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Warum ist LPG 200K heißer?
Diese Frage tauchte eigentlich in einem anderen Zusammenhang auf, ich würde mich über eine wissenschaftliche, berechnete Begründung freuen.
Es ist "allgemeines Gedankengut", daß LPG 200K heißeres Abgas erzeugt als Benzin.
Woher kommt das aber?
Ein Vergleich der Brenn-/Heizwerte gibt es nicht her.
Bei Lamba=1 braucht man für Benzin 14,7kg Luft, für Propan 15,7kg (Butan 15,5).
Brenn-/Heizwerte bei 14,7kg Luft:
Benzin BW: 47; HW: 43,6
Propan BW: 50,3/15,7*14,7= 47,1; HW: 43,4
Auch eine Abgasbetrachtung der entsprechende Wärmetransport bringt nicht weiter, Angaben jeweils bei 1kg Brennstoff.
Benzin: 11,17kg N2, 3,15kg CO2, 1,4kg H20
Propan: 11,95kg N2, 3kg CO2, 1,64kg H20
Ergibt jeweils eine "Transportleistung" (bei 25°C) von
Benzin: 16.87kJ/K
Propan: 17,99kJ/K
und bei einer Energiemenge von 50,3 bzw. 47MJ (es waren ja 1kg Brennstoff...)
Benzin: 47/16,87= 2786 K
Propan: 50,3/20,24= 2795 K
eine Betrachtung bei einer mittleren Abgas-Temperatur von 400K ändert nix am Verhältnis...
Die Detailrechnungen obiger Ergebnisse kann man ab hier nachsehen, es wäre müssig sie hier zu doppeln...
Vielleicht hat jemand eine Idee???
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72 Antworten
eine kleine, aber sehr dramatisch ist der Effekt nicht.
Wenn ich mir die Wärmekapazität von CO2 und H2O als Funktion der Temperatur ansehe, so finde ich laut NIST Datenbank folgende Zahlenwerte:
Stoff @500K @1200K Verhältnis 1200K/500K
CO2 44.61 55.35 1.263
H2O 35.22 43.75 1.242
Je mehr Wasser das Abgas enthält, desto niedriger ist die Wärmekapazität Cp und dazu kommt noch, dass CO2 mit steigender Temperatur sein Cp um ein paar Prozent stärker erhöht als die Wasserkomponente.
200K halt ich für zu hoch, ich hab was von 50K höherer Abgastemperatur im Hinterkopf. Was bei etwa 930 Grad runde 4% Unterschied sind. Viel wird AFAIK nicht gesucht und die paar Prozent koennten es bereits sein.
Stimmt schon... aber... CO2 ist bei 1000K schon im 'Knick', Wasser noch nicht...
und Propan hat auch noch den höheren Wasseranteil.
Das macht bei 1000K
- N2 1,12 kJ/(kg*K)
- CO2 1,24kJ/(kg*K)
- H2O 2,28 kJ/(kg*K)
Und den Abgasen:
Benzin : 19,60 kJ/K
Propan : 20,84 kJ/K
bzw:
Benzin: 47/19,60 = 2397 K
Propan: 50,3/20,84 = 2413 K
Das sind immer noch nur 1% Unterschied...
PS:
im ersten Post war ein Fehler:
Propan: 50,3/20,24= 2795 K stimmt natürlich nicht...
Propan: 50,3/17,99= 2795 K ist aber richtig...
- die 20,24 sind vom Alk... paste und copy, sorry :D
Nachtrag: Nach NIST (1000K):
N2 1,16, CO2 1,23, H2O 2,29 - aber völlig irrelevant zum Ergebnis...
Benzin: 47/20,04 = 2345K
Propan: 50,3/21,30 = 2361K
Max. Verbrennungstemperatur mit Luft °C 1925 (Propan) 1895 (Butan)
Die Verbrennungstemperatur ist KLEINER als bei Diesel und Benzin (logisch, der Energiegehalt ist geringer).
ABER warum werden Gasmotoren wärmer? Benzin ist ein Flüssigkeit-Luft-Gemisch. Auch wenn es ja nur kleine Mengen sind, "kühlt" dieses Gemisch den Brennraum bis zur nächsten Zündung, denn diese Temperatur wird ja nur kurz erreicht. Gas-Luft-Gemisch hat diese Eigenschaft nicht. Weitere Möglichkeit wäre die "langsamere" Flammgeschwindigkeit. Hier ist die Zeit länger, wo Wärme ensteht.
Wobei GDI Motoren oder FSI Motoren recht interessant sind.
Dort kommt es kaum zur Kühlung des Zylinders durch das Benzin, da das Benzin erst kurz vorm Zünden eingespritzt wird.
Daher ist auch bei FSI Motoren es möglich ein Luftgemisch Verhältnis von 1:50 hinzubekommen.
Zitat:
Original geschrieben von MI-MK
...logisch, der Energiegehalt ist geringer.
Eben nicht... du verbrennst nicht Liter, sondern Kilo...
Benzin : 47MJ/kg Propan 50,3MJ/kg. Durch Lambda=1 muss man das korrigieren auf die Luftmenge, also gleiche Zylinderfüllung.
Propan 50,3/15,7*14,7 = 47,1MJ
Zitat:
Original geschrieben von MI-MK
ABER warum werden Gasmotoren wärmer?
Das ist meine Frage, ich verstehe es nicht... *heul*
Zitat:
Original geschrieben von MI-MK
Benzin ist ein Flüssigkeit-Luft-Gemisch. Auch wenn es ja nur kleine Mengen sind, "kühlt" dieses Gemisch den Brennraum...
Leider auch nein... Auch wenn es immer wieder gebracht wird... Bei 500ml Zylinderfüllung (= 0,592g Luft) sind es 0,592g/14,7 = 0,040g Benzin, bei einer Dichte von 0,74kg/l gerade mal 54µl - da kühlt gar nix.
Kann man auch ausrechnen... ist im Promillebereich bzgl. der Energie, die beim Verbrennen frei wird.
Zitat:
Original geschrieben von MI-MK
Weitere Möglichkeit wäre die "langsamere" Flammgeschwindigkeit. Hier ist die Zeit länger, wo Wärme ensteht.
Und wie soll das gehen???
Hallo,
erst mal Kompliment für diese Recherchen und Auseinandersetzung mit diesem Thema.
Dies was bisher geschrieben wurde ist fundiert und nehme ich freien Herzens auch so als gegeben an.
Da es immer wieder zu "heißen" Diskussionen über Verbrennungsthemperaturen kommt, habe ich mir geeignete Messonden bestellt , die ich zwar nicht in den Brennraum aber in den Abgaskanal einbringen kann um dieser Sache messtechnisch auf die Spur zu kommen.
Ich verbaue Flüssiggaseinspritzende Anlagen und im Gegensatz zu den gasförmig einblasenden verzeichne ich Unterschiede in allen Drehzahlbereichen, was ich zunächst mal pauschal auf die Verabreichung in flüssiger Form als auch der Expansionskälte beim Austritt des flüssigen LPG zurückführe.
Tasächlich fehlen mir einfach plausible Begründungen.
Wäre schön eine Antwort zu finden.
Grüße
ICOMworker
Ich bin ja nur Autofahrer kein Physiker :-)
Zitat:
Weitere Möglichkeit wäre die "langsamere" Flammgeschwindigkeit. Hier ist die Zeit länger, wo Wärme ensteht
meine Überlegung: LPG hat ja eine kleinere Flammgeschwindigkeit ... bis "alles" verbrannt ist, vergeht mehr Zeit, als bei einer Benzin-Luft-Verbrennung und somit entsteht "mehr" Wärme im Brennraum, da ja Gas auch vollständiger verbrennt, bei Benzin hast du ja trotzdem noch "Tröpfchen" (ein "Problem" ist da ja bei Direkeinspritzern), die in der Kürze der gegeben Zeit doch nicht vollständig verbrennen.
Energiemässig verbrenne und tanke ich doch in Liter, da mein Auto 2 Liter Hubraum hat und keine 2 Kg :-)
Da muss man eben den Brennwert/Heizwert für die gasförmige Phase nehmen :-)
Hab grad mal bei Wiki geschaut:
Benzin Heizwert: 43,6 MJ/kg Propan 46,3 ... wäre ja die Lösung oder? aber woher hast du die ominösen 200 Grad Unterschied?
Zitat:
Original geschrieben von ICOMworker
Hallo,
Da es immer wieder zu "heißen" Diskussionen über Verbrennungsthemperaturen kommt, habe ich mir geeignete Messonden bestellt , die ich zwar nicht in den Brennraum aber in den Abgaskanal einbringen kann um dieser Sache messtechnisch auf die Spur zu kommen.
Grüße
ICOMworker
Hi, hier gibts einen user mit einem Audi, 2.7T Maschine der auch mal seine Abgastemperaturen gemessen hat, ich komme leider zur Zeit nicht auf den namen und dem entsprechenden Threat.
Ich meine im Hinterkopf eine um 50° höhere Abgastemperatur zu haben.
Eines der Probleme bei der Berechnung von Energieströmen, Verbrennungstemperaturen und Wärmekapazitäten liegt immer darin, daß sie vom Idealfall der vollständigen Verbrennung ausgehen, d.h. irgendein Kohlenwasserstoff wird vollständig in CO2 und H2O umgesetzt. Und unter Laborbedingungen tun die Dinger das auch. Wäre das auch in einem real existierenden Motor so, bräuchte kein Auto der Welt einen Katalysator. Bei der Verbrennung in einem Ottomotor bleiben immer auch CO, gecrackte Kohlenwasserstoffketten und sogar Rußpartikel übrig. Gerade im Bereich der Vollast, da wo man ausschließlich über Temperaturprobleme redet, werden Ottomotoren angefettet, d.h. spritzen schon von vornherein mehr Kraftstoff ein als sie mit dem vorhandenen Sauerstoff überhaupt verbrennen können. Hier bleibt jede Menge unnötiges Zeugs im Abgas zurück. Und genau da unterscheiden sich Benzin und CNG bzw. LPG. Benzin hat eher langkettige CH Moleküle, die beim Verbrennen in kürzere aufgecrackt werden, die am Ende auch übrig bleiben, wenn der Sauerstoff ausgegangen ist. Bei LPG oder CNG spricht man immer von der viel saubereren Verbrennung, und das ist tatsächlich so, da die Molekülketten sehr viel kürzer sind, leichter gecrackt werden und auch bei unvollständiger Verbrennung kürzere Residuen übrigbleiben. Das Abgas ist also tendenziell "sauberer" als bei Benzin, enthält weniger Kohlenwasserstoffe und ganz selten Ruß, und wird damit eher eine geringere Dichte, und damit möglicherweise auch eine geringere Wärmekapazität (kJ/kg*K) haben. Das bedeutet, es wird eine etwa gleiche Wärmemenge mit einer höheren Temperaturspreizung abführen müssen, wobei 200K sicher zu hochangesetzt sind.
Wer noch Lust auf etwas Gute-Nacht-Lektüre hat:
http://www.seeit.de/.../Verbrennungslehre_Formelsammlung.pdf
http://www.kuli.at/.../05_Messdatenunterstuetzte_Motormodelle.pdf
@Icomworker
Die Verdampfungskälte kann keine Ursache sein. Der Effekt macht maximal 15-20K aus (habs hier mehrfach ausgerechnet und großzügig gerundet) und muss mit diesen bestenfalls 20K Kühlung noch durch den heißen Zylinderkopf in den Zylinder - es geht also was an Temperaturvorteil verloren.
Ich kann Fubbel nachfühlen - die 50K Unterschied find ich nicht, aber ich glaub auch dass die existieren. Daher hab ich nicht-Linearitäten bei gemittelten Größen wie eben Cp gesucht.
Viskositätsunterschiede und damit ein anderer Wärmeübergang auf die Bauteile kann ich eigentlich auch ausschließen, dafür sind sich CO2 und H2O zu ähnlich und die Zusammensetzung H2O/CO2 ist nicht unterschiedlich genug um hier einen Effekt zu erklären.
Danke für Deine Antwort.
Vieleicht liegt es ja am Einbringort, der deutlich näher dem Ventil ist und dazu Flüssig gespritzt hier ein ähnliches Verhältnis wie mit Benzin entsteht.
Zudem bleibt zu prüfen welche Unterschiede in der Energieausbeute LPG flüssig als auch gasförmig sich befinden.
Villeicht auch die ausschließliche Regelung des Motorsteuergerätes im Gasbetrieb.
Es gibt spezielle Kerzen, über die die Verbrennungstemperaturen exakt abgegriffen werden können, aber zu teuer.
Also,
grau mein Freund ist allle Theorie,
doch grün ist des Lebens goldener Baum,
sagte mal ein Philosoph.
Werde Messen.
Grüße
ICOMworker
@Gary, nun hör mal auf tiefzustapeln, du hast genau 40% unserer fraglichen Temperatur gefunden, eben die durchs Benzin aufgenommene Verdampfungswärme, die erst im Zylinder während der Verbrennung wirkt.
Einen weiteren Pluspunkt haben wir auch schon gefunden.
Im Ansaugkanal findet bereits die Gemischbildung statt. Somit entsteht ein weit homogeneres Gemisch, welches besser (vollständiger) verbrennt, also die Wärme vollständiger im Zylinder und nicht erst danach entsteht.
Dann haben wir noch weniger C zur Verbrennung also auch hier wird durch die Verbrennung von Propan mit den Raktionsprodukten weniger Wärme abgeführt.
So das sollte doch für ca 80 Grad Unterschied reichen.
Das mit der Volllastanreicherung hatten wir ja schon.
@AGO
Leider hab ich die NICHT gefunden. Die Verdampfungskälte von Propan ist gering. Also rechne ich noch mal weils so schön ist.
Propan hat bei Raumtemperatur eine Verdampfungskälte von 15 kJ/mol bzw. 15 kJ je 44g bzw. 340 kJ/kg. Auf ein Kilo Propan kommen runde 15.5 Kilo Luft. Diese hat eine Wärmekapazität von etwa 1 kJ/kgK. mit dem Kraftstoff zusammen sind das Pi mal Daumen 16.5 Kilo. 340kJ durch 16.5 Kilojoule je Kelvin sind etwa 20 Grad. Dumm dass die Verdampfungsenthalpie mit steigender Temperatur sinkt. Bei 360 kelvin bzw. rund 60 Grad mittlerer Ansaugtemperatur sind nur noch 7 Kilojoule je Mol bzw. 160 Kilojoule je Kilogramm möglich. Was aufgerundet maximal 10 Kelvin ABKÜHLUNG durch Lpg gestattet. Der Effekt tritt bei einer Verdampferanlage nicht ein.
Was hat Benzin? Benzin ist beschissen zu rechnen, da es ein Aerosol ist und nur teilweise verdampft. Nehmen wir an, es verbrenne völlig. Nehmen wir an, Benzin bestünde zu 100% aus Toluol (C7H8) und dieses hat ein Lambda von etwa 13.3 wenn ich schnell UND richtig gerechnet hab. Toluol hat eine Verdampfungskälte von gemittelt 34 Kilojoule je mol bzw. 370 Kilojoule je Kilogramm. Damit ist der Unterschied eigentlich kaum merklich. 370/(13.3+1) wären etwa 25 Grad Abkühlung, wenn ALLES Toluol bis zur Zündung verdampfen würde, was es definitiv nicht schafft.
Da Propan quasi quantitativ verdampft, Benzin jedoch nur teilweise und die adiabaten Temperaturerhöhungen einer stöchiometrischen Mischung ähnlich sind, sollte Gas maximal 10-20K kälter verbrennen als Benzin. Was wohl nicht der Fall ist, wir suchen nach etwas heisserem.
Danke Gary...
Soweit wollte ich mich nicht aus dem Fenster lehnen, aber ich hatte es auch in einer Berechnung... Durch mehrere Berechnungen mit verschiedenen Alkanen gestehe ich daher Benzin 3K Kühlung zu... Je nach Zusammensetzung sind sind tatsächlich wärmere Verbrennungen von Brennungen unter Benzin möglich...
@MI-MK:
du musste die Heizwerte bzw. Brennwerte für Propan mit dem Faktor 14,7/15,7 (wegen unterschiedlicher Lambdas) korrigieren, um sie vergleichen zu können, gehe also beim Vergleich von einer bestimmten Luftmenge und nicht von der Brennstoffmenge aus.
@A-g-O:
Richtig, LPG hat im Verhältnis zu Benzin weniger C und damit weniger CO2 (5%) - aber mehr H2O (17%) und das ist der bessere "Wärmespeicher", "kühlt" besser, als CO2...
@all
Vollastanreicherung wurde nicht betrachtet. Es ging immer nur um Lambda=1. Vollastanreicherung ist eine Sauerei an den bestehenden Abgasnormen vorbei - hier erlaubt, in anderen Ländern verboten... Alles nur zur Leistungssteigerung...
Aber über die Vollastanreicherung, die Verbrennungsgeschwindigkeit (hat da jemand Werte?), Verbrennungsdrücke etc. kommt man auf die NOxe... Die "fressen" Energie. Bei LPG gibt es viel weniger. Ist das die "Kühlung" bei Benzin?
Eine Rechnung mit CO führt nicht zum Ziel - auch nicht die bis zu 4% im Abgas bei Anreicherung, die Werte sind zu ähnlich zu CO2.
Und was ist mit der Verbrennungsgeschwindigkeit? Salopp gesagt: Hat das Benzinabgas damit nicht etwas mehr Zeit zum "Abkühlen", auch wenn es vorher etwas heißer war. Ist also die Zeit zwischen Ende der Flammenfront vor dem unteren Totpunkt und dem Beginn der Öffnung der Auslassventile entscheidend?
Man bräuchte mehr Zahlen, um es zu berechnen...
@ICOMWorker:
Der Vergleich einer ICOM und einer konventionellen wäre schon mal interessant - aber nur am gleichen Motor *grins* Da müssten theoretisch die ~10K zu messen sein...
Aber der Vergleich mit Benzin ist eigentlich wichtiger. Irgendwo im Netz hatte ich mal eine Grafik gesehen, aber ich traue auch nicht allem im Netz, leider habe ich auch die Quelle verloren...
Messergebnisse würden uns schon weiter helfen - auch wenn es nur darum geht, dass wir die Größenordnungen mal aus der Praxis sehen... Aber bitte im Lambda=1 Bereich... Der weitere ist zwar auch interessant, aber bei der Berechnung doch noch wesentlich komplexer... Dann kommt es auch noch auf die Einstellung der Gasanlage ausserhalb Lambda=1 an... Sie sollte bei entsprechender Last das gleiche Lambda unter LPG und Benzin haben - also Einstellungssache... Mager ist ja bekanntlich heißer - sollte ich mal nachrechnen *grins*
Zur Verdampfung mal allgemein... Die Größenordnung liegt - je nach Kraftstoff - im Bereich 150-400kJ/kg. Bei einer Energiezufuhr von 45MJ/kg, also 45000kJ/kg, können wir das wirklich getrost vergessen... Wird etwas relativiert, wenn man ca. 34% der zugeführten Energie als Abgaswärme annimmt, aber es sind immer noch ziemliche 'Peanuts'..., nicht die Größenordnung, die gesucht ist...
Wenn jetzt bei Messungen tatsächlich herauskommen sollte, dass LPG fast genauso heißes Abgas wie Benzin produziert, stellen sich zwar weitere Fragen, aber es wäre allgemein doch sehr beruhigend...
PS:
Ich bohre mir kein Loch in den Krümmer für die Platin-Sonde...
Könnte man die Heizung der Lambda-Sonde zur Temperaturmessung "zweckentfremden" ? - müsste ja eigentlich gehen *grins* Temperaturmessung an der Sonde ist zwar nicht am Auslassventil, aber es könnte eine Tendenz zeigen...