Betriebsfeld und Energiebilanz eines Dieselmotors

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1 Fachbereich Maschinenbau Fachgebiet Kraft- u. Arbeitsmaschinen Fachgebietsleiter Prof. Dr.-Ing. B. Spessert Mai 2017 Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen Versuch 2 Betriebsfeld und Energiebilanz eines Dieselmotors 0. BESCHREIBUNG Die zentralen Komponenten des Prüfstandes sind der Dieselmotor (Prüfobjekt) und eine Asynchronmaschine, welche je nach Betriebspunkt als Generator (Lastbetrieb) oder als Motor (Schleppbetrieb) arbeitet. Betriebspunkte sind durch Drehzahl und Last gekennzeichnet. Die Drehzahl wird mittels Frequenzumrichter vorgegeben. Die Rückspeiseeinheit realisiert die Verbindung zum Stromnetz. Über die Stellung des Lasthebels wird der Lastpunkt gewählt. Das Kennfeld (siehe Abb. 4) gibt einen Überblick zu möglichen Betriebspunkten. Das Bedienpult enthält alle Anzeige- und Bedieneinrichtungen. Über das Messgerät Almemo werden alle weiteren Sensoren eingebunden und ausgelesen. Abb. 1: Motorenprüfstand mit seinen Komponenten Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen, Betriebsfeld und Energiebilanz eines Dieselmotors

2 1. AUFGABENSTELLUNG 1.1 Machen Sie sich mit der Funktionsweise des Prüfstandes vertraut und nehmen eine Kennlinie für die Lasthebelstellung 30 % (n = min -1 bei 0 Nm) auf. Ermitteln Sie dazu das abgegebene bzw. aufgenommene Drehmoment im Drehzahlbereich min- 1. Das Drehmoment wird im Display in % angezeigt, -100 % 40 Nm). Nach der Umrechnung der Messwerte in Nm zeichnen Sie die Kennlinie in Abb. 4 ein. 1.2 Zur späteren Bestimmung der effektiven Leistung, des Wirkungsgrades und der Energiebilanz fahren Sie drei verschiedene Betriebspunkte (BP) an und ermitteln jeweils den Brennstoffvolumenstrom sowie die Abgas- und Kühllufttemperatur. Die vorgeschlagenen Betriebspunkte sind unter Hinweise beschrieben. 1.3 Bestimmen Sie für die drei Betriebspunkte die effektive Leistung, den mittleren effektiven Druck, den spezifischen Brennstoffverbrauch und den effektiven Wirkungsgrad. Beachten Sie hierfür die Hinweise unter Punkt 4. Interpretieren Sie die Ergebnisse indem Sie BP1 mit BP3 (gleiche Drehzahl bei unterschiedlicher Last) sowie BP2 mit BP3 (gleiche Last bei unterschiedlicher Drehzahl) vergleichen. 1.4 Für den BP3 ist die Energiebilanz zu erstellen. Beachten Sie hierfür die Hinweise unter Punkt 5. Stellen Sie die Energiebilanz nach der chemischen Energie um. Erstellen Sie für diesen BP ein Sankey-Diagramm Analog Abbildung 5-2. Und Vergleichen Sie die beiden Diagramme 1.5 Zusatzaufgabe: Ermitteln Sie aus den Messwerten das Luftmassenverhältnis λ für BP1 und BP3 2. VORKENNTNISSE EAH Jena: Vorlesung Kraft- und Arbeitsmaschinen Grundkenntnisse Asynchronmaschine und Frequenzumrichter (Vorlesung/Praktikum: Elektrische Antriebe) HFH: Studienbriefe Kraft- und Arbeitsmaschinen Band 1, S Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen, Betriebsfeld und Energiebilanz eines Dieselmotors Seite 2 von 11

3 3. GERÄTE UND ZUBEHÖR Einzylinderdieselmotor Hatz 1D81Z Hubvolumen V H = 0.67 dm³ Nennleistung P e = 10 kw bei U/min max. Drehmoment T max = 33 Nm bei U/min Verdichtungsverhältnis 20,5 : 1 Asynchronmotor (VEM) mit Frequenzumrichter (Danfoss) und Rückspeiseeinheit Drehzahlbereich U/min Nennleistung P e = 10 kw, bei U/min 4. HINWEISE ZUR VERSUCHSDURCHFÜHRUNG Vor Versuchsbeginn Abgasabsaugung einschalten! Bei Betrieb des Dieselmotors Gehörschutz tragen! Vorsicht vor heißen Oberflächen! Den Motor warmlaufen lassen. Nach Volllastbetrieb Motor nicht sofort abstellen. Unterschiedliche Betriebspunkte (BP) können am Prüfstand mit Hilfe des Potentiometers (n) und des Lasthebels (M) eingestellt werden. Tabelle Übersicht Betriebspunkte Aufg. 1 Aufg. 2 Aufg. 2 Aufg. 2 Kennlinie BP1 BP2 BP3 Anm. Lasthebel LH 30 % LH 25 % LH 75 % LH 75 % n f. Leerlauf in min einstellen n soll in min n soll in % 1) 60 % 81 % 59 % einstellen M soll in Nm 11,2 34,8 38,4 ergibt sich M soll in % - 28 % - 87 % - 96 % Die Solldrehzahl wird am Frequenzumrichter eingestellt und beim Einschalten der Regelung über den Generator / Motor realisiert. Das Drehmoment ergibt sich aus der Lasthebelstellung. Die Felddrehzahl entspricht nicht exakt der Motordrehzahl (Asynchronmaschine, Schlupf). Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen, Betriebsfeld und Energiebilanz eines Dieselmotors Seite 3 von 11

4 5. HINWEISE ZUR BERECHNUNG DES WIRKUNGSGRADES Effektive Motorleistung: P e = M n 2π (5.1) Mittlerer effektiver Druck: p me = P e 2 π M = V H 2π n i z V H i z (5.2) (i=0,5 für 4Takt-Motor, z=1 für Einzylinder) Spezifischer Brennstoffverbrauch: b e = V Ḃ ρ B P e = m B P e (5.3) (b e in g/kwh) Chemische Energie des Brennstoffes: E B = m B h U (5.4) (h U = kj/kg) Effektiver Wirkungsgrad: P e η e = m B h U (5.5) Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen, Betriebsfeld und Energiebilanz eines Dieselmotors Seite 4 von 11

5 6. HINWEISE ZUR BERECHNUNG DER ENERGIEBILANZ Abb. 2: Schema zum Energiefluss Energiebilanz: B + E B + Luft + Kühl,zu = P e + Abgas + Kühl,ab + ( Abstr. + nat.konv.) (6.1) Eingangsgrößen Allgemein gilt: = m c p T (6.2) Wärmestrom Brennstoff: B = m B c p,b T 0 (6.3) Massenstrom Brennstoff: m B = ρ B V B (6.4) Chemische Energie: siehe Gleichung 5.4 Wärmestrom Verbrennungsluft: Luft = m Luft c p,luft,t0 T 0 (6.5) Massenstrom Verbrennungsluft: m Luft = V Luft ρ Luft (6.6) Volumenstrom wird aus Herstellerangabe für min -1 ermittelt: V Luft = n m min 1 min 1 (6.6a) Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen, Betriebsfeld und Energiebilanz eines Dieselmotors Seite 5 von 11

6 Wärmestrom Kühlluft: Kühl,zu = m Kühl,zu c p,luft,t0 T 0 (6.7) Massenstrom Kühlluft: m Kühl,zu = m Kühl,ab = V Kühl,zu ρ Luft (6.8) Volumenstrom wird aus Herstellerangabe für min -1 ermittelt: V Kühl = n m min 1 10,8 min 1 (6.8a) Ausgangsgrößen Effektive Leistung: siehe Gleichung 5.1 Wärmestrom Abgas: Abgas = (m Abgas c p,abgas,500 C + (m Luft m Luft,St) c p,luft, ) T Abgas (6.9) Massenstrom Abgas: m Abgas = m B + m Luft,St (6.10) Massenstrom stöchiometrische Luftmasse: m Luft,St = m B L St = m B 14,5 (6.11) Wärmestrom Kühlluft: Kühl,ab = m Kühl,ab c p,luft,t1 T 1 T 1 - Kühllufttemperatur (6.12) Massenstrom Kühlluft: siehe Gleichung 6.8 Natürliche Konvektion und Abstrahlung: (Abstr. + nat.konv.) = E B + B + Luft + Kühl,zu Kühl,ab P e Abgas (6.13) Sankey-Diagramm: Abb. 3: Sankey-Diagramm für LH 100 % und n = min -1 Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen, Betriebsfeld und Energiebilanz eines Dieselmotors Seite 6 von 11

7 Zusatzaufgabe Luftmassenverhältnis λ: λ = m Luft m Luft,St (6.14) Stoffwerte: kj c p,abgas,500 C 1,2 kgk kj c p,diesel,25 C 1,926 kgk h U = kj kg ρ Luft,25 C = 1,169 kg m 3 ρ Diesel,25 C = 830 kg m 3 (gilt für alle Abgastemperaturen (vereinfachende Annahme)) (Dieseltemperatur konstant 25 C (vereinfachende Annahme)) (gemäß DIN festgelegter Wert) (T 0 konstant 25 C (vereinfachende Annahme)) (Dieseltemperatur konstant 25 C (vereinfachende Annahme)) L St = 14,5 c p,luft,t in T 0 = 25 C kj kgk Für die Luftströme ist der c p -Wert der Tabelle im Anhang zu entnehmen Umgebungstemperatur, bleibt konstant (vereinfachte Annahme) Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen, Betriebsfeld und Energiebilanz eines Dieselmotors Seite 7 von 11

8 7. AUSWERTUNG Messwerttabelle für Aufgabe 1 (Kennlinie LH 30%) n in min -1 (Soll) n in min -1 (Ist) M in % (Messwert) M in Nm (berechnet) Anm.: M = -100 % = 40 Nm Abb. 4: Kennfeld des Prüfstandes Drehmoment über Drehzahl, M = f(n) Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen, Betriebsfeld und Energiebilanz eines Dieselmotors Seite 8 von 11

9 Messwerttabelle für Aufgabe 2 (drei Betriebspunkte) BP1 BP2 BP3 Messung n soll in min n ist in min -1 M soll in %/Nm -28/11,2-87/34,8-96/38,4 M ist in % M ist in Nm Verbrauch in l/min T Abgas (in C) T Abgas (in K) T Kühl,ab (in C) T Luft (in C) Wertetabelle für Aufgabe 3 (Beurteilungsgrößen) BP1 BP2 BP3 Messung P e in kw p me in bar b e in g/kwh eff. WGη Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen, Betriebsfeld und Energiebilanz eines Dieselmotors Seite 9 von 11

10 Aus Ein Aus Ein Wertetabelle für Aufgabe 4 (Energiebilanz)) Energiefluss in kw in % B E B Luft Kühl,zu P e Abgas Kühl,ab Abstr. + nat.konv. Wertetabelle Sankey-Diagramm Energiefluss in kw in % E B 100 P e Abgas ( Luft + B) Kühl,ab Kühl,zu Abstr. + nat.konv. Wertetabelle für Aufgabe 5 (Beurteilungsgrößen) λ BP1 BP2 BP3 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 Dieselmotors Seite 10 von 11

11 9. ANHANG Spezifische Wärmekapazität für trockene Luft Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen, Betriebsfeld und Energiebilanz eines Dieselmotors Seite 11 von 11