Verbrennungsluftverhältnis

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Das Verbrennungsluftverhältnis (Lambda) – auch Luftverhältnis oder Luftzahl genannt – ist eine dimensionslose Kennzahl aus der Verbrennungslehre, die das Massenverhältnis aus Luft und Brennstoff in einem Verbrennungsprozess angibt. Aus der Zahl lassen sich Rückschlüsse auf den Verbrennungsverlauf, Temperaturen, Schadstoffentstehung und den Wirkungsgrad ziehen. Die Kennzahl ist daher in den technischen Anwendungsgebieten wie dem Verbrennungskraftmaschinenbau und der Feuerungstechnik, aber auch in der Brandlehre von Bedeutung.

Definition[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Verbrennungsluftverhältnis setzt die tatsächlich für eine Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmasse ins Verhältnis zur mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse , die für eine vollständige Verbrennung benötigt wird:

Für den Zahlenwert ist der Grenzwert 1 von besonderer Bedeutung:

  • Ist so gilt das Verhältnis als stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis mit ; das ist der Fall, wenn alle Brennstoff-Moleküle vollständig mit dem Luftsauerstoff reagieren, ohne dass Sauerstoff fehlt oder unverbrannter Kraftstoff übrig bleibt (vollständige Verbrennung).
  • (z. B. 0,9) bedeutet „Luftmangel“ (bei Verbrennungsmotoren spricht man von einem fetten oder auch reichen Gemisch)
  • (z. B. 1,1) bedeutet „Luftüberschuss“ (bei Verbrennungsmotoren spricht man von einem mageren oder auch armen Gemisch)

Aussage: bedeutet, dass 10 % mehr Luft an der Verbrennung teilnimmt, als zur stöchiometrischen Reaktion notwendig wäre. Dies ist gleichzeitig der Luftüberschuss.

Berechnung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Näherungsweise Berechnung über Sauerstoffgehalt im Abgas:

Näherungsweise Berechnung über Kohlenstoffdioxidgehalt im Abgas:

Die maximale -Konzentration errechnet sich aus:

Massenanteile:

Minimale Rauchgasmasse:

Minimale Luftmasse:

Variablen:

Gemessener -Gehalt im Abgas
Gaskonstante von Kohlenstoffdioxid =
Gaskonstante von Stickstoff =

g sind jeweils die Massenanteile des einzelnen Gases an der Gesamtmasse, die Indizes bezeichnen das Gas, RG bedeutet Anteil des Rauchgases (Abgas), t bedeutet Anteil des trockenen Abgases (vor der Messung wird das Wasser sehr oft aus dem Abgas „gefiltert“, um Verfälschungen zu vermeiden).

: Zur Verbrennung mindestens benötigte Luftmasse

Luftbedarf (Mindestluftbedarf)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

spezifischer Verbrauch und Motorleistung bei Ottomotoren, aufgetragen über dem Massenverhältnis λ

Der stöchiometrische Luftbedarf (auch Mindestluftbedarf ) ist ein Massenverhältnis aus der Brennstoffmasse und der zugehörigen stöchiometrischen Luftmasse .

Der Luftbedarf kann aus den Masseanteilen einer Reaktionsgleichung ermittelt werden, wenn man eine vollständige Verbrennung der Komponenten voraussetzt.

Für gängige Kraftstoffe im Verbrennungsmotorenbau ergibt sich:

  • Benzin (Ottokraftstoff): – für die Verbrennung von 1 kg Benzin sind 14,7 kg Luft notwendig, damit ist.
  • Dieselkraftstoff: – für die Verbrennung von 1 kg Dieselkraftstoff sind 14,5 kg Luft notwendig, damit ist.

Typische Werte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Verbrennungsmotoren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Heutige Ottomotoren werden bei einem Luftverhältnis um λ = 1 betrieben. Dies ermöglicht die Abgasreinigung mit dem Drei-Wege-Katalysator. Eine Lambdasonde vor dem Katalysator misst dann den Sauerstoffgehalt im Abgas und gibt Signale an die Steuereinheit des Gemischreglers als Element des Motorsteuergerätes weiter. Der Gemischregler hat die Aufgabe, durch Variation der Einspritzdauer der einzelnen Einspritzventile das Luftverhältnis in der Nähe von λ = 1 zu halten. Der effizienteste Betrieb stellt sich bei leicht magerem Gemisch von ca. λ = 1,05 ein. Die höchste Motorenleistung wird bei fettem Gemisch von ca. λ = 0,85 erreicht. Dort stellt sich auch die höchste Zündgeschwindigkeit bzw. Reaktionsgeschwindigkeit des Benzingemisches ein. Jenseits der Zündgrenzen (0,6 < λ < 1,6 für Ottomotoren) ist eine regelmäßige Verbrennung nicht mehr gewährleistet (Verbrennungsaussetzer). Dieselmotoren arbeiten dagegen mit einem mageren Gemisch von λ = 1,3 (Rußgrenze) bis 6 (vorgegeben durch die mechanische Verlustleistung im Leerlauf).

Im Volllastbetrieb werden moderne Pkw-Ottomotoren angefettet. Da der Kraftstoff so nicht mehr vollständig verbrennt, wird der Motor gekühlt. Die dabei entstehenden Kohlenstoffmonoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen können nicht mehr durch den Dreiwegekatalysator alleine aus dem Abgas entfernt werden.[1]

Thermen und Kessel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Messung des Verbrennungsluftverhältnisses von Heizkesseln oder -thermen ist Teil einer Abgasmessung. Gebläsebrenner kommen bei Volllast mit λ = 1,2 aus, atmosphärische Brenner unter Volllast mit etwa λ = 1,4. Im Teillastverhalten steigt das Verbrennungsluftverhältnis auf Werte von λ = 2 bis 4, was zu einer Erhöhung des Abgasverlustes und gleichzeitig zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades führt.

Gasturbinen und Triebwerke[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei Gasturbinen und darauf basierenden Strahltriebwerken läuft die Verbrennung innerhalb der Brennkammer am Flammhalter nahe λ = 1 ab, die nachfolgende Zuführung von Sekundärluft erhöht die Werte auf λ = 5 und mehr. Die Luftzahl ist deshalb so hoch, weil die Höchsttemperatur in der Brennkammer (bis 1600 °C) und die Eintrittstemperatur in der Turbine (bis 1400 °C) nicht überschritten werden darf.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Hans Dieter Baehr: Thermodynamik, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 1988, ISBN 3-540-18073-7.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Klaus Schreiner: Basiswissen Verbrennungsmotor: Fragen - rechnen - verstehen - bestehen. Springer, Wiesbaden, 2014. ISBN 9783658061876. S. 112

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Wiktionary: Verbrennungsluftverhältnis – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen