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Luft-Kraftstoff-Verhältnis: Wie wirkt es sich auf die Motorleistung aus?

Air-Fuel Ratio
Veröffentlicht am Übersetzt mit Hilfe von KI aus unserem Originalartikel (Quelle: autoride.io)

Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist eine dimensionslose Zahl, die das Verhältnis zwischen der tatsächlichen Luftmenge im Gemisch und der theoretischen Luftmenge (stöchiometrische Menge) entsprechend dem verwendeten Kraftstoff ausdrückt. Der Koeffizient, im Englischen als Luft-Kraftstoff-Verhältnis bezeichnet, wird mit dem griechischen Buchstaben λ (Lambda) bezeichnet.

Der so definierte Koeffizient wird hauptsächlich im Bereich der Verbrennungsmotoren verwendet, da er ein notwendiger Parameter für die Gemischaufbereitung ist. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis drückt somit genau den Fettgehalt des Gemisches aus. Jeder Brennstoff benötigt für seine perfekte Verbrennung eine unterschiedliche Luftmenge.

Inhaltsverzeichnis

Beispielsweise benötigt 1 kg normales Autobenzin je nach Zusammensetzung etwa 14,7 kg Luft für eine vollständige Verbrennung. Bei Diesel werden für 1 kg Kraftstoff 15 bis 15,5 kg Luft benötigt. Wenn also das perfekte Verhältnis zwischen Kraftstoff und Luft im Gemisch aufrechterhalten wird, erreicht das Luft-Kraftstoff-Verhältnis 1 (λ = 1). In einem solchen Fall spricht man von einer stöchiometrischen Mischung.

Je nach Luft-Kraftstoff-Verhältnis können wir das Verbrennungsgemisch einteilen in:

  • Wenn das Gemisch genau die stöchiometrische Luftmenge λ = 1 enthält, wird es als stöchiometrisch bezeichnet (enthält das richtige Luftverhältnis für eine perfekte Verbrennung des Kraftstoffs).
  • Wenn das Gemisch mehr Luft λ > 1 enthält, wird es als mager bezeichnet ( enthält weniger Kraftstoff als verbrannt werden kann)
  • Enthält das Gemisch weniger Luft λ < 1, spricht man von fett (enthält mehr Kraftstoff als verbrannt werden kann)

Allerdings ändern sich bei unterschiedlichen Betriebsarten des Motors die Arbeitsbedingungen des Motors und damit auch die Anforderungen an die zugeführte Kraftstoffmenge.

Typische Betriebsarten des Motors, bei denen die Gemischzusammensetzung angepasst werden muss, sind zum Beispiel:

  • Kaltstart
  • Kalter Motor
  • Warmlaufen des Motors
  • Beschleunigung
  • Verzögerung
  • Leerlauf
  • Klimaanlage ein
  • Volllast
  • Höhe

Einfluss der Gemischzusammensetzung auf Motorparameter:

Abhängig vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis werden bei gleichen Motorbedingungen Folgendes beeinflusst:

  • Kraftstoffverbrauch
  • Motorleistung
  • Emissionsmenge
  • Gleichmäßigkeit des Motorbetriebs
  • Motorwärmebelastung

Alle diese Parameter hängen von der Zusammensetzung der Mischung ab. Allerdings weicht das tatsächliche Mischungsverhältnis der Mischung deutlich vom theoretischen ab. Temperatur, Drehzahl und Belastung des Motors bestimmen dies.

Das Mischungsverhältnis, bei dem Leistung, Emissionen und Verbrauch die besten Werte erreichen, ist für jeden Motor und jede Betriebsart einzigartig.

Verbrennung eines stöchiometrischen Gemisches:

Theoretisch sollten bei der Verbrennung eines stöchiometrischen Gemisches keine Emissionen auftreten. In der Praxis sieht die Situation jedoch anders aus. Aufgrund der unzureichenden Homogenisierung des Kraftstoffs und seiner Wechselwirkung mit anderen Stoffen (Motoröl, Verunreinigungen im Kraftstoff, Einfluss von Stickstoff aus der Luft) und der kurzen Zeit, in der der Verbrennungsprozess ablaufen muss, kommt es zur Emissionsbildung.

Da die Motoren gewöhnlicher Autos hauptsächlich im Teillastbetrieb betrieben werden, sind sie für diesen Betrieb so ausgelegt, dass sie in diesem Modus möglichst effizient arbeiten. In dieser Betriebsart ist die Arbeit mit einem stöchiometrischen Gemisch ein geeigneter Kompromiss zwischen Leistung, Kraftstoffverbrauch und erzeugter Emissionsmenge.

Darüber hinaus müssen die Motoren heutiger Autos zunächst die Emissionsgrenzwerte einhalten, sodass die Verwendung eines stöchiometrischen Gemisches (λ = 1) am sinnvollsten erscheint, da der Katalysator dann den höchsten Wirkungsgrad hat. Der Motor ist daher der umweltfreundlichste.

Verbrennung mit fettem Gemisch:

Bei der Verbrennung eines fetten Gemisches erfolgt die Verbrennung schneller und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis senkt die maximale Temperatur durch Verdampfung, was für eine Innenkühlung der Zylindergruppe sorgt, was wiederum eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses des Motors ermöglicht.

Dadurch erhöht sich die Leistung des Motors, gleichzeitig steigt aber auch sein Verbrauch, da nicht der gesamte Kraftstoff perfekt verbrannt wird und ein Teil seiner Energie ungenutzt bleibt.

Alle anderen Parameter treten in diesem Modus außer Acht und Leistung wird zum Hauptparameter. Dadurch wird das Gemisch angereichert (λ < 1), um die höchstmögliche Motorleistung zu erreichen.

Magergemischverbrennung:

Der niedrigste Verbrauch wird im Magergemisch-Verbrennungsmodus erreicht; somit erreicht das Luft-Kraftstoff-Verhältnis den Wert (λ > 1). Wenn der Motor unter geringer Last steht, ist die Leistung nicht interessant, daher steht der Kraftstoffverbrauch im Vordergrund.

In einem solchen Fall bietet sich für diesen Modus die Einstellung eines leicht mageren Gemisches (λ > 1) an, das die größte Kraftstoffeinsparung erzielt.

Einfluss der Gemischzusammensetzung auf Motorkomponenten:

Ein fettes Gemisch hat aus Sicht des Motorschutzes einen erheblichen Effekt, da der nicht verbrennende Kraftstoff durch seine Verdunstung dem Brennraum die Temperatur entzieht und so für eine effektive Kühlung des Brennraums sorgt.

Die Kühlwirkung nimmt mit zunehmender Gemischfülle zu, was besonders bei extrem beanspruchten Motoren wichtig ist. Deshalb wird bei maximaler Motorlast ein fettes Gemisch verbrannt.

Es besteht jedoch kein Grund, es mit der Fülle des Gemisches zu übertreiben, da unverbrannter Kraftstoff den Ölfilm von den Zylinderwänden wäscht, was die Gefahr eines Kolbenfressers erhöht. Darüber hinaus wird dadurch die Bildung von Kohlenstoff verstärkt, dessen Ablagerungen die Wärmeabfuhr aus dem Brennraum verhindern.

Bei der Verbrennung eines mageren Gemisches besteht die Gefahr einer fehlenden Innenkühlung, was zu einer thermischen Überlastung einiger Motorkomponenten, beispielsweise Kolben, Ventile und Zündkerzen, führen kann. Höhere lokale Temperaturen im Zylinder erhöhen jedoch die Gefahr einer Detonationsverbrennung deutlich.

Die interne Kraftstoffkühlung kann nur bei Ottomotoren eingesetzt werden, da diese aufgrund der längeren Vorbereitungszeit (Kraftstoff gelangt zusammen mit Luft in die Zylinder oder wird während des Ansaugtakts in den Zylinder eingespritzt) mit einem fetten Gemisch arbeiten können.

Bei Verbrennungsmotoren, bei denen Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird und gleichzeitig die Verbrennungsphase beginnt, würde ein fettes Gemisch, das sich schlecht mit der Luft vermischt, zu übermäßiger Rauchentwicklung führen. Dies bedeutet, dass selbst bei Volllast des Dieselmotors das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nur annähernd dem stöchiometrischen Gemisch entspricht, so dass die höchstmögliche Leistung erzielt wird.

Luft-Kraftstoff-Koeffizient λ: Was bedeuten die konkreten Werte?

  • <0,5– die untere Grenze der Entflammbarkeit (fettes Gemisch), das Gemisch aus Kraftstoff und Luft ist nicht mehr brennbar
  • < 1 – fettes Gemisch, Luftmangel, erhöhte Leistung und Drehmoment
  • 0,9 – das höchste Drehmoment, guter Motorbetrieb, schlechterer spezifischer Kraftstoffverbrauch
  • 0,9 bis 1,1 – theoretisch geeignetes Kraftstoff-Luft-Gemisch
  • >1 – mageres Gemisch, Luftüberschuss, Kraftstoffeinsparung, sparsamer Betrieb
  • 1,3 bis 1,5 – das obere Grenze der Entzündlichkeit des Gemisches (mageres Gemisch), das Gemisch aus Kraftstoff und Luft ist nicht mehr brennbar
  • 1,6 bis 1,7 - Obergrenze der Entzündlichkeit des Gemisches für Motoren mit geschichtetem Gemisch

Im Allgemeinen brennt jedoch ein ordnungsgemäß funktionierender Motor bei der richtigen Temperatur und Last:

Dieselmotor – verbrennt ein inhomogenes (geschichtetes) Gemisch mit hohem Luftüberschuss. Das Gemisch ist mager, hat einen größeren Luftanteil als zu einer bestimmten Kraftstoffmenge gehören würde und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist daher λ > 1.

Benzinmotor mit indirekter Einspritzung – verbrennt ein homogenes Gemisch. Der Koeffizient des Luftanteils beträgt λ = 1, und eine solche Mischung wird als stöchiometrisch bezeichnet.

Benzinmotor mit Direkteinspritzung – verbrennt homogenes, aber inhomogenes (geschichtetes) Gemisch. Ein homogenes Gemisch spritzt während des Ansaugtakts eine Kraftstoffdosis λ = 1 in den Brennraum.

Ein geschichtetes Gemisch spritzt während des Kompressionshubs Kraftstoff in die verwirbelte Luft und erzeugt so ein lokal homogenes Gemisch im Zündkerzenbereich. In den anderen Räumen des Zylinders liegt jedoch ein mageres Gemisch vor und der Luft-Kraftstoff-Koeffizient ist daher λ > 1.

Video, in dem Engineering Explained das Luft-Kraftstoff-Verhältnis erklärt: