Abgaszusammensetzung beim Pkw (Fahrzeugexperten sind gefragt)?
Laut meinem Buch besteht der Abgas bei einer Vollständigen verbrennung aus Kohlendioxid, Wasser (bzw. Wasserdampf), Stickstoff und Edelgasen. (siehe Bild im Anhang)
Erst bei einer unvollständigen Verbrennung entstehen Schadstoffe wie Kohlenmonoxid, Stickoxide etc.
Die vollständige verbrennung wird mit der Luftverhältnis lambda=1 erreicht. So steht das auf Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Verbrennungsluftverh%C3%A4ltnis#Definition
aber laut der grafik im Anhang entsteht bei lambda=1 auch ein hoher anteil von stickoxiden (fast der Hochpunkt der schwarzen parabel).
Und das ist doch ein widerspruch oder?
4 Antworten
> So steht das auf Wikipedia
Nein, tut es nicht. Dort steht, dass es sich um das Luftverhältnis handelt, das für eine vollständige Verbrennung nötig wäre - dort steht nicht, dass eine solche auch erfolgt.
Es bleiben unverbrannte Kohlenwasserstoffe und CO übrig, der hier fehlende Sauerstoff hat mit Stickstoff reagiert. Aufgabe des Katalysators ist es jetzt, den Sauerstoff aus den Stickoxiden zu nehmen und damit die unvollständig verbrannten Stoffe vollends zu verbrennen.
Bei lambda < 1 reicht der Sauerstoff nicht für eine vollständige Verbrennung.
Bei lambda > 1 reichen die unverbrannten Reste nicht, um alle Stickoxide zu reduzieren. Weshalb bei der Abgasreinigung im Diesel auch Harnstoff (
plus Schummelsoftware zur Kostendämpfung) gegen die Stickoxide eingesetzt wird.
Sicher käme es bei unendlich langer Reaktionszeit zum gleichen Ergebnis wie mit Katalysator.
Wenn bei lambda = 1 noch unverbrauchter Sauerstoff im Abgas ist, dann kann man das auf zu kurze Reaktionszeit zurückführen.
Dass sich aber ein Teil des O₂ mit N₂ zu Stickoxiden verbindet, anstatt das Benzin vollständig zu verbrennen, hat vor allem damit zu tun, dass im Verbrennungsraum wenig Benzin und viel Stickstoff herumfliegt.
Dadurch ist die Wahrscheinlichkeit, auf Stickstoff zu treffen und ggf. mit ihm zu reagieren, viel größer als auf CO zu treffen.
und woher kommt das zu viele Stickstoff im Verbrennungsraum? Aus der umgebungsluft? bei lamda=1 ist weder zu viel luft noch zu wenig luft im verbrennungsraum vorhanden. Deshalb kann das zu viele Stickstoff nicht aus der umgebungsluft kommen
Au weia, da tun sich aber riesige Lücken auf... hattest Du nie Chemieunterricht?
Fürs Verbrennen brauchst Du Sauerstoff und überhaupt keinen Stickstoff.
Wenn man aber aus Kostengründen keine Sauerstoffflasche mitführt, sondern Luft zur Verbrennung verwendet, hat man für jedes gewünschte Sauerstoff-Molekül auch vier lästige Stickstoff-Moleküle.
Die "genau richtige Luftmenge" bezieht sich auf den Sauerstoff. Stickstoff ist immer zu viel, egal wie wenig Luft Du nimmst.
ich hatte tatsächlich sehr wenig chemieunterricht ;)
also soweit ich das jetzt verstanden habe, erreicht man eine vollständige Verbrennung nur nur mit Sauerstoffüberschuss und nach einer gewissen Reaktionszeit.
ist das mit sauerstoffüberschuss richtig formuliert oder wie wurdest du es formulieren?
ich bin mir deshalb mitder bezeichnung "sauerstoffüberschuss" unsicher, weil bei einem überschuss lambda >1 wäre. Aber es soll ja lambda=1 sein
Eine vollständige Verbrennung (d.h., aus dem Benzin wurde CO₂ und H₂O) bekommst Du, das hast Du korrekt beschrieben, nur mit Sauerstoffüberschuss und nach einer gewissen Reaktionszeit.
Aber: Je mehr Sauerstoffüberschuss, desto mehr Stickoxide. Und die will man auch nicht haben. Deshalb lambda=1. Das ist der Kompromiss, bei dem die Summe aller Schadstoffe minimiert wird.
Vor dem Katalysator haben wir noch viel unverbranntes und eine gleichgroße Menge Stickoxide. Im Katalysator reagieren diese miteinander, und übrig bleibt nur noch wenig unverbranntes und wenig Stickoxide.
Zwei Fakten, die Du im Chemieunterricht gelernt hättest, wenn Du welchen gehabt hättest:
1) Eine Reaktion verläuft nie zu 100%, ein bisschen bleibt immer übrig.
2) Ein Katalysator ändert daran nichts, aber er sorgt in unserem Fall dafür, dass man die 99,9% nicht nach Minuten, sondern schon nach Millisekunden erreicht.
Du hast völlig Recht, das ist ein Widerspruch und zwar der typische Widerspruch zwischen Theorie und Praxis.
In der Theorie ist λ = 1 als Optimum absolut korrekt. Die Theorie geht aber von einer beliebig langsamen und sauberen Reaktion aus, z.B. in Form einer kleinen Flamme.
Im Zylinder sind bei der Zündung die Verhältnisse in der Praxis ganz anders. Es entsteht eine Flammenfront, die an ihrer vorderen Grenze enorm hohe Drücke und Temperaturen aufweist. Bei λ = 1 als Durchschnittswert sind diese Drücke und Temperaturen nahezu maximal.
Insbesondere die Druckfront sorgt nun für eine lokale Entmischung der schweren und leichten Teilchen des Gemisches. Es entstehen Zonen mit λ < 1 und Zonen mit λ > 1.
Zonen mit λ > 1 sind nicht das Problem, aber in den Zonen mit λ nur wenig < 1 entstehen Reaktionsbedingungen, in denen sogar der sonst so reaktionsträge Stickstoff zu Verbindungen mit Sauerstoff gezwungen ist. Die genaue Chemie ist mir aber spontan nicht geläufig.
Um zu verhindern, dass solche Zonen mit Überfettung entstehen, muss λ im Schnitt etwas höher gewählt werden, um die NOX-Produktion zu minimieren. .
ich kann dir leider nicht ganz folgen
ich verstehe z.B. nicht was du mit zonen meinst
Du musst dir die Flammenfront wie eine Kugel vorstellen, die von der Zündkerze ausgeht und immer größer wird. An der Vorderseite dieser Kugel gibt es einen extrem starken Druckstoß. Innerhalb dieses Druckstoßes entmischt sich ein Teil des Gemsiches und in sehr schmalen Grenzflächen dieser Kugel zwischen dem unverbrannten und dem bereits gezündeten Gemisch befinden sich diese Zonen der Entmischung und Schadstoffentstehung.
Das ist dann kein Widerspruch, wenn Du Dir bewusst machst, das fast keine chemische Reaktion 100%ig verläuft.
1. Bei den meisten chemischen Reaktionen gibt es nicht nur die Hinreaktion, sondern (in kleinerer Menge) auch eine Rückreaktion
2. Eine vollständige Umsetzung braucht Zeit. Die Verbrennung im Motor geht aber blitzschnell. Insofern ist die unvollständige Reaktion im Motor etwas zeitabhängiges.
3. Der Kraftstoff besteht nicht nur aus reinen Kohlenwasserstoffen, und die Verbrennungsluft besteht nicht nur als Sauerstoff, Stickstoff,Kohlendioxid und ein paar Edelgasen. Es gibt Spurenverunreinigungen, die die Verbrennung beeinflussen. (Anders könnte ja bei der Verbrennung auch kein Schwefeldioxid entstehen. Tut es aber).
Die Sache mit Lambda 1 ist nur die, dass in gleichem stöchiometrischen Verhältnis (also mit gleichwertiger Molekülanzahl auf beiden Seiten der Reaktion) einerseits unverbrannte / halbverbrannte Kohlenwasserstoffe, andererseits Stickstoffoxide übrigbleiben. Nur in diesem Fall können diese Verbrennungsnebenprodukte an einem nachgeschalteten Katalysator fertig abreagieren. Aber aus den gleichen Gründen wie zuvor genannt auch nie 100%ig.
also ist lambda=1 keine vollständige Verbrennung, sondern der Vollständigen verbrennung sehr nah?
Ich vermute, Du gehst hier von der falschen Definition aus. Das Lambda-Verhältnis sagt NICHTS über die Vollständigkeit der Verbrennung aus!
Das Lambda-Verhältnis bezeichnet das Mischungsverhältnis von Kraftstoff und Luftsauerstoff im Verbrennungsmotor. Bei einem Lambda-Wert von 1 stehen Kraftstoffmenge und Luftsauerstoff in genau ausgewogenen Verhältnis, so dass bei eine (theoretischen!!!) 100%igen Reaktion die Reaktionsgleichung genau aufgehen würde. Keine unverbrannten oder halbverbrannten Kohlenwasserstoffe bleiben übrig, kein Sauerstoff und keine Verbrennungsprodukte mit überschüssigem Sauerstoff (hier: Stickstoffoxide) bleiben übrig.
lamba=1 heißt also nur, aufgrund der Mengenverhältnisse wäre eine vollständige Verbrennung theoretisch denkbar.
Wenn Du etwas über die tatsächliche Vollständigkeit der Verbrennung erfahren willst, musst Du dich mit dem thermodynamischen Wirkungsgrad des Motors beschäftigen. Nur so zu Info: Das ist höhere Ingenieurswissenschaft.
Das Lambda-Verhältnis bezeichnet das Mischungsverhältnis von Kraftstoff und Luftsauerstoff im Verbrennungsmotor.
achso, wieso nennt man das dann Luftverhältnis? Besser wäre doch Sauerstoffverhältnis
ah ok die bezeicnung luftverhältnis ist schon richtig. ignoriere die frage :D
Bei Lamda 1 entstehen kaum Stickoxide. Erst über 1. Damit Stickoxide entstehen muss ein Sauerstoffüberschuss bei der Verbrennung sein. Das ist dementsprechend beim Dieslemotor ein großes Problem.
Die geringen Mengen beim Benzinmotor sind kaum relevant. Vor allem die alten Motoren ohne Direkteinspritzung stoßen kaum NOX aus.
NOX ist übrigens nicht bei der Klimaerwärmung mit verantwortlich. Es ist nur gesundheitsschädlich. Mit der Zeit zersetzt es sich wieder in seine Bestandteile. Jedoch nicht schnell genug im Stadtverkehr.
aber bei lambda =1 ist der anteil der stickoxide laut der grafik fast beim höhepunkt
Lamda = 1 bedeutet, dass genau so viel Sauerstoff vorhanden ist, wie zur vollständigen Verbrennung benötigt wird.
Die Grafik ist also nicht ganz korrekt.
Das sind die Werte vor dem Katalysator. Nach dem Kat befinden sich die Schadstoffemissionen bei Lambda 1 allesamt auf dem kleinstmöglichen Nenner. Genau aus diesem Grund strebt man so oft wie möglich Lambda 1 (14,7 Teile Luft auf 1 Teil Kraftstoff) an, und das seit spätestens 1993 (Pflicht für Euro 1, nur mit 3 - Wege - G-Kat erreichbar). Früher ist man bei Teillast gerne mager gefahren, das sparte Sprit, erhöhte jedoch die NOx - Emissionen, auch beim Benziner. Es gab auch nach der Einführung desG-Kat ein paar wenige mager laufende Benziner, die jedoch fast alle aus Abgasgründen verworfen wurden.
nachso also die Aussage im Buch: "Bei einer vollständigen Verbrennung entstehen Kohlendioxid, Wasserdampf, Stickstoff und Edelgasen" bezieht sich auf das Abgas NACH dem Katalysator?
Eine innermotorisch stattfindende, vollständige Verbrennung gibt es nicht, weil es sich hierbei um eine sog. Diffusionsverbrennung handelt.
ich verstehe gerade nicht wie diese antwort zu meiner frage passt
und wieso erfolgt die vollständige verbrennung nicht? Aus den anderen Antworten habe nur verstanden, dass die vollständige verbrennung nicht erfolgt, weil bei den verbrennungsmotoren nicht genügend Reaktionszeit gibt.
Die anderen gründe habe ich nicht verstanden