Energiebilanz: an Versuchmotor der Fa. DEUTZ (DVM 2)
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Energiebilanz: an Versuchmotor der
Fa. DEUTZ (DVM 2)
Laborgruppe: M1 Semester: WS 2005 Protokollant : Zivorad Simic Versuchteilnehmer: Zivorad Simic Marcus Päper Raphael Rehbach Olim Matie
Beschreibung des Prüfstandes
Bei dem Versuchsmotor handelt es sich um ein zwei Zylinder - Viertakt – Diesel - Reihenmotor vom Typ DEUTZ DVM 2, Baujahr 1928 mit folgenden Motordaten: - Effektive Leistung: kWeP 4,79= - Nenndrehzahl: 1min300 −=n- Hub: mms 450= - Zylinderdurchmesser: mmD 280= - Zylinderzahl: 2=z - Durchmesser der mmdM 1,1504= Motrorriemenscheibe: - Durchmesser der mmdG 600= Generatorriemenscheibe: - für 4 Takt 2=Ta Der Motor wurde als Energieerzeuger für Schiffe oder als Treibmotor für Maschinen in Fabriken verwendet. Im Versuch wird Ein Gleichstromgenerator über Riemen Angetrieben und die Restliche Energie zu Erwärmung von Wasser verwendet. Er verfügt über einen Ölkühlkreislauf, Abgaskühlkreislauf und einen Kühlwasserkreislauf. Die Massive Bauweise des Motors ist im Bild unten zu erkennen. Bild 1 DEUTZ DVM 2
Tabelle der Messstellen, Formelzeichen und Symbole
Messstelle Nr. Messung von
ip indizierte Mitteldruck
ep effektiver Mitteldruck
eb effektiver Kraftstoffverbrauch
mη mechanisches Wirkungsgrad (heute >0,83)
Kρ Kraftstoffdichte in kg/m³
Bm*
Brennstoffmassenstrom
KZ Die Zeitdauer des Kraftstoffverbrauchs
KV Kraftstoff- Messvolumen in cm³
U Spannung in V
I Stromstärke in I
Mn Motordrehzahl 1/min
Gn Generatordrehzahl 1/min
1t Zuflusstemperatur
2t Temperatur nach Ölkühlung = vor Zylindern
1,3t Temperatur nach Zylinder - Deckel 1
2,3t Temperatur nach Zylinder - Deckel 2
4t Gemeinsame Temperatur nach Zylinder - Deckel
5t Temperatur nach Auspuffkühlung
ZZ Durchlaufzeit für Zylinderkühlung
AZ Durchlaufzeit für Auspuffkühlung
1At Abgastemperatur nach Zylinder 1
2At Abgastemperatur nach Zylinder 2
Agemt Gemeinsame Temperatur nach Abgaskühlung
ÖKQ*
Abgeführte Wärmestrom in Ölkühler KW
MKQ*
Gesamt abgeführte Wärme des Motors KW
ZKQ*
Abgeführter Wärmestrom in Zylinderköpfen KW
Tabelle 1: Messstellen, Formelzeichen, Symbole
Die Effektive Leistung Der Motor wird mit verschiedenen Lasten gebremst. Für die Effektive Leistung gilt: IUPe *=
Pe
[K
W] Leistung am
Generator eP [KW]
Leistung am
Motor [KW]
U [V]
I [A]
Gn [min ] 1−
Mn [min ] 1−
12,69 94 135 750 300 20 12,69
20
94 135 750 300
37,13 158 235 740 300 40 37,13
40
158 235 740 300
53,2 190 280 740 300 60
53,2
60
190 280 740 300
Tabelle 2: Leistung am Generator
Pe
[KW
] Kraftstoff- Messvolumen
KV [cm³]
Kraftstoff Zeit [s]
Kraftstoff Zeit
(Mittelwert) [s]
Leckkraftstoff
KLeckV*
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡min10
3cm
250 103,5 34
20 250 108,5
106 34 250 65 34
40 250 65
65 34 250 46,5 34
60 250 47
46,75 34 Tabelle 3 Indizierte Leistung vom Zylinder 1
Verbrauch
BB
BBBB
tVVm ρρ ***
*==
•
hkg
cmm
hs
mkg
scmmB 08962,7
10*1*3600*1*835*
106250
63
3
3
3
12 ==•
hkg
cmm
hs
mkg
scmmB 565,11
10*1*3600*1*835*
65250
63
3
3
3
34 ==•
hkg
cmm
hs
mkg
scmmB 0749,16
10*1*3600*1*835*250
63
3
3
3
56 ==•
Indizierte Mitteldruck Indizierte Leistung Indizierte Leistung
barmmfind *1=
indi
ii fl
Ap
*=
T
hii a
nVpP
**=
Hubvolumen
SDVh **4
2π=
3709,27 dmVh = Gesamthubvolumen
zVV hH *=
3418,55 dmVH =
Indizierung
Federmaßstab
barmmf *1=
Indizierung Federmaßstab
Mittelwert Zyl. 1
barmmf *1=
Indizierte Mitteldruck
indi
ii fl
Ap
*=
Indizierte Leistung
T
hii a
nVpP
**=
Pe
[KW
]
1A [mm²] 1l [mm] 1A [mm²]
1l [mm]
bar [KW]
350 70 20 330 70
340 70 4,857 33,6457
350 70 40 430 70
390 70 5,571 38,5917
540 70 60 490 70
515 70 5,357 37,1093
Tabelle 4 Indizierte Leistung vom Zylinder 1
Tabelle 5 Indizierte Leistung vom Zylinder 2
Indizierung Federmaßstab
barmmf *1=
Indizierung Federmaßstab
Mittelwert Zyl. 1
barmmf *1=
Indizierte Mitteldruck
indi
ii fl
Ap
*=
Indizierte Leistung
T
hii a
nVpP
**=
Pe
[KW
]
1A
[mm²]
1l [mm]
1A
[mm²]
1l
[mm]
bar [KW]
310 70 20 290 70
300 70 4,286 29,6902
350 69 40 330 70
340 69,5 4,892 33,8881
450 70 60 430 70
440 70 6,286 43,5447
Pe [
KW
]
Induzierte Mitteldruck
Zylinder 1 + 2 21 iii ppp +=
[bar]
Effektiver Mitteldruck
mie pp η*=
[bar]
Spezifisch effektiver Verbrauch
e
Be P
mb*
=
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
hKWg
*
Spezifisch innerer
Verbrauch
i
Bi P
mb*
=
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
hKWg
*
20 4,5715 1,44359 354,481 238,787
40 5,2315 2,88716 289,125 341,27
60 5,8215 4,33073 267,915 369,159
Tabelle 6 Spezifisch effektiver und innerer Verbrauch
Zugeführter Wärmestrom
uKzu HmQ ***
=
kgKJH u 42500=
Tabelle 7 Zugeführter Wärmestrom
Pe [K
W]
Kraftstoff Massenstrom
Km*
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
hkg
Zugeführter Wärmestrom
uKzu HmQ ***
=
[ ]KW
20 08962,7 83,6969
40 565,11 136,531
60 0749,16 189,773
Wirkungsgrade
Tabelle 7 Wirkungsgrade
Pe [K
W]
Induzierte Leistung der
Zylinder 1 + 2 21 iii PPP +=
[KW]
Induzierter Wirkungsgrad
iη
zui Q
Pi`
=η
Effektiver Wirkungsgrad
eη
ime ηηη *=
Mechanischer Wirkungsgrad
mη
i
em P
p=η
20 3359,63 0,7567 0,23895 0,31578
40 4798,72 0,53087 0,29298 0,55188
60 654,80 0,425 0,31617 0,74392
Der Spezifische effektive verbrauch sinkt mit der Zunahme der effektiven Leistung. Aus Zeitgründen hatten wir uns bis auf drei Messpunkte beschränkt. Hätten wir aber mehrere
punkte gemessen, weit über 60 KW würde der Spezifische Verbrauch ansteigen. Dieses verhalten ist typisch für Motoren, weil sie Ihren Optimalen Arbeitspunkt besitzen.
Alle Motoren sind mit dem spezifischen Kraftstoffverbrauch vergleichbar.
Stöchiometrischer Luftbedarf Kraftstoffdaten (Bestandteile im Kraftstoff)
%3,86=Kc %3,13=Kh %4,0=Ks %1,0=Ko
232,0**998,0**937,7**664,2 KKKK
StoshcL −
=
kgkgLSt 4726,14=
Luftverhältnis aus der Sauerstoffkonzentration in den Abgasanalysen
Tabelle 7 Abgasanlyse
Pe [
KW
] 2CO - Gehalt
% Vol
mCO2 - Gehalt
% Vol
2O - Gehalt
% Vol
mO2 - Gehalt
% Vol
CO - Gehalt
ppm
mCO - Gehalt
ppm
xNO - Gehalt
ppm
xmNO - Gehalt
ppm
2,67 18,22 148 490 20 2,47
2,57 18,30
18,26 133
140,5 477
483,5
4,48 15,23 93 1060 40 4,53
4,505 15,12
15,175 99
96 1140
1100
6,25 12,00 550 1260 60 6,2
6,225 12,40
12,2 532
541 1230
1245
( ) ( )( )
m
mm
OSt
OStoKKKO rL
rLrshc
2
22
2 *6,3466725*1**725**6,3118*49606*7,8325
−−+++
=λ
eilVolumenantr − in %
( )
( )( )
1826,0*6,3466725*4726,141826,01*4726,14*7251826,0*004,0*6,3118133,0*49606863,0*7,8325
2 −−+++
=Oλ
33345,8
2=Oλ
Luftverhältnis aus der Kohlendioxidkonzentration in der Abgasanalyse
( ) ( )m
mm
COSt
COKKStCOKO rL
rshLrc
2
22
2 *6,3466***6,3118*49606*7251**7,8325 −−+−
=λ
( ) ( )
0257,0*6,3466*4726,140257,0*004,0*6,3118133,0*496064726,14*7250257,01*863,0*7,8325
2
−−+−=Oλ
50665,5
2=Oλ
Angesaugter Luftmassenstrom
BStL mLm**
**λ=
Pe [
KW
] 2Oλ 2COλ λ
( )
222 COO λλ
λ+
=
BStL mLm**
**λ=
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
hkg
20 33345,8 50665,5 6,92005 710,033
40 3,81831 3,11314 3,46573 580,079
60 2,49223 2,23478 2,36351 549,86
Tabelle 8 Angesaugter Luftmassenstrom Abgeführter Wärmestrom über die Motorkühlung
14Wc Interpoliert
14Wρ Kühlwassermassenstrom
Zm
WWMK
Zm *
14* ρ
=
hdm
sdmkg
mWMK3600*
*25*194
*0,9950
3
3*=
hkgmWMK 598,461
*=
Gesamt Abgeführter Wärmestrom (Wasserkühlung)
( )mmWWMKMK ttcmQ 1414
**** −=
( )s
hCKkg
JhkgQMK 3600
*65,156,45**
*34,4180**598,461*
°−=
KWQMK 0535,16*
=
Tabelle 9 Abgeführter Wärmestrom über die Motorkühlung
Pe [
KW
]
mt1
°C
mt4
°C
241 mm tt +
°C
14Wc
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡Kkg
KJ*
14Wρ
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡3dm
kg
WMKm*
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
hkg
MKQ*
[ ]KW
20 15,65 45,6 30,625 4,18034 0,9950 598,461 16,0535
40 15,95 48,5 32,225 4,17994 0,9947 719,06 27,1759
60 16,4 48,6 32,5 4,17988 0,9944 983,473 36,7688
Wärmestrom an Ölkühler
( )mmWWMKÖK ttcmQ 1212
**** −=
( )s
hCKkg
JhkgQÖK 3600
*65,157,16**
*34,4184**598,461*
°−=
KWQÖK 563349,0*
=
Pe [K
W]
mt1
°C
mt2
°C
221 mm tt +
°C
12Wc
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡Kkg
KJ*
12Wρ
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡3dm
kg
ÖKQ*
[ ]KW
20 15,65 16,7 16,175 4,18434 0,99851 563349,0
40 15,95 17,05 16,5 4,18423 0,99848 0,919329
60 16,4 17,45 16,925 4,18408 0,99845 1,20019
Tabelle 10 Abgeführter Wärmestrom über den Ölkühler Abgeführter Wärmestrom in Zylinderköpfen
ÖKMKZK QQQ***
−=
Pe [K
W]
ÖKQ*
[ ]KW
MKQ*
[ ]KW
ZKQ*
[ ]KW
20 563349,0 16,0535 15,4902
40 0,919329 27,1759 26,2566
60 1,20019 36,7688 35,5686
Tabelle 11 Abgeführter Wärmeströme
Abgeführter Wärmestrom über die Abgase Abgaszusammensetzung für 1 kg Kraftstoff
kgAbm 1 : Abgaszusammensetzung für 1 kg Kraftstoff (aufsummiert)
λλ ..768,0).1(232,0.988,1.937,8.664,31 StStKKKkgAb LLshcm +−+++=
kgkgcm KkgCO 162,3.664,321 == ;
kgkghm KkgOH 188,1.937,812 == ;
kgkgm kgSO .988,121 =
Da λ bei den gemessenen Betriebspunkten unterschiedlich ist, muss Sauerstoff- und Stickstoff- Massengehalt für alle gemessenen Betriebspunkten berechnet werden.
StkgO Lm ).1(232,021 −= λ ; λ..768,021 StkgN Lm =
4726,14).192005,6(232,021 −=kgOm 92005,6*4726,14*768,021 =kgNm
kgkgm kgO 8774,1921 =
kgkgm kgN 9161,7621 =
Pe [K
W]
kgAbm 1
KraftstoffkgAbgaskg
**
kgOm 21
KraftstoffkgOkg
** 2
kgNm 21
KraftstoffkgNkg
** 2
20 103,132 8774,19 9161,76
40 53,1384 8,27904 38,5214
60 37,1865 4,57818 26,2703
Tabelle 12 Abgaszusammensetzung für 1 kg Kraftstoff Berechnung von Abgasmassenteile
KgAb
KgCOCO m
m
1
212=ξ ;
KgAb
KgOHOH m
m
1
122 =ξ ;
KgAb
KgSOSO m
m
1
212=ξ ;
KgAb
KgOO m
m
1
212=ξ ;
KgAb
KgNN m
m
1
212=ξ
Pe [
KW
] 2COξ OH 2ξ 2SOξ 2Oξ 2Nξ
20 0,03066 0,011519 0,019276 0,192737 0,745802
40 0,059505 0,022357 0,037412 0,155801 0,724926
60 0,085031 0,031947 0,05346 0,123114 0,706447
Tabelle 13 Abgasmassenteile
Berechnung der Wärmekapazität bei Konstantem Druck der Abgase Die Werte aus 45 KW Messung wurden übernommen, da keine genauere Tabelle vorlag pC(also 100°C Schritte (Welche Tabelle würde man nehmen)).
Pe [
KW
]
1At C°
mAt 1 C°
2At C°
mAt 2 C°
mAgemt , C°
mAgemt , C°
185 177 119 20 188
186,5 178
177,5 123
121
265 257 166 40 274
269,5 268
262,5 176
171
356 349 223 60 362
359 348
348,5 233
228
Tabelle 14 Abgastemperaturen
Allg: 12
12 ..12
2.1 tttctc
c tt
tt
ppp −
−=
uAbm
uAbm
AbpCO TT
TKkg
kJTKkg
kJ
c−
−=
..
.82887,0..
919359,02
uAbm
uAbm
OAbpH TT
TKkg
kJTKkg
kJ
c−
−=
..
.861445,1..
896405,12
uAbm
uAbm
AbpSO TT
TKkg
kJTKkg
kJ
c−
−=
..
641755,0..
667797,02
uAbm
uAbm
AbpO TT
TKkg
kJTKkg
kJ
c−
−=
..
.916225,0..
9375187,0
2
uAbm
uAbm
AbpN TT
TKkg
kJTKkg
kJ
c−
−=
..
039515,1..
04377135,1
2
OAbpHOAbHAbpNNAbpSOSOAbpCOCOAbpOOpAb cccccc 2222222222 ***** ξξξξξ ++++=
Pe
[K
W] AbpCOc 2
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡Kkg
KJ*
OAbpHc 2
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡Kkg
KJ*
AbpSOc 2
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡Kkg
KJ*
AbpOc 2
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡Kkg
KJ*
AbpNc 2
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡Kkg
KJ*
pAbc
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡Kkg
KJ*
20 0,938362 1,90375 0,673266 0,94199 1,04467 1,02434
40 0,932027 1,9013 0,671443 0,9405 1,04437 1,02671
60 0,928539 1,89995 0,670439 0,939679 1,0442 1,02885
Tabelle 15 Spezifische Wärmekapazitäten bei konstantem Druck der Abgase
Abgasmassenstrom und Abgeführte Wärmestrom der Abgase Abgasmassenstrom
kgAbBAb mmm 1
***=
Wärmestrom der Abgase
)(****
uAbmpAbAbAb ttcmQ −=
( ) CKkg
KJs
kgQ Ab °−= *21121**
*1,02434**203102,0*
KWQ Ab 8046,20*
=
Tabelle 16 Abgase Abgeführter Wärmeströme
Pe
[K
W] Abm
*
skg
AbQ*
kW
20 0,203102 8046,20
40 0,170707 26,29
60 0,166047 35,3634
Abgeführter Wärmestrom über den Abgaskühler (Wasser)
Am
WWAK
Zm *
15* ρ
=
hdms
dmkg
mWAK1*3600*
*25*177
*993686,0
3
3*=
hkgmWAK 264,505
*=
( )mmWWAKAK ttcmQ 1515
**** −=
( )s
hCKkg
JhkgQ AK 3600
*65,158,34**
*3,4179**264,505*
°−=
KWQ AK 2328,11*
=
Pe
[K
W] 2
51 mm tt +
°C
15Wc
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡Kkg
KJ*
15Wρ
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡3dm
kg
WAKm*
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
hkg
AKQ*
[ ]KW
20 34,8 4,1793 0,993686 264,505 11,2328
40 45,8 4,18177 0,989461 511,79 17,7457
60 63,5 4,1924 0,996825 506,86 27,8016
Tabelle 17 Abgeführter Wärmestrom über den Abgaskühler (Wasser) Gesamt abgeführter Wärmestrom
AKAbMKab QQQQ****
++= Gesamt abgeführter Wärmestrom + Effektive Leistung
eAbgesab PQQ +=*
_
*
( )KWQ gesab 200909,48_
*+=
KWQ gesab 0909,68_
*=
Restwärmestrom der nicht erfasst wurde, oder welcher durch Messfehler erstand
gesabZust QQQ _
**
Re
*−=
Tabelle 17 Gesamt Abgeführter Wärmestrom + effektive Leistung, Restwärmestrom
Pe
[ KW
] abQ*
[KW]
gesabQ _
*
[KW]
stQRe
*
[KW]
20 48,0909 68,0909 15,606
40 71,2116 111,212 25,319
60 99,9338 159,934 29,839
Wärmebilanz
zuQ
PePe *% =
KWKWPe
6969,8320
% =
%8957,23% =Pe
Tabelle 18 Wärmebilanz
Pe
[ K
W]
zu
MKMK
Q
QQ *
*
%
*=
% zu
ZKZK
Q
QQ *
*
%
*=
% zu
ÖKÖK
Q
QQ *
*
%
*=
zu
AKAK
Q
QQ *
*
%
*=
zu
AbAb
Q
QQ *
*
%
*=
zuQ
PePe *% =
zu
sst
Q
QQ *
Re
*
%Re
*=
20 19,1805 18,5075 0,6731 13,4208 24,8571 23,8957 18,6459
40 19,99046 19,2312 0,6733 12,9976 19,2557 29,2974 18,5445
60 19,3751 18,7427 0,6324 14,6499 18,6346 31,6167 15,7235
Probe
Bet
riebs
punk
t
[ K
W]
%
*
MKQ
% zu
AKAK
Q
QQ *
*
%
*=
zu
AbAb
Q
QQ *
*
%
*=
zuQ
PePe *% =
zu
st
Q
QQ *
Re
*
%Re
*=
∑
%
20 19,1805 13,4208 24,8571 23,8957 18,6459 100
40 19,99046 12,9976 19,2557 29,2974 18,5445 100,086
60 19,3751 14,6499 18,6346 31,6167 15,7235 99,9998
Tabelle 19 Probe an Wärmebilanz
%Re
*
stQ - Positiv weil die Kraftstoff Leckage nicht abgezogen wurde ? KW
0
5
10
15
20
25
30
%
*
MKQ %Re
*
stQ%
*
AKQ %
*
AbQ%Pe
Diagramm 1: 20 KW
0
5
10
15
20
25
30
%
*
AKQ %
*
AbQ %Re
*
stQ%
*
MKQ %Pe Diagramm 2: 40 KW
0
5
10
15
20
25
30
35
%
*
AKQ %
*
AbQ %Re
*
stQ%
*
MKQ %Pe Diagramm 3: 60 KW
Versuchskritik Aus den Versuchsergebnis bzw. Diagramm erkennt man das der Motor nur ein Anteil der mit dem Kraftstoff zugeführte Energie als Arbeit abgibt. Was nicht vom Motor als Arbeit abgegeben wird, wird an die Umgebung, Kühlmittel und Abgas abgegeben oder treten als Leckverluste auf. Bei der Durchführung des Versuches kommen einige Messabweichungen vor, die auf Grund von Messwertungenauigkeiten beim Ablesen entstehen. Auch Rundungsfehler beim rechnen führen zu geringeren Abweichungen des realen Wertes. Sowie das schwanken der Drehzahl. Die Kraftstoff Leckagen wurden nicht abgezogen, weil der Fühlungsgrad und die Verbrennung im Motor sich anders verhalten würden.