Jos ajatellaan kemiallisesti yksinkertaisinta polttoainetta moottoriin, niin sehän olisi vety-happi -seos, käytännössä vety-ilma -seos.
Reaktioyhtälö:
2H2 O2 ----> 2H2O ( lämpö) (1
Reaktioyhtälössä kolmesta moolista kaasua syntyy kaksi moolia kaasua, joten tuotettu pV työ perustuu syntyneeseen lämpöön. Kuvitteellisessa sylinterissä, joka jäädytetään räjähdyksen jälkeen mäntä ei työntyisi ulospäin vaan vakuumi (täsmällisemmin ulkoinen paine) kiskoisi sitä sisäänpäin. Koska prosessi tapahtuu nopeasti (adiapaattisesti) ei vedyn käytölle polttomoottorissa ole mitään estettä ja hyötysuhde on hyvä.
Kun sylinteri on vakiotilavuuksinen "astia", ei vetymäärän lisääminen lisää tuotettua työtä, ellei samalla saada lisää happeakin. Ylimäärä vety vain menee läpi reagoimatta.
Jos sitten otamme toisen yksinkertaisen, mutta teoreettisen, polttoaineen, hiilen, niin reaktioyhtälö on:
C O2 ------> CO2 ( lämpö) (2
Käytännössä kiinteää hiiltä ei ole polttoaineena moottoreissa. Tässä tulisi kuitenkin yhdestä moolista kaasumaista lähtöainetta ( mitättömästä tilavuudesta kiinteätä aineeta) yksi mooli kaasumaista tuotetta, joten ylläkuvatussa jäähdytetyssä sylinterissä päästäisiin tasapainoon. Tuotettu työ perustuu siis kuitenkin yksinomaan lämpöön.
Jos hiiltä syötettäisiin ylimäärin happeen nähden, voitaisiin saada vaikkapa seuraavanlainen tilanne:
3C 2O2 -----> 2CO CO2 ( lämpö) (3
Nyt verrattuna yhtälöön 2 saadaankin kahdestä lähtöainekaasumoolista 3 moolia kaasumaisia tuotteita, joten moottorin tuottama pV työ perustuu osaksi syntyvään tilavuuteen ja jäädytetty sylinterikin tuottaisi vaatimattomasti työtä. Pääosa työstä on tässäkin reaktiolämmön ansiota.
Tämä pieni ero yhtälössä 3 verrattuna yhtlöihin 1 ja 2 selittää ainakin osaksi sen, miksi vanhan ajan bensiinimoottorit toimivat rikkaalla seoksella. Bensan polttohan on yhdistelmä yhtälöistä 1 ja 2 (tai 3). Lievästi rikkaalla seoksella saatiin enemmän työtä yhtä työtahtia kohti (ei kuitenkaan polttoainelitraa kohti).
Polttomoottorin tuottamaa tehoa ei käytännössä rajoita varsinaisen polttoaineen (hiilivedyn tms) määrä vaan hapen määrä. Työhän vapautuu palamisreaktiosta, jota ei tapahdu pelkästään polttonesteessä. Turboahdin antaa lisää ilmaa, jolloin voidaan polttaa lisää bensaa ja saadaan enemmän työtä yhtä työtahtia kohti.
Pientä pohdittavaa tulee siitä, miksi metanoli on bensiiniä tehokkaampi polttoaine, vaikka sen palamisenergia on vähäisempi tai miksi vesilisäys voi tehostaa moottoria. Täydellinen vastaus ei käy vielä ilmi ylläolevasta.
Reaktioyhtälö:
2H2 O2 ----> 2H2O ( lämpö) (1
Reaktioyhtälössä kolmesta moolista kaasua syntyy kaksi moolia kaasua, joten tuotettu pV työ perustuu syntyneeseen lämpöön. Kuvitteellisessa sylinterissä, joka jäädytetään räjähdyksen jälkeen mäntä ei työntyisi ulospäin vaan vakuumi (täsmällisemmin ulkoinen paine) kiskoisi sitä sisäänpäin. Koska prosessi tapahtuu nopeasti (adiapaattisesti) ei vedyn käytölle polttomoottorissa ole mitään estettä ja hyötysuhde on hyvä.
Kun sylinteri on vakiotilavuuksinen "astia", ei vetymäärän lisääminen lisää tuotettua työtä, ellei samalla saada lisää happeakin. Ylimäärä vety vain menee läpi reagoimatta.
Jos sitten otamme toisen yksinkertaisen, mutta teoreettisen, polttoaineen, hiilen, niin reaktioyhtälö on:
C O2 ------> CO2 ( lämpö) (2
Käytännössä kiinteää hiiltä ei ole polttoaineena moottoreissa. Tässä tulisi kuitenkin yhdestä moolista kaasumaista lähtöainetta ( mitättömästä tilavuudesta kiinteätä aineeta) yksi mooli kaasumaista tuotetta, joten ylläkuvatussa jäähdytetyssä sylinterissä päästäisiin tasapainoon. Tuotettu työ perustuu siis kuitenkin yksinomaan lämpöön.
Jos hiiltä syötettäisiin ylimäärin happeen nähden, voitaisiin saada vaikkapa seuraavanlainen tilanne:
3C 2O2 -----> 2CO CO2 ( lämpö) (3
Nyt verrattuna yhtälöön 2 saadaankin kahdestä lähtöainekaasumoolista 3 moolia kaasumaisia tuotteita, joten moottorin tuottama pV työ perustuu osaksi syntyvään tilavuuteen ja jäädytetty sylinterikin tuottaisi vaatimattomasti työtä. Pääosa työstä on tässäkin reaktiolämmön ansiota.
Tämä pieni ero yhtälössä 3 verrattuna yhtlöihin 1 ja 2 selittää ainakin osaksi sen, miksi vanhan ajan bensiinimoottorit toimivat rikkaalla seoksella. Bensan polttohan on yhdistelmä yhtälöistä 1 ja 2 (tai 3). Lievästi rikkaalla seoksella saatiin enemmän työtä yhtä työtahtia kohti (ei kuitenkaan polttoainelitraa kohti).
Polttomoottorin tuottamaa tehoa ei käytännössä rajoita varsinaisen polttoaineen (hiilivedyn tms) määrä vaan hapen määrä. Työhän vapautuu palamisreaktiosta, jota ei tapahdu pelkästään polttonesteessä. Turboahdin antaa lisää ilmaa, jolloin voidaan polttaa lisää bensaa ja saadaan enemmän työtä yhtä työtahtia kohti.
Pientä pohdittavaa tulee siitä, miksi metanoli on bensiiniä tehokkaampi polttoaine, vaikka sen palamisenergia on vähäisempi tai miksi vesilisäys voi tehostaa moottoria. Täydellinen vastaus ei käy vielä ilmi ylläolevasta.
Vastaukset 8
Vanhimmat
Virheitähän tulee aina, mutta onneksi osa niistä on korjattavissa:
Kirjoitin: [Kun sylinteri on vakiotilavuuksinen "astia", ]
Tarkoitin: [Kun sylinteri on vakiomaksimitilavuuksinen "astia", ]
Tokihan sylinterin tilavuus muuttuu työtahdin aikana, mutta tässä yhteydessä tuo maksimitilavuus on se rajoittava tekijä.
Eikö polttokenno olisi hyötysuhteeltaan parempi kuin vety käyttöinen polttomoottori?
No, ensiksikin ei ole käytännössä juurikaan tarvetta vetypolttomoottoreihin. Toisekseen, polttokennojen kilpailukyky polttomoottoreihin nähden on käytännössä heikko, mutta syynä ei välttämättä ole heikompi hyötysuhde. Vai oletko harkinnut ostaa polttokennoautoa?
Polttokenno on toimiva, mutta kallis vempain. Kun sitä esitetään autojen moottoriksi, vertailu tehdään monesti vertaamalla polttokennon teoreettista hyötysuhdetta bensamoottorin käytännön hyötysuhteeseen tai muutoin hypettämällä.
http://www.tkk.fi/Units/AES/projects/renew/fuelcell/fc-miksi.html
Vertaamalla polttokennon 80% teoreettista hyötysuhdetta lämpövoimakoneen yli 99% teoreettiseen hyötysuhteeseen näyttäsi jälkimmäinen lupaavammalta.
Käytännössä polttokennolla on päästy jopa yli 50% hyötysuhteeseen ja dieselkoneilla 55% hyötysuhteeseen.
http://users.tkk.fi/~toyryla/docs/diesel.html
Tässä kannattaa ottaa kuitenkin huomioon, että vetykäyttöinen diesel toimisi vielä vähän paremmalla hyötysuhteella.
Näin ollen polttokennon tappio ei ole käytännössä kovin iso polttomoottoreihin verrattuna.
Lukemalla hypetysjuttuja voisi saada toisenlaisenkin kuvan polttokennojen mahdollisuuksista. Niitä juttuja tarvitaan rahoituksen saamiseksi kehitystoimintaan yms. Ja lopulta polttokennoille voi löytyäkin joitakin kohteita, missä ne korvaavat polttomoottorin. Tuskin kovin yleisesti minun elinaikanani kuitenkaan.
hyötysuhde jos sille syöttäis ilman sijaan puhdasta happea?
Moottorin läpi menevä typpi toimii työkaasuna ilman mitään suurempia hyötysuhdehävikkejä (ideaalikaasun tapaan).
Niinpä hyötysuhde puolella ei ehkä typen poisto ilmasta antaisi mitään suurta etua. Sensijaan moottorin teho n. 5-kertaistuisi (mikäli polttoainetta saataisiin vastaavasti). Lopputuloksena olisi auton räjähtävä kiihdytys ja moottorin palaminen/räjähdys melko nopsaan, jos se olisi suunniteltu normaali ilmalle. Olisihan lämmön tuottokin viisinkertainen ja lisäksi palamislämpötila niin korkea, että alumiiniosat sulaisivat ja ehkä syttyisivät nekin.
Tavallinen hiilivetypohjainen bensiini tai diesel-öljy voidaan pelkistää CH2-ryhmäksi reaktioyhtälössä, joten:
2CH2 3O2 ----> 2CO2 2H2O (4
Tässähän kolmesta kaasumoolista (ja kahdesta nestemoolista) tulee neljä moolia kaasumaisia tuotteita. Näin varsinkin dieselissä, bensa on ehtinyt osin kaasuuntua.
Epätäydellisesti palavassa sylinterissä voisi tapahtua vaikka näin:
4CH2 4O2 ----> C 2CO CO2 4H2O (5
Alkuaine hiiltä (nokea) tulee varsinkin dieselistä , ja myös ilmaylimäärällä kylmässä moottorissa.
Hiilivetyjen palamisreaktio sylinterissä on monimutkainen radikaalireaktio, jota voidaan säädellä jossakin määrin radikaalinsieppaajilla, jotka mm. korottavat oktaaniarvoa. Näitä aineita ovat mm. eetterit, alkoholit ja vesi.
Veden sumutus bensiini(otto) moottorin imukanavaan toimii toisellakin tavalla: se jäähdyttää haihtuessaan imuilmaa, jolloin sylinteriin menee hieman enemmän ilmaa (happea) grammoissa kuin lämpimämpänä. Näin vesiruiskutuksella voidaan lisätä sekä täytöstä että puristuskestävyyttä ja saadaan enemmän tehoja ulos bensiinimoottorista. Mene ja tiedä, olisiko vähäistä vaikutusta myös puristusvaiheen loivempaan paineen noussuun ja suurempaan kaasun/höryntilavuuteen työtahdissa ja turbiinissa.
Imuilman jäähdytysvaikutus on myös alkoholeilla, erikoisesti metanolilla, johtuen sen bensiiniä paljon suuremmasta höyrystymislämmöstä.
Mikä voi olla mielenkiintoinen kuriositeetti, niin kuuma auton moottori ei sammu, vaikka sen sylintereihin joutuisi nestemäistä vettä polttoaineeseen nähden moninkertaisia määriä. Vesi vain menee läpi pisaroina ja ehkä hörystyy viimeistään pakoputkessa. Vesi polttoaineen seassa voi kylläkin haitata polttoaineensyöttösysteemiä yms.
Metanolilla on muutamia mielenkiintoisia ominaisuuksia, jotka tekevät siitä mahdollisen tulevaisuuden polttoaineen liikkuviin ajoneuvoihin.
1) Metanoli on neste kuten bensa, siis ei tarvetta suuriin muutoksiin jakeluketjussa
2) Metanolia voidaan tuottaa sekä kivihiilestä että biomassasta. Edellinen vaihtoehto on rikitön fosiilipolttoaine ja jälkimmäinen CO2 -taseen suhteen melko edullinen
3) Metanoli on sekoitettavissa bensaan (lämpimissä maissa paremmin).
4) Metanolimoottori voi toimia korkeammalla puristussuhteella kuin bensakone, mistä seuraa mahdollisesti parempi hyötysuhde.
5) Metanoli on vesiliukoista, mistä johtuen se ei rikastu ravintoketjuissa. Pöpöt syövät sen vesistöissä ja maaperässä helposti, joten pohjavesienkään saastuminen ei tapahdu helposti.
6) Metanolipolttokennojakin on olemassa.
7) Pakokaasut eivät sisällä nokea tai hiilivetyjä, ehkäpä katalysaattorin voi korvata palamisen säädöllä.
Haittojakin on, muutoinhan kaikki bensakoneet kävisivät jo metanolilla
a) Metanoli on ihmiselle myrkyllistä, vielä pahempaa kuin bensa tai dieselöljy.
b) Metanoli syövyttää melko tavanomaisissa olosuhteissa ainakin magnesiumia. Vaatii siis muutoksia autoihin, jos sekoitussuhde on suuri (yli 5%).
c) Ainakin kylmissä ja kosteissa olosuhteissa liukeneminen hiilivetyihin ei ole täydellistä, vaan esim. 1:1 seokseen muodostuu kaksi faasia. Ymmärtämättömät puhuvat "veden erottumisesta" tässä tapauksessa.
d) Samankokoisella tankillisella metanoliauto ei pääse yhtä pitkälle kuin dieselauto johtuen pienemmästä palamisenergiasta polttoainelitraa kohti.
Metanolin täydellinen palamisreaktioyhtälö:
2CH3OH + 3O2 ----> 2CO2 + 4H2O (+lämpöä) (6
Vaikka metanoli olisi lähtötilanteessa kaasumainen, silti lopputuotteiden moolimäärä on suurempi, eli tilavuus kasvaa tätäkin kautta. Nestemäisestä metanolista lähdettäessä kaasutilavuus tuplaantuu reaktiossa. Kun sylinterissä on ilmaa (typpeä) ei paineen kasvu ole sentään kaksinkertainen tämän reaktion ansiosta verrattuana "neutraaliin" polttoaineeseen.
joskus nuoruudessani oli pakko koittaa tuota happea mopooni. rakensin pienen noin 2litraisen painesäiliön jonne latasin 5bar happea. siitä letkuventtiilille joka sijaitsi sarvissa ja siitä taas ilmanpuhdistimelle. kaasutin säädettiin niin rikkaalle kuin mahdollista ja mopo käyntiin. toki kävi todella huonosti rikkaalla, mutta kun avasi happiventtiilin niin jo rupesi tapahtumaan. aivan uskomaton teho. kaksi kiihdytystä ja mäntä ja sylinteri entisiä!!!mäntä oli puhki ja sylinteriin syöpynyt (palanut) ihmeellisiä monttuja lähinnä sylinterin yläosaan.