RP-Energie-Lexikon
fachlich fundiert, unabhängig von Lobby-Interessen
www.energie-lexikon.info

Stöchiometrische Verbrennung

Definition: eine Verbrennung, bei der gerade so viel Sauerstoff zugeführt wird wie nötig

Englisch: stoichiometric combustion

Kategorien: Grundbegriffe, physikalische Grundlagen, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 12.04.2015; letzte Änderung: 03.11.2018

Eine Verbrennung ist eine chemische Reaktion, bei der eine brennbare Substanz mithilfe von Sauerstoff aus der Luft oxidiert wird. Die Verbrennung wird als stöchiometrisch bezeichnet, wenn hierfür genau die Menge an Sauerstoff zugeführt wird, die rechnerisch für eine vollständige Verbrennung nötig ist. Es bleibt dann im Idealfall keinerlei Sauerstoff im Abgas zurück. Das sogenannte Verbrennungsluftverhältnis (der λ-Wert = Lambda-Wert) liegt dann bei 1.

Man beachte, dass eine vollständige Verbrennung durch eine stöchiometrische Luftzufuhr noch nicht garantiert ist. Vor allem bei Festbrennstoffen wie Holz wird meist ein gewisser Luftüberschuss benötigt, da sonst an manchen Stellen des Verbrennungsraums ein Sauerstoffmangel auftreten kann und die Verbrennung dort unvollständig erfolgt; das Abgas enthält dann nicht vollständig oxidierte Bestandteile (z. B. Kohlenmonoxid), obwohl noch eine gewisse Menge Sauerstoff darin enthalten ist, mit der diese Bestandteile im Prinzip hätten oxidiert werden können. Auch bei Verbrennungsmotoren, die mit flüssigen Kraftstoffen betrieben werden, kann dieses Problem in einem gewissen Umfang auftreten, vor allem bei ungünstigen Formen des Verbrennungsraums und bei hoher Drehzahl eines Motors. Abweichungen von einer idealen stöchiometrischen Verbrennung können auch in Form unerwünschter Reaktionen auftreten, beispielsweise der Bildung von Stickoxiden durch die endotherme Oxidation von Stickstoff bei hohen Verbrennungstemperaturen, oder auch durch nicht ausreichende Reaktionsgeschwindigkeiten etwa bei zu niedrigen Verbrennungstemperaturen oder schlechter Qualität eines Brennstoffs.

Im Falle einer Verbrennung mit Luftüberschuss spricht man von einer überstöchiometrischen Verbrennung, bei Luftmangel dagegen von unterstöchiometrischer Verbrennung.

Berechnung der nötigen Menge von Verbrennungsluft

Wenn die chemische Zusammensetzung eines Brennstoffs bekannt ist, kann die für eine stöchiometrische Verbrennung nötige Luftmenge relativ einfach berechnet werden. Als Beispiel betrachten wir Methan, den Hauptbestandteil von Erdgas, welches aus CH4-Molekülen besteht. Die vollständige Verbrennung verläuft nach der Reaktionsgleichung CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O. Dies bedeutet, dass für jeweils ein Methan-Molekül zwei Sauerstoffmoleküle (O2) benötigt werden. Da die Teilchendichte eines (idealen) Gases nur vom Druck abhängt, nicht aber von der Art der Teilchen, ist auch das benötigte Volumen des Sauerstoffs doppelt so groß wie das des Methans. Luft enthält aber nur ca. 21 % Sauerstoff, sodass die nötige Luftmenge rund fünfmal höher ist, d. h. ca. zehnmal höher als das Volumen des Methans.

Die Massen der beteiligten Stoffe lassen sich mit Hilfe der Molekülmassen berechnen. Diese betragen ca. 12 + 4 · 1 = 16 für Methan und 2 · 16 = 32 für Sauerstoff (in Einheiten von Protonenmassen), so dass die Dichte von Sauerstoff ca. doppelt so hoch ist wie die von Methan. Die Dichte von Luft ist ein wenig geringer als die von Sauerstoff, da der Hauptbestandteil Stickstoff etwas leichter ist. Deswegen bedeutet ein zehnfach höheres Luftvolumen, dass die Masse der benötigten Verbrennungsluft ca. 19 mal größer ist als die des Methans. Die Masse des einem Brenners (z. B. bei einem Gasheizkessel) zugeführten Methans macht also nur einen kleinen Teil der Masse des Brennstoff-Luft-Gemischs aus – hauptsächlich, weil die Luft zum größten Teil aus Stickstoff besteht, der an der Verbrennung nicht teilnimmt.

Für Stoffgemische wie z. B. Benzin ist eine solche Rechnung schwieriger, da dafür man die genauen Mengen v. a. von Kohlenstoff und Wasserstoff im Benzin wissen muss, die jedoch je nach Qualität etwas abweichen können. Die Lexikon Artikel über Benzin, Dieselkraftstoff und einige andere Brennstoffe enthalten typische Werte für die benötigten Luftmengen.

Auswirkungen nicht-stöchiometrischer Verbrennung

Wenn die Menge der zugeführten Verbrennungsluft für Methan z. B. um ein Viertel reduziert würde, würde der Sauerstoff nur noch für die Bildung von Kohlenmonoxid (CO) anstelle von Kohlendioxid (CO2) ausreichen: 2 CH4 + 3 O2 = 2 CO + 4 H2O. Die Ausbeute an Wärme wäre dann erheblich reduziert, da das Kohlenmonoxid noch einige chemische Energie enthält, und das Abgas würde sehr giftig. Zum Teil könnte abweichend von der obigen Reaktionsgleichung auch Ruß gebildet werden, der zu einer Verschmutzung des Heizkessels führt.

Dagegen würde ein Luftüberschuss dazu führen, dass die Verbrennung vollständig ablaufen kann – zumindest solange der Luftüberschuss nicht zu hoch ist, dass die Verbrennungstemperatur zu sehr abfällt. Nachteilig kann dann jedoch sein, dass die erhöhte Abgasmenge eine erhöhte Menge von Wärme mit sich trägt, also erhöhte Abgasverluste (bei gegebener Abgastemperatur) verursacht. Im Falle eines Ottomotors (Benzinmotors) mit geregeltem Katalysator würden außerdem in diesem “mageren Betrieb” die Stickoxid-Emissionen ansteigen, da der Katalysator Stickoxide im Fall eines Sauerstoffüberschusses nicht mehr effektiv abbauen kann. Deswegen werden heutige Benzinmotoren meist ziemlich genau stöchiometrisch betrieben – abgesehen von der Volllastanreicherung, die oft bei besonders hoher Leistung praktiziert wird.

Überwachung des stöchiometrischen Betriebs

Häufig ist es erwünscht, eine Verbrennungsanlage oder einen Verbrennungsmotor annähernd stöchiometrisch zu betreiben, oder ggf. auch mit einem etwas von 1 abweichenden Verbrennungsluftverhältnis. Um dies zu überwachen, können im Prinzip die zugeführten Mengen von Brennstoff und Verbrennungsluft gemessen werden. Oft ist es aber praktikabler, stattdessen den Restsauerstoffgehalt des Abgasen zu überwachen – beispielsweise mithilfe einer Lambdasonde. Auf diese Weise können auch Schwankungen der Zusammensetzung des Brennstoffs berücksichtigt werden.

Häufig wird das Verbrennungsluftverhältnis auf der Basis solcher Messwerte automatisch auf einen bestimmten Wert geregelt, der auch ein Stück weit von den jeweiligen Betriebsbedingungen abhängig gemacht werden kann. Beispielsweise wählt die Motorsteuerung eines modernen benzinbetriebenen Fahrzeugs für den größten Teil ihres Kennfelds einen Lambda-Wert nahe 1; für besonders hohe Leistungen, vor allem bei hoher Drehzahl, kann dagegen eine sogenannte Volllastanreicherung für unterstöchiometrischen Betrieb erfolgen, was leider die Abgasqualität und den Wirkungsgrad des Motors negativ beeinflusst.

Siehe auch: Verbrennung, Verbrennungsluftverhältnis
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, physikalische Grundlagen, Wärme und Kälte

Kommentare von Lesern

Hier können Sie einen Kommentar zur Veröffentlichung vorschlagen. Über die Annahme wird der Autor des RP-Energie-Lexikons nach gewissen Kriterien entscheiden. Im Kern geht es darum, dass der Kommentar für andere Leser potenziell nützlich ist.

Datenschutz: Bitte geben Sie hier keine personenbezogenen Daten ein. Wir würden solche allerdings ohnehin nicht veröffentlichen und bei uns bald löschen. Siehe auch unsere Datenschutzerklärung.

Wenn Sie nur dem Autor eine Rückmeldung zukommen lassen möchten, verwenden Sie bitte den Kasten "Wie gefällt Ihnen dieser Artikel" weiter unten. Wenn Sie eine Rückmeldung vom Autor wünschen, schreiben Sie ihm bitte per E-Mail.

Ihr Kommentar:

Ihr Hintergrund:

Spam-Prüfung:

  (Bitte die Summe von fünf und zwölf hier als Ziffern eintragen!)

Bem.: Mit dem Abschicken geben Sie Ihre Einwilligung, Ihren Kommentar hier zu veröffentlichen. (Sie können diese später auch widerrufen.) Da Kommentare zunächst vom Autor durchgesehen werden, erscheinen sie verzögert, evtl. erst nach mehreren Tagen.

Wie gefällt Ihnen dieser Artikel?

Ihr Gesamteindruck:

weiß nicht
unbefriedigend
in Ordnung
gut
ausgezeichnet

Fachliche Qualität:

weiß nicht
unbefriedigend
in Ordnung
gut
ausgezeichnet

Lesbarkeit:

weiß nicht
unbefriedigend
in Ordnung
gut
ausgezeichnet

Verdient dieser Artikel (oder das Energie-Lexikon insgesamt) Ihrer Ansicht nach Links von anderen Webseiten?

nein
eventuell
ja

Kommentar:

Vielleicht haben Sie auch konkrete Vorschläge für inhaltliche Ergänzungen, nützliche Literaturangaben etc. Falls Sie eine bessere Website für dieses Thema kennen, sind wir dankbar für einen Hinweis darauf.

Datenschutz: Bitte geben Sie hier keine personenbezogenen Daten ein. Wir würden solche zwar ohnehin nicht veröffentlichen, aber die eingegebenen Daten bleiben bei uns langfristig gespeichert. Siehe auch unsere Datenschutzerklärung.

Wenn Sie einen Kommentar zur Veröffentlichung auf unserer Seite vorschlagen möchten, verwenden Sie dazu bitte das Formular im Kasten "Kommentare von Lesern" weiter oben. Wenn Sie eine Antwort möchten, senden Sie bitte eine E-Mail.

Spam-Prüfung:

(bitte den Wert von 5 + 8 hier eintragen!)

Wenn Ihnen das RP-Energie-Lexikon gefällt, möchten Sie vielleicht auch den RP-Energie-Blog als E-Mail-Newsletter abonnieren.

Teilen Sie den Link auf diesen Artikel mit anderen: