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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
Zitat:
Original geschrieben von Fubbel
Aber... wie du so schon geschrieben hast, "verliert das Abgas bei der Expansion Energie" - Macht es das? Woher und wohin mit der Energie?
Angesetzt hatten wir die komplette Energie, die bei der Verbrennung entsteht, mehr kann es nicht werden.
Also...bei halbwegs brauchbaren Motoren landet davon ein Teil auf der Kurbelwelle und dient dazu, Dein Auto vorwärtszubewegen. Ist einer der Nebeneffekte so einer Verbrennungskraftmaschine ;)
Eure Rechnungen sind ziemlich gekonnt (Respekt!), verkennen nur teilweise, daß so ein Motor im Alltagsbetrieb komplett instationär arbeitet, und das Abgas (vor Kat) in verschiedenen Betriebspunkten eine völlig unterschiedliche Zusammensetzung haben kann. Auch der Wirkungsgrad, und damit einhergehend auch der Anteil, der überhaupt im Abgas landet, unterliegt sehr starken Schwankungen.
Was aber kein Grund ist auf jede Abschätzung zu verzichten ;-)
Eine Vorraussetzung sollte man im Hinterkopf behalten... Der Motor nimmt eine gewisse Energiemenge an der Kurbelwelle und im Kühlsystem auf. Diese Werte werden bei der Abschätzung für die verschiedenen Brennstoffe als gleich angesehen.
Relevant wird damit nur noch die Differenzen, nicht die Absolutwerte. Dass wir keine 2500K-Abgase haben, das ist allen klar, oder?
Sollte der Wirkungsgrad bei den alternativen höher sein (höhere Oktanzahl etc.) dann würde das für mehr Energieabgabe vor Abgas sorgen. Es geht aber um Grenzwerte. Ein 110Oktan-Motor könnte kälter sein als der Standard 95/98'er - aber um diesen Wald-und-Wiesen-Motor geht es ja.
Grenzwerte finden, Ursache suchen und mit der Gefahr leben, statt schön reden...
Zitat:
Original geschrieben von GaryK
Was aber kein Grund ist auf jede Abschätzung zu verzichten ;-)
Absolute Zustimmung, überhaupt keine Frage. Man muß nur ein Rechenergebnis am Ende logisch hinterfragen. Gerade bei Vergleichsbetrachtungen besteht manchmal die Gefahr, daß Unsicherheiten in der Rechnung oder Messung oder irgendwelche nicht genau betrachteten Einflüsse größer sind als der Unterschied, den man überhaupt rausfinden wollte ;)
Klr, aber wenn man bei Benzin/LPG oder was weiss ich errechnen kann, dass die Energiemenge bei einer Kraftstoffart deutlich höher ist als bei einem anderen, so darf ich mich über höhere Temperaturen nicht wundern. Der Wirkungsgrad bei Benzin/LPG sollte bei identischem Motor und wie man gesehen hat quasi identischen Energiemengen sehr vergleichbar sein.
IMHO ist der theoretisch einzig relevante Grund für eine höhere Abgastemperatur (das war die Prämisse, obs stimmt sei dahingestellt) der beim Gas geringere CO Ausstoß vor Kat - was auf eine vollständigere Verbrennung und damit höhere Ausnutzung des Kraftstoffs schließen lässt.
Zitat:
Original geschrieben von GaryK
IMHO ist der theoretisch einzig relevante Grund für eine höhere Abgastemperatur (das war die Prämisse, obs stimmt sei dahingestellt)
Stimmt nicht. Siehe vorherigen Beitrag.
Ich muss mich sogar korrigieren: Bei Betrieb mit LPG liegen bei gleichem Lambda&Zündwinkel und natürlich gleichem Lastpunkt die mittleren Abgastemperaturen gemessen über die gesamte Strecke "Auslass-Ventil --> Krümmer --> Kat" sogar ca. 0-30K unter (!!) denen von Benzin. Wie gesagt: Fakten vom Motor-Prüfstand.
Gruß
fsi-entwickler
So eine Antwort gab es jetzt auch in einem Gas-Forum... Da ging es sogar noch weiter... 80-120K kälter unter LPG.
Wo sind die Belege, wo die Studien/Diplomarbeiten oder wie auch immer...
Es kann nicht sein, dass es immer wieder nur heisst, diese Info sei vertraulich...
Aber drauf festnageln läßt sich dann doch keiner...
Da frag ich mich glatt warum das Gas trotz vollständigerer Verbrennung bei gleichem Lambda sogar kälter ist. Die 10K bis maximal 20K Verdampfungskälte können es eigentlich nicht sein, aber ein anderer Grund fällt mir langsam nicht mehr ein. Negativbeweise sind scheiße :-(
Zu der Liste mit den auf 1 mol O2 bezogenen Heizwerten:
Bei den Alks sind die Werte nur auf das Luft-O2 bezogen, so wie es sein muss. Der Sauerstoff, den die Alks mitbringen taucht nur bei den Mengen der Verbrennungsprodukte mit auf.
Allerdings hab ich da nen anderen Patzer gemacht: es muss 'Heizwert' heissen, nicht 'Brennwert'. Die Werte sind aber die vom Heizwert.
Die Sache mit den fiesen expandierenden Gasen: ;D
Meine Aussage "Abgas expandiert bis ca auf 1bar Umgebungsdruck, erbhöht dabei sein Volumen und 'verliert' so Temperatur" ist natürlich ein bischen wackelig. Gemeint war Reales Gas. Und mit Temperatur war nicht Energie gemeint. Ideale Gase behalten ihre Temperatur bei der Entspannung bei, wenn ich mich Recht erinnere.
Fubbel ... Gase sind "fies"... danke für den richtigen Hinweis. :) Bei realen Gasen ist es so, dass diese meisst abkühlen (z.B vereiste Ventile bei Tauchflaschen, Luftverflüssigung, etc). Bei Helium und Wasserstoff wusste ich, dass es da auch unter bestimmten Umständen auch umgekehrt sein kann. Habe mal etwas gesucht und bin auf folgendes gestossen:
http://de.wikipedia.org/wiki/Joule-Thomson-Effekt
Wenn nun unsere Abgase (oder Teile davon) oberhalb der Inversions-Temperatur liegen, wird die Sache noch komplizierter... Wiki liefert da ne Formel zu, nur keine Werte für die Konstanten. Ich werde mal versuchen für H2O/CO2/N2 die werte zu Googlen, sobald ich wieder etwas Zeit habe.
Wie 'fies' können Gase noch werden? Mir kam die Idee, dass man, statt Cp/Cv zu verwenden über die innere Energie an die Temperatur kommen könnte. Bei idealen mehratomigen Gasen ist
U = n*R*T*f/2
mit U: innere Energie, f: Zahl der Freiheitsgrade. Umgestellt nach T sieht das so aus:
T = U*2/(f*n*R)
es fehlt also f. Dumm ist nur, dass f wieder mal von T abhängig ist. Wiki liefert nur für sehr wenige T die Werte:
http://de.wikipedia.org/wiki/Adiabatenexponent
http://de.wikipedia.org/wiki/Freiheitsgrade#Thermodynamik
andere Tabellen hab ich im Web nicht gefunden.
Mit guten Tabellen für f(T) könnte man welche bauen für f(U). Die Beziehung Cp/Cv=(f+2)/f hilft mangels Cv auch nicht weiter.
Ne andere Idee: Könnte man nicht die Temperatur aus der Ethalpie H berechnen? Wie funzt das genau mit der Enthalpie? Wie gesagt, ich bin kein Chemiker (und auch kein Physiker :) ) Nist hat da Daten für H(T). Aus Wiki hab ich folgendes:
H=U+p*V
p*V soll ja Volumenarbeit sein. Haben wir aber in unserem Modell nicht, wir betrachten ja nur den stationären Zustand am Ende der Verbrennung. also V=0 und p=egal. Führt dann zu H=U.
Allerding stösst man hier wieder auf das Problem der fehlenden Daten für f - um die Energie korrekt auf die einzelnen Komponenten des Abgasgemisches umzulegen, müsste man die Freiheitsgrade der jeweiligen Komponenten wissen. Energie verteilt sich gleichmässig auf alle Freiheitsgrade. Korrekt?
Hmm... schon wieder zu viel geschrieben ;D
Übrigens danke für den Link mit der Benzin-Zusammensetzung. Ich werde das mal durchrechnen sobald ich wieder etwas mehr Zeit habe.
Fubbel, hast übrigens recht, p~T und ein fehlendes gutes Modell haben mich davon abgehalten Loszurechnen. Das Ergebniss wäre warscheinlich schrottig geworden, und davon hat keiner was. Lieber erstmal alles durchsprechen, besonders weil ich nicht gerade ein Thermodynamik-Experte bin. Leider tauchen, je länger man sich damit beschäftigt, immer mehr Probleme auf. Fun macht das Thema aber trotzdem :)
Grüsse, Jan
Habe mal wieder etwas gegoogelt:
"Es mag gerne sein, das der Gasmotor heisser wird, aber ich kann und will ohne rechnerische Beweisführung nicht glauben, das es durch das Kühlen durch eingespritztes benzin kommt ( siehe Ausführung oben). Was ich mir aber gut vorstellen kann ist , das das Gas/luft Gemischt wesentlich heisser verbrennt, als das benzin/luft Gemisch.
Schliesslich ist Feuer nicht gleich Feuer, man denke nur an die extrem Unterschiedlichen Temperaturen von Streichholz, normalem und diesen ( wie heissen die genau) Glühpunktfeuerzeugen (?).
Da merkt man die Unterschiedliche Temperatur ja schon optisch, und wenn das beim LPG ähnlich ist, ist es auch einleuchtent, das der motor heisser wird.
Wenn jemand einen Link kennt, der dieses Phänomen wissenschaftlich durchleuchtet.. ich bin immer neugierig auf sowas..
Danke
euroenergie - 4. 8. 2004 um 22:46
Hi und jetzt wieder harte facts:
Verbrennungstemperatur von Autogas 1925 °Cel
Verbrennungstemperatur Ottokraftstoffe 1986 ° Cel
Verbrennungstemperatur Dieselkraftstoffe 1948 ° Cel
Schon alleine die Verdichtungstmperatur liegt bei einem
Ottomotor bei rund 600 ° Cel
Dieselmotor bei rund 900 ° Cel
Und ein kleiner Gedanke aus der Motorenentwicklung:
Je stärker der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren optimiert wird, desto höher ist die Verbrennungstemperatur, denn der Wirkungsgrad η einer Wärmekraftmaschine ist stets kleiner (1 - Tmin/Tmax).
Fazit: Keine Sorge mit dem Märchen der hohen Termperaturen.und wenn es etwas heisser zugehen sollte, dann gibt es immer noch die Kühlung (Zwangs und Thermostat-Vent)"
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Und hier einen älteren Beitrag von XLT aus diesem Forum:
" Die Verbrennungstemperatur ansich ist völlig uninteressant! 1900°C würde kein Ventil aushalten. Der Temperaturverlauf nimmt während des Expansionstaktes stark ab. Die Bauteile des Brennraumes sind alle gekühlt, denen tut also die reine Verbrennungstemperatur von 1900°C und mehr nicht weh. Kritisch wirds für die Ventile, speziell Auslaß, exakt dann, wenn sie aufgehen müssen. Dann verlieren sie kurzzeitig den Kontakt zum Zylinderkopf und damit zum Kühlkreislauf. Und ausgerechnet in dem Moment strömt da auch noch Abgas vorbei - unangenehm. Die Ventile nehmen in dieser Zeit eine enorme Wärmemenge auf (da sie sie ja gerade nirgendwohin abgeben können), danach kommt beim Schließen der Ventileinschlag, der ziemlich hart ist, und bei 6000 U/min z.B. 50 mal pro Sekunde stattfindet. Und hier kommt es jetzt auf die Temperaturfestigkeit der Ventile und Ventilsitze an. Entscheidend ist also nicht allein, ob die Teile gehärtet sind (das sind heute ALLE Ventile und ALLE Ventilsitze, auch die in JEDEM Ford-Motor !), sondern welche Festigkeit sie bei hohen Temperaturen haben. Entscheidend ist aber wie gesagt nicht die Verbrennungstemperatur, sondern die am Ende des Expansionstaktes übrig gebliebene Abgastemperatur. Und die ist bei Gas deutlich heißer als Benzin (Benzin im Saugmotor ca. 850...900°C, bei Gas können es schon mal 950°C und mehr werden.)
Entscheidend hierfür ist die Wärmebilanz des Motors. Es geht immer ein Teil der Gesamtenergie in die mechanische Leistung (logisch), ein Teil ins Kühlwasser, ein Teil in die äußere Wärmeabstrahlung des Motors, und ein Teil eben in's Abgas. Und hier kommt der Unterschied zwischen Benzin und Gasen zum Tragen (sowohl CNG als auch LPG). Benzin besteht aus ringförmigen Kohlenwasserstoffen, die zur Verbrennung aufgecrackt werden müssen. Dies geschieht nur unvollständig, es bleiben Restmolekülketten übrig (die man als HC-Emissionen kennt), und diese können im Abgas Wärme aufnehmen. CNG und auch LPG haben nur sehr kurze Molekülketten (CNG eigentlich gar keine), daher bleiben im Abgas weniger Restmolekülketten übrig. Die Folge ist, daß das Abgas eine geringere spezifische Wärmekapazität hat. Es kann also pro Kilogramm und Kelvin Temperaturerhöhung weniger Wärme aufnehmen als das Abgas der Benzinverbrennung. Um jetzt aber aus der Wärmebilanz dieselbe Energiemenge abzuführen (was es nunmal muß), kann sich also nur ein höheres Temperaturniveau einstellen. Deshalb haben kurzkettige Kraftstoffe (auch Ethanol oder Methanol) im Motor immer eine höhere Abgastemperatur.
Und dafür sind die meisten Motoren von Haus aus nicht ausgelegt."
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Gruß
@Coup
Die Begründung, dass kurzkettige Kohlenwasserstoffe eine geringere Wärmekapazität haben als langekettige stimmt IMHO nicht.
Beispiel: nehmen wir Iso-Oktan und Butan. Das eine C8H18, das andere C4H10.
Oktan hat bei 1000 Kelvin bzw. 700 Grad eine Wärmekapazität von 454 Joule je Mol und Kelvin. Butan unter gleichen Bedingungen 227 Joule je Mol und Kelvin. Nur dass zwei Mol Butan je Mol Oktan im Abgas sind bei gleichem Verbrennungsfortschritt.
Der Unterschied ist nahe bei NULL was unverbrannte Kohlenwasserstoffe angeht. Ethan als C2H6 hat übrigens 122 Joule je Mol und Kelvin, vier mol Ethan als C2 können daher mehr Wärme abführen als ein Mol Oktan mit C8 Körper. Was sich wiederum mit dem etwas anderen Kraftstoff/Luft-Verhältnis kompensiert.
Wie gesagt, diese These die Wärmekapazität sei Schuld kann ich nicht ganz glauben. Alle Daten zu Cp als f(T) sind der NIST Datenbank entnommen.
Zitat:
Original geschrieben von Fubbel
So eine Antwort gab es jetzt auch in einem Gas-Forum... Da ging es sogar noch weiter... 80-120K kälter unter LPG.
Wo sind die Belege, wo die Studien/Diplomarbeiten oder wie auch immer...
Es kann nicht sein, dass es immer wieder nur heisst, diese Info sei vertraulich...
Aber drauf festnageln läßt sich dann doch keiner...
Glaub' doch auch einfach mal was andere sagen. :)
Das sind Erkenntnisse aus meinen Arbeitsleben, deren genaue Daten/Ergebnisse ich eigenmächtig natürlich nicht veröffentlichen kann bzw. darf. Welchen Grund sollte ich haben hier im Forum Unwahrheiten zu verbreiten?
Gruß,
fsi-entwickler
Moin,
Zitat:
Glaub' doch auch einfach mal was andere sagen.
Fubbel, und nicht nur er, will nicht nur glauben, sondern ganz gerne auch wissen. ;)
Eine allgemein gehaltene "populärwissenschaftliche" Erläuterung, warum LPG (bzw. wahrscheinlich auch Ethanol?) tatsächlich kühler ist, dürfte ganz grundsätzlichen thermodynamischen, physikalischen und chemischen Inponderabilien folgen. Da wird man doch keine Firmengeheimnisse verraten, oder... ;)
Mein Denkmotor jedenfalls läuft momentan verdammt heiß, um die aktuelle Diskussion und deren Schlüsse, die man daraus ziehen kann, ansatzweise nachzuvollziehen. ;)
Wer hat sie, oder weiß wo sie steht, die plausible Abhandlung "Weil-X-So-Verhält-Sich-Y-So-Kommt-Z-Heraus"... ;)
schwer am nachdenken seiende Grüße
Martin
Zitat:
Original geschrieben von Smarund
Moin,
Fubbel, und nicht nur er, will nicht nur glauben, sondern ganz gerne auch wissen.
Eine allgemein gehaltene "populärwissenschaftliche" Erläuterung, warum LPG (bzw. wahrscheinlich auch Ethanol?) tatsächlich kühler ist, dürfte ganz grundsätzlichen thermodynamischen, physikalischen und chemischen Inponderabilien folgen. Da wird man doch keine Firmengeheimnisse verraten, oder... ;)
Dagegen ist natürlich absolut nichts einzuwenden. Die hier angestrebte Rechnung ist aber aus meiner Sicht nicht mit einem "einfachen Dreisatz" zu lösen, sondern man muss hier schon in die Tiefen der [numerischen] Kreisprozess-Rechung einsteigen. Deswegen mein Hinweis auf reale Mess-Ergebnisse zu dieser Fragestellung.
Es geht auch nicht um "Firmengeheimnisse". Ich denke es ist aber nachzuvollziehen, dass man an dieser Stelle keine originalen Messschriebe oder Protokolle oder was auch immer veröffentlichen kann.
Ansonsten viel Erfolg beim Rechnen.
Hier noch meine "einfache" Theorie warum z.B. Gas allgemein ein etwas "kälteres" Abgas produziert. Die Gemisch-Homogenisierung mit Gas ist besser als die auf Benzin. Deswegen brennt Gas besser und schneller durch, weniger Energie geht ins Abgas. Wie gesagt...nur ne' Theorie.
Gruß,
fsi-entwickler
Wir können es hier auch wie im Heise-Forum am Freitag ausarten lassen. Sobald irgendwo Linux und Microsoft steht bricht der intellektuelle Dschihad aus, der vom Niveau knapp unterhalb der Gasnarbe geführt wird. LPG und Benzin hat doch auch was, vor allem wenn die Erdgaser und Alkis wie die Free-BSDler noch dazustossen *g*