Betriebsfeld und Energiebilanz eines Ottomotors

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1 Fachbereich Maschinenbau Fachgebiet Kraft- u. Arbeitsmaschinen Fachgebietsleiter Prof. Dr.-Ing. B. Spessert März 2013 Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen Versuch 1 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. Bei verschiedenen Betriebspunkten werden Drehzahl, Drehmoment, Brenn- bestimmt stoffverbrauch sowie Abgastemperatur. Über einen Kühlkreislauf werden sowohl die Motorwärme als auch die Bremsenergie abgeführt. Dabei werden Volumenstrom und Temperaturen des Kühlwassers gemessen. Über einen PC werden die Messdaten auf einem Bildschirm als Momentanwerte und als Verlaufsgrafik angezeigt. Abbildung 1: Versuchsmotor 1. AUFGABENSTELLUNG 1.1 Messen Sie bei verschiedenen Motordrehzahlen und -drehmomenten den Brennstoff- Volumenstrom sowie die Abgastemperatur. Die einzustellenden Motorparameter sind in den Tabellen der Versuchsauswertung (7. AUSWERTUNG) 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 einen Betriebspunkt (Drehzahl bei U/min und Drehmoment bei 39,4 Nm) ist die Energiebilanz zu erstellen. Ermitteln Sie effektive Leistung und Wärmeabgabe über Kühlwasser, Abgas bzw. Wärmestrahlung. Gegeben sind folgende Messwerte: Kühlwasservolumenstrom 800 l/h, Kühlwassereingangstemperatur 45 C, Kühlwasserausgangs - temperatur 85 C, Abgastemperatur 687 C sowie der Brenn stoffverbrauch 6,76 l/h. 2. VORKENNTNISSE EAH Jena: Vorlesung Kraft- und Arbeitsmaschinen Kapitel 1.3 und 1.4 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 Pkw-Ottomotor C12NZ: Bauform: Vierzylinder-Reihenmotor Hubvolumen (cm³): Nennleistung (kw bei min -1 ): 33 bei max. Drehmoment (Nm bei min -1 ): 86 bei Verdichtungsverhältnis: 9,1 : 1 Verwendung: Opel Corsa Der Ottomotor wird mit Normalkraftstoff (unterer Heizwert: kj/kg) betrieben. Die Dichte des Brennstoffs beträgt 0,74 kg/dm 3. Der Brennstoff kann mit 85 % Kohlenstoff- und 15 % Wasserstoffanteil betrachtet werden. Die zur Verbrennung erforderliche Umgebungsluft kann mit 24 % Sauerstoff- und 76 % Stickstoffanteil angenommen werden. Die Umgebungstemperatur beträgt 20 C. 5. HINWEISE ZUR BERECHNUNG DES SPEZIFISCHEN BRENNSTOFF- VERBRAUCHS Motorleistung in kw: - Motordrehmoment; - Drehzahl 2 mittlerer effektiver Druck in bar: - mittlerer effektiver Druck; - Hubvolumen des Motors spez. Brennstoffverbrauch in g/kwh: - Volumenstrom Brennstoff; - Dichte des Brennstoffs Chemische Energie in kw: - Massestrom Brennstoff; - unterer Heizwert effektiver Wirkungsgrad : Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen, Betriebsfeld und Energiebilanz eines Ottomotors Seite 2 von 6

3 6. HINWEISE ZUR BERECHNUNG DER ENERGIEBILANZ Abbildung 2: Schema zum Energiefluss Wärmestrom in W: - Indize des jeweiligen Wärmestroms; - Massestrom; - Wärmekapazität; - Temperatur Massenströme in kg/s: - Luftbedarf bei stöchiometrischer (vollständiger) Verbrennung; - Verbrennungsluftverhältnis Verbrennungsluftverhältnis:, Stöchiometrische Verbrennung mit λ = 1. Somit werden C x H y, O 2 und N 2 vollständig in CO 2, H 2 O sowie N 2 umgewandelt. 0,76 0,85 0,24, 0,15 0,24, Stöchiometrischer Luftbedarf: 14,7 (Ottokraftstoff),,,, 11,5 (für Kohlenstoff) 34,2 (für Wasserstoff) Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen, Betriebsfeld und Energiebilanz eines Ottomotors Seite 3 von 6

4 Wärmekapazitäten in kj/kgk Tabelle 1: Wärmekapazitäten verschiedener Stoffe in Abhängigkeit von der Temperatur T in C 20-4,2-1 2, ,99 1,95 1, ,02 1,97 1, ,05 2,00 1, ,07 2,04 1, ,09 2,07 1, ,11 2,11 1, AUSWERTUNG Tabelle 2: Messwerttabelle für Versuch 1.1 Einstellwerte Messwerte (Sollwert/Istwert) in U/min in Nm in l/h in C in kw in bar 2.000/ / / / / / / / / ,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 3, , , , , , , , , berechnete Werte (nur Istwerte verwenden) in g/kwh in % Praktikum Kraft- und Arbeitsmaschinen, Betriebsfeld und Energiebilanz eines Ottomotors Seite 4 von 6

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

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