Verbrennungsluftverhältnis

Das Verbrennungsluftverhältnis (Formelzeichen λ = Lambda) - auch Luftverhältnis, Luftverhältniszahl, Luftüberschuss und Luftüberschusszahl oder kurz Luftzahl genannt - ist eine Kennzahl aus der Verbrennungslehre, die das Verhältnis aus Luft und Brennstoff in einem Verbrennungsprozess angibt. Aus der Zahl lassen sich Rückschlüsse auf den Verbrennungsverlauf, Temperaturen, Schadstoffentstehung und den Wirkungsgrad ziehen. Die Kennzahl ist daher in den technischen Anwendungsgebieten wie dem Verbrennungskraftmaschinenbau und der Feuerungstechnik aber auch in der Brandlehre von Bedeutung.

Definition des Verbrennungsluftverhältnisses

Das Verbrennungsluftverhältnis setzt die tatsächlich für eine Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmasse m_L-tats ins Verhältnis zur mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse m_L-st, die für eine vollständige Verbrennung benötigt wird:

$\lambda = \frac{m_{L.tats}}{m_{L.st}}$

Für den Zahlenwert ist der Grenzwert 1 von besonderer Bedeutung:

• Ist λ = 1, so gilt das Verhältnis als stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis mit m_L-tats = m_L-st; das ist der Fall, wenn alle Brennstoff-Moleküle vollständig mit dem Luftsauerstoff reagieren, ohne dass Sauerstoff fehlt oder unverbrannter Sauerstoff übrig bleibt.
• λ < 1 (z.B. 0,9) bedeutet "Luftmangel" (bei Verbrennungsmotoren spricht man von einem fetten oder auch reichen Gemisch)
• λ > 1 (z.B. 1,1) bedeutet "Luftüberschuss" (bei Verbrennungsmotoren spricht man von einem mageren oder auch armen Gemisch)

Aussage: λ = 1,1 bedeutet, dass 10% mehr Luft an der Verbrennung teilnimmt, als zur stöchiometrischen Reaktion notwendig wäre. Dies ist gleichzeitig der Luftüberschuss.

Berechnung des Verbrennungsluftverhältnisses

Näherungsweise Berechnung über Sauerstoffgehalt im Abgas:

$\lambda \approx \frac {0.21}{0.21-x_{O_2}}$

Näherungsweise Berechnung über Kohlenstoffdioxidgehalt im Abgas:

$\lambda \approx \frac {x_{CO_2 max}}{x_{CO_2}}$

Die maximale CO₂-Konzentration errechnet sich aus:

$x_{CO_2 max} = g_{CO_2 max} \cdot \frac {R_{CO_2}}{R_{RGtmin}}$

$R_{RGtmin} = g_{CO_2 max} \cdot R_{CO_2}+ g_{N_2 RG} \cdot R_{N_2}$

Massenanteile:

$g_{CO_2}=\frac{3.664 \cdot g_C}{m^*_{RGtmin}}$

$g_{N_2 RG}=\frac{g_N \cdot m^*_{Lmin}}{m^*_{RGtmin}}$

$g_{CO_2 max}=\frac{g_C \cdot 3.664}{m^*_{RGtmin}}$

Minimale Rauchgasmasse:

$m^*_{RGtmin}=3.664 \cdot g_C + m^*_{Lmin} \cdot g_N$

Minimale Luftmasse:

$m^*_{Lmin} = \frac { 2.664 \cdot g_C + 7.937 \cdot g_H + g_S - g_O}{0.232}$

Variablen:

$x_{CO_2}:$ Gemessener CO₂-Gehalt im Abgas

$R_{CO_2}:$ Gaskonstante von Kohlenstoffdioxid = $188.95 \frac {J}{kg K}$

$R_{N_2}:$ Gaskonstante von Stickstoff = $296.76 \frac {J}{kg K}$

g sind jeweils die Massenanteile des einzelnen Gases an der Gesamtmasse, die Indizes bezeichnen das Gas, RG bedeutet Anteil des Rauchgases (Abgas), t bedeutet Anteil des trockenen Abgases (vor der Messung wird das Wasser sehr oft aus dem Abgas "gefiltert", um Verfälschungen zu vermeiden).

$m^*_{Lmin}$: Zur Verbrennung mindestens benötigte Luftmasse

Luftbedarf (Mindestluftbedarf)

Der stöchiometrische Luftbedarf L _st. (auch Mindesluftbedarf L_min. ) ist ein Massenverhältnis aus der Brennstoffmasse m _B und der zugehörigen stöchiometrischen Luftmasse m _Lst.

L_st. = m _Lst. / m _B

Der Luftbedarf kann aus den Masseanteilen einer Reaktionsgleichung ermittelt werden, wenn man eine vollständige Verbrennung der Komponenten voraussetzt.

Für gängige Kraftstoffe im Verbrennungsmotorenbau ergibt sich:

• Benzin (Ottokraftstoff): L_st = 14,664
• Diesel: L_st = 14,545

(allgemein wird mit 14,7 gerechnet (siehe auch AFR))

Aussage: L_st = 14,5 bedeutet, dass bei vollständiger Verbrennung von 1 kg Kraftstoff 14,5 kg Luft notwendig sind, damit das Luftverhältnis 1 ist.

Typische Werte

Verbrennungsmotoren

Heutige Ottomotoren werden bei einem Luftverhältnis um λ = 1 betrieben. Eine Lambdasonde vor dem Katalysator misst dann den Sauerstoffgehalt im Abgas und gibt Signale an die Steuereinheit des Gemischreglers als Element des Motorsteuergerätes weiter. Der Gemischregler hat die Aufgabe, durch Variation der Einspritzdauer der einzelnen Einspritzventile das Luftverhältnis in der Nähe von λ = 1 zu halten. Das geht sehr schnell innerhalb weniger Arbeitstakte. Der Wert von 1 wird dabei nicht ganz genau getroffen, sondern schwankt mit hoher Frequenz zwischen 0,99 und 1,0. Dies ist notwendig, um für die NO_xReduktion im Katalysator immer eine geringe Menge Kraftstoffüberschuss zur Verfügung zu stellen.

Bei einem leicht fetten Gemisch (λ = 0,85) stellt sich die höchste Zündgeschwindigkeit (Reaktionsgeschwindigkeit) des Otto-Kraftstoffes ein. Jenseits der Zündgrenzen (0,6 < λ < 1,6 für Ottomotoren) ist eine regelmäßige Verbrennung nicht mehr gewährleistet, was Verbrennungsaussetzer zur Folge hat.
Dieselmotoren arbeiten dagegen mit einem mageren Gemisch (Luftüberschuss), von 1,3 (Rußgrenze) < λ < 6 (Vorgegeben durch den Reibmitteldruck).

Thermen/Kessel

Die Messung des Verbrennungsluftverhältnisses von Heizkesseln oder -thermen ist Teil einer Abgasmessung. Gebläsebrenner kommen bei Volllast mit λ = 1,2 aus, atmosphärische Brenner unter Volllast mit etwa λ = 1,4. Im Teillastverhalten steigt das Verbrennungsluftverhältnis auf Werte von λ = 2 bis 4, was zu einer Erhöhung des Abgasverlustes und gleichzeitig zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades führt.

Gasturbinen/Triebwerke

Bei Gasturbinen und darauf basierenden Strahltriebwerken läuft die Verbrennung innerhalb der Brennkammer am Flammhalter nahe λ = 1 ab, die nachfolgende Zuführung von Sekundärluft erhöht die Werte auf λ = 5 und mehr. Die Luftzahl ist deshalb so hoch, da sie nicht allein durch die Verbrennung sondern vor allem durch das optimale Massenstromverhältnis des Joule-Prozesses bestimmt wird.

Literatur

• Hans Dieter Baehr: Thermodynamik, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 1988, ISBN 3-540-18073-7

Siehe auch

 Wiktionary: Verbrennungsluftverhältnis – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Lambdasonde
• Gemischbildung
• Stöchiometrisches Kraftstoffverhältnis
• Lambdaregelung