Verbrennung von Kraftstoff und Luft

by Paul Balzer on 25. Juli 2012

8 Comments

Bild von flickr.com „Exhaust“ von k.landerholm
http://www.flickr.com/photos/landerholm/3208380636/

Ein Verbrennungsmotor erzeugt wohlige Wärme und Leistung, mit welcher sich das Fahrzeug antreiben lässt. Nötig ist nur ein wenig Kraftstoff und Luft. Der Motor sorgt, ein mal gestartet, selbstständig dafür, sich immer wieder neu anzutreiben und sogar noch nutzbare Arbeit zu verrichten. Meistens sind die Motoren im 4-Takt-Prinzip ausgeführt, sodass 3 Takte (Ansaugen, Verdichten und Ausstoßen) eigentlich nur lästiges Nebenprodukt sind, der Arbeitstakt aber erzeugt so viel Energie, dass damit alles andere versorgt werden kann. Doch woher kommt die Energie?

Vereinfachte ideale Verbrennung

Im Fahrzeug befindet sich der Kraftstofftank mit flüssigem Benzin oder Diesel, welches beides Kohlenwasserstoffe sind.

Beispiel Kraftstoffanalyse, Euro-Super
Kohlenstoff Gew-% 87,08
Wasserstoff Gew-% 12,87
Sauerstoff Gew-% 0,05

Läuft eine Verbrennung ideal und vollständig ab, so reagiert vereinfacht und ohne Berücksichtigung von kurzzeitig entstehenden Zwischenprodukten:

C_mH_n+(m+\frac{n}{4})O_2 \Rightarrow mCO_2+\frac{n}{2}H_2O+\text{Energie}

Das statistisch mittlere Benzinmolekül ist C7H13, somit ist eine beispielhafte Umsatzgleichung:

C_7H_{13} + 10{,}25O_2 +39N_2 \Rightarrow 7 CO_2+6{,}5H_2O+39N_2+\text{Energie}

Beispielhaft wird für die ideale Verbrennung von einem kg Kraftstoff im statistischen Mittel 3,4kg Sauerstoff und 11,3kg Stickstoff (welches allerdings direkt wieder Reaktionsprodukt ist) benötigt. Diese Reaktion erzeugt 1,2kg Wasserdampf, welcher der Grund für den im Winter zu sehenden Qualm ist, und 3.2kg Kohlendioxid CO2.

Stöchiometrisches Kraftstoff-/Luft-Verhältnis

Aus den molaren Massen und aus dem Sauerstoffanteil in der Luft ergibt es sich nun, dass zur vollständigen Verbrennung von 1kg Kraftstoff ca. 14.5kg Luft nötig sind.

Dieses Verhältnis ist der stöchiometrische Luftbedarf L_{st} \approx 14.5

Jetzt wird die tatsächlich im Zylinder befindliche Luftmasse ins Verhältnis zur stöchiometrischen Luftmasse gesetzt und man bekommt den so oft beschriebenen Lambda-Wert.

\lambda=\cfrac{m_L}{m_K \cdot L_{st}}

Verhältnis Luft zu Kraftstoff (bei Lambda=1) in Massenprozent

Nicht ideale Verbrennung

Leider funktioniert das so ideal alles nicht. Daher entstehen bei der Verbrennung unerwünschte Nebenprodukte, welche durch Abgasnormen in den letzten Jahren aber so massiv reduziert wurden, dass z.B. ein moderner Euro IV Benzinmotor ein fahrender Staubsauger ist: Die Stadtluft, welche er durch den Luftfilter ansaugt ist „dreckiger“ als die Abgase, welche aus dem Auspuff wieder heraus kommen.

Mittlere Zusammensetzung der Abgase eines Dieselmotors
Quelle: Skript zur Vorlesung „Verbrennungsmotoren“ von Prof. G. Zikoridse, HTW Dresden

Mittlere Zusammensetzung der Abgase eines Ottomotors
Quelle: Skript zur Vorlesung „Verbrennungsmotoren“ von Prof. G. Zikoridse, HTW Dresden

Es sei nochmals angemerkt, dass Stickstoff, Wasserdampf und Sauerstoff nicht limitierte Emissionen sind. Der Stickstoff wird in gleicher Menge am Luftfilter angesaugt und einfach durch den Verbrennungsprozess „geschleift“. Das Kohlendioxid CO2 ist direkt proportional zur verbrauchten Kraftstoffmenge (siehe CO2-Rechner) und wird durch Versteuerung etc. vom Staat drangsaliert.

Schadstoffe

Die bei der Verbrennung entstehenden Schadstoffe, welche durch Abgasnormen je nach Land, Motorart und Fahrzeugtyp streng limitiert sind, lassen sich in folgende aufteilen:

  • HC = Kohlenwasserstoffe
  • HC+NOx = Summe der Kohlenwasserstoffe und der Stickstoffoxide
  • NOx = Masse der Stickstoffoxide
  • CO = Masse des Kohlenmonoxids
  • NMHC = Nichtmethankohlenwasserstoffe
  • PM = Partikelmasse = (Fein-) Staub
  • PN = Partikelanzahl

 

8 Comments

  1. In der Regel werden motorjournalistische Entgleisungen wie der hier zitierte Staubsaugerartikel auf dieser Webseite doch gerne nach den Regeln der Technik zerpflückt. Diesmal taugt es dagegen sogar zum Aufhänger – ziemlich peinlich.

    Kein Verbrennungsmotor reinigt die Luft, die er atmet. Vielleicht sind die durchschnittlichen Schadstoffkonzentrationen im Abgas des NEFZ-Zyklus niedriger als manche Werte der Stadtluft. Das gilt aber sicher nicht für ein Auto, das schlechte Stadtluft atmet und nebenbei möglicherweise außerhalb des Normzyklus bewegt wird. In der Regel ist schon die erlaubte CO-Konzentration im Abgas für einem Menschen tödlich, nach etwas längerer Zeit tut’s auch das CO2. Kann man alles bei Wikipedia nachlesen und dort auch nach Quellen suchen.

    Wie wär’s mit einer Entschuldigung der Art „auch mit einem Euro 6 – Auto ist Selbstmord möglich“?

    1. Hallo Andreas,
      ich verstehe die Kritik jetzt nicht so recht. Ich könnte jetzt als Beispiel bringen, dass die Partikel für einen EU5 und EU6 Diesel auf 5 Stück pro Kilometer begrenzt sind. Ja, nur 5 Stück pro Kilometer!
      Es gibt auch das Mailänder Feinstaubexperiment, nach dem es wohl sinnvoller wäre, würden die Autofahrer an der Ampel nicht rauchen an statt ihre Motoren abzustellen. Auch das Fraunhofer IVI hat festgestellt, dass die Feinstaubbelastung maßgeblich von der Wettersituation abhängt und fast garnichts mit dem Verkehr zu tun hat.

      Man kann prinzipiell auch durch einen Lolli sterben oder durch einen Plüschteddy, ich wüsste jetzt nicht, weshalb und wofür ich mich deshalb entschuldigen sollte.

      Welcher Teil ist jetzt genau falsch? Was ist peinlich?

    1. Hallo Volker,
      ich habe mich wirklich geirrt! Die Einheit ist nicht “Stück”, sondern es sind 0.0045g/km für EU6 Diesel.
      Das Gewicht der Partikel ist stark von Feuchtigkeit usw. abhängig, wodurch eine Umrechnung auf “Stück” echt schwierig ist. Sorry, mein Fehler!

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