Veränderung des Sauerstoffanteils bei Verbrennungsrechnung

rds · Anmeldungsdatum: 22.05.2008 Beiträge: 3

Hallo an alle Thermodynamiker, Physik-Experten und Nutzer dieses Forums,

ich stelle mir momentan die Frage, inwieweit sich die Verbrennungsberechnung von Ottokraftstoff im Ottomotor bei einer Erhöhung des Sauerstoffanteils verändert.
Eine "normale" Verbrennungsberechnung rechnet bekanntermaßen mit einem Sauerstoffanteil von rund 21%. Was passiert denn, wenn man keine Außenluft zur Verbrennung heranzieht, sondern reinen Sauerstoff, also einen Anteil von 100%?

Gibt es auch Literatur, die sich mit diesem Thema beschäftigt?

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

rds · Anmeldungsdatum: 22.05.2008 Beiträge: 3

Hallo Markus,

zunächst mal danke für deine schnelle Antwort.
Mir geht es allerdings weniger um die Erhöhung der Treibstoffmenge bzw. Erhöhung der Energie.
Meine Frage zielte mehr auf das Thema "vollständige bzw. ideale Verbrennung". Wenn also Stickstoff und sonstige Gase bei der Verbrennung ausgeschlossen werden, müsste ja der Treibstoff am effizientesten verbrannt werden, mit dem Bonus, dass Stickoxide und andere Schadstoffemissionen eleminiert werden.
Dies hat doch sicherlich Auswirkungen auf die klassische Verbrennungsrechnung, oder? Wie stelle ich so eine Berechnung auf?

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Ich glaube, solche Berechnungen dürften im Detail komplizierter sein als du bisher vermuten dürftest.

Mit 100% Sauerstoff ließe sich die Bildung von Stickoxiden theoretisch vermeiden (vorausgesetzt, der Stickstoffanteil im Kraftstoff ist für diese Zwecke vernachlässigbar.) Als effizient im Energiesinn wird man so etwas wohl nicht bezeichnen können, da die Herstellung von reinem Sauerstoff mit einigem Aufwand verbunden ist.

Dass eine Mischung aus viel Sauerstoff und wenig Stickstoff ebenfalls weniger Stickoxidemissionen bedeuten soll, halte ich für eine vorschnelle Vermutung. Denn die Entstehung von Stickoxiden wächst mit der Temperatur, und die Temperatur bei der Reaktion wächst, wenn der Anteil des Gases sinkt, der nicht an der Reaktion beteiligt ist und Wärmeenergie schluckt, während er sich mit erwärmt.

Auf die Konzentration von z.B. Kohlendioxid (Treibhausgas) und Schwefeldioxid (entsteht durch Verbrennung des Schwefelanteils im Treibstoff) haben solche Maßnahmen keine Konsequenzen.

Die Vollständigkeit der Verbrennung wird bei einer so plötzlich ablaufenden Reaktion nicht nur vom Sauerstoffüberschuss, sondern auch von vielen anderen Details abhängen. Zum Beispiel davon, wie fein und gleichmäßig der Treibstoff mit der Luft im Zylinder vermischt ist, wenn das Gemisch zündet.

Wie stark da, einmal abgesehen vom damit verbundenen Aufwand, die Vollständigkeit der Verbrennung durch höheren Sauerstoffgehalt verbessert werden könnte, kann ich also nicht so ohne weiteres sagen.

Zur Verringerung solcher Abgase (Resultate unvollständiger Verbrennung) verwendet man aktuell Rußfilter und Katalysatoren.

rds · Anmeldungsdatum: 22.05.2008 Beiträge: 3

Hallo Markus,

gehen wir mal davon aus, der reine Sauerstoff wäre ohne verlustbehaftete Herstellungsprozesse frei verfügbar und hätte damit keinen "negativen" Einfluss auf die Effizienz.
Als weitere Annahme sei kein Stickstoff an der Verbrennung beteiligt, sodass selbst bei Temperaturerhöhung keine Stickoxide entstehen.

1) Inwieweit beeinflusst das Fehlen von Stickstoff als Arbeitsgas den Kreisprozess im Ottomotor?

2) Könnte man dies durch einen Sauerstoffüberschuss kompensieren und so z.B. auch die Verbennungstemperatur reduzieren?

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Hm, ich verstehe nicht so recht, worauf du hinauswillst.

* Wenn du verstehen willst, wie ein Otto-Motor und die Verbrennungsreaktion dabei funktioniert, dann würde ich dir statt doch etwas sehr theoretischen Gedankenspielchen lieber empfehlen, dir da mal ganz normal die Grundlagen dazu reinzuziehen.

* Wenn du irgendwie die Absicht hast, dir zu überlegen, wie man die Schadstoffemissionen von Autos optimieren könnte, dann solltest du dabei nicht vergessen, dass das nur etwas bringt, wenn du so etwas wie Schadstoffausstoß pro erbrachter Netto-Nutz-Leistung, oder Schadstoffausstoß pro erbrachtem Netto-Nutzen in Form von zurückgelegten km gegenüber dafür betriebenem Aufwand, ... betrachtest.

Den Aufwand für die Herstellung von reinem Sauerstoff zum Beispiel, oder für irgendeine andere Methode zur Herstellung eines stickstofffreien Gasgemisches, darf man da dann natürlich nicht einfach so vernachlässigen.

* Wenn du anfangen möchtest, sehr detailliert in die Vorhersage der Reaktionsprodukte der Verbrennungsreaktion im Ottomotor einzusteigen, dann geht das nicht ohne Berücksichtigung von ziemlich vielen Details (also nicht bevor du den Otto-Motor ziemlich gründlich verstanden hast.)

Zum Beispiel entstehen bei Sauerstoffüberschuss (also bei magerem Gemisch) mehr Stickoxide, was glaube ich damit zusammenhängt, dass dann mehr Sauerstoff für die Reaktion mit dem Luftstickstoff zur Verfügung steht.

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