Ethanol: NO & NO² - Chemiker gefragt!
Hi.
Ich habe eben mit einem Bekannten darüber diskutiert, wie sich wohl Ethanol im Benzin auf zwei bestimmte Abgaswerte auswirkt.
Und zwar... Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO²).
Wie verhalten sich diese beiden Werte z.B. bei E10, E20, E30? Kann man da logische Prognosen aufstellen?
Gruß
Olli
38 Antworten
In meinen Büchern über Verbrennungskraftmaschinen hat Alkohol eine etwas höhere Brenngeschwindigkeit (etwa 25%) die u.a. für den leicht besseren Wirkungsgrad verantwortlich ist.
Das ist für den Zündzeitpunkt aber nicht das einzige, es gibt daneben noch den sog. Zündverzug, also die Zeit von dem Funken der Zündkerze bis zum ersten Druckanstieg durch die Verbrennung. Diese Zeit ist umso länger, je höher die Oktanzahl des Brennstoffs. Alkohol hat eine höhere Oktanzahl und damit einen grösseren Zündverzug und somit muss die Zündung etwas früher erfolgen. Die leicht höhere Brenngeschwindigkeit kann diesen Verzug nicht kompensieren.
Gruß Meik
Okay,
"abgekauft" -)
…stellt sich allerdings immer noch die Frage, wie sich dieser Verzug auf die Früh-Verstellung der Zündung auswirkt… ein Grad, zwei…? Läßt sich aus Deinen Büchern eine Regel herauslesen? Aus dem Werkstatthandbuch für meinen Karren läßt sich nur der umgekehrte Weg, 1 Grad Richtung spät pro 1 Grad geringerer ROZ entnehmen. Wäre das ein gangbarer Weg in die andere Richtung? Da meiner SuperPlus verköstigt, also auf 98 Oktan eingestellt ist, E85 so pi-mal-daumen 105 hat, wären das 7 Grad zusätzliche Verstellung Richtung früh… ?
zündende Grüße
Martin
@Smarund
nimm eine etwas flachere Zylinderkopfdichtung um die Kompression hochzunehmen. Dank der höheren Oktanzahl ist das bei Ethanol möglich, dann verlierst du durch die Frühzündung auch wenig.
Theorie, sollte aber funktionieren. Bei LPG ist es ähnlich, auch da müsste die Kompression schadfrei hochzunehmen sein, wodurch der Wirkungsgrad ansteigt. Also Leistung hoch oder Spritverbrauch bei gleicher Fahrweise etwas runter.
/GaryK
Die Kompression zu erhöhen ist allerdings nicht so einfach. Eine etwas dünnere Kopfdichtung bringt fast nichts. (-> siehe Formeln für die Verdichtung) Zudem steigt mit höherer Verdichtung auch die Belastung des Kurbeltriebs an. Das wäre noch nicht so schlimm, der Oktanbedarf steigt dann allerdings auch d.h. man kann z.b. nachher nur mehr mit Treibstoff ab 98 Oktan fahren.
Wenn das Auto einen Klopfsensor hat, würde ich versuchen ein paar Grad mehr Vorzündung einzustellen. Das Kraftstoff/Luftgemisch sollte dann allerdings passen, sonst kann trotz hoher Oktanzahl das Gemisch zum Klopfen beginnen.
Man kann nicht darauf vertrauen, dass die Motorsteuerung den verminderten Brennwert des Alkohols ausgleicht.
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@Symtomatic
Richtig, die Karre fängt bei etwas höherer Versichtung früher an zu klopfen und wird dann selbsttätig früher zünden. Kostet dich halt Wirkungsgrad und etwas Leistung.
Bei Ethanol und LPG hast du jedoch die Oktanreserven, LPG liegt typisch bei 110 Oktan (Propan AFAIK 115, 40/60er Mix bei 105). Saab fährt den neuen SVC Motor mit variabler Verdichtung bis 16:1 hoch und der ist auf Alkohol ausgelegt. Ohne die Quellen zu haben, 12:1 müsste drin sein. Und wenn die Kopfdichtung nicht reicht, dann klassisch den Kopf etwas planen lassen ;-)
@GaryK: Kommt halt darauf an, was man möchte. Wenn man sowieso immer mit Alkohol fährt, kann man ruhig auf 12-13:1 Verdichtung gehen. Nur ist ein fahren mit Superbenzin dann nicht mehr möglich bzw. mit erheblichem Mehrverbrauch. Klopfen kostet nicht Wirkungsgrad, sondern es zerstört den Motor.
Höhere Verdichtungen wie z.B. 16:1 sind nur im Teillastbereicht sinnvoll.
Die hohe Verdichtung bringt Wirkungsgrad, aber nicht so dramatisch viel wie manche glauben. Von 10:1 auf 12:1 bringt vielleicht 4-5%, weil die Wirkungsgradkurve nach oben hin sehr flach wird.
Mit Kopf planen kommt man da aber nicht hin, außer man plant gleich gut 2mm weg. Tut man dies so ist die Brennraumform so schlecht, dass man sich nichts spart.
Der einzig sinnvolle Weg für mehr Verdichtung sind höhere Kolben. Das ist dann aber schon viel Aufwand.
Die Anpassung an die höhere Verdichtung wäre dann auch nötig, aber für Ethanol sollte man sowieso die Spritmenge anpassen, z.B. durch 25-35% größere Einsprtzdüsen.
@Symptomatics
Daß Klopfen den Motor zerstört ist mir klar, deswegen regelt der Klopfsensor auf Frühzündung und diese in die Kompressionsphase reinreichende Zündung kostet dich Wirkungsgrad und damit Leistung sowie eigentlich unnötigen Mehrverbrauch.
Die Einspritzdüsen müssen übrigens nicht 25-35% grösser, sondern die durchgesetzte Menge. Wenn mich meine Fluiddynamik nicht im Stich lässt, dann ist der Durchsatz bei konstantem Vordruck und turbulenter Strömung im Einspritzkanal des Ventils AFAIK proportional r^3. Für 30% mehr müsste entweder der Druck um 30% nach oben oder der Düsendurchmesser um 30%^1/3=10% gesteigert werden. An laminare Strömung glaub ich nicht, dann wäre es r^4 und noch weniger.
Andere Frage: hast du ein gutes Basisbuch über Motorenbau/Technik? Gerade Wirkungsgrad als Funktion der Kompression und welche Oktanzahl für welche Verdichtung bei welchem Fülldruck des Zylinders interessiert mich brennend.
/GaryK
Zitat:
Original geschrieben von GaryK
[BAndere Frage: hast du ein gutes Basisbuch über Motorenbau/Technik? Gerade Wirkungsgrad als Funktion der Kompression und welche Oktanzahl für welche Verdichtung bei welchem Fülldruck des Zylinders interessiert mich brennend./GaryK
Hi,
der OZ-Bedarf hängt von vielen weiteren Faktoren außer Verdichtung und Mitteldruck ab, so daß man wohl kein allgemeines Diagramm finden wird. Höchstens man läßt bei einem bestimmten Motor (mit bestimmten Brenn- und Hubraum) alle anderen Werte konstant. Dann würde sich z.B. ein Klopfmotor mit veränderbarer Verdichtung anbieten.
Den Wirkungsgrad als Funktion der Kompression kann man doch sicher auch errechnen?
Lambda 1 bei Dreiwegekat: Auch moderne Motoren fetten meist bei Vollast an, Lambda 0,85 sind nicht unüblich. Das macht man natürlich nur außerhalb des Kennfeldes der Abgasmessung (Homologierung).
Gruß
Stefan
@GaryK: Dass die Zündung rückgeregelt wird, ist schon klar. Das geht aber nur in einem gewissen Rahmen(mehrere Grad), bei 15 Oktan Unterschied (Super zu Ethanol) wird es nicht mehr zielführend sein. Außerdem steigen bei Spätzündung die Abgastemperaturen an, sodass es Auslassventile und Turbolader übernehmen können.
Ein Ethanol/Methanol-Dragstermotor kann man auch nicht mit Superbenzin betreiben.
Bez. der Einspritzdüsen meinte ich natürlich, dass die Durchflußmenge bei gegebenem Druck um etwa 1/3 höher sein muss. Da man Einspritzdüsen ohnehin nicht aufbohrt, ist mir der Lochdurchmesser eigentlich egal. Man baut einfach welche mit entsprechender Durchflußmenge ein.
Den Druck um 30% nach oben zu setzen reicht nicht. Warum auch immer, aber die Funktion des Durchflusses beinhaltet eine Wurzel: neue cc/min=alte cc/min * sqrt(neuer druck/alter druck)
D.h. für 30% mehr Durchfluß brauchst etwa 70% mehr Kraftstoffdruck. Da kommt man aber an die Grenze der Pumpe ran bzw. Einspritzdüsen könnten mit diesem hohen Druck Probleme haben.
Ich habe mal ein Diagramm gesehen: Ich glaube im Buch von Gerd Hack:"Turbo- und Kompressormotoren".
Wie schon gesagt, der OZ-Bedarf hängt u.a. von der geometrischen Verdichtung ab. Wichtig ist aber die dynamische Verdichtung und die Brennraumform bzw. Wärmeverteilung. Es darf - grob gesprochen - sich die Flammenfront nur kontinuierlich und kontrolliert ausbreiten. Also weich verbrennen!
Zitat:
Original geschrieben von Meik´s 190er
Das bisschen Bewegungsenergie bei der Explosion ist vollkommen vernachlässigbar. Relevant ist nichts weiter als die Wärme die bei der Verbrennung frei wird. Durch die Hitze erhöht sich ganz erheblich der Druck im Zylinder was diesen nach unten drückt und somit Bewegung erzeugt.
Meik, so genau wollte ich es bewusst beschreiben, das war schon lang genug... , daher ja auch die Anführungszeichen bei "Explosion der Teilchen". Da war die schnelle Bewegung durch die Wärmezufuhr schon drin 😁 Oder spaltest du Atome?
Auch bei der Leistungsbetrachtung trennen sich erstmal unsere Wege ganz weit voneinander und damit beim Verbrauch.
Fangen wir mal klein an, also im Leerlauf. Den Sauger wird die Luft gedrosselt, der Sprit geklaut, er bekommt sehr wenig, genug um seine eigene Reibung zu überwinden. Bei Benzin ist da aber noch ein grosser Anteil Energie, der einfach in Wärme verpufft, da nicht genutzt wird. Bei Alkohol reicht die gleiche Menge immer noch dicke aus. Jetzt fahen wir mal konstant(!) 50 - wie wir da hin kommen, dazu später - die Verhältnisse sind nicht viel anders, der Motor dreht immer noch fast mit Leerlauf, es gibt aber wenig mehr Luft und Sprit. Funktioniert auch mit Alkohol - ohne Einbussen - Die abgeforderte Leistung befindet sich im Bereich 1kW, also immer noch gar nichts. Ja schneller wir werden, umso eher mehr macht sich aber die weniger Energie bemerkbar. Für Konstantfahrten aber immer noch ausreichend.
Jetzt treffen wir uns wieder auf dem Weg. Man fordere mal wirklich Leistung, also feste treten. Die Drosselklappe ist voll auf. Hier geht es nicht mehr. Man fordert die 50-100kW ab, es gibt nicht genug Sprit, man läuft mager statt fett, die Leistung fällt rapide ab.
Bei meinen E100-Tests hatte ich genau dieses Phänomen. Es war kein Problem die (fast) die Höchstgeschwindigkeit zu halten. Aber aus dem Stand den Kickdown, das war tödlich. Solange der E-Motor mitspielte, war kaum ein Unterschied, der Benziner hatte sowieso noch nichts zu sagen (0-30km/h), aber bei 65-70 war auf einmal Schluss. Trotz Bodenblech wurde er nicht schneller und stotterte. Ein klein wenig Gas weg und er zog wieder wie gewohnt. Das ganze liess sich auch bei anderen Ausgangstempi wiederholen, kurzes anziehen und dann konstantes Tempo.
Wenn man aber das Gaspedal nur zu 70-80% durchdrückte, dann reichte die Fördermenge immer aus. Für den Rest (ab ca. 145) musste man mit Gefühl Gas geben, damit man noch schneller wurde. Es ist halt problematisch mit 37 statt 53kW die 170 mit 1,3t zu erreichen, das ist eigentlich nicht möglich. Es wird auch eher der E-Motor gewesen sein, der dann den Rest hochzog, denn ohne Akku war bei 140 Schluss...
Aber das war wie gesagt bei E100, bei E50 habe ich in den letzten Wochen und Monaten keine Unterschiede.
Wenn ich so die Berichte der anderen lese, haben die eigentlich im Normalbetrieb auch keine Probs damit 😉
Irgendwie kommen wir aber vom Thema ab, hat mal jemand NOx gemessen???
@Fubbel: Atome spalten? ... Hmm ... grübel ... warum eigentlich nicht, da wird wenigstens genug Wärme erzeugt 😁
Der Leistungsverlust kommt ja bei dir nur daher dass die Einspritzung nicht die nötige Menge liefern kann, dadurch magert das Gemisch ab und kann nicht mehr so gut zünden.
Wer sich für mehr Infos interessiert kann sich das mal angucken (bei dem Preis wohl eher ausleihen):
http://www.vieweg.de/.../isbn=3-528-23933-6
Das mit Klopfen hängt nicht nur von der Kompression alleine ab sondern allgemein von den Temperaturen im Brennraum. Grenze ist oft das Auslassventil an dessen heissen Kanten sich Benzin entzünden kann. Daher liegt die Zündkerze auch meist direkt daneben, damit das Gemisch da als erstes verbrannt wird.
Verdichtung erhöhen ist schwierig. Einfach Kopf planen verändert u.U. ungünstig die Brennraumform und verhindert notfalls Benzin fahren zu können. Einfacher geht das bei Turbomotoren, wo man den Ladedruck, der ja nichts anderes als eine Art Vorverdichtung darstellt, bei Alkohol anheben könnte.
Gruß Meik
Der geringere Brennwert macht für die Verbrennung einen enormen Unterschied aus.
@Fubbel: Es ist ja kein Wunder, dass ein Motor auch mit magerem Gemisch läuft und das sogar relativ sparsam. Bei Benzin ist der optimale Verbrauch bei einem Lambdawert von 1,15. Gefahren wird aber aus Abgasgründen mit Lambda 1.
Magere Gemische sind schwerer zu zünden und verbrennen langsamer, aber auch heißer. Wenn du mit Benzin mager fährst und dann noch unter hoher Last (Ladedruck), dann brennt es dir ein Loch in den Kolben.
Mit Ethanol kommt der Umstand hinzu, dass es den Brennraum besser kühlt, sodass mager fahren mit Ethanol etwas sicherer ist.
Die Lambdaregelung gleicht da zwar etwas aus, aber nur in einem gewissen Rahmen (z.B. +-10% vom Brennwert).
Bei Volllast ist die Lambdaregelung ohnehin deaktiviert, sodass das Gemisch so stark abmagert, dass es fast nicht mehr zündfähig ist.
Ich würde vorschlagen, bei Ethanolbetrieb zumindest das Lufttemperatursignal zu manipulieren(schaltbarer Widerstand), d.h. dem Motor glaubeb lassen es sei die Luft minus 30Grad kalt. Das bewegt die Motorsteuerung dazu die Düsen etwas länger zu öffnen. Lambdaanzeige würde ich auch empfehlen (Spannung der Sonde anzeigen! - geht auch mit einem Voltmeter).
@Symtomatics:
Also ich fahre zwar einen Reisfresser - könnte man auch zu Ethanol machen... - den aber schon seit Monaten mit Ethanol. Also der meine Lambda zeigt schöne ordentliche 1, von 0-160km/h, also nichts mit fetter oben - ist aber ein Reisfresser....
Die Regelung schafft das ohne weiteres, nichts von 10% oder so... Bei dem ständigen E50 müssten es theoretisch ja 15% sein, so wie bei LPG theoretisch auch 15-20% normal wären. Über die vielen Kilometer und einige Messadaten zeigt sich das aber nicht, es bleibt von der Theorie nicht mal die Hälfte übrig - ist ja ein Reisfresser...
Vollgas und E100 ausgenommen. Sonst hat man wirklich Magerbetrieb (Fördermenge), keine Power mehr, eine orange Lampe und den Fehlercode 😉
Das mit der Lambda-Anzeige ist bei OBD-II einfacher - einfach einen OnlineScanner anschliessen 😉 Zumindest bei meinem Reisfresser....
Ich bin immer noch für den einfachsten Weg. Erstmal einfach ausprobieren, wenn es funzt ist gut, wenn man dann noch mehr E drin haben will dann kann man ja imer noch sehen. Aber für E85 gibt es immer noch arge Beschaffungsschwierigkeiten - zumindest, wenn man pro Woche 100Liter oder mehr brauchen würde.
Habe gerade was zu den NOx-Werten gefunden:
Zitat:
Auch das Emissionsverhalten von E85-Kraftstoff "am Auspuff" hat gegenüber Benzin weitere Vorteile:
1. ca. 5 % weniger CO2
2. über 20 % weniger NOx
Interessante
Quelle, dort kann man auch nachfragen welche Tankstellen sie beliefern.
Zitat:
Original geschrieben von Symtomatics
…
Bez. der Einspritzdüsen meinte ich natürlich, dass die Durchflußmenge bei gegebenem Druck um etwa 1/3 höher sein muss. Da man Einspritzdüsen ohnehin nicht aufbohrt, ist mir der Lochdurchmesser eigentlich egal. Man baut einfach welche mit entsprechender Durchflußmenge ein.
Den Druck um 30% nach oben zu setzen reicht nicht. Warum auch immer, aber die Funktion des Durchflusses beinhaltet eine Wurzel: neue cc/min=alte cc/min * sqrt(neuer druck/alter druck)
D.h. für 30% mehr Durchfluß brauchst etwa 70% mehr Kraftstoffdruck. Da kommt man aber an die Grenze der Pumpe ran bzw. Einspritzdüsen könnten mit diesem hohen Druck Probleme haben.…
Moin,
die Druckerhöhung und Vergrößerung der Einspritzdüsen muß man doch nur in Erwägung ziehen, wenn man eine kontinuierliche Einspritzung hat. Bei einer sequentiellen, bei der die erforferlcihe Spritmenge über unterschiedlich lange Einspritzintervalle geregelt wird, braucht man sich doch darüber keine Gedanken machen …?
Grüße Martin