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Stöchiometrische Verbrennung

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