Amitıl az autók gurulnak: a belsıégéső motorok kémiája Elıadó:
Zsély István Gyula Alkímia ma 2013
ELTE Kémiai Intézet 2013. április 4.
A belsıégéső motorok Motor: forgómozgást elıállító erıgép Belsı égéső: a tüzelıanyag a gép belsejében elég és a fejlıdı hı közvetlenül mechanikai munkává alakul közvetlenül, azaz nincs közvetítı közeg, mint a gızgépben a vízgız 9021725-engine-pistons-injectors-valves-and-cog-isolated-on-white.jpg
Gyakorlati felhasználás
Közlekedési eszközök
Szállítóeszközök
Munkagépek
leggyakoribb erıforrásai belsıégéső motorok Gyakran csak motoroknak nevezzük ıket, DE motor nem csak belsıégéső lehet. pl. elektromotor
Az égés alapvetı feltételei
az égést tápláló anyag, oxidálószer jelenléte
a motorok a levegı oxigénjét használják
Az égés alapvetı feltételei
az égést tápláló anyag, oxidálószer jelenléte
a motorok a levegı oxigénjét használják éghetı anyag jelenléte
különbözı üzemanyagok
Az égés alapvetı feltételei
az égést tápláló anyag, oxidálószer jelenléte
a motorok a levegı oxigénjét használják éghetı anyag jelenléte
különbözı üzemanyagok megfelelı gyulladási hımérséklet elérése
különbözı technikai megoldások
Az égés alapvetı feltételei
az égést tápláló anyag, oxidálószer jelenléte
a motorok a levegı oxigénjét használják éghetı anyag jelenléte
különbözı üzemanyagok megfelelı gyulladási hımérséklet elérése
különbözı technikai megoldások
Milyen anyag lehet üzemanyag? Minden olyan anyag, amely fizikai és kémiai tulajdonságai alapján alkalmas rá: jól éghetı égése során sok hı szabadul fel könnyen adagolható biztonságosan tárolható + nagy mennyiségben, gazdaságosan állítható elı
Az Otto-motor
Az 1878-as párizsi világkiállításon mutatták be. Nikolaus August Otto 1832-1891
Elsı üzemanyaga: etanol Mai szokásos üzemanyaga: benzin
Az Otto-motor mőködése A tüzelıanyagot beporlasztják a hengerekbe, ahol az elkeveredik a levegıvel. Ezt a keveréket összenyomják és az összenyomás végén szikrával gyújtják be. Az égés típusa: elıkevert, turbulens láng Olyan tüzelıanyag kell hozzá, amely jól bírja az összenyomást, közben nem gyullad be magától.
A Diesel-motor
Az 1900-as párizsi világkiállításon mutatták be. Rudolf Diesel 1858-1913
Elsı üzemanyaga: mogyoróolaj Mai szokásos üzemanyaga: gázolaj
A Diesel-motor mőködése
A hengerbe csak levegıt juttatnak, amit a henger összenyom.
Ebbe fecskendezik be az üzemanyagot, ami magától begyullad. Az égés típusa: nem elıkevert, turbulens láng Olyan tüzelıanyag kell hozzá, amely nagy nyomáson hajlamos az öngyulladásra.
Napjaink legfontosabb üzemanyagai • a motorbenzin • a gázolaj • az autógáz (LPG, CNG)
A motorbenzin és a gázolaj
http://admin.web4.hu/blogimages/o/overdrive/gallery_4/82_original.jpg
A motorbenzin és a gázolaj Nem a kıolajlepárlásból közvetlenül nyert párlatok! Meg kell felelniük az megfelelı szabványnak. MSZ EN 228-as illetve az 590-es szabvány. - Kémiai átalakítások (krakkolás, reformálás, alkilezés) - Adalékolás Kémiailag nem egységes anyagok! Többszáz vegyületet tartalmaznak.
A motorbenzin és a gázolaj
-telített nyílt és elágazó láncú szénhidrogének (paraffinok) - telített győrős szénhidrogének (cikloparaffinok) - telítetlen szénhidrogének - aromás szénhidrogének keveréke mindkettı. http://web.olajmester.hu/dymanic_pics/szovegek/fooldal_328_1.jpg
A motorbenzin és a gázolaj A benzinben lévı anyagok kisebb szénatomszámúak (5-10), a gázolajban lévık nagyobbak (10-18). A benzinben több az elágazó láncú és aromás, a gázolajban az egyenes szénláncú szénhidrogén.
Az autógáz I. Liquefied Petroleum Gas (LPG) Liquefied Petroleum Gas = szénhidrogének folyékonnyá tett elegye Kb. 40% propán (C3H8) Kb. 55% bután (C4H10) Kb. 5% propilén (C3H6), izobután (C4H10), butilén és izobutilén (C4H8) Közel azonos összetételő a háztartási PB-gázzal, de kevesebb szennyezıdést tartalmaz.
Az autógáz II. Compressed Natural Gas (CNG) Compressed Natural Gas = nagy nyomáson cseppfolyósított földgáz Összetétele megfelel a földgázénak: 70-90% metán (CH4) 0-20% etán (C2H6), propán (C3H8), bután (C4H10) Néhány % szén-dioxid (CO2), nitrogén (N2)
A gázüzem elınyei / hátrányai Elınyök: - Mintegy 20%-al kevesebb CO2 kibocsátás - Gyakorlatilag nincs részecske kibocsátás - Magas oktánszám Hátrányok - Kettıs tüzelıanyag-rendszer szükséges (indítás benzinnel) - Energiasőrősége kicsi – Nagyobb energia-egyenértékő fogyasztás
Mitıl bio a bioüzemanyag? Bioüzemanyag: biológiai eredető alapanyagokból elıállított üzemanyag vagy üzemanyag-komponens Legfontosabb típusai: - alkoholok (pl. etanol)
-OH
- éterek (pl. etil-tercier-butil-éter)
-O-
- észterek (pl. zsírsav-metilészterek)
A bioüzemanyagok felhasználása Tiszta (100%) bioüzemanyaggal (B100) vagy nagy biotartalmú üzemanyaggal (E85) csak kevés motor üzemeltethetı. Ha igen, akkor ezt külön jelzik a gyártók (flexible fuel vehicle)! A hagyományos üzemanyaghoz viszont kb. 5%-os mértékig problémamentesen hozzákeverhetı (és hozzá is keverik!)
„Az üzemanyag égése során sok hı szabadul fel” A főtıérték Az üzemanyag teljes égése során felszabaduló energia annak tömegegységére vonatkoztatva. „Alsó főtıérték”: a víz gız állapotban van jelen az égés után. A motoroknál ez a helyzet. Az egyes anyagok égésének termokémiai egyenletébıl számítani is lehet… Legyen a példánk az izooktán égése!
A főtıérték számítása C8H18 (f) + 12,5 O2 (g) = 8 CO2 (g) + 9 H2O
(g)
∆rH = Σ νi*∆fHi A különbözı anyagok képzıdéshıi: C8H18 (f): -223,844 kJ/mol, O2 (g) : 0 kJ/mol, CO2 (g): -393,509 kJ/mol, H2O(g) : -241,818 kJ/mol ∆rH = -5100,6 kJ/mol Tömegegységre átszámolva: 43225 kJ/kg ≈ 43 MJ/kg De olyan sokféle anyag van az üzemanyagban, hogy egyszerőbb megmérni…
Néhány anyag főtıértéke Minél nagyobb a főtıérték, annál több energiát lehet az adott energiahordozóból kinyerni.
Benzin, gázolaj kb. 43 MJ/kg.
Kıszén kb. 30 MJ/kg
Fa kb. 15 MJ/kg
Mitıl 95-ös a benzin? Az Otto-motor tüzelıanyagának jól kell bírnia az összenyomást (kompressziót) 50-60 atm nyomásig! Minél nagyobb mértékő az összenyomás, annál nagyobb teljesítményt szolgáltat a motor. Ha nem bírja a benzin eléggé az összenyomást a motor kopogni fog. (hang) Az összenyomás tőrését jellemzi az oktánszám.
A kopogás A tüzelıanyag már a sőrítési ütemben begyullad. - A gyulladás idıpontja esetleges - A maximális nyomás jóval nagyobb, mint a szokásos - A nyomás értéke „ugrál” (oszcilláció) A kopogó égés a motor MARADANDÓ károsodását okozhatja! Normális égés
Kopogó égés
Az oktánszám Tetszıleges üzemanyag viselkedését összehasonlítják egy standard motorban a n-heptán/izooktán elegy kompressziótőrésével. 100% n-heptán:
0
100% izooktán: 100
Mitıl 95-ös a benzin? Az összehasonlítást két különbözı fordulatszámon szokás végezni: - a 600 fordulat/percen mért érték a KÍSÉRLETI OKTÁNSZÁM (Reserach Octane Number, RON) - a 900 fordulat/percen mért érték a MOTOROKTÁNSZÁM (Motor Octane Number, MON)
A 95-ös benzin kísérleti oktánszáma 95.
A kopogás kémiája A három vagy több szénatomot tartalmazó szénhidrogének képesek alacsony hımérsékleten láncreakcióban oxidálódni. Láncreakció: láncindító reakciólépésben láncvivı részecskék keletkeznek, amelyek a láncfolytató reakciólépésekben a kiindulási anyaggal reagálva terméket és újabb láncvivıket hoznak létre, amelyekbıl azután újabb termékmolekulák és újabb láncvivık keletkeznek …
A kopogás kémiája Nem minden láncreakció vezethet robbanáshoz, csak az elágazó láncú reakciók! A fı égési láncelágazási reakció, a H+O2O+OH reakció 1200 K alatt túl lassú… RH + O2 → .R + .HO2 R. + O2 ↔ RO2. RO2. + RH → ROOH + R. ROOH → RO. + .OH RO2. → HOOR’. HOOR’. → R’O + .OH
inicializálás, lassú elsı O2 addíció külsı H-atom leszakítás láncelágazás belsı H-atom leszakítás láncfolytatás
A belsı H-atom leszakításának sebessége nagyon függ a szénhidrogén szerkezetétıl!
A kopogás kémiája 1,4-hidrogénatom-átadás és 1,5-hidrogénatom-átadás: gyakori 1,3-hidrogénatom-átadás ritka 1,n-hidrogénatom-átadás (n > 5) ritka A nyílt láncú szénhidrogéneknél (pl. normál heptán) sokkal gyorsabb a belsı hidrogén átadás, mint az elágazó láncúaknál (pl. izooktán).
A kopogás kémiája A kopogáshoz további reakciók vezetnek: HOOR’. + O2 ↔ HOOR’OO. HOOR’OO.+RH→HOOR’OOH+R. HOOR’OOH → HOOR’O. + .OH HOOR’O. → OR’O + .OH HO2R’O2. → HO2R”.O2H HO2R”.O2H → HO2R”O + .OH HO2R”O → OR”O. + .OH
második O2 addíció külsı H-atom leszakítás láncelágazás láncfolytatás belsı H-atom leszakítás láncfolytatás láncelágazás
A kopogás kémiája egyben az üzemanyag öngyulladásának kémiája. Azaz ami egy benzinmotorban káros az a Diesel-motor mőködésének alapja!
A cetánszám Tetszıleges üzemanyag viselkedését összehasonlítják egy standard motorban a cetán/alfa-metil-naftalin elegy öngyulladási hajlamával. 100% alfa-metil-naftalin: 0
100% cetán: (n-hexadekán)
100
A cetánszám A alfa-metil-naftalin nem elég stabil vegyület, nehezen raktározható, ezért a gyakorlatban izocetánt használnak helyette: 100% izocetán: 15 (2,2,4,4,6,8,8-heptametil-nonán)
Mi történik, ha dízel autóba benzint tankolunk? A benzin a gázolajhoz képes jól tőri az összenyomást, így nem vagy nem elég gyorsan gyullad be a hengerben. Ezért a motor kopoghat, leállhat. Ha a benzin elégetlenül átkerül a forró kipufogórendszerbe már biztosan begyullad… Néhány üzemanyag adagoló a gázolaj kenı hatását is hasznosítja (gázOLAJ). A benzinnek nincs ilyen hatása, ezért az adagolórendszer károsodhat.
Mi történik, ha benzines autóba gázolajat tankolunk? A gázolaj öngyulladásra hajlamos, ezért a benzinmotorban a szikragyújtás elıtt berobban. Kis mennyiségben kopogást okoz, nagyobb arányban bejutva az égéstérbe a motor károsodik. MTI 2013. március 20. Lerobbant az amerikai elnök páncélozott limuzinja Barack Obama izraeli látogatásának elsı napján. Az izraeli sajtó szerint a probléma oka az volt, hogy az üzemanyagtartályba benzin helyett dízelolajat töltöttek.
Mit tankolnak ma a Trabantosok? Miért más a Trabant, mint a többi autó?
http://secretcomedy.com/wp-content/uploads/2011/03/Trabant-with-pretty-girl.jpg
Kétütemő motorja van! (videó)
A négyütemő motor mőködése
http://www.mozaweb.hu/course/fizika_7/jpg/cd_f7_134_4.jpg
Az Otto- és a Diesel-motorok négyütemőek.
A kétütemő motor mőködése
az üzemanyag olajoz! http://upload.wikimedia.org/wikipedia/hu/8/84/Silnik_dwusuwowy_hun.png
Egyszerő szerkezet, nagy fajlagos teljesítmény -> kis erıgépek, motorkerékpárok
Mit tankolnak ma a Trabantosok?
Ugyanazt, amit az Otto-motoros autókba kell: benzint. Csak tesznek hozzá 2T motorolajat a megfelelı kenés biztosítása miatt.
Mit tankolnak a F1-es autók? A F1 kezdetén speciális üzemanyagkeveréket használtak, amely olyan veszélyes volt, hogy a gyakorlások és versenyek után le kellett szívni az autók üzemanyag tartájából. benzol, metanol, aceton, nitrobenzol…
Matra Cosworth MS80 1969
Mit tankolnak a F1-es autók? A ’70-es évek végén a kereskedelemben kapható 101-es oktánszámú benzint kezdték el használni. Amikor ezt kivonták a forgalomból speciális, legfeljebb 102-es oktánszámú üzamanyagot keztek el gyártani a F1-es autók számára.
Lotus 80 1979
Mit tankolnak a F1-es autók? A nyolcvanas években az oktánszámon túl egyre több tulajdonságát szabták meg az F1 üzamanyagnak: oxigéntartalom, nitrogéntartalom, gıznyomás, sőrőség, benzol és ólomtartalom.
1984: Williams FW09B, McLaren MP4/2
Mit tankolnak a F1-es autók? 1992 óta nem tartalmazhat a F1-es üzemanyag olyan vegyületet, ami a kereskedelmi benzinben nem található meg. De az egyes vegyületek mennyisége jelentısen eltérhet!
normál
F1
Mit tankolnak a F1-es autók?
Majdnem ugyanazt, mint a hétköznapi autósok!
Mindössze 1,4%-al lassabb kör Fioranoban egy F1 Ferrarival, mint a F1-es üzemanyaggal.
A belsıégéső motorok szennyezıanyag-kibocsátása Fontosabb szennyezıanyagok: - elégetlen szénhidrogének - szén-monoxid - nitrogén-oxidok - korom - kén-dioxid - ólom
Elégetlen szénhidrogének A motorokban a robbanási ütem nagyon rövid ideig tart (0,005-0,02 s). Az égés nem mindenhol teljes, különösen a hengerfal mentén maradhat elégetlen üzemanyag. + a kipufogószelep és az üzemanyagbeömlı nyílás rövid idıre egyszerre lehet nyitva. Egészségügyi hatások: a szénhidrogének mérgezı, rákkeltı anyagok gyakorlatilag minden szervet károsítanak
Elégetlen szénhidrogén-kibocsátás csökkentése 1. Tökéletesebb égés létrehozása a motorban Új motorkonstrukciókat kell kidolgozni. A régi motorokon nem segít… 2. utókezelés
Az égés nem mindenhol teljes a hengerben, a tökéletlen égés során CO keletkezik.
Elégetlen szénhidrogén-kibocsátás csökkentése 1. Tökéletesebb égés létrehozása a motorban Új motorkonstrukciókat kell kidolgozni. A régi motorokon nem segít… 2. utókezelés
Nitrogén-oxidok (NOx) A NOx két anyag: NO és NO2 Elsıként nitrogén-monoxid képzıdik, ez oxidálódhat (részben) tovább nitrogén-dioxiddá. Egészségügyi hatások: károsítja a nyálkahártyát, tüdıt, asztmát okoz NO több úton is keletkezhet. A motorokban a legfontosabb reakcióút a thermal (vagy Zeldovich NO) képzıdés.
A thermal NO Zeldovics 1946-ban fedezte fel Fı reakciói: (1) (2) (3)
O + N2 = NO + N N + O2 = NO + O N + OH = NO + H
Jakov Boriszovics Zeldovics 1914-1987
Az (1) reakció aktiválási energiája nagyon magas, ezért csak magas hımérsékleten keletkezik jelentıs mennyiségő nitrogén-monoxid.
A nitrogén-oxid képzıdés csökkentése
1. Az égés hımérsékletének csökkentése Új motorkonstrukciókat kell kidolgozni. A régi motorokon nem segít… 2. utókezelés
A korom A korom policiklusos aromás szénhidrogénekbıl álló szilárd anyag. Több lépésben keletkezik: 1. Korom elıanyagok (benzol, kisebb aromás vegyületek) képzıdése kis szénhidrogén molekulákból / gyökökbıl. 2. Nagyobb policiklusos aromás vegyületek, majd molekulacsoportok képzıdése.
A korom
3. A korom növekedése a kis részecskék összetapadásával illetve kémiai reakciókkal A korom egészségügyi hatásai - rákkeltı - a szállópor egyik fı alkotója, ingerli a szemet, a légutakat - asztmát okoz
A koromképzıdés csökkentése
1. Az üzemanyagok policiklusos aromás vegyület tartalmának csökkentése. A mai szabvány szerint a gázolaj legfeljebb 11 tömegszázaléka lehet policiklusos aromás vegyület. 2. utókezelés
Szénhidrogének, szén-monoxid, nitrogén-oxidok, korom eltávolítása: a „háromutas” katalizátor Helyesebben: három anyagfajtára ható katalizátor Oxidációs reakciók, Pt és Pd katalizátorok: Szerves anyagok → CO2 + H2O CO → CO2 + H2O
Redukciós reakciók, Rh katalizátor: NO → N2 http://www.chemgeneration.com/hu/milestones/katalizátorok-szőrık.html
A „háromutas” katalizátor
A levegı mennyiségét nagyon pontosan be kell állítani! λ= 1.00 ± 0.03 oxigénszenzor, számítógépes vezérlés A kipufogógáz összetétele
λ
a katalizátor ------ a katalizátor elıtt után
Kén-dioxid A kén-dioxid (SO2) a kıolajban természetes módon elıforduló kénvegyületek oxidációjával keletkezik. Káros hatásai: - izgatja a nyálkahártyát, a bırt - légzési nehézséget, tüdıödémát okoz - a kén-oxidok a savas esık jelentıs alkotói Fontos a megelızés! Az üzemanyagok kéntartalmát évtizedek óta csökkentik.
Üzemanyagok maximális kéntartalma 1986 elıtt 1986-1997 1997-2000 2000-2005 2005-tıl (EU szabvány) 2008-tól (EU szabvány)
1% 0,5 % 0,05 % 0,035 %
10000 ppm 5000 ppm 500 ppm 350 ppm
0,005 %
50 ppm
0,001 % „kénmentes”
10 ppm
Ólom Az ólom oktánszám növelı adalékanyagban (ólom-tetrametil, ólom-tetraetil) került a benzinbe. Ezek fémorganikus vegyületek. ólom-tetrametil: Pb(CH3)4 ólom-tetraetil: Pb(CH2H3)4
Ólom Egészségügyi hatások: -fejlıdési zavarokat okoz gyermekekben - beépül a csontokba és csökkenti annak szilárdságát - súlyos idegrendszeri zavarokat okoz - károsítja a veséket Fontos a megelızés! Magyarországon 1999 óta nem forgalmaznak ólomvegyülettel adalékolt üzemanyagot. határérték: < 5 mg/dm3
Ugyanazt tankoljuk napjainkban, mint 30 éve? Igen! A benzin alapvetıen most is különféle szénhidrogénbıl áll. Nem! Ma már: - Nincsenek benne ólomtartalmú adalékanyagok. - Sokkal alacsonyabb a kéntartalma. - Sokkal kevesebb benzolt tartalmaz. - Jelentıs a biokomponens tartalma.
Mit várunk a jövı motorjaitól?
- Nagyobb teljesítményt - Alacsonyabb fogyasztást - Alacsonyabb károsanyag kibocsátást
Mi van az Otto- és a Diesel-motorokon túl?
A homogén töltéső kompressziógyújtású motor Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI)
Olyan, mint az Otto-motor: a tüzelıanyagot és a levegıt elıre, nagyon alaposan összekeverik és összenyomják
Olyan, mint a Diesel-motor: az égés a keverék öngyulladása miatt következik be
Miért alacsony a HCCI-motor NOx kibocsátása? Diesel-motor üzemanyag befecskendezés
Helyileg sok tüzelıanyag: sok NOx és korom
Otto-motor
HCCI-motor
gyújtógyertya
Forró láng: sok NOx
Alacsony hımérséklető égés: kevés NOx
Hogyan lehet megvalósítani? Nagyon kifinomult motorvezérlés kell hozzá! A legfontosabb az öngyulladás finom szabályozása: - elımelegítés füstgázzal - az összenyomás mértékének szabályozása - a tüzelıanyag összetételének változtatása - szükség esetén kiegészítı szikragyújtás Létezı prototípusok! General Motors, Mercedes-Benz, Volkswagen General Motors DiesOtto
Mi van még az Otto- és a Diesel-motorokon túl? A rétegzett töltéső benzinmotor Stratified Charge Petrol Engine (SCPE)
Olyan, mint az Otto-motor: a keveréket szikrával gyújtják be
Olyan, mint a Diesel-motor: az üzemanyagot az összenyomott levegıbe fecskendezik be Renault SCPE
Az üzemanyag befecskendezése úgy történik, hogy a henger egyes részein eltérı legyen a koncentráció.
A rétegzett töltéső benzinmotor Stratified Charge Petrol Engine (SCPE)
Különbözı összetételő keverék a hengerben: • a gyertya közelében optimális gyulladás • a gyertyától távol optimális szennyezıanyag termelés Elsı változatai 40 éve a piacon! Honda CVCC motor Sokkal egyszerőbb, mint a HCCI!
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/CVCC.JPG
Köszönetnyilvánítás Turányi Tamásnak, hogy a „A lángok kémiája és fizikája” címő speciálkollégiumi elıadását felhasználhattam. Családomnak, hogy az elıadás elkészítését mindenben támogatták és segítették.
Köszönöm a figyelmet!
