Csapdába zárt robbanások – a robbanómotorokról kémikus szemmel Előadó:
Zsély István Gyula
Alkímia Ma 2016/2017 Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar, Kémiai Intézet 2017. február 2.
A belsőégésű motorok Motor: forgómozgást előállító erőgép Belső égésű: a tüzelőanyag a gép belsejében elég és a fejlődő hő közvetlenül mechanikai munkává alakul közvetlenül, azaz nincs közvetítő közeg, mint a gőzgépben a vízgőz 9021725-engine-pistons-injectors-valves-and-cog-isolated-on-white.jpg
Gyakorlati felhasználás
Közlekedési eszközök
Szállítóeszközök
Munkagépek
leggyakoribb (~90%) erőforrásai belsőégésű motorok
Gyakran csak motoroknak nevezzük őket, DE motor nem csak belsőégésű lehet. pl. elektromotor
Az égés alapvető feltételei
az égést tápláló anyag, oxidálószer jelenléte a motorok a levegő oxigénjét használják
Az égés alapvető feltételei
az égést tápláló anyag, oxidálószer jelenléte a motorok a levegő oxigénjét használják éghető anyag jelenléte különböző üzemanyagok
Az égés alapvető feltételei
az égést tápláló anyag, oxidálószer jelenléte a motorok a levegő oxigénjét használják éghető anyag jelenléte különböző üzemanyagok megfelelő gyulladási hőmérséklet elérése különböző technikai megoldások
Az égés alapvető feltételei
az égést tápláló anyag, oxidálószer jelenléte a motorok a levegő oxigénjét használják éghető anyag jelenléte különböző üzemanyagok megfelelő gyulladási hőmérséklet elérése különböző technikai megoldások
Milyen anyag lehet üzemanyag? Minden olyan anyag, amely fizikai és kémiai tulajdonságai alapján alkalmas rá: jól éghető égése során sok hő szabadul fel könnyen adagolható
A hidrogén ilyen!
Miért nem használjuk a hidrogént robbanómotorok üzemanyagaként? A hidrogén a levegő oxigénjével hevesen egyesül: 2 H2 + O2 = 2 H2O Túlságosan hevesen…
KÍSÉRLET
Biztonsági szempontok! Robbanási határérték (térf.% levegőben): 4 % - 77 % http://www.lindegas.hu/internet.lg.lg.hun/hu/images/Hidrog%C3%A9n%20TG_8360%202.171_17466.pdf
Milyen anyag lehet üzemanyag? Minden olyan anyag, amely fizikai és kémiai tulajdonságai alapján alkalmas rá: jól éghető égése során sok hő szabadul fel könnyen adagolható biztonságosan szállítható, tárolható + nagy mennyiségben, gazdaságosan állítható elő
Az Otto-motor
Az 1878-as párizsi világkiállításon mutatták be. Nikolaus August Otto 1832-1891
Első üzemanyaga: etanol Mai szokásos üzemanyaga: benzin
Az Otto-motor működése A tüzelőanyagot beporlasztják a hengerekbe, ahol az elkeveredik a levegővel. Ezt a keveréket összenyomják és az összenyomás végén szikrával gyújtják be (SI – Spark Ignition). Az égés típusa: előkevert, turbulens láng Olyan tüzelőanyag kell hozzá, amely jól bírja az összenyomást, közben nem gyullad be magától.
Egy Otto-motor működése 150x lassításban
Az izzófejes motor Első prototípus: 1886.
Herbert Akroyd Stuart 1864-1927
Kép: BulldozerD11
A Hornsby Acroyd 14 hp lamp oil engine of 1905 driving a flour mill at "Great Dorset Steam Fair"
Az izzófejes motor működése Az égés egy külön égéskamrában történt, ez az izzófej. Működés közben állandóan forró, de indításkor elő kell melegíteni (2-5 perc). Egyszerű felépítés (pl. nincs elekromos rendszer), gazdaságos gyártás, üzemeltetés. Nagy hidegben is könnyű indítás (északi országok). Hosszú ideig felügyelet nélkül működtethető, biztonságos.
1. Izzófej 3. Dugattyú 2. Henger 4. Karter
Üzemanyaga: szinte bármi, mert az izzófej nagyon forró. Lámpaolaj, használt motorolaj, nyersolaj, kátrányolaj, kerozin, növényi olaj, dieselolaj, földgáz…
Az izzófejes motor alkonya Hátrányai: • Csak korlátozott fordulatszám tartományban működött tipikusan ~100 rpm • Alacsony fajlagos teljesítmény nagy teljesítmény -> nagy és nehéz motor • A többhengeres izzófejes motorokat nehéz egyenletesen működtetni • Alacsony energiahasznosítás Az egyre jobb Diesel-motorok az 1930-40-es években kiváltották az izzófejes motorokat. Az 1950-es években megszűnt a gyártásuk…
A Diesel-motor
Az 1900-as párizsi világkiállításon mutatták be. Rudolf Diesel 1858-1913
Első üzemanyaga: mogyoróolaj Mai szokásos üzemanyaga: gázolaj
A Diesel-motor működése
A hengerbe csak levegőt juttatnak, amit a henger összenyom.
Ebbe fecskendezik be az üzemanyagot, ami magától begyullad (CI- Compression Ignition). Az égés típusa: nem előkevert, turbulens láng Olyan tüzelőanyag kell hozzá, amely nagy nyomáson hajlamos az öngyulladásra.
Napjaink legfontosabb üzemanyagai • a motorbenzin • a gázolaj • az autógáz (LPG, CNG)
Kőolaj lepárlása
A motorbenzin és a gázolaj
http://admin.web4.hu/blogimages/o/overdrive/gallery_4/82_original.jpg
A motorbenzin és a gázolaj Nem a kőolajlepárlásból közvetlenül nyert párlatok! Meg kell felelniük az megfelelő szabványnak. MSZ EN 228-as illetve az 590-es szabvány. - Kémiai átalakítások (krakkolás, reformálás, alkilezés) - Adalékolás Kémiailag nem egységes anyagok! Többszáz vegyületet tartalmaznak.
Szintetikus benzin és gázolaj Földgáz folyékony széhidrogének Gas-to-liquid (GTL) process földgáz részleges oxidáció Franz Joseph Emil Fischer (1877 – 1947) német kémikus
CO + H2 Fisher-Tropsch szintézis
folyékony szénhidrogének nyers termék krakkolás és izomerizáció
folyékony szénhidrogének átalakított termék
Hans Tropsch (1889 – 1935) német kémikus
A motorbenzin és a gázolaj
-telített nyílt és elágazó láncú szénhidrogének (paraffinok) - telített gyűrűs szénhidrogének (cikloparaffinok) - telítetlen szénhidrogének - aromás szénhidrogének keveréke mindkettő. http://web.olajmester.hu/dymanic_pics/szovegek/fooldal_328_1.jpg
A motorbenzin és a gázolaj A benzinben lévő anyagok kisebb szénatomszámúak (4-11), a gázolajban lévők nagyobbak (10-21). 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 összetételű a háztartási PB-gázzal, de kevesebb szennyeződést 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 előnyei / hátrányai Előnyök: - Mintegy 20%-al kevesebb CO2 kibocsátás - Gyakorlatilag nincs részecske kibocsátás - Magas oktánszám Hátrányok - Kettős tüzelőanyag-rendszer szükséges (indítás benzinnel) - Energiasűrűsége kicsi – Nagyobb energia-egyenértékű fogyasztás
A földgáz robban vagy nem robban? A földgáz fő alkotója, a metán a levegő oxigénjével hevesen egyesül: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O Robbanási határérték (térf.% levegőben): 4,4 % - 17 % http://www.lindegas.hu/internet.lg.lg.hun/hu/images/Met%C3%A1n,%20s%C5%B1r%C3%ADtett%20TG_832171_17444.pdf
Nem olyan robbanékony, mint a hidrogén, de… Két kísérlet földgázzal
Mitől bio a bioüzemanyag? Bioüzemanyag: biológiai eredetű alapanyagokból előállított 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 üzemeltethető. Ha igen, akkor ezt külön jelzik a gyártók (flexible fuel vehicle)! A hagyományos üzemanyaghoz viszont kb. 5%-os mértékig problémamentesen hozzákeverhető (és hozzá is keverik!)
„Az üzemanyag égése során sok hő szabadul fel” A fűtőérték Az üzemanyag teljes égése során felszabaduló energia annak tömegegységére vonatkoztatva. „Alsó fűtőérték”: a víz gőz állapotban van jelen az égés után. A motoroknál ez a helyzet. Az egyes anyagok égésének termokémiai egyenletéből számítani is lehet… Legyen a példánk az izooktán égése!
A fűtőérték számítása C8H18 (f) + 12,5 O2 (g) = 8 CO2 (g) + 9 H2O (g) DrH = Σ ni*DfHi A különböző anyagok képződéshői: C8H18 (f): -223,844 kJ/mol, O2 (g) : 0 kJ/mol, CO2 (g): -393,509 kJ/mol, H2O(g) : -241,818 kJ/mol DrH = -5100,6 kJ/mol Tömegegységre átszámolva: 43225 kJ/kg ≈ 43 MJ/kg De olyan sokféle anyag van az üzemanyagban, hogy egyszerűbb megmérni…
Néhány anyag fűtőértéke Minél nagyobb a fűtőérték, annál több energiát lehet az adott energiahordozóból kinyerni.
Benzin, gázolaj kb. 43 MJ/kg.
Kőszén kb. 30 MJ/kg
Fa kb. 15 MJ/kg
A hidrogén fűtőértéke kb. 120 MJ/kg, de tudjuk
Mitől 95-ös a benzin? Az Otto-motor tüzelőanyagának jól kell bírnia az összenyomást (kompressziót) 50-60 atm nyomásig! Minél nagyobb mértékű az összenyomás, annál nagyobb teljesítményt szolgáltat a motor. Ha nem bírja a benzin eléggé az összenyomást a motor kopogni fog. (hang) Az összenyomás tűrését jellemzi az oktánszám.
A kopogás A tüzelőanyag már a sűrítési ütemben begyullad. - A gyulladás időpontja 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 Tetszőleges üzemanyag viselkedését összehasonlítják egy standard motorban a n-heptán/izooktán elegy kompressziótűrésével.
100% n-heptán:
0
100% izooktán: 100
Mitől 95-ös a benzin? Az összehasonlítást két különböző fordulatszámon szokás végezni: - a 600 fordulat/perc fordulatszámon, 52°C belépő hőmérsékleten mért érték a KÍSÉRLETI OKTÁNSZÁM (Reserach Octane Number, RON) - a 900 fordulat/perc fordulatszámon, 149 °C belépő hőmérsékleten 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 hőmérsékleten láncreakcióban oxidálódni. Láncreakció: láncindító reakciólépésben láncvivő részecskék keletkeznek, amelyek a láncfolytató reakciólépésekben a kiindulási anyaggal reagálva terméket és újabb láncvivőket hoznak létre, amelyekből azután újabb termékmolekulák és újabb láncvivők keletkeznek …
A kopogás kémiája Nem minden láncreakció vezethet robbanáshoz, csak az elágazó láncú reakciók! A fő 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 első O2 addíció külső H-atom leszakítás láncelágazás belső H-atom leszakítás láncfolytatás
A belső H-atom leszakításának sebessége nagyon függ a szénhidrogén szerkezetétől!
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 belső hidrogén átadás, mint az elágazó láncúaknál (pl. izooktán).
A kopogás kémiája A kopogáshoz további reakciók vezetnek: HOOR’. + O2 HOOR’OO. második O2 addíció HOOR’OO.+RHHOOR’OOH+R. külső H-atom leszakítás HOOR’OOH HOOR’O. + .OH láncelágazás HOOR’O. OR’O + .OH láncfolytatás HO2R’O2. HO2R”.O2H belső H-atom leszakítás HO2R”.O2H HO2R”O + .OH láncfolytatás HO2R”O OR”O. + .OH láncelágazás
A kopogás kémiája egyben az üzemanyag öngyulladásának kémiája. Azaz ami egy benzinmotorban káros az a Diesel-motor működésének alapja!
A cetánszám Tetszőleges 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)
A kísérleti oktánszám és a cetánszám A két szám hasonló dolgokat mér, csak ellentétes oldalról. 20 18
cetánszám (CN)
16 14 12 10 8 6 82
84
86
88
90
92
94
96
kísérleti oktánszám (RON)
98
100
102
Mi történik, ha a benzintankba cukrot teszünk? Mit mondanak az internetes hozzászólók? „A cukor ráég a henger falára és tönkreteszi a motort!” „Feloldódik, aztán amikor elér a dugattyúkhoz szépen megkokszosodik és már be is állt a motor..” „Külön egyletet alkot, de a motorban hő van, melynek hatására olvad, és elszenesedik, megszilárdul.”
Mi történik, ha a benzintankba cukrot teszünk? „A cukros merénylet” 2002.05.22. index.hu „Tíz napja egy országosan ismert sportrepülő pilóta kisgépének üzemanyagtankjába valaki kristálycukrot öntött. A rendőrség várja a szakértői véleményeket: nem elég csak megkóstolni a benzines cukrot. A szolnoki sportrepülőtér-igazgató H. Sándor tulajdonában lévő Cessna típusú repülőjének két tankjába múlt héten 3-3 kiló cukrot szórtak. A rendőrség előbb rongálásért, majd szándékos emberölési kísérlet miatt indított eljárást.” Mi történt a gép motorjával?
Mi történik, ha a benzintankba cukrot teszünk? „a szerelő a felszállás előtt ellenőrizte a gépet, megjáratta a motort, majd ezt követően a pilóta is elvégezte a rutinellenőrzést.” „A gép mintegy két méter magasra emelkedett fel, mikor a motor leállt. A pilóta rögtön visszaengedte a gépet a kifutóra, és megállította. H. Sándor, illetve a gép utasa épségben megúszta, és a Cessna sem sérült meg.” „a cukor rögtön a levegőbe emelkedés után elzárta azt a szűrőt, mely átengedi az üzemanyagot a motorba.” „Feltételezhető, hogy ha nem járatják hosszabb ideig a motort, akkor a cukor csak nagyobb magasságban zárta volna el az üzemanyag útját.” „A cukor ráég a henger falára és tönkreteszi a motort!”
„a cukor … elzárta a szűrőt”
Mi történik, ha a benzintankba cukrot teszünk? „A cukor ráég a henger falára és tönkreteszi a motort!”
„a cukor … elzárta a szűrőt”
A cukor csak szűrő(kö)n keresztül juthat a motorba, azaz csak oldott állapotban, szilárd halmazállapotban nem. Oldódik a cukor benzinben?
KÍSÉRLET
Magyarázat: Hasonló hasonlót old! Kristálycukor: szacharóz poláris
benzin: szénhidrogének apoláris
A cukor nem oldódik benzinben, mechanikailag hat. Ha a szűrők jól működnek nem jut be a motorba. TIPP: A cukor drága, használjunk inkább finom szemcséjű homokot!
Mi történik, ha dízel autóba benzint tankolunk? A benzin a gázolajhoz képes jól tűri 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 kenő 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 előtt 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 első 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
Kétütemű motorja van!
A négyütemű motor működése
http://www.mozaweb.hu/course/fizika_7/jpg/cd_f7_134_4.jpg
Az Otto- és a Diesel-motorok négyüteműek.
A kétütemű motor működése
az üzemanyag olajoz! http://upload.wikimedia.org/wikipedia/hu/8/84/Silnik_dwusuwowy_hun.png
Egyszerű szerkezet, nagy fajlagos teljesítmény -> kis erőgépek, motorkerékpárok
Mit tankolnak ma a Trabantosok?
Ugyanazt, amit az Otto-motoros autókba kell: benzint. Csak tesznek hozzá 2T motorolajat a megfelelő 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 metanol,aaceton, nitrobenzol… Kísérletek: palackban
Matra Cosworth MS80 1969
Kísérletek: metanol a palackban Nézzük meg ugyanezt lassítva! Néhány kísérlet felvétele elérhető a Youtube-on: https://www.youtube.com/watch?v=umgjXTe3SWg&list=PL2J AnMLECLFtCn3hrMoLjxSRMONoimdlk
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, gőznyomás, sűrűség, 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 jelentősen eltérhet!
normál
F1
Mit tankolnak a F1-es autók?
Majdnem ugyanazt, mint a hétköznapi autósok!
Fioranoban egy F1 Ferrarival mindössze 1,4%-al lassabb kör ezzel, mint a F1-es üzemanyaggal.
Egy különleges benzinmotor: a Wankel-motor Olyan négyütemű benzines szikragyújtású motor, amiben nem henger alakú a henger, nincs főtengely, nincsenek hajtókarok, szelepek és nem mozog fel-le a dugattyú (forgódugatyús motor)... Olcsóbb gyártás, nagyobb teljesítmény/méret! ‘60-as - ’70-es évek: óriási remények és fejlesztések (elsősorban Mazda). Nagy üzemanyag és olajfogyasztás, a szennyezőanyag-kibocsátási normákat nehezen tudták vele tartani.
Felix Wankel 1902-1988
Márpedig a a Wankel-motor jó! http://totalcar.hu/belsoseg/2017/01/12/a_wankel-motor_rossz/
„Csak be kell építeni egy versenyautóba, hagyni, hogy korlátlan mennyiségű üzemanyagot és olajat fogyasszon, majd meg kell verni vele a sokkal több pénzből dolgozó, nagyobb gyártókat.” A motor kicsi és könnyű, ezért mélyen az Ez a motor! első tengely mögé lehet tolni, alacsonyra beépítve, így nagyon stabil autót lehet építeni.
A belsőégésű motorok szennyezőanyag-kibocsátása Fontosabb szennyezőanyagok: - 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 üzemanyagbeömlő nyílás rövid időre egyszerre lehet nyitva. Egészségügyi hatások: a szénhidrogének mérgező, rákkeltő 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 Elsőként nitrogén-monoxid képződik, ez oxidálódhat (részben) tovább nitrogén-dioxiddá. Egészségügyi hatások: károsítja a nyálkahártyát, tüdőt, asztmát okoz NO több úton is keletkezhet. A motorokban a legfontosabb reakcióút a thermal (vagy Zeldovich NO) képződés.
A thermal NO Zeldovics 1946-ban fedezte fel Fő 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 hőmérsékleten keletkezik jelentős mennyiségű nitrogén-monoxid.
A nitrogén-oxid képződés csökkentése
1. Az égés hőmérsékletének csökkentése Új motorkonstrukciókat kell kidolgozni. A régi motorokon nem segít… 2. utókezelés
A korom A korom policiklusos aromás szénhidrogénekből álló szilárd anyag. Több lépésben keletkezik: 1. Korom előanyagok (benzol, kisebb aromás vegyületek) képződése kis szénhidrogén molekulákból / gyökökből. 2. Nagyobb policiklusos aromás vegyületek, majd molekulacsoportok képződése.
A korom
3. A korom növekedése a kis részecskék összetapadásával illetve kémiai reakciókkal A korom egészségügyi hatásai - rákkeltő - a szállópor egyik fő alkotója, ingerli a szemet, a légutakat - asztmát okoz
A koromképződés 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
Redukciós reakciók, Rh katalizátor: NO → N2 http://www.chemgeneration.com/hu/milestones/katalizátorok-szűrők.html
A „háromutas” katalizátor
A levegő mennyiségét nagyon pontosan be kell állítani! = 1.00 ± 0.03 oxigénszenzor, számítógépes vezérlés A kipufogógáz összetétele
λ
a katalizátor ------ a katalizátor előtt után
Dízelmotorok NOx csökkentése: AdBlue „BluePerformance, Clean Diesel, BlueTec vagy BlueTDI és más hasonló "kékes" fantázianévvel látják el az Euro-6 kibocsátási normát teljesítő dízel modelljeiket. Virágnyelv: sokkal jobban hangzik, mint az adalékanyag tényleges elnevezése, az urea vagy karbamid. Ötletgazdag marketing szakemberek az adalékanyagot - ami nem más, mint 32,5 százalékos urea-oldat -, a tetszetős AdBlue névvel látták el.” http://hvg.hu/cegauto/20130114_Kulon_kell _majd_tankolni_a_dizel_melle Karbamid: (NH2)2CO Az emlősállatok és az ember fehérjeanyagcseréjének végterméke. Egy felnőtt ember naponta kb. 25-30 g karbamidot választ ki a vizeletében. Közkincs, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1039936
AdBlue AdBlue: 32,5% karbamid desztillált vízben A karbamid magas hőmérsékleten bomlik: (NH2)2CO + H2O 2 NH3 + CO2 A keletkező NH3 ugyanazokkal a reakciókkal távolítja el az NO-t, mint a Thermal DeNOx folyamatnál. Összevont reakció: NH3 + NO + O2 N2 + 3 OH fogyasztás: a Diesel-olaj fogyasztás 3-4%-a (Euro 4 szabvány) 5-7%-a (Euro 5 szabvány) ára kb. 100 Ft / liter
http://mobilgazolajkut.hu/adblue.html
Kén-dioxid A kén-dioxid (SO2) a kőolajban természetes módon előforduló kénvegyületek oxidációjával keletkezik. Káros hatásai: - izgatja a nyálkahártyát, a bőrt - légzési nehézséget, tüdőödémát okoz - a kén-oxidok a savas esők jelentős alkotói Fontos a megelőzés! Az üzemanyagok kéntartalmát évtizedek óta csökkentik.
Üzemanyagok maximális kéntartalma 1986 előtt 1986-1997 1997-2000 2000-2005 2005-től (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 növelő adalékanyagban (ólom-tetrametil, ólom-tetraetil) került a benzinbe. Ezek fémorganikus vegyületek. ólom-tetrametil: Pb(CH3)4 ólom-tetraetil: Pb(CH2H3)4
Ólom Egészségügyi hatások: -fejlődési zavarokat okoz gyermekekben - beépül a csontokba és csökkenti annak szilárdságát - súlyos idegrendszeri zavarokat okoz - károsítja a veséket Fontos a megelőzés! Magyarországon 1999 óta nem forgalmaznak ólomvegyülettel adalékolt üzemanyagot. határérték: < 5 mg/dm3
Kibocsátási határértékek Eltérő határértékek személyautókra, kicsi, közepes és nagy haszonjárművekre. Eltérő határértékek benzines és diesel motorokra. Euro Euro Euro Euro Euro Euro
1: 1993 2: 1996 3: 2000 4: 2005 5: 2009 6: 2014
Kibocsátási határértékek benzinüzemű személyautókra Részecskék száma: darab/km Minden más: g/km besorolás
CO
THC
NMHC
NOx
HC+NOx
PM
Euro 1
2,72
-
-
-
0,97
-
Euro 2
2,2
-
-
-
0,5
-
Euro 3
2,3
0,20
-
0,15
-
-
Euro 4
1,0
0,10
-
0,08
-
-
Euro 5
1,0
0,10
0,068
0,060
-
0,005
Euro 6
1,0
0,10
0,068
0,060
-
0,005
PN
6·1011
CO: szén-monoxid, THC: összes szénhidrogén, NMHC: nem metán szénhidrogén, NOx: nitrogénoxidok, HC+NOx : szénhidrogének és nitrogénoxidok együtt, PM/PN: 0,1 mm-nél kisebb részecskék tömege/száma
Kibocsátási határértékek mérése A szennyezőanyag kibocsátás erősen függ a működési körülményektől! (lásd 2015 Volkswagen botrány) Jelenlegi vizsgálat: tesztkörülmények között Szabványosított tesztciklusok - Európa: NEDC – USA: UDDS, US06, SC03 (FTP-75) – Japán: JC08, 10-15 Mode – Világ: WLTC Terv: valós körülmények között
Kibocsátási határértékek mérése NEDC – egy szabványos menetciklus New European Driving Cycle, Új Európai Menetciklus: Négy ECE városi ciklus + egy EUDC városon kívüli ciklus.
Kibocsátási határértékek mérése CADC – egy alternatív menetciklus Common Artemis Driving Cycles Sokkal közelebb áll a valódi autóhasználathoz.
European ARTEMIS project (Assessment and Reliability of Transport Emission Models and Inventory Systems)
NOx kibocsátás a kétféle tesztciklusban
NOx kibocsátás a kétféle tesztciklusban
Kék: az EURO határérékek Vörös: a CADC (valósághoz közeli) tesztciklusban mért érték
Szennyezőanyagok mérése a gyakorlatban Leggyakrabban: négygázelemző berendezéssel CO, CO2, szénhidrogének: infravörös érzékelővel (NDIR) O2: elektrokémiai érzékelővel (nem szennyező!)
Hogyan lehet gázkoncentrációt infravörös érzékelővel mérni?
Az elektromágneses spektrum
A fény kölcsönhatása az anyaggal abszorpció: az a folyamat, amely során a fény elnyelődik az anyagban emisszió: az a folyamat, amely során az anyag fényt sugároz ki http://aplusphysics.com/wordpress/regents/wp-content/uploads/2011/05/image_thumb10.png
Ez infravörös fénnyel ugyanígy történik! Az elnyelődő infravörös fény energiája gyorsabb rezgésbe hozza a molekulákat.
A CO2 spektruma Spektrum: a fényelnyelés mértéke a fény hullámhosszának függvényében
CO2: jól mérhető elnyelés 4,3 mm-nél.
Az NDIR érzékelő működése NDIR érzékelő: Nondispersive infrared sensor Nem kell szétbontani a fényt különböző hullámhosszakra, optikai szűrőkkel választják ki a spektrumból az érdekes részeket.
A széhhidrogének mérése CO CO2 Szénhidrogének: több száz anyag! Nem mérhetjük az összeset egyszerre! Nem, de… Beállnak egy anyagfajta mérésére (ez általában a n-hexán). A szénhidrogének elnyelése hasonló, ezért a teljes kibocsátással arányos jelet mérnek.
Ugyanazt tankoljuk napjainkban, mint 30 éve? Igen! A benzin alapvetően most is különféle szénhidrogénből áll. Nem! Ma már: -
Nincsenek benne ólomtartalmú adalékanyagok. Sokkal alacsonyabb a kéntartalma. Sokkal kevesebb benzolt tartalmaz. Jelentős a biokomponens tartalma.
Mit várunk a jövő motorjaitól?
- Nagyobb teljesítményt - Alacsonyabb fogyasztást - Alacsonyabb károsanyag kibocsátást
Mi van a hagyományos Otto- és a Diesel-motorokon túl?
A rétegzett töltésű 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 levegőbe fecskendezik be Renault SCPE
Az üzemanyag befecskendezése úgy történik, hogy a henger egyes részein eltérő legyen a koncentráció.
A rétegzett töltésű benzinmotor Stratified Charge Petrol Engine (SCPE)
Különböző összetételű keverék a hengerben: • a gyertya közelében optimális gyulladás • a gyertyától távol optimális szennyezőanyag termelés Első változatai 40 éve a piacon! Honda CVCC motor
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/CVCC.JPG
A homogén töltésű kompressziógyújtású motor Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI)
Olyan, mint az Otto-motor: a tüzelőanyagot és a levegőt előre, nagyon alaposan összekeverik és összenyomják
Olyan, mint a Diesel-motor: az égés a keverék öngyulladása miatt következik be
Nagyon sokat vártak tőle!
Miért alacsony a HCCI-motor NOx kibocsátása? Diesel-motor üzemanyag befecskendezés
Helyileg sok tüzelőanyag: sok NOx és korom
Otto-motor
HCCI-motor
gyújtógyertya
Forró láng: sok NOx
Alacsony hőmérsékletű égés: kevés NOx
Hogyan lehet megvalósítani a HCCI-motort? Nagyon kifinomult motorvezérlés kell hozzá! A legfontosabb az öngyulladás finom szabályozása: - előmelegítés füstgázzal - az összenyomás mértékének szabályozása - a tüzelőanyag összetételének változtatása - szükség esetén kiegészítő szikragyújtás Létező prototípusok: General Motors, MercedesBenz, Volkswagen Nem hozott igazi áttörést… General Motors DiesOtto
Az összenyomásos gyújtású benzinmotor Gasoline Compression Ignition (GCI)
Olyan, mint az Otto-motor: benzin-levegő keveréket égetünk A, M., Foster, M., Hoyer, K., Moore, W. et al. (2014) “Development of a Gasoline Direct Injection Compression Ignition (GDCI) Engine,” SAE Int. J. Engines 7(2) doi: 10.4271/2014-01-1300
Olyan, mint a Diesel-motor: az összenyomott égéstérbe befecskendezett üzemanyag öngyulladása indítja az égést
„Benzinnel működő Diesel-motor” Hogyan lehetséges ez???
Az összenyomásos gyújtású benzinmotor Gasoline Compression Ignition (GCI)
„Benzinnel működő Diesel-motor” Tüzelőanyag: „rossz benzin” (RON ~60) képesHogyan öngyulladásra, lehetséges ez??? csak sokkal lassabban, mint a gázolaj. Befecskendezés: levegő beszívás közben / összenyomás elején Öngyulladás: mielőtt homogén töltetet kapnánk Átmenet a Diesel és a HCCI motorok között.
A kétüzemanyagos vagy reaktivitás kontrollált összenyomásos gyújtású motor Duel fuel or Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) ~10% gázolaj
levegő
~90% benzin/gáz
befecskendező
gázolaj levegő
tüzelőanyagkeverék
benzin/gáz tüzelőanyag keverék
http://www.tgi-inc.net/images/chart_turbo_700.jpg
1. A tüzelőanyag/levegő keveréket összenyomják 2. A gázolajat befecskendezik, ami begyújtja a lángot
A kétüzemanyagos vagy reaktivitás kontrollált összenyomásos gyújtású motor Duel fuel or Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI)
Milyen üzemanyagot tankoljuk egy RCCI motoros autóba? Benzint
VAGY ÉS gázolajat ?!
Köszönetnyilvánítás Róka Andrásnak, Marosvölgyi Beátának és Gajdos Lászlónak a kísérletek előkészítésében nyújtott segítségükért.
Köszönöm a figyelmet!
