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Verbrennungsluftverhältnis

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) <$\lambda$> (lambda) ist definiert als das Verhältnis der tatsächlichen Luftmenge zur Luftmenge für die stöchiometrische Verbrennung. Man erhält also <$\lambda = 1$> 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:

• In Fällen mit Sauerstoffmangel ($\lambda$ kleiner als 1) verbleibt ein Teil des Brennstoffs unverbrannt, oder es bleiben Substanzen wie Kohlenmonoxid (CO) im Abgas, die noch brennbar wären, wenn mehr Sauerstoff verfügbar wäre. Auch die Bildung von Ruß (kleinen Kohlenstoffteilchen) ist möglich. Da die Bildung von Ruß, Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen in aller Regel unerwünscht ist, betreibt man Verbrennungsmotoren und Heizkessel meist nicht in diesem Bereich. Bei Störfällen kann man jedoch in diesem Bereich gelangen. Ottomotoren werden manchmal auch bewusst mit relativ "fettem" Gemisch betrieben, um eine etwas höhere Leistung zu erhalten, allerdings mit der Folge reduzierter Energieeffizienz und giftigerer Abgase. Im Rahmen der sogenannten Volllastanreicherung (Volllastanfettung) geschieht dies auch bei Fahrzeugen mit Drei-Wege-Katalysator – je nach eingesetzter Technik und Fahrstil unter Umständen sogar häufig, mit entsprechender Erhöhung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen.
• Eine etwa stöchiometrische Verbrennung ($\lambda = 1$) ermöglicht theoretisch eine vollständige Verbrennung. Dieser Arbeitspunkt ist der Normalfall bei Verwendung eines Drei-Wege-Katalysators (siehe unten). Es ist aber auch eine unvollständige Verbrennung möglich, wenn die Verbrennungsluft nicht perfekt mit dem Brennstoff vermischt wird: Teile des Brennstoffs können unter Sauerstoffmangel verbrennen, was durch einen Sauerstoffüberschuss an anderen Stellen nicht ausgeglichen werden kann – außer wenn im heißen Abgas (auch in einem Katalysator) noch eine Nachverbrennung stattfinden kann. Die erreichte Verbrennungstemperatur ist bei etwa stöchiometrischer Verbrennung relativ hoch, und der Sauerstoffgehalt im Abgas ist gering.
• Die Verbrennung mit einem moderaten Luftüberschuss ($\lambda$ etwas größer als 1, z. B. 1,2) z. B. in einem Magermotor oder Dieselmotor läuft meist recht vollständig ab, da ein lokaler Sauerstoffmangel so leichter zu vermeiden ist. Bei zu starkem Luftüberschuss kann die Verbrennung dagegen unvollständig werden, da die Verbrennungstemperatur zu niedrig wird; auch die geringe Flammengeschwindigkeit kann (v. a. in Motoren) ein Problem sein. Andererseits wird die Erzeugung von Stickoxiden durch die niedrigere Verbrennungstemperatur reduziert. Ein Nachteil dieses Regimes ist vor allem bei Heizkesseln, dass die Abgasmenge so größer wird, so dass die Abgasverluste (Energieverluste durch die Wärme im Abgas) bei gleicher Abgastemperatur höher werden.

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 ($\lambda$ 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 <$\lambda = 1$>, allerdings auch für <$\lambda < 1$>. In Benzinfahrzeugen mit geregeltem Katalysator erfolgt diese Messung über eine Lambdasonde.

Eine andere Möglichkeit ist die Messung des CO₂-Gehalts des Abgases, solange Luftüberschuss herrscht. 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.

Automatische Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses

Wie bereits erwähnt wird das Verbrennungsluftverhältnis bei Ottomotoren mit Drei-Wege-Katalysator automatisch geregelt. Viele moderne Heizkessel enthalten ebenfalls eine solche Regelung; dies wird teils als Selbstkalibration bezeichnet. Damit lassen sich nicht nur Alterungseffekte, sondern auch z. B. schwankende Gasqualitäten problemlos einsetzen. Es kann beispielsweise auch möglich sein, einen solchen Brenner mit Wasserstoff anstelle von Erdgas zu betreiben.

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 ($\lambda$ deutlich größer als 1) kommt in Magermotoren zum Einsatz. Auch in Dieselmotoren ist <$\lambda$> – berechnet als Durchschnittswert über das Brennkammervolumen – recht groß, aber es wird kein Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeführt, und insofern wird dort auch kein mageres Gemisch zugeführt. Effektiv entsteht aber durch die Kraftstoffeinspritzung lokal sogar ein relativ fettes Gemisch, das in den Außenbereichen der Flamme aber magerer wird.

Siehe auch: Verbrennung, stöchiometrische Verbrennung, Abgas, Magermotor, Dieselmotor, Abgaskatalysator, Abgastemperatur, Lambdasonde, Volllastanreicherung, Schichtladung