P2.2, 1_Verbrennungstheorie

• Homogen: Gemisch, welche Molekulare Struktur nicht erkennbar ist. (Sirup)
  • Benzin
• Heterogen: Gemisch, welche die einzelnen Strukturen immer sichtbar sind. (Öl/Wasser)
  • Diesel

• Freisetzen der im Kraftstoff gebundenen chemischen Energie in Form von Wärme Umsetzen der Wärme in mechanische Arbeit

• Otto:
  • 86% C
  • 14% H
• Diesel:
  • 87% C
  • 13% H

• Stickstoff:
  • ist selbst nicht brennbar und erstickt die Verbrennung, wird als inertes Füllgas bzw. Schutzgas verwendet, wird in flüssiger Form zum Tieftemperaturkühlen verwendet (-196 °C )
• Sauerstoff:
  • ist selbst nicht brennbar, unterhält (begünstigt) aber die Verbrennung, ist ein sehr reaktionsfreudiges Element (Oxidation), ist die Lebensgrundlage für Menschen und Tiere, ab 23 Vol% extrem brandgefährlich
• Kohlenstoffdioxid:
  • ist selbst nicht brennbar, farb- und geruchlos, ungiftig, schwerer als Luft sinkt zu Boden = Erstickungsgefahr, ist für die Entstehung des Treibhauseffektes mit verantwortlich, wird als Treibgas eingesetzt, Kohlensäure H2CO3
• Edelgase:
  • sind inerte Stoffe, sie gehen praktisch keine chemischen Verbindungen mit anderen Stoffen ein, (stabil besetze Elektronenhülle mit 2 bzw. 8 Aussenelektronen), einatomige Gase Ist Farb- und geruchlos,

• Hubkolbenmotor
• Fremdzündung
• homogenes Gemisch
• Quantitätsregelung
• Gleichraumverbrennung
• Verdichtung
  • 9-13:1 (Sauger)
  • 7-10:1 (Turbo)
• Verdichtungsdruck: 20-30 Bar
• Verbrennungsdruck: 50-60 Bar

• 1:14.7 
• 1kg Kraftstoff
• 14.7kg Luft 
• Stöchiometrisch

1. Normale Verbrennungsprodukte: 
   1. CO², Kohlendioxid
   2. H²O, Wasserdampf
2. unvollständige Verbrennungsprodukte: 
   1. CO, Kohlenmonoxid
   2. HC, Kohlenwasserstoff
   3. O², Sauerstoff
   4. C, Kohlenstoff
3. Nebenprodukte der Verbrennung: 
   1. N², Stickstoff
   2. NO_x, Stickoxide

• ca. 1% Schadstoffe (Benzin)
• ca. 0.1% Schadstoffe (Diesel)

• Benzindampf-Luftgemisch = 20-30 m/s
• Klopfende Verbrennung = 200-500 m/s
• Schiesspulver = 300 m/s
• Sprengstoffe = bis 9000 m/s
• Elektronengeschwindigkeit = 300'000 km/s
• Lichtgeschwindigkeit in der Luft = 300'000 km/s

• Brenngeschwindigkeit
  •  abhängig vom Kraftstoff-Luft Verhältnis, der Temperatur im Brennraum und dem Verdichtungsenddruck
• Transportgeschwindigkeit
  • Quetschströmungen (Bauform des Kolbens und Brennraum) und vom Drall bzw. Tumble (Gestaltung des Ansaugrohres und Anordnung Luftklappen)

Eine unkontrollierte Verbrennung im Zylinder mit zwei verschiedenen Flammgeschwindigkeiten

• Eine Kugel hat bei gleichem Volumen die kleinste mögliche Oberfläche
• Dadurch wird mehr Wärmeenergie in kinetische Energie umgewandelt und nicht an Umgebung abgegeben.
• Sprich: Hemi-Motoren haben den höchsten thermischen Wirkungsgrad

• Der Wärmeverlust der Verbrennung im Brennraum
  • Durch Abgase
  • Durch Abgabe an Umgebung (Zylinderkopf, Kühlmittel, etc.)

• Saugrohreinspritzung
• Direkteinspritzung

• Kraftstoffeinsparung:
  • Höhere Verdichtungsverhältnisse aufgrund der besseren Innenkühlung
  • Entdrosselung im Schichtladebetrieb (kleinere Gaswechselarbeit)

• Hohe Leistungsanforderung, hohe Drehzahl:
  • Saugrohreinspritzung
• Tiefe Last, tiefe Drehzahlen:
  • Direkteinspritzung

Erreichen der gewünschten Tumble- oder Drall-Bewegung der Luft. 

• die Umwandlung von chemischer Energie --> in Wärmeenergie --> in mechanische Arbeit.
• Flüssiger Kraftstoff muss verdampfen und mit der Luft ein zündfähiges Gemisch bilden --> Stöchiometrisch 14,7:1
• Voraussetzungen: 
  • Energieträger: Kraftstoff
  • Oxidationsmittel: Sauerstoff
  • Zündquelle/Wärme: Verbrennungsstart

• Ottomotor benötigt ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch = Lambda 1
  • 1 = stöchiometrisch
  • 1 < zu fett, nicht mehr zündfähig
  • 1 > zu mager, nicht genug Kraftstoff

• Vollständige Verbrennung: 
  • CO2
  • H2O
• Unvollständige Verbrennung: 
  • CO = Sauerstoffmangel / unvollständige Oxidation
  • HC = unverbrannter Kraftstoff
  • C / Russ = starke lokale Überfettung
  • O2 = Restsauerstoff bei magerer Verbrennung
  • NOx = schneller Durck- und Temperaturanstieg

• beschreibt, wie schnell sich die Flammenfront im Brennraum durch das Kraftstoff-Luft-Gemisch bewegt
  • Flammgeschwindigkeit = 20 - 40 m/s
  • Klopfende Verbrennung = 200 m/s
    • Brenngeschwindigkeit: chemische Reaktionsgeschwindigkeit des Gemischs
    • Tranporgeschwindigkeit: Bewegung des Gemischs im Brennraum durch Drall, Tumble und Quetschströmung

• Die Verbrennung benötigt Zeit. (Zündverzug)
• Nach dem Zündfunken entsteht zuerst ein Flammenkern, danach breitet sich die Flammenfront im Brennraum aus.
• Würde man erst bei OT zünden, würde der maximale Druck zu spät entstehen. 
• maximale Verbrennungsdruck etwa 10–15° nach OT 
  • ZZP zu früh: 
    • Klopfgefahr steigt
    • Druckanstieg gegen Kolbenbewegung / mechanische Belastung steigt
  • ZZP zu spät: 
    • Leistung sinkt / schlechter Wikrungsgrad
    • Abgastemperatur steigt

• Klopfende Verbrennung entsteht, wenn sich unverbranntes Restgemisch im Brennraum unkontrolliert selbst entzündet.
• Dabei läuft die Verbrennung nicht mehr gleichmässig über eine saubere Flammenfront ab, sondern schlagartig und mit sehr hoher Geschwindigkeit.
• Ursachen: 
  • zu früher Zündzeitpunkt
  • hohe Brennraumtemperatur
  • hohe Verdichtung
  • ungeeigneter Kraftstoff mit zu geringer Oktanzahl
  • hohe Last
  • ungünstige Brennraumverhältnisse

• der Kraftstoff wird mit hoher Geschwindigkeit in die heisse, verdichtete Luft eingespritzt.
• Der Kraftstoffstrahl wird an der Luft aufgerissen, zerstäubt und verdampft teilweise.
• An der Oberfläche des Kraftstofftropfens entsteht ein brennfähiges Gemisch, ungefähr im Bereich λ 0.3 bis 1.5.
• Deshalb kann der Diesel auch mit grossem globalem Luftüberschuss laufen.

• die Zeitspanne zwischen Einspritzbeginn und Verbrennungsbeginn.
• Zündverzug zu gross: 
  • sammelt sich eine grössere Menge zündfähiges Gemisch an.
  • Sobald die Verbrennung beginnt, verbrennt diese Menge schlagartig.
  • Das führt zu einem steilen Druckanstieg und harter Verbrennung.

• Weissrauch: 
  • kalter Motor = Kraftstoff verdampft schlecht
  • tiefer Komrpessionsdruck = Verdichtungsendtemperatur zu niedrig
  • später Einspritzbeginn = Verbrennung startet zu spät
  • Wandkondensation = Kraftstoff schlägt an kalten Bauteilen nieder
  • vorzeitiges Ablöschen = Verbrennung wird nicht fertig
• Schwarzrauch: 
  • zu grosse Einspritzmenge (Tuning)
  • verstopfter Luftmenge
  • defekte Aufladung
  • grosse Meereshöhe
  • fehlerhafte AGR
  • schlechte Luftbewegung
• Harte Verbrennung: 
  • zu grosser Zündverzug
    • tiefe Cetanzahl 
    • tiefe Kompression
    • tiefer Einspritzdruck / schlechte Zerstäubung
    • grosse Kraftstofftropfen
    • kalter Motor

• Emission
  • direkter Schadstoffausstoss an der Quelle
• Transmission
  • Schadstoffe breiten sich in der Luft aus, werden verdünnt und können chemisch reagieren
• Immission
  • Schadstoffkonzentration, die schlussendlich am Ort der Einwirkung auf Mensch, Tier, Pflanzen oder Gebäude trifft

• CO entsteht bei einer unvollständigen Verbrennung
  • zu wenig Sauerstoff vorhanden ist oder die Verbrennung nicht vollständig abläuft
• farb- und geruchlos
• bindet sich 200- bis 300-mal stärker an Hämoglobin (rote Blutkörperchen) als Sauerstoff

• Otto-Motor
  • unverbrannte oder nur teilweise verbrannte Kohlenwasserstoffe
  • durch Zünd- und Verbrennungsaussetzer
• Diesel-Motor: 
  • orzeitiges Ablöschen der Flamme.
  • Auch Kraftstoff, der aus dem Düsensackloch ausdampft

• hohe TemperaturStickstoff und Sauerstoff reagieren leichter
• hoher DruckReaktion wird begünstigt
• lange Wirkungsdauermehr Zeit für NOx-Bildung
• Im Brennraum entsteht hauptsächlich NO. Dieses kann in der Atmosphäre weiter zu NO₂ oxidieren. Deshalb werden NO und NO₂ zusammen als NOx angegeben
• problematisch, weil es Atemwegserkrankungen fördern, Pflanzen schädigen, zur Überdüngung von Ökosystemen beitragen und als Vorläufer für sauren Regen und Ozonbildung

•  CO₂ gesetzlich relevant, weil es ein Treibhausgas ist.
• CO₂-Emission = direkt abhängig vom Kraftstoffverbrauch.

• PM10 sind Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 10 µm
•  Partikel enstehen nicht nur durch die Verbrennung, sondern auch durch Bremsabrieb, Kupplungsabrieb, Reifenabrieb, Fahrbahnabrieb und Staubaufwirbelung
• Dieselmotor:
  • grosser Einspritzmenge
  • Luftmangel
  • schlechter Gemischbildung
  • unvollständiger Verbrennung