Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 16.02.16


Chemie im Motor

Vortrag von Volker Bornitzky und Felix Dippold im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", WS 06/07 bzw. WS 14/15


Gliederung:


Einstieg. Rund 90% der weltweit erzeugten Energie entsteht durch Verbrennungsprozesse. Einen Großteil davon macht sich der Mensch für Transportprozesse zu Nutze (Auto, LKW, Schifffahrt). Dabei entstehen leider auch jede Menge umweltschädlicher und gesundheitsgefährdender Stoffe. Daher muss die Verbrennung möglichst effizient gestaltet werden. Ein genauerer Blick auf die Verbrennungsmotoren ist daher lohnenswert.


Abb. 1: Motor [1]

1 Die Verbrennung

Beim Verbrennungsmotor wird ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft in einer Brennkammer (Zylinder) entzündet und verbrannt. Durch die Expansion der Verbrennungsgase wird der entsprechende Kolben in Bewegung gesetzt.

1.1 Die Zündung

Hier unterscheidet man zwei Fälle: Bei Ottomotoren (Benzin) wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch Fremdzündung (Zündkerze) zur Reaktion gebracht. Bei Dieselmotoren startet die Verbrennung durch Selbstzündung während der Einspritzung des Kraftstoffes.


Abb. 2: Zündkerze [2]

1.2 Die Mischungstypen

Allgemein wird in jedem Verbrennungsprozess ein Brennstoff ( z.B. Benzin) mit einem Oxidationsmittel umgesetzt. Dabei ist die so genannte "vorgemischte" Verbrennung von der "nicht vorgemischten" Verbrennung zu unterscheiden. Im ersten Fall wird das Oxidationsmittel (z.B. Sauerstoff) dem Brennstoff (z.B. Benzin) bereits beigemischt, während es im zweiten Fall erst durch Diffusion an den Verbrennungsort (Brenner) gelangt.


Abb. 3: Mischungstypen, links "vorgemischte", rechts "nicht vorgemischte" Verbrennung [1]

Versuch:

Experiment Unterschied von linearen und verzweigten KW bei der Verbrennung
Material
  • Petrischalen
  • Streichhölzer
Chemikalien
  • n-Heptan
  • i-Octan
Durchführung Je 20 ml n-Heptan und i-Octan werden vergleichend in zwei Petrischalen nebeneinander verbrannt
Beobachtung n-Heptan brennt heller und weniger rußend als i-Octan.
Interpretation Das orangefarbene leuchten stammt von Rußpartikeln.

Außerdem unterscheidet man zwischen fetten und mageren Gemischen. Die optimale Verbrennung findet bei einem Luft-Sauerstoff-Verhältnis statt, das dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht. Bei Luftunterschuss spricht man von fetten , bei Luftüberschuss von mageren Gemischen.

Versuch:

Experiment Einfluss des Luft-Brennstoff-Verhältnisses
Material
  • Plexiglasexplosionssilo mit Piezozünder
  • Pipette
Chemikalien
  • Petrolether (Siedepunkt 40-60°C)
Durchführung In das Silo werden verschiedene Mengen Petrolether gegeben (zwischen 5 und 18 Tropfen), das Silo wird verschlossen und gut geschüttelt und dann wird mit dem Piezozünder gezündet. Gasreste werden mittels eines Föns aus dem Silo entfernt, bevor erneut gefüllt wird.
Beobachtung Bei 5 und 18 Tropfen: keine Reaktion
Bei 7 und 15 Tropfen: leichte Reaktion
Bei 12 Tropfen: sehr heftige Reaktion
Interpretation Je näher das Luft-Brennstoffverhältnis an das stöchiometrische Verhältnis kommt, desto idealer läuft die Verbrennung ab und desto heftiger ist die Reaktion. Bei <12 Tropfen wird das Gemisch zu magerer, bei >12 Tropfen fetter. Dabei wird die Verbrennung unvollständiger, oder (bei zu fetten und zu mageren Gemischen) läuft überhaupt nicht mehr ab.

1.3 Funktionsweise des Viertakt-Ottomotors

Ein Viertakt-Ottomotor funktioniert nach folgendem Prinzip: Zuerst öffnet sich das Einlassventil und das vorgemischte Luft-Brennstoff-Gemisch wird aus dem Vergaser in den Zylinder gesogen. Das Einlassventil schließt sich, der Kolben bewegt sich nach oben und verdichtet das Gemisch. Dabei steigt der Druck auf etwa 15 bar, und dadurch auch die Temperatur auf etwa 500°C. Anschließend erzeugt die Zündkerze einen Zündfunken. Das Gemisch entzündet sich, die Temperatur steigt auf etwa 2000°C an. Zusätzlich erhöht sich der Druck. Der Kolben wird dadurch nach unten gedrückt. Schließlich öffnet sich das Auslassventil und die Verbrennungsprodukte werden durch den sich erneut nach oben bewegenden Kolben in den Abgastrakt gedrückt. Die Temperatur der Abgase sinkt durch Druckminderung auf etwa 800°C. Die mechanische Arbeit wird dabei komplett im 3. Takt geleistet. Durch die Zündung des Gemischs wird der Kolben nach unten gedrückt und treibt so die Kurbelwelle an.


Abb. 4: Viertakt-Ottomotor

1.4 Die Schadstoffe

Folgende Schadstoffe können bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in Luft entstehen:

CO, CO2

   CH4 + 2 O2   →   CO2 + 2 H2O (stöchiometrische Verbrennung)

2 CH4 + 3 O2  → 2 CO  + 4 H2O ("fette" Verbrennung: Luftunterschuss)

   CH4 + 3 O2  →   CO2 + 2 H2O + O2  ("magere" Verbrennung: Luftüberschuss)

NOx

Thermisches NO (Zeldovich NO):

O.  +  N2     →  NO + N.

N.   +  O2    → NO + O.

N.  +  OH.  → NO + H.

Variante des thermischen NO (NO aus Lachgas):

O.  +  N2     → N2O

N2O + O. → 2 NO

N2O → 2 N. + O.

Promtes NO (Fenimore NO):

CH. + N2   →  HCN + N.  →  NO

Das CH-Radikal wird aus C2H2 (Ethin) gebildet, welches wiederum aus einer Rekombination zweier CH3-Radikalen hervorgeht. NO ist ein farblos und reagiert mit Luft zum braunen NO2.


2 Das Motorklopfen

2.1 Klopfwirkung

Beim starken Erhitzen werden vor allem von Molekülen linearer Kohlenwasserstoffe (KW)   H-Atome abgespalten (Radikalbildung). Wasserstoffradikale reagieren besonders leicht mit Sauerstoff, und zwar auch ohne Zündung durch eine Zündkerze. Dadurch erfolgt die Verbrennung nicht mehr längs einer von der Zündkerze weg wandernden Flammenfront (a), sondern setzt an verschiedenen Stellen im Zylinder ein und verbrennt unregelmäßig (b).


Abb. 5: Klopfwirkung [3]. a) Reguläre Verbrennung, b) Klopfen auslösende irreguläre Verbrennung

2.2 Die Oktanzahl

Zur Beschreibung der Klopffestigkeit von Treibstoffen hat man die Relative Oktanzahl (ROZ) eingeführt. Man hat reinem Oktan die Oktanzahl 100 zugeordnet, reinem n-Heptan die Oktanzahl 0. Relativ dazu wird in Testmotoren die Klopffestigkeit experimentell bestimmt.

2.3 Antiklopfmittel

2.3.1 BTX-Aromaten

Man nutzt von vornherein solche KW als Treibstoffe oder Treibstoffzusatz, die keine oder weniger Wasserstoffradikale bilden. Hierzu gehören aromatische Kohlenwasserstoffe, die sog. BTX-Aromaten (Benzol, Toluol und Xylol-Isomere). Folglich ist der Aromatenanteil in Superbenzin besonders hoch.


Abb. 6:
BTX-Aromaten

2.3.2 Scavenger

Man fängt entstandene Wasserstoff-Radikale ab. Dazu setzt man von vornherein instabile Verbindungen zu, aus denen im heißen Treibstoff-Luft-Gemisch rasch Kohlenwasserstoff-Radikale entstehen, die mit den freien Wasserstoffradikalen reagieren. Beispiele sind die verzweigten Kohlenwasserstoffe, hier vor allem das iso-Octan. Beim Zerfall bilden sich zwei isomere Butyl-Radikale:


Abb. 7: Radikalentstehung durch den Zerfall einer Kohlenwasserstoffkette

Die entstandenen Kohlenwasserstoff-Radikale verbinden sich ihrerseits wieder mit freien Radikalen, z.B. Wasserstoff. Diese Reaktion wird als Radikalfang bezeichnet und die entsprechenden Radikalfänger heißen Scavenger (engl. Straßenkehrer).


Abb. 8: Rekombination eines t-Butyl-Radikals zu t-Butan

 Verbleites Benzin

In verbleitem Benzin ist Bleitetraethyl enthalten, das rasch unter Bildung von vier Ethyl-Radikalen zerfällt:

Pb(C2H5)4 → Pb + 4 .C2H5

Diese Radikale wirken wieder als Scavenger: H. + .C2H5 → C3H6

Bleifreies Benzin

Ein guter Ersatz für Bleitetraethyl ist Methyl-t-Butyl-Ether (MBE): In der Hitze zerfallen dessen Moleküle und bilden die bereits angesprochenen Scavenger:

CH3-O-C(CH3)3 → CH3O.  +  .C(CH3)3


3 Ausblicke

3.1 Benzin

Werden Verbrennungsmotoren eines Tages mit Laser gezündet?


Abb. 9: Demonstrationslaser [7]

Vorteile:

  • Freie Wahl des Zündortes

  • Erhöhte Zündsicherheit

  • Verschleißfrei

  • Geringerer Zündverzug

  • Entzündung magerer Gemische (Luftüberschuss)

Nachteil:

  • Hohe Anschaffungskosten noch im vierstelligen Bereich, daher vorläufig erst in stationären Großgasmotoren einsetzbar.

3.2 Diesel

Rußfreie Verbrennung von Diesel als Mikroemulsion mit Wasser?

  • Erniedrigung der Verbrennungstemperatur bei zunehmendem Druck

  • Gleiche Arbeit bei niedrigerem Wärmeverlust (Energieeinsparung)

  • Wasser und Öl liegen eng benachbart vor (gleichmäßige Verbrennung, d.h. weniger Schadstoffe) [4]


Abschluss. Um die Effizienz der Motoren zu steigern gibt es allerdings noch eine weiter Möglichkeit. Es kann Lachgas eingesetzt werden, um dem Motor schnell viel Sauerstoff für die Verbrennung zu liefern (siehe NO aus Lachgas). Dadurch kann in kürzerer Zeit mehr Brennstoff umgesetzt werden und die Motorleistung steigt rasant. Dabei spielt der Umweltaspekt aber natürlich keine Rolle mehr.
Zusammenfassung. Es ist sehr wichtig bei Verbrennungsmotoren eine möglicht effiziente und schadstoffarme Verbrennung zu gewährleisten. Im Verbrennungsmotor wird ein Luft-Gas-Gemisch (entweder vorgemischt und nicht vorgemischt) entzündet (entweder Selbstzündung oder Fremdzündung) und aus der Verbrennung mechanische Arbeit gewonnen. Das Luft-Brennstoff-Verhältnis wirkt sich dabei auf die Vollständigkeit der Verbrennung aus. Beim 4-Takt-Ottomotor verläuft die Verbrennung in 4 Schritten (Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen), wodurch die Effizienz gesteigert werden kann. Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entstehen im Motor allerdings ungewollte Abgase (CO2, NO, ...). Von zentraler Bedeutung ist auch der Brennstoff selbst. Effiziente Motoren arbeiten mit hohen Verdichtungen. Bei diesen hohen Drücken neigen lineare Kohlenwasserstoffe eher zur ungewollten Selbstzündung (Motorklopfen) als verzweigte. Dem Klopfen kann man z.B. durch Zugabe von BTX-Aromaten entgegenwirken. Ein Maß für die Klopffestigkeit ist die Oktanzahl (OZ).
Literatur
  1. Chem.Unserer Zeit, 2005, 39, 246-254
  2. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c3/Spark-plug01.jpeg (Autor: Ralf Schumacher, 16.02.16, GNU free documentation license)
  3. strey.pc.uni-koeln.de/download/poster/poster.pdf, 03.07.2008
    (8.7.15 nicht wieder gefunden)
  4. https://roempp.thieme.de/roempp4.0/do/data/RD-19-04121, 30.06.2015
  5. http://combustion.berkeley.edu/gri-mech/version30/text30.html, 30.06.2015
  6. Kolar, J., Stickoxide und Luftreinhaltung, Springer, 1990, S.19f.
  7. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4b/Laser_DSC09088.JPG, (Autor: David Monniaux, 16.02.2016, GNU free documentation license)

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