Wieso wird der Motor durch ein mageres Gemisch heiß?
Ich habe immer gedacht, ein fettes gemisch macht den Motor heißer, weil mehr Kraftstoff, größere Verbrennung. So habe ich halt gedacht.
7 Antworten
Gehen wir mal von einem Luftverhältnis von 1 aus, also weder zu fett noch zu mager.
Dann ist die Verbrennungsgeschwindigkeit genau so groß, dass sich die gesamte Verbrennung über einen halben Hub hinzieht. Während der Kolben nach unten geht, nimmt das Volumen im Zylinder zu, die Verbrennungsgase entspannen sich etwas, wodurch Druck und Temperatur etwas abnehmen.
Wenn das Gemisch zu fett ist, kann der ganze Sprit nicht verbraucht werden er verdampft aber. Diese Verdampfungswärme kühlt die Verbrennungsgase deutlich ab.
Kommen wir zum zu mageren Gemisch. Wenn zu viel Sauerstoff vorhanden ist, aber nur etwas, nicht zu viel, steigt die Verbrennungsgeschwindigkeit deutlich an. Das ist in etwa, wie wenn man in eine Flamme pustet, also zusätzlichen Sauerstoff zuführt. Die Verbrennung läuft eigentlich sogar etwas besser ab, was für den Wirkungsgrad und den Spritverbrauch nicht schlecht wäre.
Der ganze Sprit verbrennt dann aber schon, wenn der Kolben noch relativ weit oben ist. Dadurch sind der Druck und die Temperatr im Zylinder deutlich höher, als wenn der Kolben schon ein ganzes Stück nach unten gegangen wäre. Das ist zugleich Fluch und Segen eines zu mageren Gemisches. Durch den höheren Druck und die höhere Temperatur im Zylinder steigt der Wirkunsggrad etwas (ca. 10%), aber der Motor nimmt dabei eventuell schaden. Bei Vollgas sind die Abgastemeperaturen ohnehin schon bei rund 1000 °C und wenn die durch eine zu gute und zu schnelle Verbrennung noch weiter steigen, kann das die Zündkerze, die Auslassventile oder den Kolbenboden zum Schmelzen bringen. Das ist aber gar nicht gut für einen Motor.
Es gibt Versuche, durch gezielt mageres Gemisch den Spritverbrauch zu senken (Magermotorkonzept). Das klappt zum Beispiel bei Direkteinspritzern, da man die Einspritzung dann so steuern kann, dass nicht gleich alles Benzin schon im oberen Totpunkt in den Zylidner gelangt, sondern die Einspritzphase etwas gestreckt wird. Dadurch wird die gesamte Verbrennung etwas verlangsamt, sodass die größten Druck- und Temperaturspitzen, wie bei einem Vergaser oder Saugrohreinspritzung, vermieden werden können und der Motor überlebt das dann.
Bei Toyota (Carina Magermix) gab es Magermotoren auch mit Saugrohreinspritzung. Aber danke, habe Feinheiten dazugelernt. Ein klarer Kandidat für die Auszeichnung "Hilfreichste Antwort". Hoffentlich wird sie hier gewürdigt, ich habe den leisen Verdacht, dass das hier "Perlen vor die..." ist.
Das Probem bei der isochoren Wärmezufuhr im OT liegt darin, dass dann Maximaldrücke im Zylinder entstehen würden, die den Zylinderkopf vom Motorblock abheben würden, was die Lebensdauer des Motors auf wenige Sekunden beschränken würde und das ist im Allgemeinen ziemlich unerwünscht. Hier liegt übrigens auch ein reales konstruktives Problem bei hochaufgeladenen Rennmotoren, den Zylinderkopf auf dem Block zu halten. Nicht selten rissen vor allem früher die Stehbolzen ab. Man sprach dann davon, der Motor sei geplatzt. Der maximal zulässige Zylinderdruck ist durch die Haltbarkeit der Stehbolzen begrenzt und letztlich wird bei der Ermittlung des Kennfeldes bei der Ermittlung des Zündzeitpunktes und bei der Steuerung der Einspritzung genau darauf geachtet, dass der Maximaldruck nicht überschritten wird.
Bei hohen Drehzahlen muss man aber unbedingt mit Vorzündung arbeiten, weil es ja tatsächlich keine Explosion sondern eine Verbrennung gibt, die Zeit braucht. Rechne einfach mal spasseshalber selber aus, in welcher Zeit sich der Motor um 1° Kurbelwinkel bei 6000 min^-1 weiterbewegt und vergleiche das mit der Geschwindigkeit der Flammenfront. Da liegt die Frühzündung auf der Hand.
In der Tat hängt der Carnotwirkungsgrad und damit auch der Gesamtwirkungsgrad von der maximalen oberen Temperatur ab. Gemäß idealem Gasgesetz ist aber eine hohe Temperatur auch mit hohen Drücken verbunden und da wären wir wieder bei den Stehbolzen.
freu mich schon in meinem Studium mehr darüber zu erfahren bin aber gerade erst im 1. Semester.
Aber ja klingt natürlich logisch. Das der Motor da wirklich Probleme gibt geht mir aber nicht in den Sinn, weil zb. bei Dieselmotoren das Epsilon von Haus aus höher ist + Aufladung. Was mir mein Lehrer in der Schule mal gesagt hat ist, dass es speziell bei Dieselmotoren bei der Fertigung Probleme geben würde, wenn man noch höhere Epsilon fahren möchte, weil es ja bei Diesel ein Kolbenmulde gibt.
Weisst du was da ca. der Max. verkraftbare Druck ist ?
Hab ein Buch (Tabellenbuch Kraftfahrzeugtechnik) da steht bei Otto Verbrennungshöchstdruck 30..60 bar
Diesel : 60...140 bar.
Also wo liegt dann das Problem beim Otto? und kann man sich nicht den Höchstdruck thermodynamisch ausrechnen? ist schon etwas länger her und weiss nicht mehr ob wir das mal gemacht haben. Was wir auf jeden Fall gemacht haben die theoretisch max. Temperatur, welche weit über 2000°C liegt, wenns nicht sogar 4000 °K waren
freu mich schon in meinem Studium mehr darüber zu erfahren bin aber gerade erst im 1. Semester.
Das ist ja das Schöne an einem Studium. Es wird zwar schwieriger als in der Schule, dafür beschäftigt man sich aber fast nur noch mit Dingen, die den eigenen Neigungen entsprechen.
Das der Motor da wirklich Probleme gibt geht mir aber nicht in den Sinn, weil zb. bei Dieselmotoren das Epsilon von Haus aus höher ist + Aufladung.
Dafür fährt der Diesel mit starkem Luftüberschuss und die Wärmezufuhr dient nicht nur zur Erwärmung der Verbrennungsgase sondern muss auch die überschüssige Luft erwärmen, weshalb insgesamt die Drücke und Temperaturen etwas niedriger sind. Daher kann man eine etwas höhere Verdichtung und Aufladung nehmen. Aber inzwischen haben sich im Nennbetriebspunkt die Diesel- und aufgeladenen Ottomotoren mit Direkteinspritzung dermaßen angeglichen, dass die Probleme bei beiden nahezu dieselben sind.
Im Grundstudium lernt man vor allem die theoretischen Grundlagen und da kann ich aus eigener Erfahrung auch nur empfehlen, lieber auf die studentischen Freiheiten (noch) zu verzichten, wirklich fleißig zu lernen und Wiederholungsklausuren zu vermeiden. Sobald es dann in die Vertiefung geht und man hat eine gute theoretische Grudnlage, wirds dann plötzlich viel entspannter und dann hat man genügend Freiräume, um auch die lustigen Seiten des freien Studentenlebens ausgiebig zu genießen. Da ist es dann echt gut, wenn man keinen Wiederholunsgklausuren hinterherlaufen muss.
In der Vertiefung, wenns dann praktisch wird, merkt man auch ganz schnell, dass keine einzige Theorie ideal umsetzbar ist, weil man ständig irgendwelche Kompromisse zwischen sich andauernd widersprechenden Forderungen und Randbedingungen suchen muss und an jeder Ecke irgendein begrenzender Faktor lauert.
Da wäre die Frage, von wann das Tebellenbuch stammt und ob sich das hauptsächlich noch auf Saugmotoren bezieht. Bei den modernen hochaufgeladenen Downsize-Ottomotren stimmen die ganzen koinvention ellen Werte nicht mehr. Da trifft das zu, was ich schon andeutete, dass sich Otto- und Dieselmotoren immer mehr beim Nennbetriebspunkt aneinander angleichen. Das sieht man z.B. auch bei den LeMans-Rennfahrzeugen, wo Benziner und Diesel auf ähnlichem Niveau fahren.
Bei den modernen Ottomotoren liegen die Maximaltemperaturen, soweit ich das mitgekriegt habe (mein Studium ist inzwischen Jahrzehnte her) inzwischen bei gut 2500 K.
Danke vielmals!
Ja, in dem Semester geht es hauptsächlich um Mathe. Grenzwerte, Folgen und Reihen bzw. Differenzieren und Integrieren. Ist sehr interessant und es läuft echt gut.
und Spaß hab ich trotzdem genug :)
Darf an wissen was du studiert hast? =)
Das nannte sich Energietechnik und bestand aus den Vertiefungsfächern Thermodynamik, Strömungsmaschinen und Kolbenmaschinen.
Och, das gibts sehr viele Möglichkeiten. Im Prinzip stehen da einem alle Firmen offen, die sich mit der Entwicklung und dem Bau von Motoren, Turbinen oder Verdichtern beschäftigen. Desweiteren wäre ein typischer Einsatzbereich der des Betriebsleiters von Firmen, die solche Maschinene einsetzen, z.B. sämtliche Kraftwerke.
würd mir voll gefallen 😍, muss aber erstmal das Studium schaffen :) leider gibts diesen Zweig bei uns nimmer. Gibt nur zwei Institute, eines Verbrennungsmotoren , das andere Strömungsmechanik
Hallo Hamburger, ich habe gerade deinen Beitrag gelesen und frage mich, ob du mir bei einer Frage weiterhelfen könntest, auch wenn diese schon eine gewisse Zeit her ist.
Ich habe letztens ein Beitrag auf Youtube gefunden (link unten) den ich sehr interessant fand. In dem Video geht es darum, dass jemand erklärt das ein mageres Gemisch den Motor sogar runterkühlt anstatt zu erhitzen, ich dachte es sei komplett umgekehrt, ich habe mir das so erklärt, dass durch ein mageres Gemisch die Abrenngeschwindigkeit dadurch erhöht wird, weil sozusagen die Brennstoff Teilchen schneller ein Sauerstoffteilchen "finden" und dadurch schneller reagieren. Ich glaube so ungefähr hast du das auch geschrieben.
Aber in dem Viedo und andere verschiedene Quellen wurde das Gegenteil behauptet.
Also ist meine Frage: erzeugt ein mageres Gemisch eine heißere Verbrennung oder nicht? Oder erzeugt nur ein LEICHT mageres Gemisch eine heißere Verbrennung und ein stark mageres eine "kühlere Verbrennung" ?
. Ich würde mich sehr über deine Expertise und deine Meinung freuen!
Nettes Video. Im Prinzip erklärt der Typ ein Phänomen, das man häufig antrifft und zwar dass die Alltagssprache etwas anders ist als die reine Fachsprache.
In der Tat nimmt bei einem gewaltigen Luftüberschuss die Verbrennungstemperatiur ab, da die zu erwärmende "Überluft" Energie aus den Verbrennungsgasen herauszieht.
Die maximale Verbrennungstemperatur, damit die höchste Leistung und den besten Wirkungsgrad erreicht man bei einem stöchiometrischen Gemisch mit einem Verhältnis Luft zu Kraftstoff von etwa 14,7. Ein geringer Luftüberschuss bis ca. 15 erhöht die Temoperatur nochmal geringfügig, weil dann sichergestellt ist, dass jedes Kraftstoffmolekül auch ein Sauerstoffmolekül finden kann. Die vollständige Verbrennung bringt dann etwas mehr Energie als die Aufheizung der überschüssigen Luft kostet. Deshalb liegt das Maximum der Kurve links oben geringfügig rechts von 14,7. Das ist die Grundlage für die exakte Fachsprache. Zündkerzen werden dann hellgrau.
Rechts oben wird erläutert, warum die meisten Motoren eine Volllastanfettung benötigen. Die ist dafür da, um die Temperatur zu senken, die die Auslassventile beschädigen kann und um die Klopfneigung zu verringern. Das ist die Grundlkage für die Alltagssprache. Zünskerzen sind dann rehbraun.
Und nun kommen wir endlich zur Begrifflichkeit:
Nach der reinen Lehre fährt bei einem Luftverhältnis 14,7, also λ = 1 der Motor weder fett noch mager, sondern stöchiometrisch. Dabei kann er bei Volllast aber kaputt gehen. Korrekt müsste man dann sagen, das Gemisch war nicht genügend angefettet. In der Alltagssprache spricht man dan aber davon, dass das Gemisch zu mager war. Das wird dann nicht auf den stöchiometrischen Zustand bezogen, sondern auf die ideale Anfettung, um maximale Leistung ohne Zerstörung zu erzielen.
Ah okay vielen dank, ich habe erstmal eine andere Grundlage Frage: bedeutet eine höhere Verbrennungstemperatur mehr Leistung?
Und verstehe ich das so richtig, dass ein stöchiometrisches Gemisch in der Wirklichkeit etwas zu mager ist (Sieht man im Video in der Mitte, da hat der Typ geschrieben "O2 remains" )und deshalb die Leistung bei einem leicht fettem Gemisch höher ist?
Tut mir leide falls meine Rückmeldungen etwas länger dauern.
bedeutet eine höhere Verbrennungstemperatur mehr Leistung?
Eindeutig ja. Das hängt mit dem sogenannten Carnotwirkungsgrad zusammen. Demnach ist der theoretisch maximale Wirkungsgrad, den eine Wärmekraftmaschine erreichen kann der Carnotwirkungsgrad:
ηc = (To - Tu) / Tu
Daran sieht man: je höher die obere Temoeratur To ist, umso mehr Arbeit kann man aus der zugeführten Wärme gewinnen. Mehr dazu habe ich hier geschrieben:
https://www.gutefrage.net/frage/was-ist-der-carnot-kreisprozess
Und verstehe ich das so richtig, dass ein stöchiometrisches Gemisch in der Wirklichkeit etwas zu mager ist
Ja, das kann man so auffassen, da dabei nicht jedes Brennstoffmolekül auch sein passendes Sauerstoffmolekül in der Kürze der Zeit findet. Die Verbrennung bzw. der Arbeitstakt dauert ja nur Milisekunden, vor allem bei höherer Drehzahl.
deshalb die Leistung bei einem leicht fettem Gemisch höher ist?
Der eigentliche Grund, warum ein fettes Gemisch mehr Leistung bringt (aber auch einen schlechteren Wirkungsgrad bzw, hohen Kraftstoffverbrauch) liegt daran, dass der verdampfende Kraftstoff dem Luftgemisch Wärme entzieht. Das kühlt dabei ab, erhöht dabei seine Dichte und so gelangt beim Ansaugtakt bei voll geöffneter Drosselkplappe etwas mehr Luft in den Zylinder. Das wirkt ähnlich wie eine Ladeluftkühlung beim Turbo. Die Überfettung dient also lediglich der Kühlung und der überflüssige Kraftstoff wird mit den Abgasen in die Umwelt geblasen. Das versucht man bei modernen Motoren daher möglichst zu vermeiden.
Okay verstehe und weil eben ein zu fettes Gemisch den Motor bzw. Die Verbrennung kühlt sagt man, dass ein zu mageres Gemisch die Verbrennung heißer werden lässt obwohl das garnicht wirklich stimmt, es wird einfach nur weniger gekühlt?
Vielen dank, das du mir weiter geholfen hast!
Mir ist noch eine andere Frage eingefallen.
Wieso läuft ein zu fetter Motor eigentlich nur schlecht bzw. garnicht? Ich meine das Gemisch kann doch trotzdem gezündet werden?
Also es macht für mich zwar Sinn, dass wenn zu wenig Sauerstoff vorhanden ist ,das Gemisch weniger bzw. nicht vollständig verbrennen kann aber ich verstehe nicht warum dann bei zu viel Treibstoff der Motor sogar aussgehen kann.
Oder nochmal anderes formuliert:
Es macht Sinn das weniger Sauerstoff also "normal" zwar die Leistung mindert oder den Motor sogar aussgehen lässt aber ich verstehe nicht warum zu viel Treibstoff als "normal" den identischen Effekt hat.
Danke nochmal für Deine Hilfe und ein schönen Dienstag Dir noch!
Dir auch noch nen schönen Dienstag...
Es macht Sinn das weniger Sauerstoff also "normal" zwar die Leistung mindert oder den Motor sogar aussgehen lässt aber ich verstehe nicht warum zu viel Treibstoff als "normal" den identischen Effekt hat.
Was sich viele Laien und auch Fachleute oft nicht klar machen, sind die Zeiten, die im Motor eine Rolle spielen. Nehmen wir eine Drehzahl von 6000 min^1, sind das 100 s^1. Für jeden Takt steht davon eine halbe Umdrehung zur Verfügung, macht also 1/2 * 100 s = 5 Tausendstel Sekunden, die beim Ansaugen die Luft hat, um einzuströmen und im Arbeitstakt das Gemisch 5 tausendstel Sekunden hat, um zu verbrennen, genau genommen sogarnoch viel weniger, da sich die Verbrennung ja im Idealfall nicht über den ganzen Takt hinzieht sondern nur zu Beginn des Arbeitstaktes. Wir sprechen also von eventuell weniger als einer tausendstel Sekunde, die für die ideale Verbrennung zur Verfügung stehen.
Wenn nun das Gemisch zu fett ist, kühlt der überflüssige Kraftstoff das verdichtete Gemisch stark herunter, wodurch auch der Kompressionsdruck sinkt. Zudem verlangsamen die überflüssigen Kraftstoffmoleküle die Flammenfront, die von der Zünskerze ausgehend durch den ganzen Verbrennungsraum durch muss. Da wird dann die Verbrennungsgeschwindigkeit so stark herabgesetzt, dass wir schon wieder im Ausstoßtakt sind, bevor das Gemisch abbrennen konnte. Das was in der kurzen Zeit abgebrannt ist, reicht aber nicht, um den Motor am Laufen zu halten, erst recht nicht unter Last. Am Ende gelangt dann unverbranntes Gemisch in den heißen Auspufftrakt und hat nun dort genug Zeit, um vollständig abzubrennen...es knallt und Flammen schlagen aus dem Auspuff.
Die magere Verbrennung ist verführerisch, weil der Wirkungsgrad höher ist. Besonders bei den Privatpiloten spielt das eine Rolle, denn erstens liegt das Flubenzin Avgas 100LL bei ca. 2,50 pro Liter, und zum Anderen zieht sich der Motor z.B. einer Cessna 172 ganz andere Mengen davon rein als ein PKW.
Die Gemischregelung geschieht hier rein manuell (es sei denn es ist ein Dieselmotor nachträglich eingebaut). Das ist auch das Faszinierende, weil die Effekte einer mageren/fetten Einstellung teilweise unmittelbar spürbar werden: ohne fettes Gemisch und ggf. "Primen" springt der Motor gar nicht erst an. Die schwarze Farbe im Auspuffrohr deutet auf eine fette, ein Rehbraun auf eine relativ magere Verbrennung. Der Motorklang ändert sich je nach Gemischhebelstellung.
Da es sich um luftgekühlte Motoren handelt, ist immer die Zylinderkopftemperatur besonders kritisch. Deswegen muss beim Start und Steigflug, wo die Luftgeschwindigkeit gering ist, aus Kühlungsgründen ein fettes Gemisch gefahren werden,. Der überschüssige Kraftstoff erzeugt Verdampfungskühlung wie das Desinfektionsspray beim Arzt vor der Spritze.
In der Praxis bedeutet das: Beim Start (und unmittelbar vor der Landung, wg. möglichem Durchstartmanöver) alle Hebel nach vorn: Gashebel, Gemischhebel "voll fett" und ggf. Propellerverstellung. Der Motor läuft dadurch bewusst nicht mit der höchstmöglichen Leistung, wie man beim Start eigentlich erwarten würde, aber eben mit besserer Innenkühlung.
Aber im Reiseflug wird "geleant" (lean= englisch "mager"). Das ist eine Wissenschaft für sich. Die übliche Variante ist diegenige über die Abgastemperatur, das "lean of peak". Der Gemischhebel wird hierbei so weit in den mageren Bereich zurückgezogen, dass die Abgastemperatur den Maximalwert erreicht, und teilweise noch etwas darüber hinaus.
Hierbei kursiert ein Wort wie ein Schreckgespenst, das "Kaputt-leanen". Ausgehend von der Annahme, dass bei einer mageren Verbrennung die Temperaturen im Motorinneren steigen und die Zylinderkopftemperaturen über Gebühr steigen, erschein es ja plausibel dass bei zu starkem Leanen die Motorlebensdauer sinkt.
Pustekuchen, sagt dieser Autor in seinem Artikel "Kaputtleanen":
https://www.pilotundflugzeug.de/img/ud/2011/11/28/16/0911224/001320-Kaputtleanen-gehtnicht.pdf
Gehen wir mal von einem Volumen aus, umso geringer die Kraftstoffmenge solange das Gemisch brennbar bleibt.. ist um so Höher ist der Anteil des Brennbaren Sauerstoffes... Umso größer die Sauerstoffmenge umso heisser ist die Verbrennung . bei abgemagerten Verbrennungen spicht man daher von magerer Verbrennung die sogar zum Schmelzen des Kolbenbodens führen kann.
Joachim
Nur ein leicht mageres Gemisch wird heißer. Ist es sehr mager oder sehr fett, sinkt die Verbrennungstemperatur ab. Den genauen Grund, weshalb das Gemisch im leicht mageren Bereich heißer wird, kann ich Dir nicht nennen, vermute aber Oxidationsvorgänge, angestoßen durch den Luftsauerstoff.
Es kann keine größere Verbrennung stattfinden, wenn die Luftmenge die selbe bleibt.
Der eingespritzte Kraftstoff verdunstet im Brennraum und entzieht dadurch Selbigem etwas Wärme. Im Magerbetrieb bzw. direkt Magermotoren haben oder hatten hier das große Problem, dass weniger Wärme auf diese Art und Weise abgeführt wird und die Motoren daher zum Überhitzen neigen.
Die abgeführte Wärmemenge ist dabei nicht gerade unerheblich, Dragster zb. nutzen ausschließlich diese Form der Motorkühlung.
Hallo Hamburger. Echt geniale Antwort, aber ich hätte eine Frage an dich. Du schreibst nämlich, dass die Verbrennung bei fetterem Gemisch langsamer verläuft und dies dazu führt, dass sich das Gas schon wieder entspannt, weil der Kolben nach OT wieder zum UT gelangt.
Strebt man nicht egal in welche Betrieb (weil niedrige Last haben heutige Benzinmotoren ja das Magergemisch und bei Volllast fahren sie wieder mit homogengemisch also lambda 1) an, dass die Wärmezufuhr isochor ist? Dass einem das nie 100% gelingen wird ist mir klar, drum schaut ja das P-V Diagramm eines Idealprozesses auch anders aus als der Realprozess, weil man Wärmeverluste, Zündverzug usw. hat.
Aber versucht man nicht mir Zündung vor OT dem entgegenzuwirken, dass sich die Wärmezufuhr bei der Enstpannungsphase abspielt so wie von dir beschrieben.
Immerhin hängt der Wirkungsgrad maßgeblich vom Verdichtungsverhältnis ab und as ist natürlich bei Kolben OT am höchsten.
LG