In der Halle der Hölle: Was im Motor passiert, Teil 2

In der Halle der Hölle: Was im Motor passiert, Teil 2

Wir setzen die Serie fort, was in einem chemischen Reaktor passiert, der als Motor bezeichnet wird.

Wir setzen eine Reihe von Artikeln darüber fort, was in einem chemischen Reaktor, einem sogenannten Verbrennungsmotor, passiert und wie schädliche Substanzen in den Abgasen gebildet werden. Dazu müssen wir jedoch etwas Licht auf die Brennstoffe und Verbrennungsprozesse werfen.

Mit wenigen Ausnahmen von den obligatorischen Zusätzen von bis zu 10% Biokraftstoffen stammt der größte Teil des Kraftstoffs in Ihrem Fahrzeugtank aus Erdöl. In riesigen Raffinerien wird Öl jedoch in diskrete Fraktionen destilliert und dann verarbeitet, um die Molekülstruktur zu ändern, je nachdem, ob es sich bei dem Motor um Benzin oder Diesel handelt.

Wir alle wissen, dass Wasser bei 100 ° C kocht. Egal wie wir es erhitzen, es wird diese Temperatur durch intensives Verdampfen aufrechterhalten. Eine reine Chemikalie namens Wasser ist jedoch eine Einkomponentenflüssigkeit. Im Gegensatz dazu besteht Öl aus vielen chemischen Kohlenwasserstoffverbindungen (Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen) mit unterschiedlichen Molekülgrößen - von gelösten Gasen, von denen das einfachste Methan ist, das aus vier Wasserstoffatomen und einem Kohlenstoffatom besteht, bis zu komplexen schweren Verbindungen. mit Formeln wie C85H60 - ein Molekül mit 85 Kohlenstoffatomen. Jede der Substanzen mit einer anderen Struktur und Masse von Molekülen hat ihre eigene Verdampfungstemperatur bzw. ihren eigenen Siedepunkt, und diese Tatsache basiert auf der Primärölraffination - atmosphärische Destillation. Dabei wird natürlich nicht jede Substanz freigesetzt, sondern eine Gruppe sogenannter Fraktionen. Das Öl wird zunächst von verschiedenen Verunreinigungen gereinigt und in Kesseln auf eine Temperatur von 320 bis 410 ° C erhitzt, wonach das resultierende Destillat in die sogenannte "Destillationskolonne" geleitet wird, wo die Fraktionen viel genauer getrennt werden. (Schau dir das Bild an)

Neben unterschiedlichen Größen haben die Moleküle dieser Substanzen auch unterschiedliche chemische Strukturen oder Formen. Bildlich kann davon ausgegangen werden, dass die Moleküle der Erdölbestandteile selbst als Gebäuderahmen aufgebaut sind - die Tragstruktur kann auf verschiedene Arten implementiert werden. Помимо разного размера, молекулы этих веществ также имеют различную химическую структуру или форму. Образно говоря, можно предположить, что сами молекулы составляющих нефтяных веществ построены как каркас здания — несущая конструкция может быть реализована различными способами. Однако многие вещества в топливе возникают из-за дополнительных, искусственно созданных структур во имя определенных потребностей (как станет ясно позже) и осуществляются посредством процессов расщепления больших молекул, таких как термический и каталитический крекинг, в котором большие молекулы получаются из бензина, керосина и дизельной фракции) путем каталитического риформинга и изомеризации (изменение структуры в поисках углеводородов с более высоким октановым числом) до компаундирования (смешение веществ, полученных из разных процессов)


Benzinmotor: Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid

Konzentrieren wir uns auf einige der spezifischen Funktionsprinzipien der beiden Arten klassischer Wärmekraftmaschinen, denn trotz der jüngsten Konvergenz von Benzin- und Dieselmotoren gibt es immer noch große Unterschiede in Art, Charakter und Verhalten. Bei Benzinmotoren, die nicht mit Ladungsschichtung arbeiten, dauert die Gemischbildung viel länger und beginnt lange vor Beginn des Verbrennungsprozesses. Ob mit Vergaser oder modernen elektronischen Direkteinspritzsystemen, das Ziel des Mischens ist es, ein gleichmäßig verteiltes, homogenes Kraftstoffgemisch mit einem genau definierten Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu erzielen. Dieser Wert schwankt innerhalb eines bestimmten Bereichs um t. Die Sonne. Ein "stöchiometrisches Gemisch", in dem genügend Sauerstoffatome vorhanden sind, um (theoretisch) mit jedem Wasserstoff- und Kohlenstoffatom in der Kraftstoffzusammensetzung eine stabile Struktur zu bilden, wobei nur H20O und CO2 gebildet werden. Das Verdichtungsverhältnis ist recht niedrig (nicht mehr als 14: 1 für atmosphärische (Mazda Skyactive-G) mit Direkteinspritzung, bis zu 10,5: 1 für Mitteldruck-Turbomaschinen und noch niedriger für Ansaugkrümmer-Einspritzeinheiten). ). Dies geschieht, um eine vorzeitige und unkontrollierte Selbstentzündung bestimmter Substanzen im Kraftstoff aufgrund der hohen Temperatur während der Kompression zu vermeiden - die Benzinfraktion besteht aus Kohlenwasserstoffen mit einer viel niedrigeren Verdampfungstemperatur, aber einer viel höheren Selbstentzündungstemperatur als diese. in der Dieselfraktion - eine Funktion, die direkt proportional zur Oktanzahl ist. Die eigentliche Zündung des Gemisches wird durch eine Zündkerze ausgelöst, bei der die Verbrennung in Form einer Front erfolgt, die sich mit einer bestimmten Grenzgeschwindigkeit bewegt, deren Energie auf jede nachfolgende Schicht übertragen wird. Leider bilden sich in der Brennkammer und insbesondere in der Nähe der Zylinderwände und des Kolbens Kühlzonen mit unvollständigen Prozessen, die zur Bildung von Kohlenmonoxid und stabilen Kohlenwasserstoffen führen (mehr dazu im nächsten Beitrag). Wenn sich die Flammenfront bewegt, steigen der Druck und die Temperatur an ihrer Peripherie an, wodurch schädliche Stickoxide (infolge der Kombination von Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft), Peroxide und Hydroperoxide (Verbindungen zwischen Sauerstoff) in den nahen Bereichen des noch unverbrannten Gemisches gebildet werden. und Kraftstoff). Je nach Art und Qualität des Kraftstoffs führt dies zu einer unkontrollierten Lawinen-ähnlichen Detonationsverbrennung im gesamten verbleibenden Volumen, wenn dessen Menge bestimmte kritische Werte erreicht. Ab diesem Moment steigt die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammenfront stark an und übersteigt die Schallgeschwindigkeit. Moderne Benzine verwenden daher Fraktionen von Molekülen mit einer relativ stabilen, schwer zu zerstörenden und detonierenden chemischen Struktur mit einer hohen Selbstentzündungstemperatur (z. B. Isoparaffine und aromatische Kohlenwasserstoffe). Um diese Stabilität zu erreichen, führen Raffinerien eine Reihe zusätzlicher Prozesse durch, deren Endergebnis eine Erhöhung der Oktanzahl des Kraftstoffs ist. Eine Erhöhung des Kompressionsverhältnisses führt zu einer Erhöhung des Drucks und der Temperatur des Gemisches, wodurch die durchschnittliche Temperatur des Prozesses ansteigt, die Oxidation und die Bildung von Peroxidverbindungen beschleunigt werden. Der Oxidationsprozess vor der Flamme findet während des Verdickungsprozesses statt, da verschiedene Kohlenwasserstoffe bei verschiedenen Temperaturen zu oxidieren beginnen. Um ein Klopfen zu vermeiden, sind moderne Benzinmotoren mit Klopfsensoren ausgestattet, die Stoßwellen erfassen, während Hightech-Lösungen durch Ionisationssensoren ersetzt werden, die die ersten Anzeichen einer Peroxidbildung erkennen und Motorparameter wie Turboladerdruck und Überholwinkel regulieren. Übrigens, Turbolader - bei diesen Maschinen ist der Druck im Arbeitsprozess viel höher, so dass das geometrische Verdichtungsverhältnis reduziert werden muss (im realen Fall wird der von der Turbine erzeugte Druck berücksichtigt). Sie haben jedoch gegenüber atmosphärischen den Vorteil, dass die Luft mit Ladeluftkühlern vorgekühlt werden kann und somit die Durchschnittstemperatur des Verbrennungsprozesses gesenkt wird - einer der vielen Gründe, warum sie effizienter sind und im Rahmen der Downsizing-Philosophie weit verbreitet sind. Eine weitere wichtige Komponente zur Senkung der Temperaturen und zur Verbesserung der Gemischbildung ist die direkte Kraftstoffeinspritzung, die das Volumen der Brennräume weiter kühlt. All dies gilt natürlich auch für Hochlastmodi - es hat teilweise keinen so ausgeprägten Effekt, daher einige Hersteller (Audi, Lexus) verwenden in diesem Fall ein zweites Einspritzsystem in den Ansaugkrümmern (besseres Mischen in einigen Modi, niedrigerer Druck und Energieverbrauch).

Benzinmotor: Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid

Aufgrund des weitgehend festen Mischungsverhältnisses, mit dem Benzinmotoren arbeiten können, spielt die Drosselklappe eine wichtige Rolle, die die Motorlast reguliert, indem sie die in die Zylinder eintretende Frischluftmenge reguliert. Leider verursacht die Drosselklappe selbst im Teillastmodus erhebliche Verluste, da sie in solchen Situationen als eine Art "Stopfen" des Motorhalses wirkt und dessen Wirkungsgrad direkt verringert. Die Hauptidee des Entwicklers des Dieselmotors Rudolf Diesel besteht darin, den thermodynamischen Wirkungsgrad der Maschine durch eine signifikante Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses zu erhöhen. Somit nimmt die Fläche der Brennstoffkammer ab und die Verbrennungsenergie wird nicht durch die Zylinderwände und das Kühlsystem abgeleitet, sondern zwischen den Partikeln selbst "verbraucht", die in diesem Fall viel näher beieinander liegen. Wenn ein vorbereitetes Kraftstoff-Luft-Gemisch wie bei Benzin in den Brennraum dieses Motortyps gelangt, wird beim Erreichen einer bestimmten kritischen Temperatur im Kompressionshub (abhängig von Kompressionsverhältnis, Betankung und Kraftstoffart) lange bevor der Kolben-Totpunkt (GMT) den Prozess einleitet Selbstentzündung und unkontrollierte volumetrische Verbrennung. Aus diesem Grund wird der Kraftstoff eines Dieselmotors im letzten Moment kurz vor GMT unter sehr hohem Druck eingespritzt, was jedoch zu einem erheblichen Zeitmangel für eine gute Verdampfung, Diffusion, Gemischbildung und Selbstentzündung führt. Aus diesem Grund ist es notwendig, die Höchstgeschwindigkeit zu begrenzen, die selten die Grenze von 4500 U / min überschreitet. Dieser Ansatz stellt die entsprechenden Anforderungen an die Qualität des Kraftstoffs, der in diesem Fall ein Bruchteil des Dieselkraftstoffs ist - hauptsächlich Direktdestillate mit einer deutlich niedrigeren Selbstentzündungstemperatur aufgrund einer instabileren Struktur, meist mit langer Lebensdauer. unverzweigte Moleküle, die leichter zerfallen und mit Sauerstoff reagieren.

Dieselmotor: Stickoxide und Ruß

Ein Merkmal der Verbrennungsprozesse eines Dieselmotors sind einerseits Zonen mit einem reichen Gemisch um die Einspritzlöcher, in denen sich der Kraftstoff aufgrund hoher Temperatur ohne Oxidation zersetzt (Risse) und andererseits zu einer Quelle von Kohlenstoffpartikeln (Ruß) wird. , in denen überhaupt kein Kraftstoff vorhanden ist und unter dem Einfluss hoher Temperaturen Stickstoff und Luftsauerstoff eine chemische Wechselwirkung eingehen und Stickoxide bilden. Daher sind ebenso wie die Möglichkeit der Zündung von mageren Gemischen in Teillastmodi Dieselmotoren konfiguriert, um mit solchen zu arbeiten (d. H. mit einem starken Luftüberschuss), und die Lastregelung erfolgt nur durch Dosieren der eingespritzten Kraftstoffmenge ohne Drosselklappe. Bei diesem Motor ist die Peroxidvorbildung wichtig, da sie selbstentzündliche Nester erzeugt, die den Prozess beschleunigen. Aus diesem Grund sind die Kraftstoffanforderungen genau das Gegenteil der Anforderungen an Benzinmotoren. Der schwerere Kraftstoff bietet einen weiteren Vorteil dieser Motoren gegenüber Benzin - er hat eine höhere Energiedichte. Andererseits produziert ein Diesel aus offensichtlichen Gründen bei gleichem Kraftstoffverbrauch mehr Kohlendioxid. Die niedrigeren CO2-Werte für Dieselmotoren sind auf einen deutlich geringeren vergleichbaren Verbrauch zurückzuführen. In modernen Motoren sind wie in ihren Benzin-Gegenstücken Sensoren installiert, die chemische Prozesse im Motor in Echtzeit erfassen.

Um jedoch die strengen Anforderungen der neuesten Normen für den Gehalt an Schadstoffen zu erfüllen, benötigt ein Dieselmotor teure Abgasrückführungssysteme (Senkung der Temperatur, um die Bildung von Stickoxiden auszulösen und einen Teil der Luft durch stabile inerte gasförmige Verbindungen zu ersetzen), Filter für Ruß und Stickoxide, Katalysatoren zur Neutralisierung schädlicher Emissionen in der Abgasanlage (darüber in der nächsten Veröffentlichung).

Um einige der Mängel eines Benzinmotors auszugleichen, haben Entwickler Motoren entwickelt, bei denen der Gemischbildungsprozess die sogenannte "Ladungsschichtung" ist. Im Teillastmodus wird das optimale stöchiometrische Gemisch nur im Bereich um die Zündkerzenelektroden erzeugt und ist im Durchschnitt „schlecht“. Motoren der neuesten Generation entwickelt BMW und Mercedes verwendete das sogenannte "Sprüh" -Verfahren, bei dem Piezo-Injektoren mit einem Einspritzdruck von mehr als 200 bar am Ende des Kompressionshubs eine bestimmte kegelförmige Kraftstoffwolke bilden, die von einer Kerze am Umfang gezündet wird. Da die Last in diesem Modus nur durch die zugeführte Kraftstoffmenge gesteuert werden kann, kann die Drosselklappe vollständig geöffnet bleiben. Dies führt wiederum zu einer gleichzeitigen Verringerung der Verluste und einer Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrads des Motors. Diese Einheiten benötigen jedoch auch Stickoxid-Rückgewinnungsvorrichtungen, von denen diese Motoren aufgrund der schlechten Mischleistung reichlich vorhanden sind und die durch homogene Mischmaschinen mit Turbolader und derselben Hochdruckeinspritzung wie einige der moderneren (Mercedes) schaltet in einigen Modi auf teilweise ungleichmäßiges Mischen um.

HCCI: das Beste aus beiden Welten

Die Art des Kraftstoffs und die Vorhersagbarkeit seines Verhaltens werden bei der Entwicklung von Motoren mit homogener Gemischbildung und Selbstentzündung von größter Bedeutung sein. Die Idee zur Schaffung dieser Einheiten, HCCI genannt, entstand genau aus dem Wunsch heraus, gleichzeitig die Vor- und Nachteile zweier klassischer Motortypen zu kombinieren. Die Entwicklungen von VW, General Motors und Mercedes (das schwierigste von allen - das Diesotto-Projekt) geben Hoffnung auf die frühzeitige praktische Umsetzung von Kraftwerken mit einem dieselähnlichen Wirkungsgrad mit hohem Verdichtungsverhältnis, einer gleichmäßigen Verteilung eines gleichmäßig mageren Gemisches im Brennraum und einer anschließenden gleichmäßigen volumetrischen Selbstentzündung mit vollständiger Flammenlosigkeit Verbrennung und bei niedrigen Temperaturen. Dies reduziert die Bildung von Stickoxiden und Peroxiden erheblich. Laboruntersuchungen an HCCI-Motoren in den letzten Jahren haben in der Tat gezeigt, dass die schädlichen Emissionen in Abgasen erheblich reduziert und gleichzeitig der Wirkungsgrad im Vergleich zu Benzinmotoren verbessert werden.

Das Benzin in diesen Motoren fühlt sich besser an, und je höher die Oktanzahl, desto besser. Die Logik dahinter ist einfach: Ein höherer molekularer Widerstand und eine höhere Selbstentzündungstemperatur ermöglichen das Erreichen höherer Kompressionsverhältnisse. Wenn in diesem Fall Diesel in Form eines direkten Destillats verwendet wird, geschieht dies während der Bewegung des Kolbens.

(Folgen)

Text: Georgy Kolev

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