Diplomarbeit von D Gross FH Kaiserslautern .pdf

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.

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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

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V

Diplomarbeit

Abkürzungen
IR

Infrarot

IFOV

„Instantaneous Field Of View“, geometrische Auflösung

DMM

Digitalmultimeter

MUX

Multiplexer

Grenzabw.

Grenzabweichung

DK

Drosselklappe

entw.

entwickelt

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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