3. Forbrændingsmotorer

Benzinbil

Med benzinbil menes blot en bil med forbrændingsmotor, der kører på benzin eller diesel udvundet af fossilt olie.

I starten af 2009 var der indregistreret 2,1 mio. af denne type bil i Danmark mod 140 elbiler (DST og Transportministeriet 2009, 6). Samtidig havde landet en befolkning på 5,5 mio. (DST 2009). Benzinbilen er det mest benyttede transportmiddel i den danske transportsektor. Dette skyldes bl.a. at benzin er let tilgængelig, forholdsvis billig og har en høj energitæthed, der gør at man kan køre meget langt på en tankfuld benzin.

Dog er benzinbiler ved at blive mere upopulære på grund af den forurening der er forbundet med disse. Et andet problem er i fremtiden at skaffe de store mængder af olie, der skal bruges til at fremstille benzin nok til at dække vores transportbehov.

 

Forbrændingsmotorer

Forbrændingsmotoren er udbredt i hele verden og anvendes i utroligt mange forskellige produkter. Det kan være en motorsav, en knallert, en bil eller i verdens største skibe, f.eks. Emma Mærsk med en længde på knap 400m. Her er hovedmotoren så stor, at den kan levere  næsten 110000 hestekræfter! Til sammenligning har en almindelig bil ca. 100 hestekræfter.

En forbrændingsmotor består af en eller flere cylindre og lige så mange stempler. Når stemplet bevæger sig op i cylinderen mindskes volumenet og trykket stiger. Herefter antændes brændstoffet og under forbrændingen stiger trykket yderligere da luften udvider sig når den opvarmes. Dette skaber et stort tryk på stemplet, som nu bevæger sig ned igen og producerer en kraft der f.eks. kan drive en bil frem.

 

 

Overordnet set findes der to slags motorer: 2-takt og 4-takt. I en 2-taktsmotor sker der en forbrænding hver gang stemplet er i top, mens der  i en 4-taktsmotor sker en forbrænding hver anden gang stemplet er i top. Se animationer her: http://da.wikipedia.org/wiki/Totaktsmotor og http://da.wikipedia.org/wiki/Firetaktsmotor

2-taktsmotoren har færre komponenter idet den ikke har ventiler til indsugning og udstødning, men i stedet har porte nederst i cylinderen, der bliver blotlagt når stemplet er nær bunden. Dette giver 2-taksmotoren den fordel, at den er let og kompakt og bliver derfor ofte anvendt i motorsave og lignende. Yderligere er der den fordel, at der bliver produceret arbejde i motoren for hver cyklus (hver 2. takt) hvilket i princippet betyder, at den kan producere dobbelt så stor en effekt som en 4-taktsmotor på samme størrelse. Dog er effektiviteten som regel bedre i en 4-taktsmotor på grund af bedre forbrænding.

Indenfor transportsektoren (vejtransport) bliver der i dag stort set kun anvendt 4-taktsmotorer på grund af højere effektivitet og mindre forurening.  Der vil nu kun blive set på 4-taktsmotoren.

 

 

Figuren viser en 4taktsmotor: E: exhaust valve (udstødnings ventil), S: sparkplug (tændrør), I: intake valve (indsugningsventil), W: water cooling (vandkøling), P: piston (stempel), R: connecting rod (plejlstang), C: crank shaft (krumtapsaksel)

Der findes to forskellige typer forbrændingsmotorer: gnisttændt og kompressionstændt. Gnisttændte forbrændingsmotorer er stadig mest anvendt, om end der i Danmark i dag sælges flest biler med kompressionstændte motorer. Gnisttændte motorer er det de fleste kender som en benzinmotor, men kan også køre på andre brændstoffer end benzin, f. eks ethanol (eller sprit). Som navnet antyder sker antændingen ved hjælp af en gnist der laves med et såkaldt tændrør ved at sætte en stor elektrisk spænding til tændrøret. Gnisten antænder en blanding af brændstof og luft (ilt).

En kompressionstændt motor kører uden tændrør. Disse motorer kører oftest på diesel, men kan også køre på forskellige vegetabilske olier, f.eks. rapsolie. Disse brændstoffer har den egenskab at de selvantænder ved høje temperaturer og tryk, hvilket betyder at et tændrør ikke er nødvendigt. Når stemplet i motoren komprimerer luften i cylinderen, stiger temperaturen og trykket. Når tryk og temperatur er tilstrækkeligt højt sprøjtes brændstoffet ind, som selvantænder meget kort tid efter indsprøjtningen. Disse motorer er typisk mere effektive end gnisttændte motorer.

 

 

 

CASE: Er de ”miljøvenlige” dieselbiler lige så gode som vi tror?

Alle nye bilmodeller i Europa bliver testet for hvor mange skadelige stoffer de udleder. Denne test kaldes NEDC (New European Driving cycle). Nye resultater tyder på at denne test ikke passer til det typiske køremønster, og at bilerne derfor udleder flere skadelige stoffer end vi tror.

http://ing.dk/artikel/urealistiske-forhold-i-testbaenken-underdriver-dieselbilers-forurening-136508

http://ing.dk/artikel/skuffet-miljoeminister-dropper-kampagne-rene-dieselbiler-136538

Effektivitet og tab

Effektiviteten eller virkningsgraden i en moderne forbrændingsmotor er omkring 30% alt efter hvilken motor man ser på. På grafen nedenfor ses virkningsgraden samt de forskellige tab for en moderne diesel motor.

 

 

Der er to væsentlige tab, kølevandstabet og tabet i udstødningen. Kølevandstabet forårsages af motorens kølesystem. Det er nødvendigt at køle motoren, da en stor del af energien fra forbrændingen ikke kan udnyttes til bevægelse, men i stedet bliver til varme. For ikke at ødelægge motoren skal denne varme ledes væk fra motoren. I praksis bliver varmen i kølevandet brugt til at varme kabinen op, når man tænder for varmeblæseren. Det er derfor ikke altid et tab. Denne mulighed for at varme kabinen op har man måske taget lidt for givet, da der altid er energi til rådighed der ikke bruges til andet. I elbiler har man ikke en mulighed for at benytte spildvarme til opvarmning, så her skal man bruge elektrisk energi af høj kvalitet til at varme kabinen op med, og det koster rækkevidde.

Tabet i udstødningen er også varmetab. Den varme udstødningsgasserne har skyldes jo forbrændingen af brændstoffet, men denne energi er altså ikke blevet udnyttet til at sætte bilen i bevægelse. Alt efter hvilken motor og ved hvilken belastning den arbejder ved, er temperaturen i udstødningen omkring 200°C. Det er faktisk muligt at udnytte denne varme til forskellige ting. I en turbomotor benytter man en del af energien i udstødningen gennem en turbine, der driver en kompressor, som ”puster” ekstra luft ind i motoren. Herved kan man forbrænde mere brændstof hvilket betyder flere hestekræfter. I øjeblikket forsker BMW i at udnytte udstødningsgassen til at producere strøm. Dette gøres ved at opvarme en væske så den fordamper. Dampen driver herved en turbine som gennem en generator kan producere strøm. Ideen er at man kan undvære den generator der sidder på selve motoren og tager en væsentlig del af motorens effekt.

 

 

Forbrændingsmotorens (samfundsbetydning) historie

Grundprincipperne bag forbrændingsmotoren går helt tilbage til 1600-tallet, den hollandske fysiker C. Huygens  lavede en motor der kørte på krudt. Når krudtladning brændte drev det et stempel op, hvorefter tyngdekraften ville stoppe stemplet og bringe det ned igen. Når stemplet bevægede sig ned var ideen at udnytte dette arbejde, men det tog for lang tid at skifte krudtladningen, hvorfor motoren ikke rigtigt havde nogen anvendelse. De motorer vi kender i dag blev opfundet i 1870-1880’erne.

 

Ford T (1908-1927) var den første bil der blev produceret ved ”samlebåndsprincippet”, og var derfor væsentlig billigere end konkurrenterne på dette tidspunkt. Derved åbnede denne bil op for mellemklassen der nu havde råd til at købe bil. http://super-classic-cars.blogspot.com/2010/06/ford-t-1908-usa.html.

 

Nikolaus Otto opfandt principperne bag benzinmotoren og en anden tysker, Rudolf Diesel, opfandt en anden type motor hvilken han lagde navn til, nemlig diesel motoren. Den første automobil blev bygget af Karl Benz i 1886. Den havde en 1,6 liters éncylinderet benzin motor med mindre end én hestekraft og havde en topfart på 13km/t.

 

Elbilens histore

I 1882 demonstrede Werner von Siemens sin første elbil. Dette var en ombygget hestevogn, der kunne køre ved hjælp af en elmotor. Bilen havde dog intet batteri og måtte derfor benytte en ledning på ca. en halv km. I de efterfølgende år var der flere elbiler end benzinbiler, indtil Caddilac i 1912 opfandt elstarteren. Før dette måtte bilisten betjene et håndsving der roterede motoren indtil den startede. Dette kunne nu gøres automatisk, hvilket udkonkurerede elbilen fuldstændingt

I 1960’erne og 70’erne begyndte interessen for elbiler så småt at vinde frem igen, men det er først inden for de seneste år, der for alvor er ved komme gang i produktionen af elbiler.

Hvil du vide mere? Historien bag Benz (senere Mercedes Benz) http://en.wikipedia.org/wiki/Karl_Benz

 

Eksempel:  Udregning af kraft og arbejde på stemplet i en cylinder samt motoreffekt

 

 

Skitsen viser en cylinder med et stempel, der kan bevæge sig i denne cylinder. Lige efter forbrændingen er der et højt tryk, som presser stemplet nedad. Under stemplet er der alm atmosfærisk tryk. De stiplede linjer viser stemplets nederste position, før det igen bevæger sig op. Afstanden mellem top og bund er 0,11m.

Fremgangsmetode: for at bestemme det arbejde der udføres på stemplet efter forbrændingen bestemmes først kraften på stemplet. Dernæst udregnes arbejdet og til sidst bestemmes effekten [definition: arbejde per (divideret med) tid] ved kendskab til omdrejningstallet.

Før stemplet bevæger sig ned er der et tryk på 1500kPa [kilo Pascal, enhed for tryk, svarer til en Newwton fordelt på en kvadratmeter]. Når stemplet er helt i bund er trykket på stemplet 200kPa. Trykket vil hele tiden ændre sig når stemplet bevæger sig ned, men for letheds skyld regnes der med et gennemsnitstryk mellem start og slut trykket: p_gns= (1500+200)kPa/2 = 850kPa.

Kraften bestemmes af følgende ligning: p=F/A <=> F= p*A, arealet på en cirkel: A=pi*r2. Trykket omregnes fra kPa[kilopascal] til Pa for at enhederne passer sammen.F=850*1000Pa * Pi*(0,07m/2)2 =3270N

Arbejde er defineret som kraft gange strækningen, W[definiton: work/ arbejde, Den kraft man skal bruge til at flytte et objekt en given afstand: W= F*s]=F*s. 3270N*0,11m=360J

Hvis motoren kører 3000 omdrejninger (4-takt -> forbrænding hver anden omdrejning) bliver effekten: P=360J* (3000omdr/min)/2)/60s/min)=9000J/s = 9,00kW

En hestekraft er 0,736kW -> antal hestekræfter: P=9,00kW/0,736kW/HK = 12,2HK.

 

Øvelse: Effektberegning

Bestem effekten på en 4 cylindret motor med en boring (diameter på 0,08m) et start-tryk efter forbrændingen på 1.600kPa og et omdrejningstal på 4000 omdr/min.

 

[ssquiz id=”12″]

 

Fossile brændstoffer 

Benzin/Diesel

Benzin er et brændstof der består af flere forskellige kemiske forbindelser. For letheds skyld antages det ofte at benzin består at stoffet oktan, (C_8H_18) . Dette stof har lagt navn til forskellige kvaliteter af benzin, det man kender som oktantal (f.eks. 92 og 95 oktan). Da benzin antændes med en gnist, foretrækkes det at benzinen ikke selvantænder. Med gnisten kan man bestemme meget præcist hvornår forbrændingen starter. Selvantænding kan høres som mislyde eller bankning inde i motoren, der er forårsaget af meget høje trykbølger, som på længere sigt kan ødelægge motoren. Når man bruger betegnelsen oktan 92 eller oktan 95, er dette en reference til hvor let benzinen selvantænder i forhold til 100% oktan, altså oktan 100.

Diesel eller dieselolie består ligesom benzin af flere forskellige kemiske forbindelser, dog er disse molekyler større end dem i benzin. Den gennemsnitlige kemiske formel for diesel er (C_12H_23). I modsætning til benzin, ønsker man at diesel selvantænder i motoren. Dette sker når trykket og temperaturen bliver tilstrækkelig høj.

Fælles for de to typer brændstof er at de produceres ved at destillere råolie. Råolien, som består af mange forskellige kemiske forbindelser, opvarmes hvorved de mindste molekyler når deres kogepunkt først og derved fordamper og kommer på gasform. Gassen afkøles derefter og man har herved separeret de mindste molekyler fra råolien. Man hæver temperaturen gradvist, og på den måde får man separeret større og større molekyler fra råolien. Diesel er resultatet af et destillat fra et højere temperatur interval i forhold til benzin. Ved produktion af benzin benyttes også det der kaldes ”cracking”. Dette er kort fortalt en kemisk metode der kan bryde bindinger mellem atomerne i et molekyle. Herved kan et stort molekyle blive til et eller flere små molekyler.

Definition: Eksempler på stoffer i benzin

–       iso-octan: (C_8H_18)

–       Butan:  (C_4H_10)

 

 

Øvelse: Alkaner

Læs og forstå: http://bogwebs.systime.dk/isisc/WebHelp/VaerktojAlkaner.htm

–       Navngiv følgende alkan:  CH3cH2CH2CH3 (butan).

–       Navngiv følgende molekyle: (2,4 dimethylhexan)

 

–       Tegn strukturformel for følgende stof: 3-methylhexan

 

Olieudvinding

Olie findes som regel dybt under jordens overflade hvorfor det er nødvendigt at bore efter olien. Dette sker dels på land, men også i stor udstrækning på havene.

Fra venstre: stationær boreplatform, jack-up platform, submersible, olieskib, semisubmersible.

Ved olieudvinding på havet, benyttes forskellige borerigs alt efter oliefeltets størrelse. Ved store felter benyttes ofte en boreplatform kaldet en ”jack-up” som står på havets bund og er løftet op over havets overflade. Disse kan flyttes til et nyt felt, når der ikke er mere oile at udvinde det givne sted. Ved mindre felter bruges en flydende platform som er fortøjet til havbunden. Ved meget små felter bruges et skib med de nødvendige faciliteter om bord. Dette kan hurtigt flyttes til et andet felt, når der ikke kan udvindes mere olie.

Olien er biologisk materiale der har ligget i jorden i mange millioner år.

Dette materiale er langsomt blevet omdannet til en tyktflydende masse vi kalder råolie. I mange oliefelter findes også naturgas der bliver pumpet op og brugt som brændstof på samme måde som olien. Gassen har den fordel at der skal mindre raffinering til før det kan anvendes.

 

Forsyningssikkerhed – OPEC

The Organization of the Petroleum Exporting Countries (OPEC) Opec er en sammenslutning af  nogle af verdens største olieeksporterende lande. OPEC’s interesse er at skabe en stabil olieproduktion og pris, der er fordelagtigt for OPEC.

Da OPEC står for en væsentlig andel af verdens samlede olieproduktion, kan OPEC i tilfælde af faldende oliepriser begrænse produktionen, og herved stabilisere prisen. Omvendt hvis efterspørgslen er stigende kan de imødekomme dette ved at øge produktionen. Organisationens mulighed for at kontrollere pris og udbud af olie på verdensmarkedet giver OPEC en stor magt, især i forhold til lande uden olieproduktion.

På trods af at Danmark er selvforsynende med olie, påvirker olieprisen på verdensmarkedet i høj grad prisen i på hjemmemarkedet.

Ved at gå over til biobrændstoffer i stedet for olie, ville dette være positivt for forsyningssikkerheden. Da biobrændstoffer kan produceres fra en bred vifte af biomasse og biologisk affald, vil produktionen ikke være afhængig af en enkelt ressource. Det vil dog være meget vanskeligt på bæredygtig vis at skaffe nok biomasse til at denne helt kan erstatte de fossile brændsler med det nuværende forbrug, specielt da produktionen af mange biobrændsler i sidste ende udleder mere CO2e end de fossile brændsler

Læs mere: http://www.green-planet-solar-energy.com/fossil-fuel-formation.html     www.opec.org

[ssquiz id=”13″]

Link til kapitel 4: Elbiler

More...