Vi tenker jo ikke over det, men det som skjer i motoren er avansert kjemi – og det er alt som skjer i vår kropp også. Men bilens avgass, er den alltid farlig? Hva kommer egentlig ut av røret, hvorfor og hvordan? Vi kikker:
Bildet øverst: Avgass er så mye, og rensing av den er i våre dager noe helt annet enn på Ford T sin tid – takk og lov. DA var det virkelig full åpning, dårlig forbrenning og mye skummel avgass! (Foto: Ford)
Av Stein Bekkevold
Stadig blir vi minnet om at vi er fæle forurensere, vi som ikke har elbil. Ja, vi forurenser fordi vi forbrenner noe, slik også de gjør som driver industri, baker brød, kjører dieselbuss og fisker i Lofoten.
Bilmotoren drives jo av bensin eller diesel – langt sjeldnere av gass. Dagens bensinmotor har renere avgass enn noen gang, og det har også dagens dieselmotor, særlig om den går med AdBlue.
Til historien hører katalysatorene. De kom for kjemisk å fjerne karbon-monoksid og hydrokarboner fra eksosen. Men da måtte blybensinen vekk, den tok livet av reaksjonshinnen som var laget av platina, rhodium og andre dyre saker.
Erstatter blyet
Bly? Ja, bly – tetraetyl-bly (TEL) – ble tilsatt bensin fra 1920-tallet for å unngå motorbank. Blyet ga også smøring til ventilene og ventilsetene. Bly – potent nervegift – ble forbudt på 1980-tallet. Samtidig ble ventilsetene endret (herdet) slik at de ikke lenger måtte smøres av blyet. Flere oksygenbærere kan erstatte blyet for å øke oktantallet, slike som metanol, etanol og MTBE (metyl-tertiær-butyl-eter).
Bensin
Om du heller bensin i en åpen skål, tenner en fyrstikk og legger den i skålen, hender ingen ting. Fyrstikken slokner. Bensin brenner best som gass. Derfor kom forgasserne, som forstøvet drivstoffet.
I dag har jo bensin- og dieselbiler innsprøyting under høyt trykk, også dette forstøver drivstoff, finfordeler det i luft. Det er varmeenergien i drivstoffet vi vil ha, ved å brenne (oksidere) hydrogen og karbon – sammen med luftas oksygen.
Hva skjer?
Høyoktan bensin har rundt 86 vektprosent karbon og 14 % hydrogen, og diesel har like mye karbon men litt mindre hydrogen, rundt 13 prosent. Du ser at det kan bli mer sot (karbon) i dieselavgass, det er litt mindre hydrogen å brenne (reagere) karbonet med – enkelt sagt. Grunnen til at sprit (etanol) kan være et flott drivstoff er her: 52 C og 13 H PLUSS 35 % oksygen. Metanol er enda bedre: 38 C og 12 H og 50 prosent oksygen. Så hva skjer når alt dette antennes, rett over stemplet? Der starter forbrenningskjemien.
Det meste av det synlige i moderne avgass er faktisk vanndamp. (Foto: wikipedia)
Forbrenning
er en høytemperatur, eksoterm reaksjon mellom et drivstoff (reduksjonsmidlet) og en oksidant, her luftas oksygen. Forbrenning er oksidering. Reaksjonen gir oksidert gass, røyk, og mye vanndamp. Forbrenning gir ikke alltid synlig flamme, flamme ser du først når det som brenner fordamper (blir gass), så flammene – gass som gløder – viser reaksjonen – og fargen sier mye.
Mens aktiverings-energien må overvinnes for å starte forbrenning (tent fyrstikk tenner bål), kan varmen fra flammen deretter være nok til å vedlikeholde brannen.
Reaksjonen
Kjemien er en kjede av radikale reaksjoner, dette er grunnleggende. Tre og kull går først i endoterm pyrolyse som gir brennbar gass; det oser jo i bålet og peisen. Brann oppstår, og gir snart varmen (energien) som skaper flammer. Forbrenningen er da varm nok til å skape glødelys – altså flamme. Når vi brenner et hydrokarbon-drivstoff ser reaksjonen slik ut – om du ikke besvimer:
CxHy + zO2 blir til xCO2 + y/2H2O og her er z lik x+y/4 ….
Venstre ledd er drivstoffet, hydrokarbon kan være CnH2n der det til et stoff med to karbonatomer C kobles fire hydrogenatomer. I andre stoffer kan formelen være CnH2n+2 , og da blir det enda mer hydrogen å forbrenne.
Formelen er fæl
Så enkle stoffer er ikke bensin og diesel, de inneholder iso-oktan, etyl-toluen og oktanbæreren MTBE. For å finne utslippene av CO2 – ved alle turtall og belastningstilfeller – må vi bruke flinke datamaskiner. Og H betyr hydrogen, O er oksygen og summen blir H2O – vann, og karbondioksid CO2.
Og om du lurer på hvor mye CO2 din bil slipper ut for hver liter drivstoff den forbrenner, så er svaret her: Diesel lager rundt 2,63 kg/liter og bensin 2,30 kg/liter. Bare så du vet det. Formelen glemmer vi – den er fæl ….
Alt startet da vi klarte å temme ilden – som tidligere bare kom av lynnedslag og vulkanutbrudd. (Foto: R. Roletschek/de.wikipedia)
Kjemi
Forbrenning av noe organisk (ved og sånt) med luft er alltid eksoterm (varmeutviklende) fordi dobbeltbindingen O2 er svakere enn andre dobbeltbindinger – eller par av enkeltbindinger; dette gir sterkere kobling i alt forbrenningen gir, altså i CO2 og H2O – så disse frigjør derfor energi – som varme.
Her må vi stole på fagfolkene; bindingsenergiene i drivstoffet er mindre viktig. Forbrenningsvarmen er omtrent 418 kiloJoule per mol O2 forbrent stoff – mol er grunnstoffmengden – og kan beregnes ut fra drivstoffets sammensetning – dette slet vi med da vi studerte …
Splittes i oksygen og nitrogen
Full forbrenning er støkiometrisk, da er det ikke drivstoffrester i avgassene – ingen restoksidant. Det er dette som skal skje i bilen, etter at avgassen er behandlet! Ideell(fullstendig) forbrenning av bensin krever at hver kilo oksideres med 14,67 kilo luft. Dette er støkiometri. Men fullstendig forbrenning går ikke, fordi vi ikke når kjemisk likevekt og fordi avgassen alltid inneholder karbonmonoksid, hydrogen og karbon (sot/aske). Derfor er ubehandlet avgass fæle saker. Forbrenning ved høy temperatur i luft, med luftas 78 prosent nitrogen, vil dessuten gi nitrogenoksider (NOx), fordi oksidering av N2 bare skjer ved høye temperaturer/høye trykk, som i dieselmotorer – og da bare i system uten etterfølgende anti-NOx behandling av avgassene. Den skjer med AdBlue der ammoniakk (urea) binder NOx som så katalytisk splittes i oksygen og nitrogen.
Så spør du
Hva med CO2 – det blir jo mye av det? CO2 er karbon-dioksid med ett karbon-atom og to oksygen. Gassen er livsviktig, men er også en trussel.
CO2 er sur og fargeløs – med tetthet 53 prosent høyere enn tørr luft. Gassen har ett karbonatom som er (kovalent) dobbelt-bundet til to oksygenatomer. CO2 fins naturlig i lufta. Dagens mengde er ca 412 ppm (parts per million), opp fra 280 ppm på 1700-tallet, den økte med industrialiseringen.
Livsnødvendige
Naturlige kilder er vulkaner, skogbranner, varme kilder, og gass fra karbonater (bergarter) som løses i vann og syrer. Karbondioksid er i grunnvann, elver og innsjøer, iskapper, isbreer og sjøvann. Og i petroleum og naturgass. Gassen har skarp lukt, men er vanligvis luktfri. CO2 er hovedkilde for alt liv.
Gassen kom i førindustriell tid fra fotosyntese og geologiske reaksjoner. Planter, alger og cyanobakterier tar opp solenergi og fanger inn karbohydrater (karbon/vekststoff) fra CO2 og vann i fotosyntese, oksygen blir avfall – flott for alle som puster inn O2 og slipper ut CO2…
Siden planter trenger CO2, og mennesker og dyr er avhengige av oksygen, er begge gasser livsnødvendige.
Avgass
Det meste i fossil eksos er nitrogen N2, vanndamp H2O, karbondioksid CO2 – men ikke CO2 om motoren går på hydrogen; gassene er ikke giftige eller skadelige, men vanndamp og karbondioksid er altså drivhusgasser.
En liten del er uønskede, skadelige eller giftige stoffer, som karbon-monoksid (CO), hydrokarboner fra uforbrente drivstoff, og nitrogenoksider (NOx).
Og det var dagens lekse. God tur videre!
