Ethanol (C2H5OH of ook C2H6O) is de alcohol-soort die in (alcoholische) dranken zit maar ook al vele jaren bekend is als een brandstof voor verbrandingsmotoren. Henry Ford verwachtte in de jaren 20 van de vorige eeuw dat ethanol de belangrijkste brandstof zou worden voor de
automobiel. Het werd beschouwd als een vernieuwbare energiebron omdat het werd gemaakt uit bio-massa. Dat ethanol nooit op grote schaal als brandstof is gebruikt kwam in hoofdzaak door zijn hoge prijs.
We zien nu dat de huidige benzine om milieu-redenen wordt bijgemengd met ethanol. Aan de pomp is zowel E5 als E10 benzine verkrijgbaar. Hoeveel er precies inzit weten we niet omdat het de maximale percentages betreft. E5 benzine bevat maximaal 5% ethanol en E10 benzine
maximaal 10%. Vandaar ook dat enige oliemaatschappijen mogen zeggen dat in hun E5 benzine geen ethanol wordt bijgemengd.
Chemisch gezien is ethanol (C2H5OH) een pure alkohol. Benzine is echter een mengsel van vele koolwaterstoffen. Wanneer we in de scheikundige benzine-sommetjes moeten maken dan gaan we meestal uit van oktaan (C8H18) als pure stof maar in werkelijkheid hebben we te maken met vele koolwaterstoffen waarvan met C aandeel globaal variëert tussen de C4 en C12.
Wat opvalt is dat ethanol zuurstof (O-atomen) bevat. Een eigenschap van ethanol is dat het geheel oplosbaar is in water (H2O) terwijl benzine absoluut niet mengt.
Dit betekent in de praktijk dat de zuurstof en het eventueel opgeloste water in de ethanol zorgen voor corrosie in de motor. Dit geldt in hoofdzaak voor de koperen, bronzen en aluminium delen.
Ook reageert ethanol met de klassieke rubbersoorten zodat de motorfabrikanten geadviseerd werden om fluoro-carbon rubber te gebruiken als vervanging.
Dit betekent dat de ethanol toevoeging de brandstof ongeschikt maakt voor oldtimers.
Benzinepomp, carburateur en rubberslangen worden aangetast en de door de ethanol
hygroscopisch geworden benzine trekt water aan dat zich bij stilstand onderin de tank verzameld.
Er zijn echter wel degelijk positieve eigenschappen aan de ethanol-toevoeging toe te schrijven.
Toevoeging van 10% ethanol kan de CO uitstoot met 30% verlagen en ook de HC emissie gaat naar beneden. Er worden echter wel meer schadelijke stoffen als formaldehyde en aceton uitgestoten. De invloed van de katalysator wordt hierbij niet meegenomen.
De verbrandings-eigenschappen van de benzine met ethanol veranderen ook (zie ook tabel) : – de zelfontbrandigstemperatuur is hoger;
– het oktaangetal wordt hoger dus de klopvastheid groter;
– de benodigde verdampingswarmte is hoger waardoor de temperatuur in de inlaat lager blijft en derhalve de vullingsgraad beter wordt;
– de warmte-inhoud van ethanol is lager;
– de benodigde hoeveelheid lucht voor de complete verbranding wordt lager (AFR-verhouding).
eigenschappen ethanol benzine E10 benzine
Soortelijke massa kg/m3 (200C) 789 790 790
oktaangetal 108 95,2 98,9
Onderste verbrandingswaarde (MJ/kg) 27 44 41,8
Moleculaire massa koolstof (C) in % 52,2 86,6 83,16
Moleculaire massa waterstof (H) in % 13,1 13,3 13,28
Moleculaire massa zuurstof (O) in % 34,7 0,03 3,5
Toelichting tabel: Ethanol, scheikundig C2H6O moleculaire massa ethanol = 46 g/mol
moleculaire massa zuurstof = 16 g/mol moleculaire massa waterstof = 1 g/mol moleculaire massa koolstof = 12 g/mol Massa % zuurstof = 100% × (16/ 46) = 34,7%
Massa % waterstof = 100% x 6/46 = 13,1%
Massa % koolstof = !00% x 24/46 = 52,2%
Wanneer we de E10 benzine vergelijken met benzine zonder ethanol op een motor zonder katalysator dan kunnen we vaststellen dat:
– het vermogen en het verbruik maximaal 5% groter wordt;
– het CO percentage t.g.v. het armere mengsel sterk vermindert (10 tot 30%);
– het HC percentage een weinig minder wordt;
– het CO2 percentage, door de efficiëntere verbranding omhoog gaat (5 tot 10%).
Algemeen
Het gebruik van ethanol-toevoeging is zonder meer af te raden voor oldtimers, ook omdat deze over het algemeen weinig kilometers maken waardoor de brandstof in de tank water aan kan trekken.
Voor moderne auto’s kan het gebruik van E10 benzine niet veel kwaad. Het verbruik zal iets hoger komen te liggen. Aangezien de meeste testen hebben plaatsgevonden op auto’s zonder
katalysator is de vraag of de vermindering van de HC en CO uitstoot echt relevant is.
Bij de nu volgende grafieken is gebruik gemaakt van een Toyota met 4EFE motor (zonder katalysator) onder de volgende condities:
-gasklep geheel open;
-emissie metingen zijn verricht bij 1500, 2500, 3500, 4500, 5500 en 6500 t/min.
Fig.1 Het gemeten maximale vermogen met E10 en E0. Duidelijk is te zien dat het vermogen met ethanol wat hoger komt te liggen.
Fig. 2 Het effect van brandstof met en zonder ethanol op het specifieke brandstofverbruik (be). Duidelijk valt te zien dat het specifieke brandstofverbruik van E10 beduidend hoger ligt.
Fig. 3 Het CO percentage van E10 brandstof ligt beduidend lager. Er is echter gemeten onder vollast condities en zonder katalysator.
Fig. 4 Door de betere vullingsgraad en efficiëntere verbranding is de CO2 uitstoot van E10 hoger.
Fig. 5 De HC-uitstoot (de onverbrande brandstofdeeltjes) ligt bij de E10 benzine beduidend lager met uitzondering van de hogere toerentallen. Daar zien we het HC-percentage van de E10 boven de E0-brandstof uitstijgen.
Vragen en opgaven
1) Waar kennen we ethanol nog meer van?
2) Wat is volgens Henry Ford het voordeel van ethanol als brandstof?
3) Waarom kunnen we niet zonder meer stellen dat in E10, 10% ethanol zit?
4) Welke stof (atoom, molecuul) bevat ethanol die ontbreekt in benzine?
5) Noem een drietal nadelige eigenschappen van ethanol-toevoeging voor oudere voertuigen.
6) Wat zijn de voordelen van het gebruik van ethanol-toevoeging voor moderne auto’s?
7) Kun je ook een duidelijk nadeel noemen dat de ethanol toevoeging voor moderne auto’s heeft?
8) Waarom wordt de vullingsgraad door de ethanol toevoeging beter?
9) Welke belangrijke afweging zou je kunnen maken bij het tanken van E10 benzine voor een nieuwe auto.
10) Bij welk toerental (ongeveer) vinden de extreme waarden plaats wanneer we de 4 grafieken bestuderen? Kun je hiervoor een verklaring geven?
Antwoorden
1) Het is de alcoholsoort die we aantreffen in alcoholische dranken.
2) Het wordt gemaakt uit bio-massa, dat in principe deel uit maakt van een kringloopproces.
3) Omdat E10 betekent dat er maximaal 10% ethanol in mag zitten.
4) Ethanol bevat ook zuurstof.
5) Het trekt water aan, het zuurstof-atoom zorgt voor corrosie van metalen delen (met name koper en aluminium). Het tast de oude rubbersoorten aan.
6) Het vermogen neemt iets toe, minder CO en HC uitstoot. Minder gebruik van (de eindige) fossiele brandstoffen.
7) Ja, het brandstofverbruik neemt toe.
8) De verdampingswarmte ligt wat hoger. Er wordt meer warmte aan de inlaatlucht onttrokken waardoor de luchttemperatuur lager blijft.
9) E5 zijn nu de ‘super’ benzines, die duurder zijn. We weten ook dat van E10 het brandstof wat hoger wordt. In welke richting slaat dan de keuze door?
10) Ongeveer 3500-4000 t/min, dit is het toerental waarbij de vullingsgraad optimaal is (klep opening/sluiting gunstig).
