DMS_ATL - Hochschule Merseburg
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HOCHSCHULE MERSEBURG Praktikum Kolbenmaschinen Fachbereich Ingenieur- und Naturwissenschaften Dipl. Ing. Stöhr Betriebsverhalten eines Abgasturboladers 0. Grundlagen - Kennfelder von Verbrennungsmotoren - Bauformen und Wirkungsweisen von Abgasturboladern (ATL) - Änderung von Leistung, Energiedichte und spez. Verbrauch durch Aufladung - Drehzahlabhängigkeit der Drehmomentsteigerung bei ungeregeltem ATL - Energieflussdiagramm eines aufgeladenen Verbrennungsmotors 1. Gegeben - 4-Takt-Vielstoff-Dieselmotor MF-4RTA: Hubraum: 7,46 dm3 Hub/Bohrung: 145/128 mm Nennleistung: 160 kW bei 2000 min-1 Max. Drehmoment: 860 Nm bei 1500 min-1 Verwendeter Kraftstoff: Diesel (EN 590) Turbolader K27, Firma KKK - Leistungsprüfstand mit Wasserwirbelstrombremse U1-25, Firma Schenk - Messwerterfassung für Drücke, Temperaturen und Drehzahl des Abgasturboladers sowie für Motor-Betriebswerte und Umgebung - Visualisierung aller Daten auf PC 2. Aufgabe Bestimmen Sie in verschiedenen Volllast-Betriebspunkten eines Dieselmotors die Arbeitspunkte seines Abgasturboladers. Stellen Sie die reduzierten ATL-Betriebswerte jeweils im Verdichter- und Turbinenkennfeld dar. Kennzeichnen Sie anhand der Verdichter- und Turbinenkennfelder den Betriebsbereich des Motors für günstigen ATL-Gesamtwirkungsgrad. 3. Versuchsdurchführung In einer Warmlaufphase des Motors sind zunächst Öltemperatur, Luftdruck, Luftfeuchte und Ansaugtemperatur zu protokollieren. Am betriebswarmen Motor ( TÖl ca. 80 °C) ist das Volllastmoment in unterer Drehzahl einzustellen. Mit Start der Messsysteme wird entlang der Volllastlinie zur maximalen Leistung in Drehzahlstufen von 100 rpm gefahren. Diese Stufen werden jeweils 1 Minute gehalten und bilden die Auswertefenster für die einzelnen Betriebspunkte. Die visualisierten Messdaten können ausgedruckt werden. Die Messdateien sind anschließend zur späteren Verarbeitung in einer Tabellenkalkulation zu exportieren. 4. Auswertung - Beschreibung der Aufgabe - Versuchsaufbau (Skizze), Versuchsbeschreibung - Messprotokolle, Messschriebe - Berechnung der Ansaugvolumenströme - Berechnung aller reduzierten Betriebswerte von Verdichter und Turbine (exemplarisch und tabellarisch) - Kennzeichnung der Betriebspunkte im Verdichter und Turbinenkennfeld - Angabe des Motorbetriebspunktes mit bestem ATL-Gesamtwirkungsgrad - Fehlerbetrachtung Hinweis: Bringen Sie zum Praktikumtermin Ihre email-Adresse mit! 5. Messstellenliste Messstelle 03 Gerät Kurzzeichen Name Therm dp_Blende 20 05 06 10 13 Therm Therm Therm Therm Therm p_Ansaug T_Ansaug H_Ansaug T_Wanne T_LL_Vorl 14 Therm T_LL_Ruec 15 16 1 Therm Therm mgc+ T_Abgas_v T_Abgas_n p_LL_Vorl 9 mgc+ p_LL_Ruec 2 3 5 6 7 8 mgc+ mgc+ mgc+ mgc+ mgc+ mgc+ p_Abg_vTL p_Abg_nTL M m n n_TL Differenzdruck Messblende Ansaugdruck Ansaugtemperatur Luftfeuchte Motoröltemperatur Ladelufttemperatur vom Verdichter zum Ladeluftkühler Ladelufttemperatur vom Ladeluftkühler zum Motor Abgastemperatur vTL Abgastemperatur_nTL Ladedruck vom Verdichter zum Ladeluftkühler Ladedruck vom Ladeluftkühler zum Motor Abgasdruck vTL Abgasdruck nTL Motor-Drehmoment Kraftstoffmasse Motordrehzahl Drehzahl Turbolader Fehler +/0,15 mbar = Bemerkungen V1 Wirkdruck 2,4 mbar 0,5 ° k.A. 0,5 ° 0,5 ° p1st T1st reduzieren zu p1t reduzieren zu T1t T2st im Ölsumpf reduzieren zu T2t 0,5 ° T2st` 0,5 ° 0,5 ° 0,025 bar T3st T4st p2st 0,015 bar p2st´ 0,025 bar 0,01 bar 2 Nm 0,005 kg 0,2 rpm 12 rpm p3st p4st reduzieren zu p3t nV nT reduzieren zu nredV nredT reduzieren zu T3t reduzieren zu p2t Anordnung der Messstellen p_LL_Vorl T_LL_Vorl d2 = 72,1 mm Umgebung Ladeluf tkühler Abgasschalldämpf er p_Abg_v TL T_Abgas_v A3 = 0,00189 qm p_LL_Ruec T_LL_Ruec d2´ = 72,1 mm p_Abg_nTL T_Abgas_n d4 = 75 mm Motor MF4RTA, T_Wanne, M, n, m n_TL Ansaugleitung p_Ansaug T_Ansaug H_Ansaug d1 = 105,6 mm 7m 4m 8m Luf tf ilter 1,5 m bis Messstelle Messblende dp_Blende d = 74,8 mm, D = 105,6 mm 6. Messprotokoll für manuell zu erfassende Größen physikalische Messstelle Einheit Zeitpunkt der Messung Größe Umgebungsdruck p_Ansaug mbar noch vor Start des Motors! Motoröltemperatur T_Wanne °C im betriebswarmen Zustand Ansaugdruck p_Ansaug mbar für jeden MotorBetriebspunkt Ansaugtemperatur T_Ansaug °C Luftfeuchte H_Ansaug % in Mitte des Messfensters in Mitte des Messfensters Messwert … … … … … … … … 7. Berechnungsgrundlagen zur Auswertung 7.1 Durchflussberechnung an Normblenden (EN ISO 5167) Öffnungsvehältnis d D d; D = Blenden-, Rohrinnendurchmesser Durchflusskoeffizient C: ist abhängig von , ReD und D (Tabelle A.1…A.11, ISO 5167) Reynoldszahl U *D Re D U = Strömungsgeschwindigkeit = kinematische Viskosität Expansionszahl - eingangsseitig 4 d p 1 1 0,41 0,35 * * D * p1 p1 = Eingangsdruck, = Isentropenexponent für 0,75 < p2/p1 < 1 - ausgangsseitig p 2 1 * 1 p2 p2 = Ausgangsdruck Massenstrom C qm * 1( 2) * d 2 * 2 * 1( 2) * p 4 4 1 1 = Dichte eingangsseitig 2 = Dichte ausgangsseitig Volumenströme 1 C q m1( 2 ) * * 1( 2 ) * d 2 * 2 * 1( 2 ) * p 4 1( 2 ) 4 1 Index 1 = eingangsseitig Index 2 = ausgangsseitig Werte für Prüfstand MF4-RTA: D = 105,6 mm Luft = 1,4 d = 74,8 mm 1 = 1,19 kg/m³ Luft = 11,73 mm²/s 7.2 Turbolader 7.2.1 Indizes: 1 = Ansaugseite Verdichter 2 = Druckseite Verdichter 3 = Turbine Motorseite 4 = Turbine Auspuffseite st = statisch (Druck bzw. Temperatur) t = total (Druck bzw. Temperatur), bezogen auf Nennweite unendlich 7.2.2 Verdichter Reduzierter Volumenstrom T V1tred V1t * ref Tref = 298 K T1t Total-Druckverhältnis p V 2t p1t Reduzierte Verdichterdrehzahl T nredV n * ref T1t Totaldrücke Saugseite: p1t p1st 1 2 * c12 Druckseite: p2t p2 st Totaltemperatur Saugseite (Enthalpiegröße) c12 T1t T1st cpLuft = 1007 J/kgK 2 * c pLuft Luftdichte Druckseite p2 st 2 RiLuft = 287 J/kgK RiLuft * T2 st Strömungsgeschwindigkeit Saugseite und Druckseite mV * 4 mV * 4 c1 c2 2 1 * * d1 1 * * d 22 2 2 * c22 7.2.3 Turbine Druckverhältnis total zu statisch p T 3t p 4 st Durchsatzkennwert m T DKW T * 3t p3t mT = mLuft + mBrennstoff m Brennstoff m Luft LStöch * Verbr Reduzierte Turbinendrehzahl T3tref T3tref = 873 K nredT n * T3t Gasdichte Motorseite p3 st 3 RiAbgas * T3 st RiAbgas = 304 J/kgK (aus Abgaszusammensetzung bei Volllast) Strömungsgeschwindigkeit im Flansch Turbineneintritt (Messstelle für T3 und p3) mT c3 Strömungsquerschnitt A3 = 0,00189 m² 3 * A3 Totaltemperatur am Turbineneintritt (Enthalpiegröße) c32 T3t T3 st cpAbgas = 1135 J/kgK (aus Abgaszusammensetzung bei Volllast) 2 * c pAbgas Totaldruck am Turbineneintritt p3t p3 st 3 * c32 2
