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Volllastanreicherung

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Definition: die Verwendung eines “fetteren” Kraftstoff-Luft-Gemischs in einem Ottomotor bei hoher Last

Englisch: rich mixture at full load

Kategorie: Fahrzeuge

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 02.04.2015; letzte Änderung: 19.05.2016

Bei vielen Ottomotoren (vor allem Benzinmotoren) wird in Betriebszuständen mit hoher Last (d. h. zum Erzeugen der maximalen Motorleistung oder des maximalen Drehmoments) eine Volllastanreicherung vorgenommen. Dies bedeutet, dass der Verbrennungsluft mehr Kraftstoff zugegeben wird, als mit der in der Luft vorhandenen Menge von Sauerstoff vollständig verbrannt werden könnte. Da ein solches Kraftstoff-Luft-Gemisch als “fett” bezeichnet wird, spricht man auch von einer Volllastanfettung. Hier sinkt das sogenannte Verbrennungsluftverhältnis auf Werte unter 1 – beispielsweise auf 0,85 oder teils sogar noch deutlich tiefer. Der Begriff Beschleunigungsanreicherung bedeutet dasselbe; eine erhöhte Motorleistung wird eben gerade zum Beschleunigen häufig benötigt.

Der Nutzen und Schaden der Volllastanreicherung sowie vor allem auch die bei ihrem Einsatz zu machenden Überlegungen sind nicht ganz einfach zu verstehen, sollen aber im Folgenden detailliert geklärt werden.

Bei den früher üblichen Vergasern gab es oft eine sogenannte Beschleunigungspumpe, die bei starkem Gasgeben zusätzlichen Kraftstoff zuführte. Soweit dies in geringem Maße erfolgt, wird nur eine Abmagerung des Gemischs als Folge eines schnellen Druckabfalls im Ansaugkanal vermieden. Bei stärkerer Kraftstoffzufuhr erfolgt jedoch tatsächlich eine Volllastanreicherung.

Auswirkungen der Volllastanreicherung

Die Volllastanreicherung hat mehrere wichtige Auswirkungen auf den Betrieb des Motors und die erzeugten Abgase.

Unvollständige Verbrennung, verminderte Abgasqualität

Eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs ist bei Sauerstoffmangel nicht mehr möglich. Dies bedeutet nicht, dass ein Teil des Kraftstoffs einfach unverbrannt (unverändert) ausgestoßen wird; vielmehr entsteht bei der Verbrennung nicht nur Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf, sondern auch ein nennenswerter Anteil des giftigen Kohlenmonoxids (CO) und teils auch von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (einschließlich des krebserregenden Benzols (Benzens)). Es ist ebenfalls möglich, dass Russteilchen entstehen, somit also Feinstaubemissionen – was für benzingetriebene Fahrzeuge sonst eher ungewöhnlich ist. Dagegen nehmen die Stickoxidemissionen eher ab.

Der Abgaskatalysator wird durch die Volllastanfettung größtenteils unwirksam; es entstehen scharf ansteigende Schadstoffemissionen.

Die Benzinmotoren heutiger Autos sind praktisch immer mit einem sogenannten geregelten Drei-Wege-Abgaskatalysator ausgestattet. Dieser baut Schadstoffe wie Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe normalerweise recht effektiv ab, indem er sie zu Kohlendioxid und Wasserdampf oxidiert – aber nur bei einem Verbrennungsluftverhältnis von mindestens 1. Wenn eine Volllastanreicherung erfolgt, funktioniert dies jedoch nicht, da der für die Oxidation notwendige Sauerstoff fehlt. Das Abgas enthält unter diesen Bedingungen nämlich praktisch keinen Sauerstoff mehr. Dies bedeutet, dass der Abgaskatalysator zumindest im Hinblick auf Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe unwirksam wird; er kann allenfalls noch Stickoxide abbauen. In der Folge wird die Abgasqualität stark verschlechtert. In diesem Sinne liegt hier eine Abschalteinrichtung bei der Abgasreinigung vor.

Beim sogenannten geregelten Drei-Wege-Katalysator wird normalerweise die Kraftstoffdosierung mithilfe einer automatischen Regelvorrichtung genau so eingestellt, dass das Verbrennungsluftverhältnis sehr nahe bei 1 liegt. (Die Regelung basiert auf der Messung des Restsauerstoffgehalts im Abgas mithilfe einer Lambdasonde.) Die Motorsteuerung kann aber eine Volllastanreicherung vornehmen, indem sie die genannte Regelung deaktiviert oder modifiziert und eine entsprechend höhere Kraftstoffdosierung wählt.

Oft erfolgt die Volllastanreicherung ungeregelt, d. h. die Motorsteuerung arbeitet quasi im Blindflug.

Wenn als Lambdasonde eine sogenannte Nernstsonde (eine besonders übliche Bauart) eingesetzt wird, kann die Motorsteuerung den Grad der Anfettung des Gemischs nicht überwachen, da das von einer solchen Sonde gelieferte Signal hierüber keine Informationen ergibt. Die Kraftstoffdosierung ist in diesem “Open-Loop-Betrieb” (mit Verzicht auf eine geschlossene Regelschleife) dann recht ungenau. (Der Begriff Lambdasondenabschaltung ist hier aber irreführend, weil die Sonde nicht etwa abgeschaltet, sondern lediglich ihr Messsignal ignoriert wird.) Bessere Resultate sind mit einer Breitbandsonde möglich, die eine Überwachung der Anfettung zulässt.

Man könnte meinen, dass eine exzessive Verwendung der Volllastanreicherung bei Autos heutzutage ausgeschlossen ist, da die Schadstoffemissionen ja staatlich stark begrenzt sind. Leider ist dies aber nicht der Fall, da die hierbei relevanten Schadstoffemissionen in einem genormten Testverfahren (in Europa dem NEFZ-Testzyklus) ermittelt werden, der leider in mancher Hinsicht nicht realistisch ist:

Obwohl sich die Volllastanreicherung in der Praxis stark negativ auswirken kann, wird sie bei der Einstufung in Schadstoffklassen mit dem offiziellen Messverfahren bisher kaum berücksichtigt!

  • In diesem Test tritt eine maximale Fahrzeuggeschwindigkeit von 120 km/h auf, und auch dies nur kurzzeitig. Wenn Autos in der Realität häufig schneller gefahren werden (jedenfalls in Deutschland ohne ein generelles Tempolimit auf Autobahnen), kann die Volllastanreicherung in einem sehr viel höheren Anteil der Fahrzeit erfolgen, wodurch die durchschnittliche Abgasqualität gegenüber dem genormten Test massiv verschlechtert sein kann.
  • Auch das Beschleunigen des Fahrzeugs erfolgt im Test nicht allzu stark; besonders Motoren mit guten Leistungsreserven müssen dabei nicht annähernd mit Volllast betrieben werden, sodass die Volllastanreicherung unterbleibt. In der Praxis werden jedoch viele Fahrer häufig auch mit Vollgas fahren und dann viel höhere Schadstoffemissionen verursachen. Im Übrigen optimieren manche Hersteller ihre Motorsteuerungen offenbar sogar so, dass diese das Fahren des Testzyklus erkennen und den Motor dann anders steuern als sonst.

Man erkennt daran, dass das Einhalten der heutigen strengen Abgasgrenzwerte keineswegs bedeutet, dass die Volllastanreicherung kein gesundheitliches oder ökologisches Problem sein kann.

Weitere Details enthält der Artikel über Messverfahren für Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte.

Reduktion der Verbrennungstemperatur

Der zusätzlich zugeführte Kraftstoff kann die Verbrennungstemperatur nicht erhöhen, da eine vollständige Verbrennung ja nicht möglich ist; ein Teil der chemischen Energie des Kraftstoffs verbleibt insbesondere im ausgestoßenen Kohlenmonoxid. Die Verbrennungstemperatur nimmt sogar ab (oft um ca. 50 bis 100 Kelvin), da die Verdunstung des Kraftstoffs Wärme verzehrt (→ Verdampfungswärme).

Die reduzierte Verbrennungstemperatur führt zu einer geringeren thermischen Belastung von Teilen des Motors – beispielsweise der Kolben und des Abgaskrümmers, ebenfalls des Abgaskatalysators und ggf. auch eines Turboladers. So kann unter Umständen eine Beschädigung von Komponenten – insbesondere des Katalysators – vermieden werden. Bei so genanntem stöchiometrischem Betrieb (mit einem Verbrennungsluftverhältnis von 1, d. h. mit gerade ausreichender Luftmenge) kann die Abgastemperatur bei hoher Motorleistung nämlich recht hoch werden (über 1000 °C). Der Betrieb mit Anreicherung wird übrigens auch als unterstöchiometrischer Betrieb bezeichnet.

Eine weitere Auswirkung der reduzierten Verbrennungstemperatur kann eine Verminderung der Neigung zum sogenannten Klopfen (einer unkontrollierten, schädlichen Art der Verbrennung) bei hoher Last sein. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Abgaskrümmer nicht oder wenig gekühlt wird, im Betrieb also sehr heiß werden kann. An solchen heißen Teilen kann dann eine ungewollte Selbstentzündung des Kraftstoffs auftreten, wenn die Verbrennungstemperatur zu hoch wird.

Erhöhung der Flammengeschwindigkeit

Die Flammengeschwindigkeit wird mit angefettetem Gemisch etwas höher. Dies kann beim Betrieb mit hohen Drehzahlen nützlich sein, wo wenig Zeit für die Verbrennung zur Verfügung steht.

Direkte und indirekte Steigerung der Motorleistung

Trotz unvollständiger Verbrennung trägt ein Kraftstoffüberschuss etwas zur Motorleistung bei.

Wegen der reduzierten Verbrennungstemperatur könnte man vermuten, dass die Motorleistung ebenfalls reduziert würde. Dies ist aber nicht der Fall; vielmehr kann die Leistung sogar um einige Prozent höher ausfallen als bei stöchiometrischem Betrieb. Dies liegt daran, dass die Motorleistung entscheidend durch den Druck in den Zylindern bestimmt wird. Dieser Druck wiederum hängt nicht allein von der Temperatur ab, sondern auch von der Teilchendichte des Gases. Da durch die unvollständige Verbrennung kleinere Moleküle entstehen (insbesondere CO statt CO2), kann der Druck trotz etwas verminderter Temperatur durch die Volllastanfettung erhöht werden.

Vor allem wird eine Reduktion der Leistung zwecks Schonung von Bauteilen unnötig.

Noch wichtiger ist eine indirekte Erhöhung der Leistung. Der Verzicht auf jegliche Volllastanreicherung bei einem Motor könnte zur Folge haben, dass die maximale Motorleistung reduziert werden muss, um eine Überhitzung von Bauteilen (insbesondere des Abgaskatalysators) und/oder das Klopfen bei Volllast zu vermeiden. In einer solchen Situation ermöglicht erst die Volllastanreicherung das Ausschöpfen des ganzen Leistungspotenzials des Motors. Die effektiv mögliche Leistungserhöhung kann dann mehr als nur wenige Prozent betragen.

Reduktion der Energieeffizienz

Die Energieeffizienz des Motors, quantifiziert über den Wirkungsgrad, wird durch die Volllastanreicherung vermindert. Dies liegt einfach daran, dass ein Teil der chemischen Energie des Kraftstoffs aufgrund der unvollständigen Verbrennung nicht genutzt werden kann; die Erhöhung der Leistung fällt deutlich geringer aus als die Erhöhung der Kraftstoffmenge. Inwieweit dies den durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch erhöht, hängt natürlich davon ab, wie häufig und wie stark die Volllastanreicherung betrieben wird.

Technische Möglichkeiten für die Vermeidung oder Reduktion der Volllastanreicherung

Wegen der Verschlechterung der Abgasqualität und der Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs ist es natürlich wünschenswert, auf eine Volllastanreicherung so weit wie möglich zu verzichten. Hierfür müssen die Faktoren, die eine Volllastanreicherung notwendig machen können, so weit wie möglich reduziert werden, wofür es für die Hersteller verschiedene Möglichkeiten gibt:

Ein wassergekühlte Abgaskrümmer kann hilfreich sein.

Die Abgasrückführung hilft ebenfalls, geht jedoch bei Volllast auf Kosten der Motorleistung.

Turbomotoren sind oft besonders stark auf die Volllastanfettung angewiesen!

Ein wesentlicher Nachteil des Downsizing sind die tendenziell höheren Verbrennungstemperaturen.

Bestimmend für die Größe der technischen Herausforderung ist der Umstand, dass ein Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug anders als ein stationärer Motor unter höchst variablen Bedingungen betrieben werden muss; insbesondere werden stark wechselnde Antriebsleistungen gefordert.

Besonders gut gelingt die Vermeidung der Volllastanreicherung bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb, und zwar aus mehreren Gründen:

Hybridantriebe können so konstruiert werden, dass eine Volllastanreicherung nicht oder kaum mehr nötig ist.

Die genannten Möglichkeiten werden in verschiedenen Fahrzeugen sehr unterschiedlich stark genutzt. Es gibt heute Fahrzeuge, bei denen die Volllastanreicherung gar nicht oder nur ausnahmsweise erfolgt, sodass sie auf Benzinverbrauch und Schadstoffemissionen kaum einen Einfluss hat. Bei anderen Fahrzeugen dagegen kann die Volllastanfettung in der Praxis so häufig auftreten, dass Verbrauch und Emissionen stark verschlechtert werden.

Leider ist es nicht einfach herauszufinden, in welchem Umfang ein bestimmtes Fahrzeug die Volllastanreicherung einsetzt. Selbst verschiedene Versionen eines Fahrzeugs gleichen Typs können sich diesbezüglich stark unterscheiden. Eine zuverlässige Beurteilung ist nur möglich, indem man entweder die Abgaszusammensetzung im Fahrbetrieb misst (mit recht aufwendigen Apparaten) oder aber geeignete Anzeigegeräte (sogenannte OBD-Tester oder OBD-Scanner) an die Motorelektronik anschließt, was aber wohl nur für technisch besonders interessierte Fahrer infrage kommt.

Einfluss des Fahrstils

Einen großen Einfluss haben die Fahrer. Sie können die Volllastanreicherung weitestgehend vermeiden, indem sie das Gaspedal möglichst selten ganz durchdrücken und allzu hohe Geschwindigkeiten vermeiden.

Idealerweise würde man beim Beschleunigen das Gaspedal genau so weit durchdrücken, dass gerade noch keine Volllastanreicherung geschieht. Bei welcher Gaspedalstellung dies geschieht, kann allerdings je nach Fahrzeugmodell stark variieren. Hilfreich wäre ein besonderer Druckpunkt beim Gaspedal; erst beim Überwinden dieses erhöhten Drucks würde die Volllastanreicherung stattfinden. Dies wäre zwar leicht machbar, wird bisher aber offenbar nicht praktiziert – vielleicht schon deswegen, weil die Hersteller kein Interesse haben, die Nutzer auf die für sie unangenehme Problematik der Volllastanreicherung hinzuweisen.

Die Rolle der Volllastanreicherung bei der Motorenentwicklung

Wie oben ausgeführt, gibt es bei der Motorenentwicklung eine Reihe von Möglichkeiten, die Volllastanreicherung zu vermeiden oder zumindest nur selten einzusetzen. Allerdings haben viele der möglichen Maßnahmen auch Nachteile, die z. B. die Herstellungskosten erhöhen oder die maximale Motorleistung reduzieren können.

Obwohl die Verwendung der Volllastanreicherung den Wirkungsgrad eines Motors bei maximaler Leistung reduzieren kann, würde ein kompletter Verzicht auf diese Methode durch die Hersteller nicht unbedingt zu einem reduzierten Kraftstoffverbrauch führen. Insbesondere gibt es den an sich sinnvollen Ansatz des Downsizing, also der Reduktion der Motorengröße für eine gegebene Motorleistung. Dies macht zwar einerseits die Volllastanreicherung tendenziell nötiger, da ein kleinerer Motor häufiger mit hohen Verbrennungstemperaturen arbeiten muss, kann aber andererseits den Wirkungsgrad im Teillastbetrieb erhöhen, weil die sogenannten Drosselverluste reduziert werden. Da der Teillastbetrieb in der Praxis sehr häufig auftaucht, ist dessen Optimierung für den Kraftstoffverbrauch besonders wichtig. Außerdem ist es vorteilhaft, dass ein kleinerer Motor das Fahrzeuggewicht reduziert und eventuell auch eine kompaktere Konstruktion und damit weitere Gewichtsreduktionen ermöglicht.

Aus den genannten Gründen kann es ökonomisch und ökologisch sinnvoll sein, eine leichte Erhöhung des Einsatzes der Volllastanreicherung hinzunehmen, soweit dies mit zusätzlichen technischen Maßnahmen nicht möglich ist. Allerdings können die Nachteile erheblich stärker zu Buche schlagen, wenn ein Auto häufig mit Vollgas gefahren wird; unter diesen Umständen wäre ein etwas größerer Motor mit reduzierter Liter Leistung eher günstiger. Ökologisch und ökonomisch am günstigsten wäre es freilich, wenn einerseits durchaus Downsizing konsequent eingesetzt würde und andererseits die Fahrer – unterstützt durch hilfreiche Informationen (z. B. einen speziellen Druckpunkt beim Gaspedal) – das Fahren mit Vollgas so weit wie möglich vermeiden würden. Im Übrigen sollten die Hersteller natürlich möglichst konsequent auch Methoden nutzen, die es erlauben, den Einsatz der Volllastanreicherung zu minimieren.

Einige Schlussfolgerungen

Eine differenzierte Bewertung der Problematik der Volllastanreicherung ist schwierig, da dabei nicht nur die unmittelbaren Auswirkungen zu berücksichtigen sind, sondern auch relativ komplizierte Aspekte der Gesamtoptimierung von Fahrzeugen. Die folgenden Aussagen gelten jedoch auf jeden Fall:

Ein praxisnäherer Testzyklus für die Bestimmung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen wäre sehr wichtig! Ohne dies fehlt ein Anreiz für die Hersteller, die Schadstoffemissionen auch im Praxisbetrieb niedrig zu halten.

Siehe auch: Verbrennungsluftverhältnis, Ottomotor, Abgas, Abgasqualität, Abschalteinrichtung bei der Abgasreinigung, Kohlenmonoxid, Ruß, Feinstaub, Turboaufladung, Atkinson-Motor, Downsizing von Verbrennungsmotoren, Messverfahren für Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte
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