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Eine Frage zum Verbrennungsablauf (Kohlenstoff, - und Kohlenwasserstoffoxidation)
Hallo Forum,
eine Kleinigkeit ist mir bei den Abgaswerten eines Motors nicht ganz geheuer. Beispiel Partikelemission (auch Ruß oder Kohlenstoff genannt): Normalerweise entsteht Ruß ja durch Kohlenwasserstoffteilchen, welche nur teilweise an der Verbrennung teilgenommen haben. Der Kohlenstoff bleibt dann als Produkt der teilweise verkokten HC - Teilchen zurück.
Der Fachliteratur ist zu entnehmen, dass Kohlenstoff eine höhere Entzündtemperatur hat als Kohlenwasserstoff. Ist ja auch logisch, es entsteht ja auch erst später.
Unter diesen Gesichtspunkten verstehe ich nicht, weshalb es Motoren gibt, die in der Rohemission quasi partikelfrei laufen, aber nicht annähernd frei von HC - Rückständen. Klar, dass ein Teil davon aus Schichten stammt, die nie eine Flamme gesehen haben, aber ein beträchtlicher Teil wird sicher auch aus einer unvollständigen Verbrennung stammen.
Wäre dies nicht so, würde es ja bedeuten, dass ein Motor in der Rohemission bei vollständig das Gemisch berührender Verbrennungsflamme quasi schadstofffrei (bezüglich der Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen) liefe, was natürlich bei einer Diffusionsverbrennung niemals möglich ist.
Weiß jemand etwas dazu?
28 Antworten
Wenn dich das interessiert musst dich mit der Reaktionskinetik befassen. Deine ein Verbrennung also Oxidation von einem Kohlenwasserstoff verläuft nicht so einfach wie man es in der Schule gelernt hat.
Der Kohlwasserstoff zerfällt dabei in verschiedene lange Teilketten, die dann wiederum weiter reagieren. Wie aber genau die weiter reagieren, das ist so nicht vorhersehbar sonder folgt seinen eigenen Gesetzen. Wenn so eine Reaktionskette stoppt bleibt eben ein Reaktionsrest also HC übrig.
Dann ist es so das der Ruß bei der Verbrennung zum Teil noch im Brennraum oxidiert wird, aber nur zum Teil. Weil eben die Zeit und Temperatur eben nicht ausreicht.
Ich bin auf dem Gebiet der Verbrennung kein Spezialist, aber ich denke, dass es auch an der Gemisch-Homogenität liegt. Der Fall, dass kaum Russ aber HC entsteht, findet sich im allgemeinen ja bei einem homogenen Ottomotor.
Bei diesem liegt im gesamten Brennraum ein homogenes Gemisch vor, welches aber einen leichten Sauerstoffmangel haben kann (fett). Deshalb fehlt der notwendige Sauerstoff für eine vollständige Oxidation der Kohlenwasserstoffe (zu CO2 und H2O).
Bei Direkteinspritzern (egal ob Otto oder Diesel) ist zwar global über den gesamten Brennraum betrachtet ein Luftuberschuss vorhanden, der Kraftstoff liegt aber in Tröpfchen-Form vor. In unmittelbarer Naehe des Tröpfchens ist das Gemisch sehr fett, es herrscht also massiver Sauerstoffmangel. Ideale Bedingungen zur Russbildung.
Die Erklärung ist sicherlich nicht exakt, muesste aber in die richtige Richtung zeigen. Wer weiss mehr darüber?
Zitat:
Original geschrieben von Rael_Imperial
Bei diesem liegt im gesamten Brennraum ein homogenes Gemisch vor, welches aber einen leichten Sauerstoffmangel haben kann (fett). Deshalb fehlt der notwendige Sauerstoff für eine vollständige Oxidation der Kohlenwasserstoffe (zu CO2 und H2O).
Bei Direkteinspritzern (egal ob Otto oder Diesel) ist zwar global über den gesamten Brennraum betrachtet ein Luftuberschuss vorhanden, der Kraftstoff liegt aber in Tröpfchen-Form vor. In unmittelbarer Naehe des Tröpfchens ist das Gemisch sehr fett, es herrscht also massiver Sauerstoffmangel. Ideale Bedingungen zur Russbildung.
Du meinst eine lokale Überfettung, oder?
Interessanter Gedankengang. Also wird durch die partielle Inhomogenität ein Teil des Kohlenwasserstoffgemisches erst gar nicht in Ruß umgewandelt, sondern verbleibt als HC im Abgas. Da frage ich mich halt nur noch, weshalb es nicht zu C verkokt (sind ja immense Temperaturen im Brennraum)?
Zitat:
Original geschrieben von bbbbbbbbbbbb
Zitat:
Original geschrieben von Rael_Imperial
Bei diesem liegt im gesamten Brennraum ein homogenes Gemisch vor, welches aber einen leichten Sauerstoffmangel haben kann (fett). Deshalb fehlt der notwendige Sauerstoff für eine vollständige Oxidation der Kohlenwasserstoffe (zu CO2 und H2O).
Bei Direkteinspritzern (egal ob Otto oder Diesel) ist zwar global über den gesamten Brennraum betrachtet ein Luftuberschuss vorhanden, der Kraftstoff liegt aber in Tröpfchen-Form vor. In unmittelbarer Naehe des Tröpfchens ist das Gemisch sehr fett, es herrscht also massiver Sauerstoffmangel. Ideale Bedingungen zur Russbildung.
Du meinst eine lokale Überfettung, oder?
Interessanter Gedankengang. Also wird durch die partielle Inhomogenität ein Teil des Kohlenwasserstoffgemisches erst gar nicht in Ruß umgewandelt, sondern verbleibt als HC im Abgas. Da frage ich mich halt nur noch, weshalb es nicht zu C verkokt (sind ja immense Temperaturen im Brennraum)?
Nein, ich meinte es genau anders herum. Wegen der lokalen Überfettung kommt es zur Russbildung.
Zitat:
Original geschrieben von Rael_Imperial
Nein, ich meinte es genau anders herum. Wegen der lokalen Überfettung kommt es zur Russbildung.
Ach so. Meine Frage war aber eher, warum es nicht unbedingt zu einer Rußbildung kommen muss, aber praktisch immer zu einer Kohlenwasserstoffemission, obwohl Ruß ja erst bei einer höheren Temperatur verbrennt.
Konkret: Warum entsteht HC, obwohl die Verbrennung heiß und sauerstoffreich sowie ausreichend lange ist, um kein C entstehen zu lassen?
Könnte z.B. an der Ventilüberschneidung liegen. Dabei können geringe Mengen Frischgas direkt in den Auspufftrakt gelangen.
Ist ein Gemisch homogen, ist eine Rußbildung nur dann möglich, wenn diese thermodynamisch bevorzugt ist. Der Rußpunkt wird aber erst bei sehr fettem Gemisch erreicht, das bei heutigen Motoren nicht vorliegt (vorher wäre der CO Gehalt schon so hoch, daß kein Katalysator mehr arbeiten könnte, bzw. überhitzen würde, wenn man dann per Luftpumpe den notwendigen Sauerstoff nach Motor den Abgasen zumischt).
Aus homogener Mischung wird Ruß nur bei Diffusionsflammen an kalten Flächen abgeschieden. Beim Benziner mit Gemischbildung außerhalb des Brennraumes liegt aber keine Diffusionsflamme vor, hier haben wir eine Vormischflamme.
Anders bei inhomogener Verbrennung von Flüssigkeitströpchen in Gas wie sie beim Diesel und beim Direkteinspritzer (teilweise) vorliegt: hier ist um das Tröpfchen herum immer eine Diffusionsflamme vorhanden und damit die Möglichkeit an kalten Flächen (Brennraumwand) und bei ungenügendem Ausbrand (zu kurze Verweilzeit, Sauerstoffmangel) Rußpartikel zu bilden.
Gruß SRAM
Ergänzend zu SRAM: Ruß entsteht durch (oxidative) Dedydrierung von Kohlenwasserstoffen, bevorzugt aus langen Ketten denen Wasserstoff entzogen wurde. Ruß ist ein Folgeprodukt der HC Bildung bei unvollständiger Verbrennung und entsteht aus instabilen kürzerkettigen Intermediaten, denen lokal Sauerstoff fehl und die dann mangels alternativen Reaktionspartnern entweder zu oder an größeren Partikeln agglomerieren.
Als Einstieg kannst du dir http://131.111.109.57/publications/CAF-156-1156-1165.pdf reinpfeifen.
Faustformeln:
* Je sauberer der Kraftstoff vor allem bezüglich Schwefel, desto weniger Partikel
* Je länger die Ketten im Kraftstoff, desto leichter fällt die Rußbildung.
* Je homogener das Gemisch, desto weniger Ruß. Die Intermediate brennen einfach weiter ab (was thermodynamisch auch viel stabiler ist).
Erdgas, LPG und Alkohole vom Methanol bis Butanol hoch neigen kaum zu Rußbildung.
Zitat:
Original geschrieben von Noris123
Könnte z.B. an der Ventilüberschneidung liegen. Dabei können geringe Mengen Frischgas direkt in den Auspufftrakt gelangen.
Glaubst Du wirklich, dass sämtliche HC - Emissionen nur von dem sich aus dem Verbrennungsraum verflüchtigenden Benzin / - Luft - Gemisch stammen? Ich denke nicht.
Zitat:
Original geschrieben von Noris123
Ruß ist ein Folgeprodukt der HC Bildung bei unvollständiger Verbrennung
Aber gerade weil Ruß ja ein Folgeprodukt ist, warum kann dann HC entstehen, aber nicht unbedingt Ruß?
Weil es von -CH2-n über aromatisches -CH- zu Polykondensaten kommt.
Ruß ist das Endprodukt, das "HC" ein Zwischenprodukt. Findet das HC während seiner Lebenserwartung Sauerstoff, dann gehts zu CO2, wenn nicht bildet es Ruß bzw. baut bestehende Rußpartikel weiter auf.
Zitat:
Original geschrieben von bbbbbbbbbbbb
Zitat:
Original geschrieben von Noris123
Könnte z.B. an der Ventilüberschneidung liegen. Dabei können geringe Mengen Frischgas direkt in den Auspufftrakt gelangen.
Glaubst Du wirklich, dass sämtliche HC - Emissionen nur von dem sich aus dem Verbrennungsraum verflüchtigenden Benzin / - Luft - Gemisch stammen? Ich denke nicht.
Nicht sämtliche HC - Emissionen, aber je nach Betriebspunkt (z.B. unterschiedliche Ventilüberschneidung bei vertellbaren Nockenwellen) vermutlich ein erheblicher Teil.
In den Winkeln und Ecken des Brennraums wird das Gemisch, vor allem bei kaltem Motor, auch nicht restlos verbrennen.
Zitat:
Bei großer Ventilüberschneidung kann ein Teil des Ladungseinsatzes durch den Zylinder strömen, ohne an der Verbrennung teilzunehmen (Spülverluste), wodurch bei gemischansaugenden Motoren der effektive Wirkungsgrad schlechter wird und ?l < ?a ist
http://de.wikipedia.org/wiki/Ladungswechsel
Das zweite Zitat in Deinem Post ist übrigens nicht von mir, stimmt aber trotzdem.;)
Hallo ins Forum,
bei den modernen DE-Benzinern kann sich bei Ventilüberschneidung keine HC-Emmisionen ergeben, da das Frischgas dort pure Luft ist. In diesem Zusammenhang habe ich eine interessante Abhandlung zu den neuen R4-Turbobenziner von Daimler gelesen. Da wird absichtlich im Niedrigdrehzahlbereich eine Ventilüberschneidung eingesteuert, um den Turbo mit mehr Luftvolumen zu versorgen. Wäre in dieser "Zusatzluft" Sprit würde der unkontrolliert im Krümmer und im Turbo verbrennen und diesen schrotten. Von daher ist dies m.E. nur noch bei den "normalen" Einspritzern möglich.
Die Entstehung von Ruß und unverbannten HC liegt an der Art und Weise der Verbrennung. Bei den neuen DE wird eine möglichst vollständige Verbrennung angestrebt, was mit Mehrfacheinspritzung, besonders feinem Sprühnebel und einer Plasmazündung auch praktisch zu 100% erreicht wird, so dass die HC-Emmisionen sinken. Im Gegenzug fängt man sich eine stärkere Rußbildung ein, da mit einem hohen Luftüberschuss gearbeitet wird, aber bei den feinen Tröpfchen eine massive Überfettung vorliegt. Dadurch bildet sich da Ruß stärker. Je seltener der DE-Motor homogen verbrennt, je heftiger wird die Rußbildung.
Dies kann ich schön an meinem Neuen beobachten. Der hat mit dem M276 einen sehr weiten Magermixbereich (bis ca. 180 km/h möglich) und rußt schon deutlich sichtbar. Der Vorgänger mit dem M272 DE (Magermix bis ca. 130 km/h möglich) war bei der Rußbildung schwächer.
Viele Grüße
Peter
Zitat:
Original geschrieben von 212059
Hallo ins Forum,
bei den modernen DE-Benzinern kann sich bei Ventilüberschneidung keine HC-Emmisionen ergeben, da das Frischgas dort pure Luft ist. In diesem Zusammenhang habe ich eine interessante Abhandlung zu den neuen R4-Turbobenziner von Daimler gelesen. Da wird absichtlich im Niedrigdrehzahlbereich eine Ventilüberschneidung eingesteuert, um den Turbo mit mehr Luftvolumen zu versorgen. Wäre in dieser "Zusatzluft" Sprit würde der unkontrolliert im Krümmer und im Turbo verbrennen und diesen schrotten. Von daher ist dies m.E. nur noch bei den "normalen" Einspritzern
Doch, dabei wird auch eingespritzt. Der Kraftstoff schrottet nicht den Lader, sondern die sehr wohl kontrollierte Verbrennung setzt Energie frei, die den Lader antreibt. Das ist ein Beitrag, um das schlappe Ansprechen bei niedrigen Drehzahlen zu verbessern.
Ansonsten scheint mein erster Erklärungsversuch zur Russbildung ja doch ganz gut zu passen.
Hallo ins Forum,
Zitat:
Original geschrieben von Rael_Imperial
Doch, dabei wird auch eingespritzt.
das glaube ich so nicht, da m.W. bei den DE-Benziner erst bei voller Verdichtung eingespritzt wird, und da müssen die Ventile ja zu sein. Das Prinzip nennt sich Scavenging und erfordert zwingend DE, damit kein unverbranntes Benzin in den Abgasstrang gelangt. Die Nachverbrennung der Abgase (insbesondere der geringen unverbrannten HC-Anteile) durch den höheren Sauerstoffanteil passiert im Krümmer, aber dies ist kein Frischbenzin.
Ein Turbo wird nunmal nur durch das Durchströmen von gasförmigen Stoffen angetrieben. Die Verbrennung kannst Du im Krümmer nicht kontrollieren und die Verbennungsenergie hilft dem Turbo nichts, da für den nur das Volumen zählt.
Viele Grüße
Peter