5. Fűtőérték, égéshő

Image Látszatra, laikusan, sokan összetévesztik a két fogalmat. Mai szertelen kalandozásunk közepette fény derül arra, hogyan kell érteni ezeket? Továbbá mást jelentenek a szavak, de összefüggenek is egymással.
Kezdjük az elõbbivel a fûtõértékkel, ami egyszerûnek tûnik. Rögtön az elején leszögezzük, hogy az égés megindításához is kell hozzáadnunk energiát, hiszen lokálisan, kis mennyiséget olyan helyzetbe kell hozni, hogy a folyamat az egész térfogatba elterjedjen! Ezt a hozzáadott hõmennyiséget ki kell vonni a fûtõértékbõl. Pld. ha egy szál gyufával égésbe hozunk a kémcsõbe egy kis mennyiségû benzint. A motor égésterébe is segíti kell a benzint a begyújtáshoz, ez a segítség az elektromos szikra! Dízelnél természetesen az összenyomásból eredõ kompresszió gyújtás eredményezi.

Az alapok ott kezdõdnek, hogy égéskor, egyesülési folyamatkor a fölösleges energia távozik a térfogatból, mégpedig hõ formájában.
Elõször is alapoknál kell kezdeni.

Mi is a hõ?
Az anyagot alkotó részecskék belsõ és külsõ energiaváltozása a környezetéhez képest. Vegyi átalakulás közben megváltozik a molekulák belsõ energiája. Oxidációval kisebb energia szintre kerül, felszabadulva a molekula, és atomi, és atomokon belüli részecskealkotók energia szintje. Legegyszerûbb az oxidációt elképzelni. Más molekuláris és atomi szakadások, egyesülések is történnek a benzin égése közben, mivel több száz szénhidrogén származék egymásra hatásának dominó elven mûködõ átalakulásáról van szó! Roppant bonyolult átszervezõdésnek hívnám.
Ez ám az igazi logisztika. Kis hasonlattal élve, több ezer fiókba újra kell pakolni az anyagokat!
Lényeg, hogy az egész folyamat végén minden a molekula nagyobb térfogatot szeretne felvenni, segítve azt a hõfelszabadulás. A magas hõ, az elégett gázok mozgási energiája okozzák a motorok hengerébe a túlnyomást.
Kérdés az, hogy mekkora ez a túlnyomás, és milyen ütemezéssel folyik le idõben elosztva! A hengerben lejátszódó folyamatokat csak modellezni, számítani, elméleti elemzést lehet végezni, de még senkinek nem sikerült a kb. 400 féle molekula több tízmillió átalakulási folyamat ábráját leírni!
Mondhatnánk senki nem látta, hogy miként alakulnak át egymásba a molekulák. És milyen sebességû változásokkal! A hengerben köztes molekula konfigurációk is megjelennek, melyeket a mai üzemanyag gyártók figyelembe sem vesznek.
Pedig óriási jelentõsége van félig átalakul, egymásba öltõdõ folyamatok között! Ezeket csak nagyon sok fizikai teszt, kísérleti módszerrel lehet igazolni. A jó üzemanyag hatékony tulajdonságáig sokat kell dolgozni. Mivel elméleti sík, nem mindig válik be, ezért a valódi anyagtesztekkel sokkal hamarabb lehet elõre jutni! Elismerem, ezt rengeteg pénzt, és emberi erõforrást, valamint gépi technikát igényel.

Image

Ezek ugye a lángterjedési sebességgel, égéstér kialakítással, és utoljára, de nem utolsó sorban az üzemanyag összetételétõl is függ. Nagyon fontos szempont. Javítani kell utólag hozzáadott anyagokkal az üzemanyagot. Kizárt dolog, a benzin, gázolaj gyártásban megoldható legyen egyszerre az ellentétes folyamat. Nos a kutak üzemanya ezért tartalmaz úgynevezett nagy térfogat százalékú fejadalékot, mely olcsó, és vele elérik a szabványon belüli minõséget. De csak azt! Mert nagyon drága hozzáadott értéket kizárt dolog, hogy ezen óriás árréssel be tudják apportálni az üzemanyagba a multik.
Más szempontok szerint pedig az expanziót elõidézõ és kiszolgáló mechanikai környezeten is múlik a motorok hatékonysága. (Pld. elektronikai, és mechanikai vezérlés, ütemek fázis összehangolás, keverék képzés, stb.)
Ezen leírtakon felül a fûtõérték bizony nagyon lényegre törõ tulajdonsága az üzemanyagnak.
Még van egy kis hiba, azaz módosítani való eltérés, ami a víz miatt megkülönbözteti fûtõértéket az égéshõtõl.
Ezt a tételt majd az utolsó sorokban írom le!

Addig is folytassuk a sorokat az égéshõvel.
Én úgy hívnám, hogy egy bruttó hõ. Jellemzõ egy kg éghetõ anyag hõfelszabadulására. Azonban az égéshõ függ a atomi szintû szén és a hidrogén arányától, az anyag sûrûségétõl, a molekulák változatos izomerjeitõl is.
Összefüggés mutatkozik, de az égéshõt nem befolyásolja az égési sebesség! Viszont a motor hatékonyságát az égési sebesség meghatározza. Pontosabban a kezdeti, és a végsebességet.
Tehát ha azt tudjuk, hogy a hidrogén atomi szinten gyorsabb égésû, mint a szén, akkor már csak azt kell összerakni, hogy a változatos szénhidrogén származékok milyen formában, sorrendben és idõben ég el!
 
Gondoljunk egy talán mindenki által ismert durranógáz égetésre még az általános iskolából. Ugye a hidrogén és az oxigén milyen gyorsan ég?
A szén egyéb hidrogénnel van kapcsolva rögtön nem olyan heves az égés. Lám a metán (CH4) és a levegõ elegye. A tojásszén, vagy a koksz pedig lassan ég.  Továbbá vegyük figyelembe a szén nagyobb energiát képvisel, mint a hidrogén. Igaz az egyikbõl végtermékként víz lesz, a másikból széndioxid! Az utóbbi sokkal környezet szennyezõbb. Visszatérve a vízre minden kommunikációba a pozitívan értékelik a kipufogó vizét, ám az erõsen szennyezett, nem is annyira szende szûz az a víz! Az a kis kondenzvíz!
De errõl egy másik cikkben majd egyszer! Ez is megér egy misét!
Az égéshõre visszatérve azt a bruttó hõt tekintjük az üzemanyagoknál, ami az ideális levegõ/üzemanyag keverési aránya után keletkezik, és a 3.fázisba a robbanási ütem gáztágulásába besegít!
Innen jön a fordulat:
A levegõ 78 % nitrogént tartalmaz, mely nem vesz részt elvileg az égésben. Már régen rossz, ha nitrogén oxidok tömkelege jön létre! Nem kedvez a hatékonyságnak a semleges gázzal hígított üzemanyag levegõ keverék. Miért is?
Mert hátráltatja az égést a puffer anyag.  Lehet, hogy jobb is a mai motorok technikai gyenge színvonala miatt. Ellenkezõ esetben, szétégnének. Szétrobbannának! A heves égéstõl. Lehet, hogy az alternáló motorok nem is felelnének meg a tiszta oxigénnel való üzemanyag égetésnek. Gondoljunk arra, hogy amikor kicsit emeljük a motorba juttatott oxigén szintet dinitrogén, azaz nitrogázzal, akkor valószínû, hogy elégnek a szelepek, szétég a dugattyú stb.
Miért is?
Mert égéshõt nem korlátozták a levegõben lévõ 78 % nitrogénnel. Pedig még így is van bõven a kipufogógázban nitrogén. Ami ugye arról híres, hogy a nitrogén hõ közlésre jobban immunis, mint a levegõ. A verseny szférában, például a rallyban pont ezért is tiltott a gumiabroncsok nitrogénnel való töltése. Nem mindenki teheti meg, hogy használja, így nem egyenlõ esélyeket ad!

Levegõvel töltött abroncsot, melegíteni kell, míg el nem éri a megfelelõ guminyomást. Nitrogénnél szinte ugyanaz 20 és 60 oC fokon a guminyomás. Ezt a hátrányt okozza a nitrogén a belsõ égésû motorokban. Hõ közlésre a részecskék megnövekedett ütközése által nõ a nyomás, így expanzívan terjeszkedik az elégett gáz. A dugattyú lefelé halad, munkát végez. A nitrogén pedig tompítja ezt a hatást!
Egyszer majd bizonyára az üzemanyagot oxigén bevezetéssel égetjük el. Ezt azonban technikailag nehéz elérni! Bizonyára eljön az idõ erre is.
Másrészt vizsgáljuk meg, hogy az égéstérbe keletkezõ gázok közül melyik tölti ki jobban a térfogatot. A CO2, vagy a H2O az expanzívabb? Az oxigén nagy méretû atomi része a molekulának. Mivel a széndioxidba kettõ is van, így ez nagyobb molekula, ezért a víz alatta marad rendesen. Tehát akkor van nagyobb térfogat tágulás, ha több széndioxid keletkezik, és kevesebb vízgõz! Ráadásul a felszabaduló energia is a vízgõznél kevesebb.
Mégis arra törekednek környezetvédelmi okokból, hogy víz legyen a legnagyobb részben a kipufogó gázban. Értelem szerûen abból az üzemanyagból több kell, amiben több a hidrogén arány. Ezt úgy oldják meg az üzemanyag gyártás közben, hogy direkt hidrogénezik az alkotó komponenseket, hidrokrakkolással. Nincs azzal semmi baj, csak csökken az üzemanyag folyadék egy literre vetített égési energiája.  De még ez is kevesebb baj. A fõ gond ott keletkezik, hogy az égéstérbe az egymásba öltõdõ vegyi folyamat nem lesz permanens.
Úgy tudnám szemléltetni, hogy megyünk a lépcsõn fel, és egyszer csak a 300db lépcsõfokból hiányzik egy. Ekkor nem gond átlépjük. Aztán hiányzik három, már ezt át kell ugorni nagy energiát pocsékolva. Ha öt-hat hiányzik, akkor óriási az energia veszteség, mert az idõbeni és térbeni folyamat lendülete megtörik, egy lassú hegymászás lesz belõle. A jó üzemanyag adalékoknak az a feladata, hogy ezeket a lépcsõket kitöltse. Így érzi a sofõr, hogy nyomatékosabb, jobban húz az autó.

Az üzemanyag anyag minél több ilyen foghíjat  tölt ki, több komponensével, annál inkább hatékony. Mind ehhez pedig folyamatosan kell a piacon lévõ benzint és gázolajat tesztelni! Mindig változik a kõolaj feldolgozási eljárása. Állandóan illeszteni kell az adalék gyártási módszerét is!
Azért vannak határok is. Ha óriási túlsúlyban vannak lépcsõ hiányok, vagy sok a hidrogén, akkor az adalék is csak kevésbé hatékony! Sajnos!
Más fontos jellemzõt, is felvet a hidrogén égésébõl keletkezõ kondenzvíz. Az égéstérbe vízgõz alakjában van jelen, mely egyrészrõl a benzinnél az oktánszámot csökkenti, másrészrõl a égési részecske térfogatból párolgási energiát vesz el. Ami a hengerbe történik, még nem jelentõs, ám a kipufogó rendszerbe ismét lecsapódik, majd a katalizátor, és egyéb kipufogó elemnél ismét gõzzé kellene váljon. Hideg indításkor, üzemi hõ eléréséig sajnos láthatjuk, hogy vízszerû anyagot köpköd ki a kipufogó vége!
Tehát az égéshõbõl le kell vonni a párolgásra fordított energiát, így kapjuk az igazi fûtõértéket!
Ez így van a szilárd tüzelõknél is. Gondoljunk arra, hogy a záraz fának is van víztartalma, mely korlátozza a fûtõértéket. A magas hõmérsékleten vízkiszorított brikettálás ezért hasznos. Nyilván ezért nagyobb a brikettek egységnyi fûtõértéke!

Vissza térve a pillanatnyi égéshõ és a fûtõérték viszonyára, ez akkor lenne kiemelt jelentõségû, amikor olyan heves égés lenne a motorokba, hogy tompítani is kellene. A mai üzemanyagoknál, és motor fejlettségi szinten még csak azon lehet javítani, hogy a fûtõérték minél nagyobb legyen. Az égéstérbe lévõ nyomás fokozása a egyrészt a több elégetett üzemanyaggal, valamint a részecskék minél nagyobb mozgási energiává tételével tehetõ hatékonnyá! A hõ általi tágulási késztetés a legfontosabb fegyvere az alternáló motoroknak. És azt se feledjük, hogy a négyütemû motor mûködésénél 3 féle ütem az energia teljesen energia fogyasztó, sõt zabáló ütem. Míg a mellette lévõ henger dolgozik, munkaütemben van, addig a fõtengely lendületébõl nyert energiát hasznosítva készíti elõ az ismételt robbanást a henger! Az ütemek eltolásával ezért vált be leginkább a négyhengeres motor! Az egyhengeresnél arra kell figyelni, hogy belendített fõtengely és mozgó alkatrészei jussanak túl a holtponton. Különben megáll a motor! Ehhez negy súlyú alkatrészek kellenek. Ez nem teszi gazdaságossá a motort.
Azt azonban ne feledjük, míg egy dugattyút, vagy más alkatrészt homlok egyenest más irány változtatására kényszerítjük, addig a tehetetlenségi törvény alapján jelentõs energiát pocsékolunk el!
Küzdhetünk a minél optimálisabb energia bevitellel, a szén és a hidrogének kötési, és az oxidációval felszabaduló energiáinak számításaival, egyet azonban meg kell jegyezni.
Sokat fejlõdött a belsõ égésû alternáló motorok hatásfoka, de kezdjük elérni az elérhetõ maximumot, ami nem valami jó! 
Egyet figyelembe kell venni, a tömeg mozgásba hozásához energia kell, a mozgási irány változtatáshoz még több elpocsékolt energia vész el! A robbanómotor dugattyúi, hajtókarok pedig ezt végzik!
Új módszerek szerint, megpróbálja a mai technika a oxidációs eljárást minél kevesebb tágulási hõvel megoldani, de csak 1-2 %-os az eredmény. Ebben is segít a jól konstruált üzemanyag, melyet okosan adalékolunk!
Egy cél van, csak a szükséges, de minimális hõt termelje a motor, a többi felszabaduló expanziós erõ, mozgási energia formában hasznosuljon. Mivel a világ mozgásban, fejlõdésben van, ezért az adalékokat is folyamatosan illeszteni kell a felhasználhatóság érdekében. A hatékony, gazdaságos felhasználás ekkor válik mindenki számára elfogadhatónak! 
A fûtõérték és az égéshõ így nyer újabb értelmet az autózás világában!
Az alábbi táblázatban megtekinthetõ, és elgondolkoztató adatokat tettünk közzé!


Folyékony tüzelõanyagok (25 °C hõmérsékleten)

Fûtõanyag Égéshõ (MJ/kg) Fûtõérték (MJ/kg) Fûtõérték (kWh/kg)
Biodízel 40 (Repceolaj-metilészter) 37 10,2
Metilalkohol 22,7 19,9 5,5
Etilalkohol 29,7 26,8 7,4
Izopropanol 33,6 30,7 8,5
Benzol 41,8 40,1 11,1
Fûtõolaj 43–46 40–43 11,1-11,9
Gázolaj 46 43 11,9
Benzin 47 43 11,9
Paraffinolaj 49 45 12,5


Ezen látszik, hogy mennyire más a két adat. Mutatja a hidrogén arányát, melybõl víz keletkezik, és a párolgási hõ kivonva kapjuk a fûtõértéket! Persze a motoroknál ez 100%-ban nem vonható le, mert a hengeren kívüli részbeni párolgáshõ nem érinti termodinamikai egyensúlyt. Ez a víz kondenzációs levonás csak a különbség 40-60 %-át érinti üzemanyag fajtától és gyártmánytól függõen.

Remélem sikerült felkelteni az érdeklõdést az üzemanyagok egy fontos minõségi meghatározójára! 

Kisújszállás,2016.11.23.    

                                                                
Farkas Kálmán
SZAKI Kft.