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.