vom Gesetzgeber wird heute nur die Summe aller HC-Komponenten, die üblicherweise mit einem Flammen-Ionisations-Detektor bestimmt wird, beschränkt. Dabei wird keine Aussage über die Zusammensetzung dieser unverbrannten Kohlenwasserstoffe getroffen und damit auch nicht das besondere Gefährdungspotential bestimmter Bestandteile berücksichtigt. Stickoxide (NO x ): Stickoxide (NO x ) begünstigen in der Troposphäre die Bildung von bodennahem Ozon und photochemischem Smog. Bei der motorischen Verbrennung entsteht hauptsächlich Stickstoffmonoxid (NO), das jedoch nach längerem Verweilen unter atmosphärischen Bedingungen fast vollständig in Stickstoffdioxid (NO 2 ) umgewandelt wird. Das NO kann bei der Brennung auf drei verschiedenen Wegen gebildet werden. Dabei unterscheidet man das sog. Thermische NO, das bei hohen Temperaturen nach dem Zeldovich-Mechanismus aus Luftstickstoff gebildet wird, das sog. Prompt- NO, das durch den Fenimore-Mechanismus schon bei niedrigen Temperaturen aus dem Luftstickstoff entsteht, und schließlich das sog. Brennstoff-NO, das durch Stickstoffanteile im Brennstoff hervorgerufen wird Merker S.84 S. 107 P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 15

16 Brennstoffzusammensetzung: Die Qualität von Erdgas hat eine große Bandbreite und hängt vor allem von der Förderregion ab. Abb. 18: Zusammensetzung und Kennwerte verschiedener Erdgassorten P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 16

17 Messaufbau: Abb. 19: Auszug aus den technischen Daten der Firma mru P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 17

18 Messfühler im Abgasstrom Messgerät verbunden mit Prüfstandsteuerung ATLANTIS Motor Abb. 20: Aufbau des Messsystems P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 18

19 Stöchiometrischer Luftbedarf 14 Der stöchiometrische Luftbedarf L st kann aus dem Sauerstoffbedarf der Reaktion und der Zusammensetzung der Luft (N 2 :O 2 = 0,79:0,21) errechnet werden: 1 0,21 Lst = O2st = 4, 76O2st Darin sind L st der stöchiometrische Luftbedarf in kmol je kg Brennstoff und O 2st der stöchiometrische Sauerstoffbedarf in kmol O 2 je kg Brennstoff. Als Beispiel sei im Folgenden die Berechnung des stöchiometrischen Luftbedarfs für einen Kohlenwasserstoff C x H y O z angeführt: C H O y z + x + O 4 2 xco y + H 2 x Y z O Der Sauerstoffbedarf der stöchiometrischen Verbrennung beträgt: y z kmol O = x kmol Brennstoff 2 O2 st Daraus ergibt sich der stöchiometrische Luftbedarf zu: L st = 4,76 x + y z kmol Luft 4 2 kmol Brennstoff 14 Pischinger, S.67 P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 19

20 Stöchiometrischer Luftbedarf von Erdgas Bei der Verbrennung von Erdgas ist Methan der wesentliche Brennstoff. Für CH 4 gilt dementsprechend x = 1, y = 4 und z = 0. L st Methan = 4, kmol Luft 2 kmol CH 4 kmol Luft = 9,52 kmol CH 4 Nm = 9,52 Nm 3 3 Luft CH 4 kg Luft = 17,17 kg CH 4 kg für : ρluft = 1,293 m³ bei Normbedingungen kg und ρmethan = 0,717 m³ ( T = 273,15 K und p = 1,01325bar ) Luftverhältnis aus Brennstoff- und Luftmengenmessung 15 Das Luftverhältnis λ lässt sich am einfachsten durch eine Brennstoff- und Luftmengenmessung mit der Definitionsgleichung λ=l/l st ermitteln. Darin sind L die zugeführte Luftmenge und L st der stöchiometrische Luftbedarf in kg je kg Brennstoff. Umgerechnet auf die während der Beobachtungszeit zugeführte Brennstoffmasse ergibt sich: λ = ml L m st B Darin sind m L und m B die während der Beobachtungszeit zugeführten Massen an Luft und Brennstoff in kg. Anstelle der Massen können auch die Stoffmengen (in kmol) oder die Normvolumina (in m³ bei Normzustand) eingesetzt werden, wobei auch für L st die entsprechende Dimension zu verwenden ist. Das Luftverhältnis kann auch aus der Abgasanalyse ermittelt werden. Dies ist dann notwendig, wenn keine Brennstoff- und Luftmengenmessungen vorliegen oder wenn diese überprüft werden sollen. 15 Pischinger, S.68 P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 20

21 Ideales Luftverhältnis für Erdgasmotoren Bei einer überstöchiometrischen Verbrennung mit λ > 1,0 enthält das Kraftstoff-Luft- Gemisch mehr Brennluft als zur vollständigen Verbrennung benötigt wird. Mit dem Überschuss an Verbrennungsluft steigt zugleich der Anteil inerten Stickstoffes an der Gemischzusammensetzung. Der Stickstoff nimmt bei der Verbrennung Wärme auf und senkt somit die Spitzentemperaturen bei der Verbrennung. Durch stetiges Abmagern des Gemisches können die NO x -Emissionen bis unterhalb des Grenzwertes der TA-Luft verringert werden. Wird das Gemisch zu mager, steigen aufgrund der schlechten Verbrennung die CO- und HC-Emissionen, wie in Abb. 17 zu sehen ist. Bei den Erdgasmotoren hat sich ein Luftverhältnis zwischen λ = 1,5 1,6 als guter Kompromiss zwischen niedrigen NO x -Emissionen und bereits wieder steigenden CO- und HC-Emissionen ergeben. In diesem so genannten Mager- λ-fenster sind die NO x -Emissionen geringer als die Vorgaben der TA-Luft. Auf eine kostenintensive Abgasnachbehandlung zur Reduktion der NO x -Emissionen durch einen selektiv arbeitenden Katalysator (SCR-Verfahren) kann hier verzichtet werden. Die CO- und HC-Emissionen können kostengünstig durch einen Oxidationskatalysator auf das Niveau der TA-Luft verringert werden. Das Wirkungsgradoptimum liegt bei einem Luftverhältnis von λ = 1,3 1,4. In diesem Arbeitsbereich könnten höhere Wirkungsgrade erzielt werden, allerdings wäre wegen der hohen NO x -Emissionen eine aufwendige Abgasnachbehandlung nötig. P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 21

22 Versuchsdurchführung - Aufgabenstellung: Nach dem Starten und Warmlaufen des Motors bei schwacher Last soll ein Betriebspunkt mit 90% Volllast bei Nenndrehzahl (n=1500 1/min) eingestellt werden. Für die Variation des Luftverhältnisses in den Stufen λ = 1,30 λ = 1,35 λ = 1,40 λ = 1,45 λ = 1,50 λ = 1,55 λ = 1,60 sollen die Messwerte von HC, CO und NO x erfasst werden. Die Auswertung soll sowohl tabellarisch als auch grafisch die die Messwerte von HC, CO und NO x in Abhängigkeit vom Luftverhältnis darstellen. P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 22

23 Literaturverzeichnis van Basshuysen, Richard; Schäfer, Fred (Hrsg.): Verbrennungsmotor: Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. Auflagen, Wiesbaden: Viewig Verlag, 2005 Küntscher, Volkmar; Hoffmann, Werner (Hrsg.): Kraftfahrzeug-Motoren. 4. Auflage, Würzburg: Vogel Verlag 2006 Firma mru, Produktbeschreibung Vario plus industrial Pischinger, Rudolf; Klell, Manfred; Sams, Theodor: Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine Der Fahrzeugantrieb. 2. Auflage, New York: Springer Verlag, 2002 Merker, Günter; Stietsch, Gunnar: Technische Verbrennung Motorische Verbrennung. 1.Auflage, Leipzig: Teubner Verlag, 1999 P r o f. D r - I n g. K a p i s c h k e Seite 23