Wie kann ich den Sauerstoffverbrauch in einem Automotor abschätzen?

Ich benötige einige ungefähre Zahlen, wie viele Liter Sauerstoff pro Minute ein typischer Automotor benötigt. Wie würde ich das einschätzen?

Rechne nach.

Suchen Sie sich ein Referenzauto aus und fahren Sie mit einer gewissen Geschwindigkeit. Daraus können Sie die in einer Minute verbrauchte Benzinmenge berechnen. Schauen Sie sich nun die Chemie des Benzins an und finden Sie heraus, wie viel Sauerstoff Ihre Minute Benzin benötigt, um vollständig zu verbrennen.

In einem Verbrennungsmotor gibt es weitere Details, wie die Reaktion von Stickstoff mit Sauerstoff, nicht die vollständige Reaktion von Kohlenstoff mit Sauerstoff usw. Dies sollte jedoch ein vernünftiger Ausgangspunkt sein.

Beispiel

Mein Auto erreicht 50 Meilen / Gallone bei 55 Meilen / Stunde (es ist ein Honda Civic Hybrid, der im Durchschnitt sogar ein bisschen mehr bringt). Das sind 1,1 Gallonen / Stunde = 0,0183 Gallonen / Minute = 69,4 ml / Minute. Die Benzindichte beträgt ca. 750 g / l, so dass wir jede Minute ca. 52 g Benzin verbrauchen.

Wir werden Benzin als reines Oktan bezeichnen, welches C ist ₈ H ₁₈ . Da Kohlenstoff ein Atomgewicht von 12 und Wasserstoff von 1 hat, beträgt das von Octan 114.

Bei einer idealen Verbrennung verbindet sich jedes Kohlenstoffatom mit zwei Sauerstoffatomen und jeweils zwei Wasserstoffatomen mit einem Sauerstoffatom. Ein Oktanmolekül verbindet sich daher mit 25 Sauerstoffatomen. Das Atomgewicht von Sauerstoff beträgt 16, so dass das Gesamtatomgewicht des für ein Oktanmolekül erforderlichen Sauerstoffs 400 beträgt.

Dies bedeutet, dass für jeweils 114 Masseneinheiten Oktan 400 Einheiten Sauerstoff verwendet werden. Das heißt, unsere 52 g Benzin benötigen 182 g Sauerstoff.

Die Frage ist nun, wie viel 182 g Sauerstoff enthalten. Wenn Sie nur die Sauerstoffmenge wissen wollen, ist die Masse sowieso nützlicher. Ich werde daher das Volumen der typischen "Luft" bestimmen, die erforderlich ist, um so viel Sauerstoff zu erhalten.

Sauerstoff ist zweiatomig und hat ein Molekulargewicht von 32 in Luft. Das bedeutet, dass unsere 182 g Sauerstoff 5,7 Mol sind. Nehmen wir an, Luft enthält 21% Sauerstoff, das heißt, wir benötigen 27,2 Mol Luft. Bei 20 ° C und 1 atm hat ein Mol ideales Gas ein Volumen von 24 Litern. Daher ist die endgültige Antwort unter allen oben ausgewählten spezifischen Bedingungen, dass der Motor etwa 650 Liter Luft pro Minute ansaugt. Da einige dieser Bedingungen sehr unterschiedlich sein können und die Kraftstoffeffizienz für aktuelle Autos in Grenzen liegt, werde ich zusammenfassen und sagen, dass 1 Kubikmeter Luft pro Minute benötigt werden.

Beachten Sie, dass hier keine Technik vorhanden war. Dies war nur das Einstecken von Zahlen, die alle leicht nachzuschlagen sind.

Sie müssen einen "Massenausgleich" durchführen. Hier ist ungefähr wie:

Wie viele Liter Kraftstoff pro Stunde verbraucht das Auto?

Berechnen Sie die Masse dieses Kraftstoffvolumens (ich nehme an, wir können die Dichte irgendwo nachschlagen.)

Davon ausgehend und unter der Annahme, dass der Kraftstoff Benzin C ist ₈ H ₁₈ . Konvertieren Sie die bekannte Masse in Maulwürfe . (Dies ist der schwierige Schritt, den ein Chemiker kennen würde.)

Berechnen Sie aus der Gleichung der Verbrennung von Benzin, wie viele Mol O ₂ du brauchst. Dann wandle das in eine Masse von Sauerstoff um.

Luft besteht zu 79% aus Stickstoff und zu 21% aus Sauerstoff nach Ausgabe und wiegt etwas mehr als ein Kilogramm pro Kubikmeter (wir müssten es nachschlagen). Berechnen Sie also, wie viel Kilogramm Luft Sie benötigen, und geben Sie dann das Volumen in Kubikmeter an.

(Ich habe das seit über zwanzig Jahren nicht mehr gemacht, deshalb überlasse ich es Ihnen, herauszufinden, wie Masse und Volumen der Luft aus der Sauerstoffmasse ermittelt werden können. Es wird einige Zahlen erfordern, aber es sollte nicht zu schwer sein .)

Wir gehen davon aus, dass der Motormix die ideale ("stöchiometrische") Luftmenge verwendet und eine vollständige Verbrennung ohne Nebenreaktionen wie Kohlenmonoxid, Stickoxide usw. stattfindet. Dies ist also eine ungefähre Zahl.