Galia yra skaičiuose

Manau, kad tai virsta problema.

Kai darydamas paprasčiausius gyvenimiškus sprendimus kaskart nevalingai imi sisteminti su jais susijusius faktus, alternatyvas išskleisti į dedamąsias, jas įvertinti skaičiais, kai tuos skaičius sudedi į krūvą ir visiškai ramia galva darai tai, kas anksčiau tik atrodė ne protingiausia. Bet yra.

Ankstesnis straipsnis buvo apie skaičius ir tai, kad juose esama jėgos. Šiandien aš vėl grįžtu prie skaičių, prie juose tūnančio drakono bei tiesiog įdomių faktų. Tiesiog todėl, kad tai - apsėdimas.

Taigi, pakelkite rankas tie, kas negirdėjote, jog su bioetanoliu galima turėti daugiau galios? Niekas nepakėlėte? Taigi. Visi žino, kad su E85 galima turėti daugiau galios ir važiuoti saugiau. Kuo variklis labiau "išspaustas", tuo daugiau naudos E85 duos. Bet ar visi žinote, kodėl?

Tikrai visi žino, kad E85 oktaninis skaičius yra didelis. Kai kurie žino, jog gryno etanolio oktaninis skaičius - 108.6, o E85 jis yra lygus maždaug 105. Bet didesnis oktaninis skaičius dar nereiškia didesnės galios, jis tik leidžia daugiau "spausti" iš variklio!

Oktaninis skaičius - tai atsparumas detonacijai, paprasčiausiai kuro savybė.

Didesnis oktaninis skaičius reiškia, kad uždegimo momentą galima ankstinti (kuras degs, o ne detonuos), suspaudimo laipsnį - didinti, ir į variklį patenkančio oro slėgį - pakelti. Ypatingai reikšmingi šie dalykai yra turbininiuose varikliuose.
Pakėlus oro slėgį per vieną vožtuvų atsidarymo ciklą į variklį pateks daugiau oro.
Padidinus suspaudimo laipsnį dėl susidarančio didesnio slėgių skirtumo tarp įsiurbimo kolektoriaus bei degimo kameros į variklį irgi pateks daugiau oro. O kadangi mišinys bus suslegiamas daugiau, iš jo bus gaunamas didesnis energijos kiekis - vėlgi, padidėjus santykiui tarp maksimalaus ir minimalaus degimo kameros tūrio, degantis mišinys turės daugiau vietos plėtimuisi, taigi, ir atiduos daugiau savo terminės energijos. Taip pat didesnis suspaudimo laipsnis reiškia didesnę ekonomiją - tą pačią galią galima išgauti su mažesniu kuro kiekiu.

Paankstinus mišinio uždegimo momentą mišinys turi daugiau laiko pilnai sudegti, vadinasi, ir daugiau laiko atlikti naudingą darbą. Gamykliškai nustatytas uždegimo momentas yra pritaikytas visoms situacijoms ir konservatyvus, todėl jo ankstinimas gali padėti išgauti daugiau galios.
Žinoma, ankstinti uždegimo momentą verta tik iki tam tikros ribos - eksperimentais yra nustatyta, kad daugiausiai sukimo momento išgaunama, kai pikinis slėgis degimo kameroje yra 15-20º ATDC (po stūmkolio aukščiausio taško). Tai priklauso nuo variklio geometrijos. Kadangi mišinio degimo greitis yra beveik vienodas, nesvarbu, kokiu greičiu sukasi variklis, tai jam pilnai sudegti reikia tiek pat laiko ir prie 1000 RPM, ir prie 7500, todėl kuo apsukų daugiau, tuo anksčiau reikia uždegti mišinį, kad pikinis slėgis susidarytų reikiamu momentu, o ne vėliau.

Taigi, turbininiai varikliai su E85 kuru gali veikti žymiai didesniu darbiniu slėgiu, didesniu suspaudimo laipsniu ir ankstyvesniu degimu - visi šie faktoriai turi ribas, kurias nustato naudojamo kuro oktaninis skaičius.

Atmosferiniai varikliai kitokio oro slėgio turėti negalės, bet didesnį suspaudimo laipsnį ir ankstyvesnį degimą - galėtų. Didinant suspaudimo laipsnį reikalingi rimtesni darbai su varikliu - galvutės šlifavimas, aukšto suspaudimo laipsnio stūmoklių panaudojimas. Paankstinti uždegimo momentą galima tiesiog programiškai.

Atrodytų, viskas aišku - E85 yra puikus kuras vien dėl savo oktaninio skaičiaus. Bet aukštesnis oktaninis skaičius nėra vienintelė E85 nauda!

Štai čia prasidės skaičių magija ir truputis chemijos pamokų. Man buvo tiesiog įdomu patyrinėti, kuo skiriasi benzino ir etanolio degimas bei paskaičiuoti, ką iš to skirtumo galima gauti.

Taigi, pradėkime nuo degimo formulių:

Benzinas	2 C8H18 + 25 O2 → 16 CO2 + 18 H2O
Etanolis	C2H5OH + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2O

Variklis yra oro pompa - duotomis sąlygomis patenkančio į degimo kamerą oro kiekis nesikeičia, jei nesikeičia sąlygos. Nesvarbu, kokį kurą naudojame - sąlygos išlieka tos pačios, todėl suvienodinkime formulėje O2 komponento kiekį - tegu tai būna hipotetinės maksimalios variklio galios oro poreikis:

Benzinas	75 O2 + 6 C8H18 → 48 CO2 + 54 H2O
Etanolis	75 O2 + 25 C2H5OH → 50 CO2 + 75 H2O

Opa! Etanolis tam pačiam oro kiekiui, vadinasi, ir maksimaliai variklio galiai  sukurti išmes truputį daugiau (4,17%) anglies dioksido ir gerooookai daugiau (38,89%) vandens!

Dabar tarkime, kad į variklį patenka 1 molis deguonies. Taigi, vienam moliui deguonies kuro sunaudojama:

Benzinas	C8H18	9,1384 g/(1mol O2)
Etanolis	C2H5OH	15,3497 g/(1mol O2)

Ir, kas svarbiau - vienam moliui deguonies sukuriamas energijos kiekis megadžauliais:

Benzinas	C8H18	0,38746816 MJ/(1mol O2)
Etanolis	C2H5OH	0,41137196 MJ/(1mol O2)

Taigi, maksimali hipotetinė variklyje sukuriama energija tam pačiam oro kiekiui padidėja (0,41137196 - 0,38746816) / 0,38746816 * 100 = ~6,17%!!! Tai reiškia, kad vien iš cheminių savybių etanolis padidina 140 ag turinčio automobilio galią iki 148,63. Neblogai, ką? 

Pažiūrėkime į kuro sąnaudas. Kad palyginimas būtų objektyvus, tarkime, kad siekiame išlaikyti tą pačią variklio galią X. Kiek reikia etanolio tai pačiai variklio galiai išlaikyti? 1 mol O₂ sukuria 106,17% variklio galios, taigi, 100% variklio galios reikės 100/106,17 = 0,941885655 mol O₂.

Tokiai pačiai galiai reikės 14,4577 g etanolio (palyginimui benzino - 9,1384). Paverskime skaičius tūriu! 

Tankis:

Benzinas	C8H18	0.755 g/cm3
Etanolis	C2H5OH	0.789 g/cm3

Taigi, jei skaičiuosime litrais, kuro vienam moliui deguonies reikės:

Benzinas	C8H18	9,1384 g / 0,755 g/cm3 = 12,1038 cm3
Etanolis	C2H5OH	14,4577 g / 0,789 g/cm3 = 18,3241 cm3

Kuro sąnaudų litrais padidėjimas tai pačiai galiai: (18,3241 - 12,1038) / 12,1038 * 100 = 51,39%. Wow! Šitas skaičius skiriasi nuo mano girdėtos "pilsi 30% daugiau kuro" mantros. Matyt, realybėje etanolio naudojimas leidžia suprogramuoti kompiuterį žymiai "piktesniam" darbo režimui, tokiu būdu sutaupant tuos 20% kuro šimtui kilometrų.

O kaip su ekologija? Kaip pakis CO₂ kiekis, jei mūsų tikslas - ta pati galia?
0,941885655 mol O₂ * 50 CO₂ = 47,0943 CO₂
Ir tai yra (47,0943 - 48) / 48 * 100 = −1,89%! Nieko sau.

Kadangi etanolio reikės ne 51,39% daugiau, o tik ~30% (E85), kaip kad sako empiriniai bandymai, tai ir išmetamo CO2 kiekis bus dar mažesnis. Apytikris skaičiavimas:
Teorinis CO2 kiekis X galiai: 47,0943 / (100 + 51,39% * 0,85) * 130% = 42,61 CO2.
Ir tai yra ženklus sumažėjimas:  (42,61 - 48) / 48 * 100% = −11,229% (E85 atveju)

Visi skaičiavimai buvo atlikti remiantis tuo, kad naudosime gryną etanolį. Bet degalinėse jį gauname sumaišytą su benzinu, maždaug 85% koncentracijos. Peržvelkime faktus, pritaikę šį koeficientą:

Teorinis galios prieaugis dėl cheminės sudėties	6,17% * 0,85 = 5,2445%
Teorinis prieaugis 140 ag bazei	140 * 105,2445 = 147,34 ag
Teorinis kuro sąnaudų pokytis	51,39% * 0,85 = 43,6815%
CO2 emisija, teorinė	-1,9% * 0,85 = -1,615%
CO2 emisija, empirinė	−11,229% (jau pritaikytas E85 koef.)

Na, ar galėtų kas atsisakyti nemokamų 7 arklio galių iš cheminės sudėties? Žinoma, juk tam reikės programuojamo kompiuterio, našesnių purkštukų, galbūt net kiek geresnės uždegimo sistemos (juk mišinys taps tankesnis, o E85 ir taip yra sunkiau uždegamas). Šie dalykai kainuoja. Bet jų vis tiek reikia ir atliekant kitas modifikacijas.

Taigi, skaičiuose esama jėgos. Šiuo atveju - 5,2445%, ir vien tik dėl cheminės sudėties. O kiek iš oktaninio skaičiaus?

Greitai sužinosiu ir pasidalinsiu :)