A benzinmotorok égéshője és a belső égésű motorok működési folyamatai
Valószínűleg mindenki megtapasztalta már azt a pillanatot, amikor az autójához vagy motorjához érkezve a tankoló pisztoly után nyúl, hogy megtöltse járművét üzemanyaggal. De vajon hányan gondolkodtak el azon, mi is történik valójában a motorban, amikor elfordítjuk a kulcsot, és a benzin begyullad? Ez nem csupán egy egyszerű égés; egy hihetetlenül összetett kémiai folyamat zajlik a motor hengereiben, amely energiát ad a mozgáshoz. E folyamat megértéséhez merüljünk el a benzin kémiai szívében, és vizsgáljuk meg a minta-üzemanyag, az izooktán tökéletes elégetésének részleteit. Készülj fel, mert egy izgalmas utazásra invitálak a molekulák világába!
Az izooktán, a benzin sztárja
Mielőtt a lángokba vetnénk magunkat, ismerkedjünk meg a főszereplővel. Az izooktán, kémiai nevén 2,2,4-trimetilpentán, egy elágazó láncú szénhidrogén, amelynek kémiai képlete C8H18. Bár a benzin valójában szénhidrogének bonyolult keveréke, az izooktánt gyakran használják modellként az oktánszám meghatározásához. Miért pont ő? Mert kiválóan ellenáll az öngyulladásnak, vagyis a motorban a gyújtógyertya szikrája előtti idő előtti detonációnak, amit „kopogásnak” nevezünk.
Az égés kémiai alapjai
Az égés, vagy más néven oxidáció, egy kémiai reakció, amely során egy anyag gyorsan egyesül oxigénnel, hőt és fényt szabadítva fel. A benzinmotorok esetében ez a folyamat irányított és robbanásszerű, a felszabaduló energia pedig mechanikai munkává alakul át, amely mozgatja a járművet. Amikor ezek a feltételek adottak, az izooktán molekulák, a levegő oxigénjével érintkezve, reakcióba lépnek. Ideális esetben az összes szén és hidrogén atom teljes mértékben oxidálódik, így a lehető legnagyobb energiát szabadítva fel, és a legkevésbé káros végtermékeket eredményezve. Amikor az izooktán tökéletesen elég, kizárólag szén-dioxidot (CO₂) és vizet (H₂O) termel.
A kémiai egyenlítés lépései az izooktán tökéletes égése során a következőképpen alakulnak:
- Szén (C) egyenlítése: A bal oldalon 8 szénatom van a C8H18-ban. Ezért a jobb oldalon is 8 szénatomnak kell lennie.
- Hidrogén (H) egyenlítése: A bal oldalon 18 hidrogénatom van a C8H18-ban.
- Oxigén (O) egyenlítése: Most számoljuk össze az oxigénatomokat a jobb oldalon (a termékekben). A 8 CO2-ben 8 * 2 = 16 oxigénatom van. A 9 H2O-ban 9 * 1 = 9 oxigénatom van.
Egész számú koefficiensek: A kémiai egyenletekben általában egész számú koefficienseket használunk. Ez az egyenlet azt mutatja, hogy 2 molekula izooktán tökéletes elégetéséhez 25 molekula oxigénre van szükség, ami 16 molekula szén-dioxidot és 18 molekula vizet eredményez.
Toyota Auris hibrid részletes adatok
Égéshő és fűtőérték
Látszatra, laikusan, sokan összetévesztik a két fogalmat. Mai szertelen kalandozásunk közepette fény derül arra, hogyan kell érteni ezeket? Továbbá mást jelentenek a szavak, de összefüggenek is egymással. Ha valaki a "Mennyi hő szabadul fel a tüzelőanyag elégetésekor?" kérdésre egyből rávágja, hogy "Az attól függ!", az nem feltétlenül szőrszálhasogatás. Ugyanis a tüzelőanyagok általában nagyrészt szénatomokat és hidrogénatomokat tartalmaznak, amik égéskor az oxigénnel egyesülnek szén-dioxiddá illetve vízzé:
$$\mathrm{C+O_2\to CO_2}$$
$$\mathrm{4H+O_2\to 2H_2O}$$
A keletező víz a meleg égéstermékben jelen lehet légnemű halmazállapotban, de jelen lehet szabad szemmel is látható apró vízcseppek formájában is. Ha az égési folyamat végén ezt a keletkező vízgőt sikerül folyékony halmazállapotú vízzé lecsapatni (kondenzáció), akkor a kondenzáció során a vízgőz leadja a forráshőt ($$L_{\mathrm{f}}=2,257\ \mathrm{\frac{MJ}{kg}}$$).
Az égéshő azt mutatja meg, mennyi hő szabadul fel, ha a tüzelőanyag egységnyi tömegét ($1\ \mathrm{kg}$‑nyi mennyiségét) tökéletesen elégetjük, és a folyamat végén az égéstermék vízgőztartalma kondenzálódik cseppfolyóssá és lehűl a kiindulási hőmérsékletre (jellemzően $25\ \mathrm{{}^\circ C}$‑ra). Az égéshő kísérletileg bombakaloriméterrel határozható meg.
A fűtőérték hasonló az égéshőhöz, csak annyiban különbözik tőle, hogy a végső állapotban az összes víztartalom légnemű állapotban van, amit úgy oldunk meg, hogy a mért égéshőből kivonjuk a keletkező víz tömegének és párolgáshőjének szorzatát.
Tüzelőanyagok összehasonlító táblázata
Az alábbi táblázatban bemutatjuk a legfontosabb folyékony tüzelőanyagok égéshőjét és fűtőértékét:
| Fűtőanyag | Égéshő (MJ/kg) | Fűtőérték (MJ/kg) | Fűtőérték (kWh/kg) |
|---|---|---|---|
| Benzin | 47 | 43 | 11,9 |
| Gázolaj (dízel) | 46 | 43 | 11,9 |
| Paraffinolaj | 49 | 45 | 12,5 |
| Etilalkohol | 29,7 | 26,8 | 7,4 |
| Metilalkohol | 22,7 | 19,9 | 5,5 |
| Biodízel | 40 | 37 | 10,2 |
Ezen látszik, hogy mennyire más a két adat. Mutatja a hidrogén arányát, melyből víz keletkezik, és a párolgási hő kivonásával kapjuk a fűtőértéket. A benzin esetében az égéshő 47 MJ/kg körüli érték, míg a fűtőértéke 43 MJ/kg.
A tökéletes égés előnyei és a valóság
A tökéletes égés maximális energiahatékonyságot és minimális károsanyag-kibocsátást eredményez. Sajnos a valóságban a „tökéletes” égés csak ritkán valósul meg teljesen a belső égésű motorokban. A tökéletlen égés következményei a következők:
- Szén-monoxid (CO): Ha nem elegendő az oxigén a szén teljes oxidációjához.
- Nem égett szénhidrogének (VOC-k): Az üzemanyag egy része teljesen érintetlenül távozik.
- Nitrogén-oxidok (NOx): A motor hengerében uralkodó magas hőmérséklet hatására.
- Szilárd részecskék (Korom): A nem tökéletes égés fekete finom részecskéit eredményezi.
A belsőégésű motorokkal szembeni követelmények igen összetettek, gyakran egymással ellentétes igényeket kell a fejlesztőknek kielégíteni. A motor tervezése során a kompressziós arány az egyik legfontosabb paraméter. A nagyobb kompresszió nagyobb hatékonyságot jelent, de növeli a kopogás veszélyét is. A mérnökök és kémikusok világszerte azon dolgoznak, hogy az égési folyamat még tisztább és hatékonyabb legyen, közvetlen befecskendezéssel, változó szelepvezérléssel vagy turbófeltöltéssel.