Golloch R. Downsizing bei Verbrennungsmotoren: Ein wirkungsvolles Konzept zur Kraftstoffverbrauchssenkung

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2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung 5

Ziel der Motorenentwicklung ist demnach die Reduzierung der mit dem Abgas

und über die Kühlung abgeführten Energieströme zur Erhöhung der vom Motor

zur Verfügung gestellten Nutzleistung. Der Erfolg wird durch das Verhältnis von

Nutzleistung zu Brennstoffenergiestrom – dem effektiven Wirkungsgrad Ș

–

ausgedrückt:

ueuB

HbHm





(2.2)

Aus Gl. 2.2 wird deutlich, dass zwischen Wirkungsgrad und spezifischem

Kraftstoffverbrauch des Motors eine direkte Abhängigkeit besteht. Der Proportio-

nalitätsfaktor ist der untere Heizwert des Kraftstoffes. Diese Größe gibt den auf

die Masse bezogenen Energieinhalt des Kraftstoffes an. Das im Verbrennungsgas

befindliche Wasser liegt dabei per Definition in gasförmigem Aggregatzustand

vor. Eine analoge Beziehung gilt für den inneren Wirkungsgrad:

uiuB

HbHm





(2.3)

Eine erste Beurteilung realer Motorprozesse kann an Hand der in Abb. 2.3 dar-

gestellten Wirkungsgradkette erfolgen. Ausgehend von einem zu definierenden

Vergleichsprozess, der die Kraftstoffumsetzung im Brennraum idealisiert betrach-

tet, können Kennwerte für den Erfolg der Kraftstoffumsetzung in den einzelnen

Prozessschritten angegeben werden. Das Verhältnis der aus dem Vergleichspro-

zess berechneten Leistung zur eingesetzten Brennstoffenergie wird durch den

sogenannten Vergleichswirkungsgrad Ș

beschrieben. Die effektive Motorleistung

berechnet sich dann nach Gl. 2.4.

Abb. 2.3. Wirkungsgradkette bei der motorischen Energieumsetzung

6 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

euBRgvRie

HmPPPPP

  



(2.4)

Der effektive Wirkungsgrad des Motors setzt sich aus dem Produkt von Ver-

gleichswirkungsgrad, Gütegrad und mechanischem Wirkungsgrad zusammen:

mgvmie

KKKKKK

 

(2.5)

Potenzial zur Senkung des Kraftstoffverbrauches von Verbrennungsmotoren

besteht – sofern ein geeigneter Vergleichsprozess zu Grunde gelegt wird – aus-

schließlich in der Steigerung des Güte- und des mechanischen Wirkungsgrades.

Abweichungen vom Vergleichsprozess können dann durch entsprechende Wir-

kungsgraddifferenzen ǻȘ ausgedrückt werden, die ihrerseits eine Aufschlüsselung

durch die sogenannte Verlustanalyse erfahren, siehe Kap. 2.3.

mgvmie

KKKKKK

'' '

(2.6)

Neben den beschriebenen Kenngrößen Leistung und Wirkungsgrad ist der Mit-

teldruck eine viel benutzte und aussagekräftige Kenngröße. Der innere oder indi-

zierte Mitteldruck berechnet sich definitionsgemäß aus dem Zylinderdruckverlauf

und wird zur Ermittlung der inneren Leistung des Motors verwendet:

Vzni

pdV

⋅⋅⋅

∫

(2.7)

Dabei ist n die Motor- bzw. Kurbelwellendrehzahl, i die Anzahl der Arbeits-

spiele pro Kurbelwellenumdrehung (Viertaktmotor: i = 0,5; Zweitaktmotor: i = 1),

z die Zylinderzahl und V

das Hubvolumen eines Zylinders. Mit Blick auf die

rechte Seite von Gl. 2.7 werden dementsprechend der effektive Mitteldruck p

sowie der Reibmitteldruck p

bestimmt. Diese Kenngrößen stehen damit in glei-

cher Beziehung zueinander wie die verschiedenen Leistungen, vergl. Abb. 2.3:

mrmemi

ppp +=

(2.8)

Die Mitteldrücke sind ausgezeichnete Kennwerte und lassen – unabhängig von

den geometrischen Motorabmessungen, dem verwendeten Brennverfahren oder

sonstigen Charakteristiken – einen direkten Vergleich unterschiedlicher Motoren

zu.

2.1.2 Zündung und Flammenausbreitung

Durch die Aufbereitung des in den Brennraum eingebrachten Kraftstoffes sowie

den Ablauf der chemischen Umsetzung des Kraftstoffes durch die Verbrennung

werden die wesentlichen Eigenschaften des Verbrennungsmotors, wie z.B. Wir-

kungsgrad, Leistungscharakteristik und Schadstoffemissionen, bestimmt. Neben

den eigentlichen chemischen Reaktionen haben Strömungs- und Transportvorgän-

ge großen Einfluss auf das Ergebnis der Verbrennung.

2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung 7

Nachdem eine genügend große Menge zündfähigen Gemisches aus Luft und

Kraftstoff erzeugt worden ist, wird die Verbrennung durch den Zündvorgang ein-

geleitet. Wesentlichen Einfluss auf die Zündung und anschließende Flammenaus-

breitung haben die thermodynamischen Zustandsgrößen des Gemisches sowie der

Kraftstoff selber.

Zündung

Die Zündung ist eine durch thermische und chemische Prozesse beschleunigte

Kettenreaktion, die im den Zündherd umgebenden Gemisch zu einem schnellen

Anstieg der Temperatur führt. Bei einer solchen Kettenreaktion tritt ein reaktions-

freudiges Zwischenprodukt auf, das weitere Reaktionen nach sich zieht. Häufig ist

dieses Zwischenprodukt ein freies Radikal, also ein Molekül- oder Atomfragment

mit einem ungepaarten Elektron. Aktive Radikale spielen bei allen Zündprozessen

eine wichtige Rolle. Beispiele sind die Radikale H, O und OH.

Am Beginn einer Kettenreaktion werden aus stabilen Molekülen zunächst freie

Radikale gebildet, die in Folgereaktionen mit anderen Molekülen reagieren und

weitere freie Radikale erzeugen. Bei der Kettenfortpflanzung bleibt die Anzahl der

Radikale gleich, während bei der Kettenverzweigung die Radikalbildung be-

schleunigt wird. Wenn die Geschwindigkeit der Kettenreaktion ansteigt, spricht

man von einer Explosion. Im Gegensatz zur thermischen Explosion, bei der die

Temperatur und damit die Reaktionsgeschwindigkeit durch exotherme Reaktionen

erhöht wird, nehmen bei einer chemischen Explosion die Kettenverzweigungsre-

aktionen durch zunehmende Anzahl freier Radikale zu. In Verbrennungsmotoren

sind beide Arten von Explosionen zu beobachten.

Eine genügend große Anzahl aktiver Radikale zur Einleitung eines Zündvor-

ganges kann durch hohe Temperaturen erzeugt werden, wie dies z.B. bei der

Selbstzündung im Dieselmotor der Fall ist, oder durch einen Zündfunken (Fremd-

zündung, Ottomotor), der die Reaktionsgeschwindigkeit stark erhöht. Charakteris-

tisch für die chemische Explosion ist die Tatsache, dass diese erst nach der für

Kettenreaktionen typischen Zündverzugszeit beginnt. Während dieser Zündver-

zugszeit laufen Kettenverzweigungsreaktionen mit der Bildung von Radikalen ab,

die zunächst zu keiner signifikanten Temperaturerhöhung führen, jedoch selber

stark temperaturabhängig sind. Die erforderliche Zündenergie nimmt mit der zu

erwärmenden Stoffmenge und der Wärmekapazität des Gemisches zu und ist

somit proportional zum Zündvolumen und dem herrschenden Druck [PIS02].

Nach Einleitung des Zündvorganges läuft bei geeigneten thermodynamischen

und chemischen Randbedingungen innerhalb des Gemisches der Prozess der

Flammenausbreitung ab. Hierbei unterscheidet man zwischen vorgemischter und

nicht-vorgemischter (auch: Diffusions-) Verbrennung. Beide Ausbreitungs- bzw.

Verbrennungsarten können durch den Begriff Deflagration zusammengefasst

werden.

8 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

Vorgemischte Verbrennung

Im Fall der vorgemischten Verbrennung sind Luft und Kraftstoff innerhalb der

Gemischwolke zum Zeitpunkt des Brennbeginns weitgehend homogen verteilt.

Diese Art der Verbrennung verläuft mit hoher Geschwindigkeit, bei hohen Tem-

peraturen und – sofern ausreichend Sauerstoff zur Verfügung steht – unter sehr

geringer Rußbildung. Dabei bewegt sich eine Flammenfront durch den Brennraum

und hinterlässt die verbrannte Zone. In Abhängigkeit des umgebenden Strömungs-

feldes sowie der thermischen Randbedingungen kann eine laminare oder eine

turbulente Flammenausbreitung beobachtet werden. Bei ersterer durchläuft eine in

sich geschlossene Flammenfront mit einer bestimmten Geschwindigkeit den

Brennraum. Die turbulente Flammenausbreitung ist durch eine räumlich verzerrte

oder aufgerissene Flammenfront sowie einem stark instationären Verhalten cha-

rakterisiert und bei innermotorischen Verbrennungsprozessen (z.B. im Ottomotor)

häufig zu beobachten. Einzelne Flammeninseln (sogenannte Flamelets) können

sich von der zerklüfteten Flammenfront ablösen. Abb. 2.4

stellt die Unterschiede

zwischen laminarer und turbulenter Flammenausbreitung anschaulich dar.

Abb. 2.4. Laminare und turbulente Flammenausbreitung

Die laminare Flammengeschwindigkeit steigt mit zunehmender Temperatur

und abnehmendem Druck. Das Maximum wird bei bestimmten Luftverhältnissen

erreicht, deren Wert abhängig ist vom verwendeten Kraftstoff, vergleiche

[GLA96], [WAR97]. Der deutliche Temperatureinfluss wirkt sich darüber hinaus

besonders in den wandnahen Bereichen des Brennraumes aus. Sofern die Tempe-

ratur des Gemisches zu gering ist, wird die weitere Flammenausbreitung durch ein

Verlöschen der Flamme gestoppt. Dieses sogenannte „wall-flame-quenching“

kann in der Grenzschicht an relativ kühlen Brennraumwänden beobachtet werden

und führt beim konventionellen Ottomotor mit äußerer Gemischbildung (Saug-

rohreinspritzung) zur Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe. Nach [URL94]

hat diese Grenzschicht eine Dicke von etwa 0,1-0,2 mm.

Einen deutlichen Einfluss auf die Ausbreitung von turbulenten Flammen und

damit auf den motorischen Verbrennungsprozess hat die Turbulenz des umgeben-

den Strömungsfeldes. Oberhalb einer bestimmten Reynoldszahl treten in Strö-

mungen zeitlich und räumlich ungeordnete, turbulente Schwankungsbewegungen

auf, die sich der Hauptströmung überlagern. Dadurch wird der Austausch von

Masse, Impuls und Energie auch quer zur Hauptströmungsrichtung intensiviert

und Energie in der Hauptströmung dissipiert.

2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung 9

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit turbulenter Flammen nimmt mit steigender

Turbulenz, die z.B. durch höhere Strömungsgeschwindigkeiten im Ladungswech-

sel erzeugt werden kann, zu. Aus diesem Grund läuft die Verbrennung bei höheren

Motordrehzahlen im nahezu gleichen Kurbelwinkelbereich ab wie bei niedrigen

Drehzahlen. Hohe Restgasgehalte verlangsamen die chemischen Reaktionen und

damit die Flammenausbreitung aufgrund der im Vergleich zum Frischgemisch

höheren Wärmekapazitäten und der geringeren Wärmeleitfähigkeit von Verbren-

nungsgasen.

Klopfende Verbrennung (Detonation)

Eine Eigenart vorgemischter Verbrennung ist die latente Gefahr der Detonation.

Darunter versteht man eine durch chemische Reaktionen ausgelöste Stoßwelle, bei

der sehr hohe Flammengeschwindigkeiten bis über 1.000 m/s auftreten und die zur

Anregung der Druck-Eigenresonanzen der im Brennraum eingeschlossenen Zylin-

derladung führt. Diese Vorgänge werden bei der motorischen Verbrennung allge-

mein als Klopfen bezeichnet und sind bereits kurz nach der Erfindung des Otto-

motors bekannt geworden [MID20]. Schon in den zwanziger Jahren des vorigen

Jahrhunderts wurden daher viele umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, um

kapitale Motorschäden durch Klopferscheinungen erklären bzw. vermeiden zu

können [CLE26].

Klopfen entsteht durch Selbstzündung des noch nicht von der Flammenfront er-

fassten Gemisches – das sogenannte Endgas. Die schlagartige Freisetzung großer

Energiemengen führt zu einem starken Anstieg von Druck und Temperatur sowie

zur Ausbreitung hochfrequenter Druckwellen (Frequenz > 5 kHz) innerhalb des

Brennraumes, die kurzfristig sogar zur mechanischen Zerstörung des Motors füh-

ren können [FIS03]. Das Klopfen ist zudem ein stochastischer Vorgang, da die

Klopfintensitäten bei gleichen Betriebsparametern von Zyklus zu Zyklus schwan-

ken. Abb. 2.5 zeigt schematisiert den bei intensiv klopfender Verbrennung verän-

derten Zylinderdruckverlauf eines Ottomotors im Vergleich zur normalen, de-

flagrierenden Verbrennung.

Abb. 2.5. Zylinderdruckverläufe bei normaler und klopfender Verbrennung

10 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

Deutlich sind die Druckwellen im Druckverlauf zu erkennen, die mit hohen

Druckgradienten zu Beginn der Verbrennung und ausgeprägten Spitzendrücken

einher gehen. Der Ablauf der zum Klopfen erforderlichen Vorreaktionen benötigt

einen bestimmten Zeitraum. Daher ist die Gefahr klopfender Verbrennung in ers-

ter Linie bei niedrigen Drehzahlen gegeben. Für hochdrehende Motoren, die im

Rennsport z.B. in der Formel 1 zu finden sind, spielt Klopfen dem entsprechend

keine Rolle.

Neben der erosiven Wirkung der Druckwellen treten auch hohe thermische Be-

lastungen in den Bauteilen auf, da der Wärmeübergang aufgrund der in Wandnähe

hohen Strömungsgeschwindigkeiten intensiviert wird bzw. stark ansteigt. Klopfen

ist im motorischen Betrieb somit unter allen Umständen zu vermeiden.

Die Klopfneigung kann grundsätzlich durch bnderungen konstruktiver oder der

Veränderung der Betriebsparameter vermindert werden. Niedrige Gemischtempe-

raturen und hohe Rückführraten gekühlten Abgases senken das Temperaturniveau

innerhalb des Brennraumes bei Verdichtungsende. Eine gezielte Ladungsbewe-

gung z.B. durch Drall- und Tumble erhöht die Flammengeschwindigkeiten und

verringert in Verbindung mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten der in den

Brennraum eintretenden Ladung die für Vorreaktionen zur Verfügung stehende

Zeit. Daher sinkt die Klopfneigung mit zunehmender Motordrehzahl. Kompakte

Brennräume mit zentral angeordneter Zündkerze ermöglichen kurze Flammenwe-

ge. Motoren mit großen Zylinderhubvolumina und entsprechend längeren Flam-

menwegen sind daher i.A. klopfanfälliger. Allerdings kann eine Ladungsbewe-

gung mit ähnlich hoher Strömungsgeschwindigkeit wie die Flammengeschwin-

digkeit die Flammenausbreitung auch stark behindern, wenn sie genau entgegen

läuft [WIN03].

Nicht-vorgemischte Verbrennung

Bei dieser Art der Verbrennung sind Luft und Kraftstoff zum Zeitpunkt des

Brennbeginns nicht homogen vorgemischt. Erst im Laufe der chemischen Umset-

zung durch den Verbrennungsprozess kommt es zu einer intensiveren Vermi-

schung infolge Diffusion. Gemischbildung und Verbrennung laufen somit gleich-

zeitig ab, wobei die Mischungsvorgänge während der Hauptverbrennungsphase

langsamer sind als die chemischen Reaktionen und somit die geschwindigkeitsbe-

stimmende Größe darstellen.

Die turbulente, nicht-vorgemischte Verbrennung tritt neben Brennern und Dü-

sentriebwerken auch in Dieselmotoren sowie teilweise in direkteinspritzenden

Ottomotoren auf. Aufgrund der Tatsache, dass auch die Gemischaufbereitung im

Brennraum erfolgen muss und die chemisch-physikalischen Prozesse signifikant

vom umgebenden turbulenten Strömungsfeld beeinflusst werden, ist der Ablauf

nicht-vorgemischter Verbrennungsprozesse ein komplexer Vorgang.

Der flüssige Kraftstoff wird mit hohem Druck direkt in die kompromierte Luft

eingespritzt und zerfällt infolge der Relativgeschwindigkeiten zwischen Luft und

Kraftstoffstrahl in viele kleine Tröpfchen. Die umgebende Wärme führt an der

Tropfenoberfläche zu einer fortlaufenden Abdampfung des Kraftstoffes und an-

schließender Vermischung mit der umgebenden Luft. Dabei steigt das Luftver-

2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung 11

hältnis mit zunehmendem Abstand vom Tropfen an. Sobald sich das Mischungs-

bzw. Luftverhältnis innerhalb der Zündgrenzen bewegt, kommt es in diesen Zonen

zur Selbstzündung, obwohl der Kraftstofftropfen noch nicht vollständig verdampft

ist, siehe Abb. 2.6. Die Verbrennung beginnt meist in leicht fetten Gemischberei-

chen. Ein bestimmter Teil des eingespritzten Kraftstoffes mischt sich innerhalb

des Zündverzuges intensiv mit der Luft und verbrennt dann relativ spontan mit

hohen Druckgradienten. Nach dieser zeitlich begrenzten, vorgemischten Verbren-

nung, die von der Reaktionskinetik bestimmt wird, läuft die weitere Verbrennung

diffusions- bzw. mischungskontrolliert als nicht-vorgemischte Verbrennung ab.

Abb. 2.6. Schematische Darstellung der nicht-vorgemischten Verbrennung

In den Bereichen der Selbstzündung ist das lokale Luftverhältnis kleiner als

eins, sodass die Verbrennung stets mit einer Rußbildung kombiniert ist. Infolge

der sehr heterogenen Gemischzusammensetzung liegen darüber hinaus auch über-

stöchiometrische Bereiche vor, in denen es vornehmlich zu Bildung von Stickoxi-

den (NO

) kommt. Die nicht-vorgemischte Verbrennung erzeugt somit stets

gleichzeitig Ruß und NO

Als Vorteil der nicht-vorgemischten Verbrennung ist die einfache Laststeue-

rung durch Variation der eingebrachten Kraftstoffmenge zu nennen. Durch das

heterogen zusammengesetzte Gemisch liegen immer Bereiche mit einer brennfä-

higen Gemischzusammensetzung vor, sodass der Kraftstoff selbst bei sehr mage-

ren Gemischen mit Luftverhältnissen bis 10 sicher entflammt werden kann, sofern

nur die Zündtemperatur überschritten wird. Aus diesem Grund gibt es beim Die-

selmotor im Gegensatz zum Ottomotor keine durch die Gemischzusammensetzung

bedingten Zündgrenzen. Dadurch ist es möglich, den Dieselmotor mit der energe-

tisch günstigeren Qualitätsregelung zu betreiben.

12 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

2.1.3 Verbrennung

Luftbedarf und Luftverhältnis

Bei der vollständigen Verbrennung von Kraftstoffen können der erforderliche

Luftbedarf und die Zusammensetzung des Verbrennungsgases aus der chemischen

Brutto-Reaktionsgleichung bestimmt werden, siehe Gl. 2.9. Die Brutto-Reaktions-

gleichung der Verbrennung von sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffen gestattet

naturgemäß keinen näheren Einblick in die Chemie. Stickstoff, eine Hauptkompo-

nente der Luft, nimmt bei dieser modellhaften Vorstellung an der Reaktion nicht

teil und wird daher zunächst nicht mit betrachtet. Es gilt:

COxO

xOHC

zyx 222

224

o



(2.9)

Zur vollständigen Verbrennung dieses Modell-Kraftstoffes wird eine bestimmte

Menge Sauerstoff benötigt. Der Luftbedarf bei der stöchiometrischen Verbren-

nung errechnet sich unter der Voraussetzung, dass der Sauerstoffanteil der Luft

etwa 21% beträgt, wie folgt:



2421,0

min

(2.10)

Die Einheit von Gl. 2.10 ist kmol Luft pro kmol Brennstoff. Da für reale

Brennstoffe die chemische Zusammensetzung meist unbekannt ist, verwendet man

die Massenanteile der einzelnen Komponenten. Diese werden durch eine Elemen-

taranalyse ermittelt. Unter Berücksichtigung der Massenanteile sowie der Mol-

massen der Brennstoffkomponenten erhält man in Gl. 2.11 die Einheit kmol Luft

pro kg Brennstoff.









OHC

76,4

min

(2.11)

Zur Umrechnung auf eine für die Praxis relevante Einheit (kg Luft pro kg

Brennstoff) muss die Molmasse der Luft berechnet werden. Sie ergibt sich ent-

sprechend der Zusammensetzung der Luft aus den Hauptkomponenten Sauerstoff

und Stickstoff zu 28,85 kg/kmol, sodass für den Luftbedarf der stöchiometrischen

Verbrennung gilt:

 

00,32032,4011,12

4,137

minmin

ohc

MLL

(2.12)

Konventioneller Dieselkraftstoff besteht zu etwa 86% aus Kohlenstoff und zu

13% aus Wasserstoff. Schwefel- und Sauerstoffanteile können bei dieser Betrach-

tung meist vernachlässigt werden. Dann ist zur vollständigen Verbrennung von

einem kg Dieselkraftstoff ein Mindestluftbedarf von etwa 14,5 kg Luft erforder-

lich. Aufgrund der sehr ähnlichen, massenanteiligen Zusammensetzung der Haupt-

komponenten Kohlenstoff und Wasserstoff hat Ottokraftstoff mit 14,7 etwa den

2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung 13

gleichen Mindestluftbedarf wie Dieselkraftstoff. Der Mindestluftbedarf ist also

eine rein kraftstoffspezifische Größe. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die

Stoffwerte der häufigsten Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren.

Tabelle 2.1. Stoffwerte flüssiger und gasförmiger Kraftstoffe [ROB95]

Diesel Super-Benzin Erdgas

Methan

Wasserstoff

Dichte

[kg/dm

]

0,82-0,86 0,73-0,78 0,00083 0,00072 0,00009

Massenanteile

[kg/kg]

c=0,86

h=0,13

c=0,86

h=0,14

c=0,76

h=0,24

c=0,75

h=0,25

h=1

Unterer Heizwert

[kJ/kg]

42.500 43.500 47.700 50.000 120.000

Siedetemperatur

[°C]

180-360 25-215 -162 -162 -253

Zündtemperatur

[°C]

§250 §400 650 560

Mindestluftbedarf

[kg/kg]

14,5 14,7 13,1 17,2 34

Molare Masse

[kg/kmol]

§190 §98 18,54 16,04 2,01

Angaben bezogen auf Normzustand (0 °C, 1.013 mbar)

Zur Beschreibung der dem Brennraum tatsächlich zugeführten Luftmenge ist

das sogenannte Luftverhältnis Ȝ als weiterer Parameter erforderlich. Das Luftver-

hältnis beschreibt das Verhältnis von zugeführter Luftmenge zum stöchiometri-

schem Luftbedarf:

min

min min

mmL

mLm



(2.13)

Die Massen von zugeführter Luft und eingebrachtem Kraftstoff werden direkt

am Motorprüfstand gemessen. Der Spülverlust, also die während des Zeitraumes

der Ventilüberschneidung vom Ansaug- in den Abgaskanal strömende Luftmasse,

wird dabei nicht gesondert berücksichtigt und ist somit in m

enthalten. Auch

können mit dem so ermittelten Luftverhältnis keine Aussagen über den Restgas-

gehalt im Brennraum gemacht werden.

Um die tatsächliche Zusammensetzung der Zylinderladung bestimmen zu kön-

nen, wird das Verbrennungsluftverhältnis Ȝ

definiert. Hierbei wird die tatsächlich

im Zylinder eingeschlossene Luftmenge auf die zur vollständigen Verbrennung

der eingebrachten Kraftstoffmenge erforderliche Mindestluftmenge bezogen.

tatsL



min

(2.14)

Im Gegensatz zum globalen Luftverhältnis Ȝ stellt das Verbrennungsluftver-

hältnis Ȝ

einen Momentanwert dar, der sich mit dem Kurbelwinkel ändern kann,

was durch die Zusammensetzung der Ladung während des Verbrennungsprozesses

14 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

begründet ist. Für luftansaugende Motoren, bei denen der Kraftstoff direkt einge-

spritzt und dann als sofort verbrannt betrachtet wird, sinkt das Verbrennungsluft-

verhältnis mit steigendem Kurbelwinkel. Bei gemischansaugenden Motoren be-

findet sich die gesamte Brennstoffmasse während des Hochdruckprozesses im

Brennraum, sodass das Verbrennungsluftverhältnis konstant bleibt.

Kraftstoffverbrauch und CO

-Emission

Für unterschiedliche Kraftstoffe werden in Abhängigkeit des effektiven Wir-

kungsgrades auch verschiedene, spezifische Kraftstoffverbräuche erzielt. In

Abb. 2.7 ist der Zusammenhang zwischen den beiden Kenngrößen auf Basis von

Gl. 2.2 für die gängigen flüssigen und gasförmigen Kraftstoffe dargestellt. Mit

zunehmenden Wirkungsgraden nimmt der spezifische Kraftstoffverbrauch degres-

siv ab. Maßnahmen an Dieselmotoren, die bei einem Betriebspunkt mit Wir-

kungsgrad von 40% zu einer Wirkungsgradsteigerung um 1%-Punkt führen, erge-

ben eine Senkung des spezifischen Kraftstoffverbrauches von etwa 5 g/kWh.

Abb. 2.7. Kraftstoffverbrauch in Abhängigkeit des Wirkungsgrades für unterschiedliche

Kraftstoffe