Ein Quantensprung, die Gleichraumverbrennung im realen Motor. Franz-Josef Hinken
erzeugen.
5.0 Verbrennungsprozesse im Motor
5.1 Verbrennung von Kohlenwasserstoffen
Die Zündung und Verbrennung von Kohlenwasserstoffen kann als Kettenprozess angesehen werden, wobei ganz grob betrachtet die Kohlenwasserstoffe zuerst gespalten und dann mit Sauerstoff verbunden werden. Bei der idealen, vollkommenen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen (CxHy) entstehen Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O), hier als Beispiel in einer Reaktionsgleichung mit Methangas (CH4) dargestellt:
1CH4 + 2O2 →1CO2 +2 H2O + Reaktionswärme ΔH
Tatsächlich verläuft die Verbrennung nicht nach der dargestellten idealen Reaktionsgleichung ab, sondern nach einem sehr komplexen Reaktionsschema, das bis heute erst in groben Zügen nachvollziehbar ist. Bei der realen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen im Motor entstehen aufgrund der unvollständigen Verbrennung Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoff-Verbindungen, Ruß und NOx.
5.2 Flammverbrennung und flammlose Verbrennung
Verbrennungsprozesse können eingeteilt werden in Flammfrontverbrennung und flammlose Verbrennung. Ein weiteres wichtiges Unterscheidungsmerkmal bei der Betrachtung von Verbrennungsprozessen erfolgt nach der Art der vorliegenden Strömung, die in einer laminaren oder turbulenten Flammfrontverbrennung im Brennraum eines Verbrennungsmotors vorliegen kann. Die turbulente Flammfrontverbrennung beschleunigt im erheblichen Maße den Verbrennungsprozess und damit die Kraftstoffumsetzung.
Eine flammlose Verbrennung liegt vor bei einer idealen kompressionsinduzierten Selbstzündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, auch bekannt als HCCI-Verfahren. Die Brenngeschwindigkeit bei der kompressionsinduzierten Selbstzündung oder flammlosen Verbrennung ist 4- bis 8-mal schneller als bei der turbulenten Flammfrontverbrennung.
5.3. Reaktionskinetik
5.3.1 Definition
"Die Reaktionskinetik ist Teilgebiet der physikalischen Chemie, das sich mit dem zeitlichen Ablauf von chemischen Reaktionen und der Aufklärung von Reaktionsmechanismen beschäftigt". [www.duden.de]
Für den schnelllaufenden Verbrennungsmotor liegt die Betonung auf "zeitlichen Ablauf von chemischen Reaktionen", wie den bereits im Abschnitt 5.2 erwähnten unterschiedlichen Brenngeschwindigkeiten der Flammfrontverbrennung und flammlosen Verbrennung. Der zeitliche Ablauf der chemischen Reaktion und damit die Brenngeschwindigkeit eines Kraftstoff-Luft-Gemisches entscheidet über Gleichdruckverbrennung mit der spezifischen Wärmekapazität Cp oder Gleichraumverbrennung mit der spezifischen Wärmekapazität Cv.
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