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Verbrennungsluftverhältnis

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Definition: das Verhältnis der tatsächlichen und der stöchiometrischen Mengen von Verbrennungsluft

Englisch: air-fuel equivalence ratio

Kategorien: Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 26.02.2013; letzte Änderung: 18.10.2015

Für die vollständige Verbrennung eines Brennstoffs oder Kraftstoffs z. B. in einem Ottomotor oder einem Heizkessel ist eine gewisse Menge Sauerstoff nötig, der in der Regel als Bestandteil der Verbrennungsluft zugeführt wird. Wenn genau die für eine vollständige Verbrennung nötige Luftmenge zugeführt wird (ohne Sauerstoffüberschuss), spricht man von einer stöchiometrischen Verbrennung. Das Verbrennungsluftverhältnis (auch Luftverhältnis oder Luftzahl) λ (lambda) ist definiert als das Verhältnis der tatsächlichen Luftmenge zur Luftmenge für die stöchiometrische Verbrennung. Man erhält also λ = 1 bei stöchiometrischer Verbrennung, Werte größer als 1 bei Luftüberschuss und Werte kleiner als 1 bei Sauerstoffmangel (unterstöchiometrischem Betrieb). Die gelegentlich auch verwendete und gleichbedeutende Bezeichnung Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist etwas irreführend, weil man meinen könnte, damit sei das Verhältnis von Luftmenge (-masse) und Kraftstoffmenge gemeint.

Die genannten Fälle unterscheiden sich wesentlich in Bezug auf wichtige Details und Auswirkungen der Verbrennung:

Ein Verbrennungsluftverhältnis unter eins bedeutet Sauerstoffmangel und hat eine unvollständige Verbrennung und erhöhte Schadstoffemissionen zur Folge.

Abgaskatalysatoren von Benzinmotoren arbeiten am besten bei stöchiometrischer Verbrennung, d. h. mit einem Verbrennungsluftverhältnis nahe bei 1.

Auch für den Betrieb eines Abgaskatalysators ist das Verbrennungsluftverhältnis oft sehr wichtig. Drei-Wege-Katalysatoren, wie sie heute in den meisten Ottomotoren eingesetzt werden, arbeiten nur bei nahezu stöchiometrischer Verbrennung (λ sehr nahe bei 1) gut. Bei Sauerstoffmangel (etwa als Folge einer Volllastanreicherung) funktioniert der oxidative Abbau von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen nicht mehr vollständig, während im Falle eines Luftüberschusses die Stickoxidemissionen stark ansteigen, da die Reduktion der Stickoxide im Katalysator nicht mehr gut funktioniert. Es gibt aber spezielle SCR-Katalysatoren, die auch in diesem Regime Stickoxide gut abbauen können, dagegen nicht für die Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen geeignet sind. Solche Katalysatoren sind für Dieselmotoren geeignet.

Übrigens ist es bei Ottomotoren wichtig, dass alle Zylinder mit möglichst exakt dem gleichen Verbrennungsluftverhältnis arbeiten. Eine sogenannte Lambda-Streuung bewirkt sonst nämlich, dass in einem Zylinder sehr viel Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe entstehen können, in einem anderen dagegen ein hoher Luftüberschuss auftreten kann, der die Bildung von Stickoxiden fördert. Ein Abgaskatalysator kann dieses Problem nicht unbedingt vollständig lösen. Auch aus diesem Grund ist eine präzise Kraftstoffdosierung für die einzelnen Zylinder sehr wichtig.

Heizkessel für hochwertige Brennstoffe wie Heizöl und Erdgas versucht man meist mit einem Verbrennungsluftverhältnis von nur wenig über 1 zu betreiben, also mit geringem Luftüberschuss, da sonst die Abgasverluste höher ausfallen. Heizkessel für Festbrennstoffe wie Kohle, Holz oder andere Biomasse müssen dagegen oft mit hohem Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden, da sonst lokaler Sauerstoffmangel zu hohen Schadstoffemissionen führen würde. Wenn gleichzeitig die Abgastemperatur hoch ist, führt dies zu einer erheblichen Erhöhung der Abgasverluste. Auch bei einem Brennwertkessel, der mit einer sehr niedrigen Abgastemperatur arbeitet, ist ein niedriges Verbrennungsluftverhältnis anzustreben. Die überschüssige Luft kann zwar nur wenig fühlbare Wärme mitnehmen, dafür aber zusätzlichen Wasserdampf und somit latente Wärme.

Verwandte Begriffe

Vom Begriff Verbrennungsluftverhältnis könnte man erwarten, dass er die direkte Übersetzung des englischen Begriffs air-fuel ratio (AFR) ist. Letzterer wird aber verstanden als das Massenverhältnis von Luft zu Kraftstoff, welches beispielsweise für die stöchiometrische Verbrennung von Benzin bei ca. 14,5 liegt. Dagegen wird der deutsche Begriff mit dem λ-Wert identifiziert, der dem englischen Begriff air-fuel equivalence ratio entspricht.

Ermittlung des Verbrennungsluftverhältnisses

Das Verbrennungsluftverhältnis eines Motors lässt sich am einfachsten bestimmen, indem man den restlichen Sauerstoffgehalt im Abgas misst. Dieser wird nahezu Null für λ = 1, allerdings auch für λ < 1. In Benzinfahrzeugen mit geregeltem Katalysator erfolgt diese Messung über eine Lambdasonde.

Eine andere Möglichkeit ist die Messung des CO2-Gehalts des Abgases. Das Resultat muss dann dividiert werden durch den CO2-Gehalt für eine stöchiometrische Verbrennung, der von der Art des Brennstoffs abhängt.

Man beachte, dass das so ermittelte Verbrennungsluftverhältnis ein durchschnittlicher Wert ist, der nur für ein homogenes Gemisch aussagekräftig ist. Bei Magermotoren, die nach dem Schichtladeprinzip arbeiten, wie auch bei Dieselmotoren tritt eine starke Variation des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses auf, sodass lokal ein durchaus fettes Gemisch vorliegen kann, selbst wenn das durchschnittliche Verbrennungsluftverhältnis recht groß ist (teils sogar oberhalb von 5). Für eine gute Zündfähigkeit muss im Falle eines Benzinmotors das lokale Verbrennungsluftverhältnis viel näher an 1 liegen, beispielsweise zwischen 0,7 und 1,3.

Fettes und mageres Gemisch bei Motoren

Bei Ottomotoren spricht man von einem fetten Gemisch, wenn das Verbrennungsluftverhältnis kleiner als 1 ist. Wenn dieser Wert deutlich unter 1 liegt, wird die Verbrennung recht unvollständig.

Ein mageres Gemisch (λ deutlich größer als 1) kommt in Magermotoren zum Einsatz. Auch in Dieselmotoren ist λ recht groß, aber es wird kein Kraftstoff-Luft-Gemisch zu geführt, und insofern gibt es dort auch kein mageres Gemisch.

Siehe auch: Verbrennung, stöchiometrische Verbrennung, Abgas, Magermotor, Dieselmotor, Abgaskatalysator, Abgastemperatur, Lambdasonde, Volllastanreicherung, Schichtladung
sowie andere Artikel in den Kategorien Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke, Wärme und Kälte

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