Einige Überlegungen zu E10

Transkript

1 Käferteam Nürnberg 212 Klaus Falkenberg inige Überlegungen zu 1 s fällt auf den ersten Blick schwer, die Auswirkungen eines vergrößerten thanolanteils im Kraftstoff einzuschätzen. Hier sollen einige Überschlagsrechnungen helfen. s werden nur allgemeinzugängliche Tabellenwerte verwendet. Die getroffenen Annahmen sind vereinfacht. Tabellenwerte Für eine stöchiometrische Verbrennung kann man den Luftbedarf angeben: Luftbedarf Benzin = 14.7 Luftbedarf thanol = 9 Die Dichten von Benzin, thanol und Luft sind bekannt ( Für Luft wird hier der Wert für 2 C und Normaldruck verwendet. s wird auch vorausgesetzt, daß immer das gleiche Wetter herrscht. Das ist für die folgenden Rechnungen nicht immer ganz genau, der Fehler bleibt aber klein ) Dichte Benzin = 75 ³ Dichte thanol = 79 ³ Dichte Luft = 1,225 ³ Luftbedarf für die stöchiometrische Verbrennung Damit kann man den Luftbedarf für die stöchiometrische Verbrennung auch in Volumeneinheiten angeben!"#!"# 9 %& ' ()*!)!"#!"# 5.84 %& ' #)1' Und jetzt kann man den Luftbedarf für verschiedene Anteile von Benzin und thanol berechnen Graphisch dargestellt : 1 Luftbedarf( ) m 3 L Abbildung 1 Luftbedarf für eine stöchiometrische Verbrennung von Benzin mit unterschiedlichem thanolanteil

2 Und für Gemische von % bis 1% thanol in Benzin : Luftbedarf( ) m 3 L Abbildung 2 Luftbedarf für eine stöchiometrische Verbrennung von Benzin mit unterschiedlichem thanolanteil Was für Auswirkungen hat das in der Praxis? Wenn man einen Vergaser mit also alkoholfreiem Kraftstoff auf λ = 1 einstellt und dann ethanolhaltigen Kraftstoff tankt, wird sich das Verbrennungsluftverhältnis ändern. Oder, wieder in einer Graphik ausgedrückt : ,18 7 ; ,37 λ ( ) 1.4 λ 5 ( ) λ 1 ( ) λfenster max λfenster min Abbildung 3 Verbrennungsluftverhältnis bei verschiedenen Kraftstoffkombinationen

3 Das Bild zeigt alle möglichen Kombinationen. Die grüne Gerade z.b. zeigt, daß ein Vergaser, der mit 1 auf λ = 1 eingestellt, mit 5 ein λ von,98 und bei einen Wert von 7,965 erreicht. Dazu sind zwei Grenzwerte eingezeichnet : Die ingreifgrenzen der Lambdasonde in geregelten A 7 A? 1,3 und 7 B.97 In den xtremfällen dieser Rechnung ändert sich das Verbrennungsluftverhältnis also so weit, daß eine Regelung versuchen würde, die Abweichung auszugleichen. Die ungefähren Grenzen für optimalen Kraftstoffverbrauch und optimales Drehmoment zeigt das nächste Bild. Über den Schadstoffausstoß in den verschiedenen Betriebsbereichen sagen diese Bilder nichts. λ ( ) λ 5 ( ) 1.1 λ 1 ( ) λ maxdrehmoment 1 λ minverbrauch Abbildung 4 Verbrennungsluftverhältnisse und Grenzwerte für optimales Drehmoment und geringsten Verbrauch Die folgenden Abschätzungen zeigen, daß andere ffekte eine viel größere Rolle spielen.

4 influß von Luftdruck und Höhe Der Luftdruck ist von der Höhe abhängig. ine grobe Faustregel sagt daß 8 Höhenmeter 1 mbar Druckunterschied machen. Genauer lässt sich das mit der barometrischen Höhenformel berechnen : F2# H I9 JKK.; JJ9 #L 1 p( h) hpa Abbildung 5 Darstellung des Luftdruckverlaufs für Höhen von bis 5 m mit der barometrischen Höhenformel h Stellt man einen Vergaser auf Höhenmeter, z.b. in Bremerhaven auf λ = 1 ein und fährt dann nach München ( 518 m über NN ) ändert sich das Verbrennungsluftverhältnis deutlich. Umgekehrt, instellen in München, dann nach Bremerhaven fahren, passiert natürlich das Gegenteil. Nennen wir das Verbrennungsluftverhältnis wenn die instellung auf m über NN erfolgte λ und λ 5, wenn der Vergaser auf 5 m über NN eingestellt wurde. 7 8 F2%3 F2# F25 %3 F2#3 1.1 λ ( h) λ 5 ( h) λfenster min λfenster max Abbildung 6 influss der Höhe über NN auf das Verbrennungsluftverhältnis Wie man leicht sieht, werden die Regelgrenzen der Lambdasonde hier schon viel deutlicher überschritten. h

5 Die Luftdruckunterschiede durch normales Wetter sind kleiner. 99 mbar bei niedrigem und 13 mbar bei hohem Luftdruck würden Werte von ,9611 oder A ergeben. Die Regelgrenzen 7 A? 1,3 und 7 B.97 würden aber schon wieder überschritten nergieinhalt und Leistung In den einschlägigen Tabellen und Datenblättern findet man für die Reaktionsenthalpien von Benzin und Alkohol die Werte Mit den Dichten P 42 QR ST und P 26.9 QR ST!"# 75 ST % & und!"# 79 ST % & kann man auch das wieder auf das jeweilige Volumen umrechnen PU P!"# 31.5 QR ' PU P!"# QR ' Und damit zu einer gegebenen Luftmenge den nergieinhalt V WXYZ[\] Für thanol : 3.66 ^ _B WXYZ[\] V cd[ef[ Für Benzin : 3.51 ^ _B cd[ef[ ` a Ab ` a Ab Für beliebige Gemische : 2153PU 6PU PUg

6 Graphisch dargestellt : HVF( ) J L Abbildung 7 Auf das Volumen bezogener nergieinhalt verschiedener Gemische von Benzin und thanol bei gegebener Luftmenge Die Leistung eines Motors hängt von Hubraum, Drehzahl, Zahl der Zylinderfüllungen pro Umdrehung und dem nergieinhalt des Kraftstoff-Luftgemisches ab. Davon ist leider nur ein Teil als mechanische Arbeit nutzbar.!h)tp% #*#'gü'')t) PU jba jba Für einen Viertaktmotor der in jeder zweiten Umdrehung seine Zylinder füllt, mit 1 cm 3 Hubraum und 1 Umdrehungen pro Minute ergibt sich Für thanol :!h)t 3.5Sk Für Benzin :!h)t 29.17Sk rstaunlich scheint auf den ersten Blick, daß die Leistung mit thanol höher ist. Das wird durch den geringeren Luftbedarf erklärt. Bei feststehender Luftmenge kann mehr Kraftstoff verbrannt und mehr Leistung erzeugt werden. Der Unterschied ist so gering, daß er nicht ins Gewicht fällt. Für alle Gemische von thanol und Benzin ergibt die graphische Darstellung

7 Leistung( ) kw Abbildung 8 Motorleistung eines gegebenen Motors mit verschiedenen Benzin-thanol-Gemischen Für = % bis = 1% Leistung( ) kw Abbildung 9Motorleistung eines gegebenen Motors mit Benzin-thanol-Gemischen bis 1% thanol

8 Auswirkung von 1 auf Dichtungen Jeweils fünf Ringe aus Nitrilbutylkautschuk wurden für 1 Tage unter verschiedenen Bedingungen gelagert. In Luft ( in der Schublade ), Wetter ( am rbsenspalier ) In Wasser, in Brennspiritus, in Superkraftstoff (5 ) und Superkraftstoff 1. Danach wurden die Ring gewogen. Die 1 Ringe waren am schwersten. Sowohl im Durchschnitt als auch in den inzelmessungen Gewicht in g,9,85,8,75,7,65,6 O-Ringe nach 1 Tagen in verschiedenen Medien Luft Wetter wasser Brennspiritus Superkraftstoff 1 Abbildung 1 Gewichte von Proben nach 1 Tagen in verschiedenen Medien Gewichte von O-Ringen nach 1 Tagen in verschiedenen Medien in g Luft Wetter wasser Brennspiritus Superkraftstoff 1 Durschnitt,7198,7184,7453,71116,8584,82758 Standardabweichung,663,1211,665,1111,96,9

9 Jeweils ein Ring wurde über 24 Stunden bei 6 C getrocknet. Die Differenz war beim -1-Ring am größten O-Ringe trocknen Gewichte in g vorher nachher Differenz Luft,7218,7184,34 Wetter,726,7222,38 Wasser,7488,7218,27 Spiritus,6985,6492,493 Super,8248,6634,1614 1,8211,6518,1693 Die graphische Darstellung ist noch deutlicher. Gewichtsverlust beim Trocknen Verlust in g,18,16,14,12,1,8,6,4,2,1693,1614 Brennspiritus Super 1 Wasser Wetter Super 5,493 Luft,27,34, Abbildung 11 Gewichtsverlust einiger Proben nach Trocknung

10 Festigkeitsverluste Butylkautschukringe wurden in verschiedenen Medien gelagert. Anschließend auf einer Zugprüfmaschine zerrissen. Die mittlere Bruchdehnung dient als Maß für die Belastung des Materials s ist kein nennenswerte Unterschied zwischen 5 und 1 feststellbar 6 Spannung in N/mm² 6 Spannung in N/mm² Dehnung in % Dehnung in % Nach 1 Tagen in Luft Mittlere Bruchdehnung 114% Nach 1 Tagen in thanol Mittlere Bruchdehnung 96% 6 Spannung in N/mm² 6 Spannung in N/mm² Dehnung in % Dehnung in % Nach 1 Tagen in 5 Mittlere Bruchdehnung 75% Nach 1 Tagen in 1 Mittlere Bruchdehnung 75% Abbildung 12 Spannungs/Dehnungsmessungen an Butylkautschukringen nach 1 Tagen in verschiedenen Medien Zusammenfassung Die Auswirkungen der thanolbeimischung auf die Gemischbildung im Motor wurde in Beispielrechnungen geprüft. In einem Motor mit λ-regelung würde die Regelung auf den Wechsel von zu 1 gerade eben reagieren. Die festgestellten Unterschiede sind kleiner als die inflüsse durch Wetter und Höhenunterschiede Die unterschiedlichen Gasvolumen von Benzin und thanol wurden nicht berücksichtigt. Das Quellverhalten und der influss von ethanolhaltigem Kraftstoff auf Butylkautschuk wurde in einfachen Versuchen untersucht. in höherer thanolgehalt führt zu größerem Aufquellen des Materials. 5 und 1 verringern die Bruchdehnung deutlich. in Unterschied von 5 zu 1 ist nicht nachzuweisen. Schlussfolgerung : s ist nicht zu erwarten, daß in der Praxis ein Leistungsverlust oder Überhitzung infolge mageren Gemisches auftritt. Wegen der Quellwirkung von ethanolhaltigem Kraftstoff scheint es nicht empfehlenswert, alkoholfreies Super+ und 1 im Wechsel zu tanken.