Diplomarbeit von D Gross FH Kaiserslautern .pdf
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Author: Dominik
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Fachhochschule Kaiserslautern
Fachbereich Angewandte Ingenieurwissenschaften
Studiengang Maschinenbau
Studienschwerpunkt Allgemeiner Maschinenbau
Diplomarbeit
zur Erlangung des akademischen Grades:
Diplom-Ingenieur (FH)
Thema:
Einsatz der Thermografie zur Analyse von Verbrennungsmotoren
vorgelegt von:
wohnhaft in:
Betreuer:
Erstprüfer:
Zweitprüfer:
Abgabetermin:
Dominik Groß, geb. am 14.11.1981
Matr.-Nr.: 808798
Kirrbergerstraße 14
66894 Bechhofen
Prof. Dr.-Ing. Peter Heidrich
Dipl.-Ing. (FH) Donatus Altendorfer
Prof. Dr.-Ing. Peter Heidrich
Prof. Dr.-Ing. Norbert Gilbert
16.01.2012
Diplomarbeit
Aufgabenstellung
Thema:
Einsatz der Thermografie zur Analyse von Verbrennungsmotoren
An einem 4-Zylinder-4-Takt-Ottomotor der Firma Opel sollen zukünftig Temperaturmessungen an signifikanten Stellen des Kurbelgehäuses und der Abgasanlage mit der InfrarotMesstechnik durchgeführt werden. Der Motor steht auf einem Prüfstand im Kolbenmaschinen-Labor der Fachhochschule Kaiserslautern.
Aus den Temperaturmessungen sollen dann Rückschlüsse auf Betriebskenngrößen des
Prüfstandsmotors gezogen werden.
Methodisch sollte die Arbeit in folgende Aufgabenschwerpunkte unterteilt werden:
Einarbeitung in die Prüfstandssteuerung,
Ermittlung der Betriebskenngrößen, die aus der Prüfstandssteuerung extrahiert
werden können,
Einarbeitung in die Infrarot-Messtechnik (Strahlung, Emissionsgrad, Störeinflüsse,…),
Erprobung und Verifizierung von Temperaturmessungen an Kurbelgehäuse und Abgasanlage,
Ableitung und Aufstellung von Ansätzen zur Bestimmung von Betriebskenngrößen
aus Oberflächentemperaturen,
Betrachtung von Fehlereinflüssen,
Dokumentation der Ergebnisse
__________________________________________________________________________________
II
Diplomarbeit
Eidesstaatliche Versicherung
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbstständig und ohne unerlaubte Hilfe angefertigt habe und andere als die in der Diplomarbeit angegebenen Hilfsmittel
nicht benutzt habe. Alle Stellen, die wörtlich oder sinngemäß aus anderen Schriften entnommen sind, habe ich als solche kenntlich gemacht.
Unterschrift
_________________________
Bechhofen, den
_________________________
__________________________________________________________________________________
III
Diplomarbeit
Danksagung
Ich bedanke mich bei der Fachhochschule Kaiserslautern, die mir diese Arbeit ermöglicht
hat.
Des Weiteren bedanke ich mich recht herzlich für die tatkräftige Unterstützung und die hilfreichen Anregungen bei meinen Betreuern
Prof. Dr.-Ing. Peter Heidrich
Dipl.-Ing. (FH) Donatus Altendorfer
Auch möchte ich mich bei der FH-internen Werkstatt für die recht zügige Bearbeitung der
Bauteile bedanken.
Ein besonderer Dank geht an meine Eltern, die immer ein „offenes Ohr“ für mich hatten und
mich moralisch sehr unterstützten. Ohne deren Rückenstärkung und ohne die finanzielle
Unterstützung seitens meiner Großeltern wäre mein Studium nicht möglich gewesen.
__________________________________________________________________________________
IV
Diplomarbeit
Inhalt
Aufgabenstellung ......................................................................................................................................... II
Eidesstaatliche Versicherung ................................................................................................................... III
Danksagung ................................................................................................................................................. IV
Formelzeichen ............................................................................................................................................ VII
Zeitplanung .................................................................................................................................................. XI
Zusammenfassung ................................................................................................................................... XIII
1 Einleitung ................................................................................................................................................... 1
2 Stand der Technik ..................................................................................................................................... 3
2.1 Temperaturmesstechnik ........................................................................................................................... 3
2.1.1 Die Infrarotthermografie als berührungsloses Messverfahren ............................................... 3
2.1.2 Das Thermoelement ............................................................................................................. 10
2.1.3 Das Widerstandsthermometer .............................................................................................. 15
2.1.4 Thermoelement und Widerstandsthermometer im Vergleich ............................................... 19
2.2 Wärmeübergang in Motorabgassystemen ........................................................................................... 20
3 Ziel der vorliegenden Arbeit ................................................................................................................. 21
4 Der Prüfstand .......................................................................................................................................... 22
5 Planung und Vorbereitung .................................................................................................................... 25
5.1 Messgerät-, Sensor-, und Materialauswahl ......................................................................................... 25
5.2 Programmierung des Messdatenerfassungssystems ........................................................................ 33
6 Messaufbau .............................................................................................................................................. 44
7 Durchführung der Temperaturmessungen ........................................................................................ 48
8 Messergebnisse und Folgerungen ...................................................................................................... 50
8.1 Messergebnisse an Messstelle 1 .......................................................................................................... 50
8.1.1 Fehlerbetrachtung ................................................................................................................ 52
8.1.2 Vergleich der gemessenen Oberflächentemperaturen ........................................................ 55
8.1.3 Modell zur Bestimmung der Rohrwand-Grenztemperaturen................................................ 56
8.2 Temperaturprofil über die Länge des Abgasrohres ............................................................................ 73
8.3 Energiebilanzrechnung für den Motor .................................................................................................. 82
9 Betrachtung von Fehlereinflüssen und Grenzen .............................................................................. 93
10 Ausblick .................................................................................................................................................. 95
Literatur ....................................................................................................................................................... XV
Anhang ......................................................................................................................................................... XX
__________________________________________________________________________________
V
Diplomarbeit
Abkürzungen
IR
Infrarot
IFOV
„Instantaneous Field Of View“, geometrische Auflösung
DMM
Digitalmultimeter
MUX
Multiplexer
Grenzabw.
Grenzabweichung
DK
Drosselklappe
entw.
entwickelt
__________________________________________________________________________________
VI
Diplomarbeit
Formelzeichen
Lateinische Symbole
Zeichen:
Bedeutung:
Einheit:
A
(Rohr-) Querschnittsfläche
m2
c
Konstante, Benzin-Zusammensetzung
-
cp
spezifische Wärmekapazität
J / kg K
spezifische Wärmekapazität von Wasser
J / kg K
CAF
Konstante, erhöhter Wärmeübergang
-
da
Außendurchmesser des Abgasrohres
m
di
Innendurchmesser des Abgasrohres
m
h
Konstante, Benzin-Zusammensetzung
-
hu
Heizwert des Brennstoffs
J / kg
H
A
Abgasverlust
W
H
KW
Kühlwasserverlust
W
K
Brennstoffkenngröße
m3 / kg
L
Überströmlänge des Abgasrohres
m
B
m
Massenstrom des Brennstoffs
kg / s
A
m
Massenstrom des Abgases
kg / s
L
m
Massenstrom der Luft
kg / s
Md
effektives Motor-Drehmoment
Nm
M
Molmasse
kg / mol
n
Motordrehzahl
1/s
Nu
Nußelt-Zahl, wandäußere Konvektion
-
Nud
Nußelt-Zahl, wandinnere Konvektion
-
Nulaminar
Nußelt-Zahl für laminare Strömung
-
Nuturbulent
Nußelt-Zahl für turbulente Strömung
-
ps
Dampfdruck des gesättigten Dampfes
Pa
pabs
Absolutdruck der Umgebung
Pa
Pe
effektive (mechanische) Motor-Leistung
W
Pr
Prandtl-Zahl, allgemein
-
cw
__________________________________________________________________________________
VII
Diplomarbeit
PrAbgas
Prandtl-Zahl des Abgases
-
PrL
Prandtl-Zahl der Luft bei 30 °C
-
q
Wärmestromdichte der Rohrwand
W / m2
R , spez.
spezifischer Wärmewiderstand
m2 K / W
Re
Reynolds-Zahl, allgemein
-
Red,i
Reynolds-Zahl für die Rohr-Innenströmung
-
ReL,a
Reynolds-Zahl für die Rohr-Außenströmung
-
s
Rohr-Wandstärke
m
T
Teilerkonstante
-
tM
Temperatur an der Messstelle
°C
tA
Genauigkeits-Temperaturwert
°C
T
Temperatur, allgemein
K
TU
Umgebungstemperatur
K
TA
Abgastemperatur
K
TKA
Kühlwasseraustrittstemperatur
K
TKE
Kühlwassereintrittstemperatur
K
U
Temperatur-Messunsicherheit
°C
Uges
Gesamt-Temperatur-Messunsicherheit
°C
V
Hubvolumen
m3
Vt
spez. Volumen des trockenen Abgases
m3 / kg
Vf
spez. Volumen des feuchten Abgases
m3 / kg
V
Volumenstrom des Abgases
m3 / s
V
KW
Volumenstrom des Kühlwassers
m3 / s
w
Strömungsgeschwindigkeit, allgemein
m/s
wi, 1 bar
Abgasgeschwindigkeit für 1 bar
m/s
wa
Strömungsgeschwindigkeit der Lüfterströmung
m/s
xs
absolute Luftfeuchte
-
__________________________________________________________________________________
VIII
Diplomarbeit
Griechische Symbole
Zeichen:
Bedeutung:
Einheit:
α
Absorptionsgrad
-
gemittelter Temperaturkoeffizient
1 / °C
Kohlenstoffanteil, der zu CO oxidiert
-
αi
Wärmeübergangskoeffizient, wandinnere Konvektion
W / m2 K
αa
Wärmeübergangskoeffizient, wandäußere Konvektion
W / m2 K
ε
Emissionsgrad
-
ζ
Brennstoffkenngröße
-
dynamische Viskosität
Pa s
f
dynamische Viskosität des feuchten Abgases
Pa s
ηe
effektiver Wirkungsgrad
-
ηA
Abgasverlustwirkungsgrad
-
ηKW
Kühlwasserverlustwirkungsgrad
-
ηR
Restenergieverlustwirkungsgrad
-
i
Abgastemperatur
°C
1
Temperatur an Rohr-Innenwand
°C
Wand
mittlere Rohr-Wandtemperatur
°C
2
Temperatur an Rohr-Außenwand
°C
a
Umgebungstemperatur
°C
λ
Wellenlänge
µm
Luftverhältnis
-
λ
spezifische Wärmekapazität
W/mK
Wand
mittlere spezifische Wärmekapazität der Rohrwand
W/mK
λL
spezifische Wärmekapazität von Luft bei 30 °C
W/mK
f
spezifische Wärmekapazität des feuchten Abgases
W/mK
Brennstoffkenngröße
-
f
kinematische Viskosität des feuchten Abgases
m2 / s
Luft, 30 C
kinematische Viskosität der Luft bei 30 °C
m2 / s
*
Massenanteil
-
ξ
Widerstandskoeffizient
-
α
α
λL
__________________________________________________________________________________
IX
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