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14 Mai 2024 Was ist ein stöchiometrisches Verhältnis und wie wird dieses berechnet?
Bei Verbrennungsmotoren ist das stöchiometrische Verhältnis, welches auch als Verbrennungsluftverhältnis bezeichnet wird, ein wichtiger Parameter. Beim Betrieb entstehen in erster Linie Wasser und Kohlendioxid, aber auch verschiedene kurzkettige Kohlenwasserstoffe sowie Stickoxide. Wie hoch deren Anteil an den Abgasen ist, wird unter anderem durch das Verhältnis zwischen Verbrennungsluft und Kraftstoff bestimmt. Dabei trägt das Verbrennungsluftverhältnis das Formelzeichen λ (gesprochen: Lambda). Wir erklären Ihnen in diesem Artikel, was genau es damit aus sich hat und wie Sie dieses Verhältnis selbst berechnen können.
Was versteht man unter dem stöchiometrischen Verhältnis oder dem Verbrennungsluftverhältnis?
Während der Begriff Stöchiometrie eigentlich aus der Chemie stammt und im Allgemeinen das Verhältnis zwischen verschiedenen Stoffen, welche an einer chemischen Reaktion beteiligt sind, beschreibt, geht es in Bezug auf den Fahrzeugmotor um genau vorgegebene Stoffe. So reagieren in Ihrem Verbrennungsmotor die Stoffe bzw. Moleküle des entsprechenden Kraftstoffs mit der zugeführten Luft; genauer gesagt mit dem Sauerstoff, welcher für die eigentliche Verbrennung entscheidend ist. Dabei starten die Auto-Zündkerzen die entsprechende Reaktion.
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Spricht man beim Fahrzeugbau vom Verbrennungsluftverhältnis λ, so geht es dabei um das Verhältnis zwischen der Menge an Luft, die eigentlich für eine stöchiometrisch vollständige Verbrennung notwendig ist und der tatsächlich vorhandenen Luftmenge. Für die Berechnung wird entsprechend die folgende Formel verwendet:
Wie Sie leicht sehen können, gilt λ=1 immer dann, wenn genau so viel Masse an Verbrennungsluft vorhanden ist, wie für eine vollständige Verbrennung benötigt werden würde. Dies ist natürlich in der Praxis ein erstrebenswertes Ziel, denn so kann nicht nur ein Maximum an Energie aus dem Kraftstoff freigesetzt sondern es können so auch die schädlichen Abgase reduziert werden.
Das Berechnen des stöchiometrischen Verhältnisses
Wenn Sie die Zusammensetzung Ihres Kraftstoffs genau kennen, so ist es vergleichsweise einfach die benötigte Luftmasse zu berechnen, um diesen vollständig zu verbrennen. Um nun das stöchiometrische Verhältnis berechnen zu können, müssen Sie dann nur noch wissen, wie viel Luftmasse bei der Verbrennung tatsächlich zu Verfügung stand. Sind diese Zahlen bekannt, so können Sie diese einfach in die oben angegebene Formel einsetzen und das Ergebnis berechnen.
Welche wichtigen Situationen gibt es? Die Tabelle zum stöchiometrischen Verhältnis
Um Ihnen einen Überblick über verschiedene Situationen bieten zu können, haben wir dazu eine kleine Tabelle zum stöchiometrischen Verhältnis zusammengestellt:
| λ | Bedeutung |
| <1 | Das bedeutet, dass weniger Sauerstoff vorhanden ist als der Motor benötigen würde, um den Kraftstoff vollständig zu verbrennen. In dieser Situation spricht man auch von einem Luftmangel, welcher zu einer unvollständigen Verbrennung und damit zu einer höheren Belastung Ihres Katalysators und zu schädlicheren Abgasen führt. Bei Benzinmotoren spricht man in diesem Zusammenhang auch von einem fetten Gemisch. |
| =1 | Die vorhandene Luftmenge ist ideal. Der Kraftstoff wird vollständig verbrannt und das Maximum an Energie für den Antrieb Ihres Fahrzeugs freigesetzt. |
| >1 | In diesem Fall ist mehr Sauerstoff vorhanden als der Motor tatsächlich für eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs benötigt. In diesem Falle kann nicht die komplette Motorleistung abgerufen werden, weil ein Teil der Brennkammer ja durch die überschüssige Luft eingenommen wird, sodass sich rein rechnerisch weniger Kraftstoff darin befindet. in diesem Zusammenhang spricht man von einem mageren Gemisch. |
Um das Verbrennungsluftverhältnis zu ermitteln, kann eine Näherungsformel verwendet werden, welche den Sauerstoffgehalt oder den Kohlendioxidgehalt der Abgase nutzt. Dabei ist zu beachten, dass der Katalysator und auch ein Turbolader fur Autos natürlich nochmal Einfluss darauf nehmen könnten.
bzw.
Wobei bei diesen Formeln die Variable χ dem entsprechenden Gehalt entspricht, welcher durch verschiedene Messverfahren ermittelt werden kann.
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Das Verbrennungsluftverhältnis bei einem Dieselmotor
Das Verbrennungsluftverhältnis bei Dieselmotoren spielt eine entscheidende Rolle für die effiziente Energiegewinnung. Im Gegensatz zu Ottomotoren, bei denen ein gemischtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis erforderlich ist, wird bei Dieselmotoren nur Luft in den Zylinder eingesaugt. Das ideale Verbrennungsluftverhältnis in einem Dieselmotor liegt nahe dem stöchiometrischen Verhältnis, wobei die Menge an eingesaugter Luft genau ausreicht, um den eingespritzten Dieselkraftstoff vollständig zu verbrennen. Eine präzise Steuerung dieses Verhältnisses gewährleistet eine effiziente Verbrennung, optimiert die Leistung und minimiert schädliche Emissionen, was besonders in Bezug auf Umweltaspekte und Kraftstoffeffizienz von großer Bedeutung ist.
Fazit
Das stöchiometrische Verhältnis, auch als Verbrennungsluftverhältnis bezeichnet, ist von entscheidender Bedeutung für Verbrennungsmotoren. Hier haben wir anschaulich erklärt, wie das Verhältnis zwischen benötigter und tatsächlich vorhandener Luft, symbolisiert durch λ, die Verbrennungseffizienz beeinflusst. Durch die leicht verständliche Formel wird deutlich, dass ein ideales Verhältnis von 1 erstrebenswert ist. Die Bedeutung von λ1 (überschüssige Luft) wurde praxisnah erläutert. Eine Tabelle verdeutlicht verschiedene Situationen, und abschließend wird das Verbrennungsluftverhältnis im Kontext von Dieselmotoren betont.
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