Motorenprüfstand für Gasmotoren

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[LABOR FÜR ENERGIEVERFAHRENSTECHNIK]
MOTORENPRÜFSTAND FÜR GASMOTOREN
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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
∫
= p ⋅ dV
G
1 Pischinger S.123
2 Küntscher S.62
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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
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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 1940
6 Pischinger S.132
7 Pischinger S.124
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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.374
9 Küntscher S.78
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Abb. 11: Energiefluss und Verluste in einem Verbrennungsmotor
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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
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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
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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.146
12 nach van Basshuysen S.449f
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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. 13
13 Merker S.84 – S. 107
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Brennstoffzusammensetzung:
Die Qualität von Erdgas hat eine große Bandbreite und hängt vor allem von der
Förderregion ab.
Abb. 18: Zusammensetzung und Kennwerte verschiedener Erdgassorten
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[LABOR FÜR ENERGIEVERFAHRENSTECHNIK]
Messaufbau:
Abb. 19: Auszug aus den technischen Daten der Firma mru
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Messfühler im
Abgasstrom
Messgerät verbunden
mit Prüfstandsteuerung
ATLANTIS
Motor
Abb. 20: Aufbau des Messsystems
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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
2
2 2
O
Der Sauerstoffbedarf der stöchiometrischen Verbrennung beträgt:
⎛ y z ⎞ kmol O
= ⎜ x + − ⎟
⎝ 4 2 ⎠ 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
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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
⎛
= 4,76⎜1+
⎝
4
4
0 ⎞ 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
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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

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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

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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