Werbung
Handbuch fĂŒr Konstruktion und Berechnung eines Dieselmotors.
Arbeitsweise, Aufbau und Berechnung von Zweitakt- und Viertakt-Verbrennungsmotoren
Systeme, Komponenten, Steuerung und Regelung.
Verbrenungsdaten Dieselmotor
SeitenĂŒbersicht:
Abgasdichte- Berechnungsprogramm - Stoffwerte Abgas
Abgasvolumenstrom
- Abgasvolumenstrom von Norm- in den Betriebszustand umrechnen
- Abgasmassenstrom bzw. Abgasvolumenstrom berechnen
- Abgasmassenstrom aus der Abgaskonzentration berechnen
Restsauerstoffgehalt
- Restsauerstoffgehalt in AbhÀngigkeit des VerbrennungsluftverhÀltnis
RuĂgehalt
- RuĂgehalt in AbhĂ€ngigkeit der Boschziffer nach M.I.R.A.
- Berechnungsprogramm - RuĂgehalt
VerbrennungsluftverhÀltnis
- VerbrennungsluftverhÀltnis
- Stöchiometrische VerhÀltnisse von Kraftstoffarten
- Berechnungsprogramm - VerbrennungsluftverhÀltnis
Konzentrationsangaben der Emissionen im Abgas
- Umrechnung von Massenkonzentration in Volumenkonzentration von gasförmigen Stoffen
- Umrechnung auf Normzustand
- Umrechnung auf Bezugssauerstoffgehalt
- Umrechnung von ppm bzw. mg/mÂłN
- Stoffwerte von Gasen
- Umrechnung Abgasemissionswerte von ppm in g/kWh
Berechnungsprogramm - Stoffwerte von Abgas
Stoffwerte von Dieselabgas in AbhÀngigkeit von der Temperatur und dem Abgasgegendruck und dem LuftverhÀltnis.
nach oben
Abgasvolumenstrom - Abgasmassenstrom
Abgasvolumenstrom von Norm- in den Betriebszustand umrechnen
Umrechnung des Abgasvolumenstroms vom Normzustand (0 Grad) auf die Abgastemperatur bei Betriebszustand
V N = Volumenstrom im Normzustand (mÂł)â
t A = Abgastemperatur (°C)â
V N = Volumenstrom im Normzustand (mÂł)â
t A = Abgastemperatur (°C)â
Abgasmassenstrom bzw. Abgasvolumenstrom berechnen
V = Volumenstrom (mÂł/s)â
Ï = Dichte Abgas (kg/mÂł)â
V = Volumenstrom (mÂł/s)â
Ï = Dichte Abgas (kg/mÂł)â
Abgasmassenstrom aus der Abgaskonzentration berechnen
FĂŒr die Berechnung des Abgasmassenstroms sind die Werte fĂŒr die Abgaskonzentration, der effektive Sauerstoffgehalt und der Abgasvolumenstrom erforderlich.
A K = Abgaskonzentration (mg/mÂłN) Normzustand trocken mit 5% Rest O2
O 2 = O2 Gehalt im Abgas (%)â
V A = Abgasvolumenstrom (mÂł/h) Normzustand trocken bei effektivem O2 Gehalt
A K = Abgaskonzentration (mg/mÂłN) Normzustand trocken mit 5% Rest O2
O 2 = O2 Gehalt im Abgas (%)â
V A = Abgasvolumenstrom (mÂł/h) Normzustand trocken bei effektivem O2 Gehalt
nach oben
Restsauerstoffgehalt
Restsauerstoffgehalt in AbhÀngigkeit des VerbrennungsluftverhÀltnis
Ermittlung des Restsauerstoffgehalts im Abgas in AbhÀngigkeit des VerbrennungsluftverhÀltnis λ. Der max. Sauerstoffgehalt in der Luft betrÀgt ca. 21%.
Diagramm - Restsauerstoffgehalt im Abgas in AbhÀngigkeit des LuftverhÀltnis λ
nach oben
RuĂgehalt
RuĂgehalt in AbhĂ€ngigkeit der Boschziffer nach M.I.R.A.
Liegt die Messung der SchwĂ€rzungsziffer nach Bosch vor, kann der RuĂgehalt in (g/mÂł) im Abgas bestimmt werden.
BZ = Boschziffer (SZ)
BZ = Boschziffer (SZ)
nach oben
Diagramm - RuĂgehalt in AbhĂ€ngigkeit der Boschziffer nach M.I.R.A.
nach oben
Berechnungsprogramm - RuĂgehalt
Berechnung des RuĂgehalts von Abgas in AbhĂ€ngigkeit von der SchwĂ€rzungsziffer nach Bosch.
nach oben
VerbrennungsluftverhÀltnis
m L = Verbrennungsluftmasse (kg/h)
V L = Verbrennungsluftvolumen (mÂł/s)
Ï = Luftdichte (kg/mÂł)
m K = Kraftstoffmasse (kg/h)
b e = spez. Kraftstoffverbrauch (g/(kW*h))
P Mot = Motorleistung (kW)
m L,tat = VerhÀltnis der tatsÀchlichen Luftmasse zu verbr. Kraftstoffmasse (kg Luft / kg Kraftst.)
m L,stö = stöchiometrische VerhĂ€ltnis von Luft zu Kraftstoff fĂŒr eine vollkommene Verbrennung (kg Luft / kg Kraftst.)
Werte fĂŒr verschiedene Kraftstoffarten siehe Tabelle unten.
m L = Verbrennungsluftmasse (kg/h)
V L = Verbrennungsluftvolumen (mÂł/s)
Ï = Luftdichte (kg/mÂł)
m K = Kraftstoffmasse (kg/h)
b e = spez. Kraftstoffverbrauch (g/(kW*h))
P Mot = Motorleistung (kW)
m L,tat = VerhÀltnis der tatsÀchlichen Luftmasse zu verbr. Kraftstoffmasse (kg Luft / kg Kraftst.)
m L,stö = stöchiometrische VerhĂ€ltnis von Luft zu Kraftstoff fĂŒr eine vollkommene Verbrennung (kg Luft / kg Kraftst.)
Werte fĂŒr verschiedene Kraftstoffarten siehe Tabelle unten.
Das VerbrennungsluftverhĂ€ltnis λ setzt die tatsĂ€chlich fĂŒr eine Verbrennung zur VerfĂŒgung stehende Luftmasse mL-tats. ins VerhĂ€ltnis zur mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse mL-st.,die fĂŒr eine vollstĂ€ndige Verbrennung benötigt wird. Das stöchiometrische VerhĂ€ltnis beschreibt das Kraftstoff-Luft VerhĂ€ltnis, das fĂŒr eine vollstĂ€ndige Verbrennung des eingesetzten Kraftstoffs notwendig ist, ohne dass Sauerstoff fehlt oder ĂŒbrig bleibt. Bei λ =1, reagieren alle Brennstoff-MolekĂŒle vollstĂ€ndig mit dem Luftsauerstoff, ohne dass unverbrannter Sauerstoff fehlt oder ĂŒbrig bleibt. Um z. B. ein Kilogramm Diesel vollstĂ€ndig zu verbrennen, benötigt man z. B. 14,5 Kilogramm Luft.
nach oben
Stöchiometrische VerhÀltnisse von Kraftstoffarten:
| Diesel - [1] | 14,6 |
| Benzin Normal | 14,8 |
| Benzin Super | 14,7 |
| Kerosin | 14,5 |
| Erdgas (90% Methan) | 14,5 |
| Autogas | 15,5 |
| Methanol CH3OH - [1] | 6,5 |
| Ethanol C2H5OH - [1] | 9,0 |
| Methan - [1] | 17,2 |
| Wasserstoff - [1] | 34,2 |
| Rapsöl | 12,4 |
nach oben
Berechnung VerbrennungsluftverhÀltnis
Das stöchiometrische VerhĂ€ltnis beschreibt das Kraftstoff-Luft VerhĂ€ltnis, das fĂŒr eine vollstĂ€ndige Verbrennung des eingesetzten Kraftstoffs notwendig ist.
nach oben
Konzentrationsangaben der Emissionen im Abgas
Umrechnung von Massenkonzentration in Volumenkonzentration von gasförmigen Stoffen
Der Begriff Konzentration bezeichnet den Anteil eines Stoffes an einem festen, flĂŒssigen oder gasförmigen Gesamtgemisch.
Die Angabe der Konzentration kann als Massenkonzentration (g/mÂł) oder Volumenkonzentration (cmÂł/mÂł) erfolgen. Bei der
Volumenkonzentration wird die Einheit ppm - parts per million (Teile pro Million) verwendet. Es entspricht somit 1 ppm = 0,0001% bzw. 1%
= 10000ppm.
Bei der Angabe des Schadstoffes als Volumenanteil in Vol.-% oder in ppm ist darauf zu achten, dass die Angaben nur mit gleichem
Sauerstoff Bezugswert direkt miteinander vergleichbar sind.
Nach der TA Luft sind die Rohabgasemissionen, zur besseren Vergleichbarkeit, als Masse des trockenen Abgases im
Normzustand bei 273,15 K und 101325 Pa anzugeben.
FĂŒr Verbrennungsmotorenanlagen sind die Angaben auf einen Sauerstoffgehalt von 5 Vol.-% im Abgas zu beziehen.
nach oben
Umrechnung auf Normzustand
Umrechnung eines Messwertes auf den Normzustand bei einer Temperatur von 273 K ( 0°C) und einem Druck von 101325 Pa (1013,25 mbar).
E gem = gemessene Emission (mg/mÂł)
T norm = Normtemperatur 273 (K)
T gem = Temperatur wÀhrend der Messung (K)
p norm = Normdruck 101325 (Pa)
p gem = gemessener Druck (Pa)
E gem = gemessene Emission (mg/mÂł)
T norm = Normtemperatur 273 (K)
T gem = Temperatur wÀhrend der Messung (K)
p norm = Normdruck 101325 (Pa)
p gem = gemessener Druck (Pa)
Umrechnung auf Bezugssauerstoffgehalt
FĂŒr die Umrechnung der Emission auf einen festgelegten Bezugssauerstoffgehalt, wird der Sauerstoffgehalt im Abgas zum Zeitpunkt der
Messung benötigt.
Die Umrechnung des gemessenen Abgases auf einen festgelegten Sauerstoffbezugswert von 5 Vol.-% erfolgt nach folgender Formel.
O gem = gemessener Sauerstoffgehalt wÀhrend der Messung (%)
E gem = gemessene Emission im Normzustand (mg/mÂłN)
21 = Sauerstoffgehalt der Luft (%)â
5 = Sauerstoffbezugswert (%)â
O gem = gemessener Sauerstoffgehalt wÀhrend der Messung (%)
E gem = gemessene Emission im Normzustand (mg/mÂłN)
21 = Sauerstoffgehalt der Luft (%)â
5 = Sauerstoffbezugswert (%)â
Umrechnung von ppm bzw. mg/mÂłN
Die Umrechnung von Volumenkonzentration (ppm) in Massenkonzentration (mg/mÂł) erfolgt mit Hilfe der Molmasse und des Molvolumens.
Der Quotient aus Molmasse zu Molvolumen entspricht der Normdichte des jeweiligen Gases in kg/mÂł, die ebenso verwendet werden kann. Das
Molvolumen im Normzustand von realen Gasen kann im Allgemeinen mit dem Wert 22,41 mÂł/kmol angesetzt werden.
E v = Volumenkonzentration (ppm N)
M m = Molmasse (g/mol)
M v = Molvolumen (mÂł/kmol N) = 22,41
Ï = Normdichte (kg/mÂł)â
N = Normzustand 273 K und 101325 Pa
E v = Volumenkonzentration (ppm N)
M m = Molmasse (g/mol)
M v = Molvolumen (mÂł/kmol N) = 22,41
Ï = Normdichte (kg/mÂł)â
N = Normzustand 273 K und 101325 Pa
Stoffwerte von Gasen
| Stoff | Molmasse (g/mol) | Molvolumen (mÂł/kmol) | Normdichte (kg/mÂł) | |
| Abgas trocken | 5% O2 | 30,210 | 22,410 | 1,348 |
| Abgas trocken | 9,6% O2 | 29,840 | 22,410 | 1,332 |
| Abgas feucht | 5% O2 | 28,840 | 22,410 | 1,287 |
| Abgas feucht | 9,6% O2 | 28,820 | 22,410 | 1,286 |
| Kohlenstoffmonoxid | CO | 28,010 | 22,400 | 1,251 |
| Stickstoff | N2 | 28,013 | 22,403 | 1,250 |
| Stickstoffmonoxid | NO | 30,006 | 22,410 | 1,339 |
| Stickstoffoxyde (*1 | NOx | 46,006 | 22,410 | 2,053 |
| Stickstoffdioxid | NO2 | 46,006 | 22,410 | 2,053 |
| Kohlenstoffdioxid | CO2> | 44,010 | 22,261 | 1,977 |
| Schwefeldioxid | SO2 | 64,060 | 21,890 | 2,856 |
| Sauerstoff | O2 | 31,999 | 22,392 | 1,429 |
| Ozon | O3 | 47,998 | 22,41 | 2,142 |
| Wasserstoff | H2 | 2,016 | 22,428 | 0,090 |
| Methan | CH4 | 16,043 | 22,360 | 0,718 |
| Ăthylen | C2H4 | 28,054 | 22,245 | 1,261 |
| Ăthan | C2H6 | 30,069 | 22,191 | 1,355 |
| Propan | C3H8 | 44,096 | 21,928 | 2,011 |
| n-Butan | C4H10 | 58,123 | 21,461 | 2,708 |
| Benzol | C8H6 | 78,108 | 22,002 | 3,550 |
| Azethylen | C2H2 | 26,038 | 22,226 | 1,172 |
| Schwefelwasserstoff | H2S | 34,076 | 22,192 | 1,536 |
| Wasserdampf | H2O | 18,016 | 22,400 | 0,803 |
| Luft | 28,964 | 22,400 | 1,293 | |
| Helium | He | 4,003 | 22,41 | 0,178 |
(*1 Bei Stickoxyde NOx wird die Normdichte von NO2 angesetzt.
nach obenUmrechnung Abgasemissionswerte von ppm in g/kWh
E v = Volumenkonzentration (ppm)
M m = Molmasse der Schadstoffkomponente (kg/kmol)
M Abg = Molmasse Abgas (kg/kmol)
m Abg = Abgasmassenstrom (kg/h)
P eff = Motorleistung (kW)
t = trocken
f = feucht
E v = Volumenkonzentration (ppm)
M m = Molmasse der Schadstoffkomponente (kg/kmol)
M Abg = Molmasse Abgas (kg/kmol)
m Abg = Abgasmassenstrom (kg/h)
P eff = Motorleistung (kW)
t = trocken
f = feucht
Literatur:
[1] UKA Formelsammlung - Lehrstuhl fĂŒr Verbrennungskraftmaschinen - TH Achen - Prof. Dr.-Ing. St. Pischinger