Verbrennungsluftverhältnis

Das Luft-Brennstoff-Verhältnis (AFR) ist das Massenverhältnis von Luft zu einem festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, der in einem Verbrennungsprozess vorhanden ist. Die Verbrennung kann kontrolliert ablaufen, z. B. in einem Verbrennungsmotor oder einem Industrieofen, oder sie kann zu einer Explosion führen (z. B. einer Staubexplosion, einer Gas- oder Dampfexplosion oder in einer thermobarischen Waffe). ⓘ

Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bestimmt, ob ein Gemisch überhaupt brennbar ist, wie viel Energie freigesetzt wird und wie viele unerwünschte Schadstoffe bei der Reaktion entstehen. In der Regel gibt es einen Bereich von Kraftstoff-Luft-Verhältnissen, außerhalb dessen eine Zündung nicht stattfindet. Diese Bereiche werden als untere und obere Explosionsgrenze bezeichnet. ⓘ

Bei einem Verbrennungsmotor oder einem Industrieofen ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eine wichtige Maßnahme zur Vermeidung von Umweltverschmutzung und zur Leistungsoptimierung. Wird genau so viel Luft zugeführt, dass der gesamte Kraftstoff vollständig verbrannt wird, spricht man von einem stöchiometrischen Gemisch, oft auch als Stöchi abgekürzt. Ein niedrigeres Verhältnis als das stöchiometrische wird als "fett" bezeichnet. Fette Gemische sind weniger effizient, können aber mehr Leistung erzeugen und kühler verbrennen. Ein höheres Verhältnis als das stöchiometrische wird als "mager" bezeichnet. Magere Gemische sind effizienter, können aber höhere Temperaturen verursachen, was zur Bildung von Stickoxiden führen kann. Einige Motoren sind so konstruiert, dass sie Magerverbrennung ermöglichen. Für eine genaue Berechnung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses sollte der Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft angegeben werden, da die Luftdichte aufgrund unterschiedlicher Höhenlagen oder Ansauglufttemperaturen, einer möglichen Verdünnung durch Wasserdampf aus der Umgebung oder einer Anreicherung durch Sauerstoffzusätze variiert. ⓘ

Motorleistung & spezifischer Verbrauch bei Ottomotoren, aufgetragen über die Luftzahl λ ⓘ

Sie hat daher besondere Bedeutung in technischen Anwendungs­gebieten für Verbrennungskraftmaschinen und Feuerungstechnik, aber auch in der Brandlehre. ⓘ

Verbrennungsmotoren

Theoretisch hat ein stöchiometrisches Gemisch gerade genug Luft, um den vorhandenen Kraftstoff vollständig zu verbrennen. In der Praxis wird dies nie ganz erreicht, was vor allem an der sehr kurzen Zeit liegt, die in einem Verbrennungsmotor für jeden Verbrennungszyklus zur Verfügung steht. Bei einer Motordrehzahl von 6.000 Umdrehungen pro Minute ist der größte Teil des Verbrennungsvorgangs in etwa 2 Millisekunden abgeschlossen (100 Umdrehungen pro Sekunde; 10 Millisekunden pro Kurbelwellenumdrehung - was bei einem Viertaktmotor typischerweise 5 Millisekunden für jeden Kolbenhub bedeutet). Dies ist die Zeit, die vom Zünden der Zündkerze bis zur Verbrennung von 90 % des Kraftstoff-Luft-Gemischs vergeht, normalerweise etwa 80 Grad Kurbelwellenumdrehung später. Katalysatoren sind so ausgelegt, dass sie am besten funktionieren, wenn die Abgase, die sie passieren, das Ergebnis einer nahezu perfekten Verbrennung sind. ⓘ

Ein perfekt stöchiometrisches Gemisch verbrennt sehr heiß und kann Motorteile beschädigen, wenn der Motor bei diesem Kraftstoff-Luft-Gemisch stark belastet wird. Aufgrund der hohen Temperaturen dieses Gemischs kann es bei hoher Belastung zu einer Detonation des Kraftstoff-Luft-Gemischs nahe oder kurz nach dem maximalen Zylinderdruck kommen (als Klopfen oder Ping bezeichnet), d. h. zu einer "Vordetonation" im Zusammenhang mit einem Ottomotormodell. Eine solche Detonation kann zu schweren Motorschäden führen, da durch die unkontrollierte Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs sehr hohe Drücke im Zylinder entstehen können. Daher werden stöchiometrische Gemische nur bei geringer bis mittlerer Last verwendet. Bei Beschleunigung und hoher Last wird ein fetteres Gemisch (niedrigeres Luft-Kraftstoff-Verhältnis) verwendet, um kühlere Verbrennungsprodukte zu erzeugen (und damit die Verdunstungskühlung zu nutzen) und so eine Überhitzung des Zylinderkopfs zu vermeiden und somit eine Detonation zu verhindern. ⓘ

Im Volllastbetrieb werden Ottomotoren angefettet. Da der Kraftstoff so nicht mehr vollständig verbrennt, wird der Motor und vor allem das Abgas nicht so heiß. Allerdings können die Kohlenstoffmonoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen dann nicht mehr im Dreiwegekatalysator zu Kohlendioxid und Wasser weiter oxidiert werden. ⓘ

Motormanagement-Systeme

Das stöchiometrische Gemisch für einen Ottomotor ist das ideale Verhältnis von Luft und Kraftstoff, bei dem der gesamte Kraftstoff ohne Luftüberschuss verbrannt wird. Bei Ottokraftstoff beträgt das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Gemisch etwa 14,7:1, d. h. für jedes Gramm Kraftstoff werden 14,7 Gramm Luft benötigt. Bei reinem Oktan-Kraftstoff verläuft die Oxidationsreaktion wie folgt:

25 O₂ + 2 C₈H₁₈ → 16 CO₂ + 18 H₂O + Energie

Jedes Gemisch mit einem Verhältnis von mehr als 14,7:1 gilt als mageres Gemisch; jedes Gemisch mit einem Verhältnis von weniger als 14,7:1 ist ein fettes Gemisch - vorausgesetzt, es handelt sich um einen perfekten (idealen) "Test"-Kraftstoff (Benzin, das ausschließlich aus n-Heptan und Iso-Oktan besteht). In der Realität bestehen die meisten Kraftstoffe aus einer Kombination von Heptan, Oktan, einer Handvoll anderer Alkane sowie Additiven wie Detergenzien und möglicherweise Oxygenatoren wie MTBE (Methyl-tert.-Butylether) oder Ethanol/Methanol. Alle diese Verbindungen verändern das stöchiometrische Verhältnis, wobei die meisten Additive das Verhältnis nach unten drücken (Oxygenatoren führen der Verbrennung zusätzlichen Sauerstoff in flüssiger Form zu, der zum Zeitpunkt der Verbrennung freigesetzt wird; bei MTBE-haltigem Kraftstoff kann das stöchiometrische Verhältnis bis zu 14,1:1 betragen). Fahrzeuge, die eine Sauerstoffsonde oder andere Rückkopplungsschleifen zur Steuerung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses (Lambda-Regelung) verwenden, gleichen diese Änderung des stöchiometrischen Verhältnisses des Kraftstoffs automatisch aus, indem sie die Abgaszusammensetzung messen und die Kraftstoffmenge steuern. Fahrzeuge ohne eine solche Steuerung (wie die meisten Motorräder bis vor kurzem und Autos vor Mitte der 1980er Jahre) können Schwierigkeiten haben, bestimmte Kraftstoffmischungen zu verwenden (vor allem Winterkraftstoffe, die in manchen Gegenden verwendet werden), und benötigen unter Umständen andere Vergaserdüsen (oder eine andere Änderung des Kraftstoffverhältnisses), um dies auszugleichen. Fahrzeuge, die mit Sauerstoffsensoren ausgestattet sind, können das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Messgerät überwachen. ⓘ

Andere Arten von Motoren

Bei einem typischen Luft-Erdgas-Brenner wird eine Doppelkreuz-Grenzwertstrategie eingesetzt, um das Verhältnis zu kontrollieren. (Diese Methode wurde im Zweiten Weltkrieg verwendet). Bei dieser Strategie wird die entgegengesetzte Strömungsrückführung in die Begrenzungsregelung des jeweiligen Gases (Luft oder Brennstoff) einbezogen. Dadurch wird die Regelung des Verhältnisses innerhalb einer akzeptablen Spanne sichergestellt. ⓘ

Andere verwendete Begriffe

Es gibt noch weitere Begriffe, die häufig verwendet werden, wenn es um das Gemisch aus Luft und Kraftstoff in Verbrennungsmotoren geht. ⓘ

Gemisch

Gemisch ist der vorherrschende Begriff, der in Schulungsunterlagen, Betriebshandbüchern und Wartungshandbüchern in der Luftfahrt verwendet wird. ⓘ

Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist das Verhältnis zwischen der Masse der Luft und der Masse des Kraftstoffs im Kraftstoff-Luft-Gemisch zu einem bestimmten Zeitpunkt. Die Masse ist die Masse aller Bestandteile, aus denen Kraftstoff und Luft bestehen, unabhängig davon, ob sie brennbar sind oder nicht. Eine Berechnung der Masse von Erdgas - das häufig Kohlendioxid (CO
₂), Stickstoff (N
₂) und verschiedene Alkane enthält - die Masse des Kohlendioxids, des Stickstoffs und aller Alkane bei der Bestimmung des Wertes von m_fuel mit ein. ⓘ

Für reines Oktan beträgt das stöchiometrische Gemisch etwa 15,1:1, also genau λ von 1,00. ⓘ

Bei Saugmotoren, die mit Oktan betrieben werden, wird die maximale Leistung häufig bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 12,5 bis 13,3:1 oder λ von 0,850 bis 0,901 erreicht. ⓘ

Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 12:1 gilt als maximales Leistungsverhältnis, während ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 16:1 als maximales Kraftstoffverbrauchsverhältnis angesehen wird. ⓘ

Kraftstoff-Luft-Verhältnis (FAR)

Das Kraftstoff-Luft-Verhältnis wird in der Gasturbinenindustrie sowie in staatlichen Studien über Verbrennungsmotoren häufig verwendet und bezieht sich auf das Verhältnis von Kraftstoff zu Luft. ⓘ

$\mathrm {FAR} ={\frac {1}{\mathrm {AFR} }}$ ⓘ

Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis (λ)

Das Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis λ (Lambda) ist das Verhältnis zwischen dem tatsächlichen Luftdurchsatz und der Stöchiometrie für ein bestimmtes Gemisch. λ = 1,0 entspricht der Stöchiometrie, fette Gemische λ < 1,0 und magere Gemische λ > 1,0. ⓘ

Es besteht eine direkte Beziehung zwischen λ und AFR. Zur Berechnung der AFR aus einem gegebenen λ multipliziert man das gemessene λ mit der stöchiometrischen AFR für diesen Kraftstoff. Um λ aus einem AFR-Wert zu ermitteln, kann man auch den AFR-Wert durch den stöchiometrischen AFR-Wert für diesen Kraftstoff dividieren. Diese letzte Gleichung wird häufig als Definition von λ verwendet:

$\lambda ={\frac {\mathrm {AFR} }{\mathrm {AFR} _{\text{stoich}}}}$ ⓘ

Da die Zusammensetzung gängiger Kraftstoffe jahreszeitlich schwankt und viele moderne Fahrzeuge beim Tuning mit verschiedenen Kraftstoffen umgehen können, ist es sinnvoller, von λ-Werten statt von AFR zu sprechen. ⓘ

Die meisten praktischen AFR-Geräte messen nämlich die Menge an Restsauerstoff (bei mageren Gemischen) oder unverbrannten Kohlenwasserstoffen (bei fetten Gemischen) im Abgas. ⓘ

Kraftstoff-Luft-Äquivalenzverhältnis (ϕ)

Das Kraftstoff-Luft-Äquivalenzverhältnis, ϕ (phi), eines Systems ist definiert als das Verhältnis des Kraftstoff-Oxidationsmittel-Verhältnisses zum stöchiometrischen Kraftstoff-Oxidationsmittel-Verhältnis. Mathematisch gesehen, ⓘ

$\phi ={\frac {\mbox{fuel-to-oxidizer ratio}}{({\mbox{fuel-to-oxidizer ratio}})_{\text{st}}}}={\frac {m_{\text{fuel}}/m_{\text{ox}}}{\left(m_{\text{fuel}}/m_{\text{ox}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {n_{\text{fuel}}/n_{\text{ox}}}{\left(n_{\text{fuel}}/n_{\text{ox}}\right)_{\text{st}}}}$ ⓘ

wobei m für die Masse, n für die Anzahl der Mole und der Index st für die stöchiometrischen Bedingungen steht. ⓘ

Der Vorteil der Verwendung des Äquivalenzverhältnisses gegenüber dem Brennstoff-Oxidationsmittel-Verhältnis besteht darin, dass es sowohl die Masse als auch die molaren Werte des Brennstoffs und des Oxidationsmittels berücksichtigt (und somit unabhängig davon ist). Nehmen wir zum Beispiel ein Gemisch aus einem Mol Ethan (C
₂H
₆) und einem Mol Sauerstoff (O
₂). Das Brennstoff-Oxidationsmittel-Verhältnis dieses Gemischs, bezogen auf die Masse von Brennstoff und Luft, ist ⓘ

${\frac {m_{{\ce {C2H6}}}}{m_{{\ce {O2}}}}}={\frac {1\times (2\times 12+6\times 1)}{1\times (2\times 16)}}={\frac {30}{32}}=0.9375$ ⓘ

und das Brennstoff-Oxidationsmittel-Verhältnis dieses Gemischs, bezogen auf die Anzahl der Mole von Brennstoff und Luft, ist ⓘ

${\frac {n_{{\ce {C2H6}}}}{n_{{\ce {O2}}}}}={\frac {1}{1}}=1$ ⓘ

Es ist klar, dass die beiden Werte nicht gleich sind. Um sie mit dem Äquivalenzverhältnis zu vergleichen, müssen wir das Brennstoff-Oxidationsmittel-Verhältnis des Ethan-Sauerstoff-Gemisches bestimmen. Dazu müssen wir die stöchiometrische Reaktion von Ethan und Sauerstoff betrachten, ⓘ

C₂H₆ + 7⁄2 O₂ → 2 CO₂ + 3 H₂O ⓘ

Dies ergibt ⓘ

$({\text{fuel-to-oxidizer ratio based on mass}})_{\text{st}}=\left({\frac {m_{{\ce {C2H6}}}}{m_{{\ce {O2}}}}}\right)_{\text{st}}={\frac {1\times (2\times 12+6\times 1)}{3.5\times (2\times 16)}}={\frac {30}{112}}=0.268$

$({\text{fuel-to-oxidizer ratio based on number of moles}})_{\text{st}}=\left({\frac {n_{{\ce {C2H6}}}}{n_{{\ce {O2}}}}}\right)_{\text{st}}={\frac {1}{3.5}}=0.286$ ⓘ

Wir können also das Äquivalenzverhältnis des gegebenen Gemischs bestimmen als ⓘ

$\phi ={\frac {m_{{\ce {C2H6}}}/m_{{\ce {O2}}}}{\left(m_{{\ce {C2H6}}}/m_{{\ce {O2}}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {0.938}{0.268}}=3.5$ ⓘ

oder, äquivalent dazu, als ⓘ

$\phi ={\frac {n_{{\ce {C2H6}}}/n_{{\ce {O2}}}}{\left(n_{{\ce {C2H6}}}/n_{{\ce {O2}}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {1}{0.286}}=3.5$ ⓘ

Ein weiterer Vorteil der Verwendung des Äquivalenzverhältnisses besteht darin, dass Verhältnisse größer als 1 immer bedeuten, dass mehr Brennstoff im Brennstoff-Oxidationsmittel-Gemisch vorhanden ist, als für eine vollständige Verbrennung erforderlich ist (stöchiometrische Reaktion), unabhängig davon, welcher Brennstoff und welches Oxidationsmittel verwendet werden, während Verhältnisse kleiner als 1 einen Mangel an Brennstoff oder entsprechend einen Überschuss an Oxidationsmittel im Gemisch bedeuten. Dies ist nicht der Fall, wenn man das Brennstoff-Oxidationsmittel-Verhältnis verwendet, das für verschiedene Gemische unterschiedliche Werte annimmt. ⓘ

Das Kraftstoff-Luft-Äquivalenzverhältnis steht in folgender Beziehung zum Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis (wie zuvor definiert):

$\phi ={\frac {1}{\lambda }}$ ⓘ

Berechnung

Näherungsweise Berechnung über Sauerstoffgehalt im Abgas:

$\lambda \approx {\frac {0{,}21}{0{,}21-x_{O_{2}}}}$ ⓘ

Näherungsweise Berechnung über Kohlenstoffdioxidgehalt im Abgas:

$\lambda \approx {\frac {x_{CO_{2}max}}{x_{CO_{2}}}}$ ⓘ

Die maximale $CO_{2}$-Konzentration errechnet sich aus:

$x_{CO_{2}max}=g_{CO_{2}max}\cdot {\frac {R_{CO_{2}}}{R_{RGtmin}}}$ ⓘ

$R_{RGtmin}=g_{CO_{2}max}\cdot R_{CO_{2}}+g_{N_{2}RG}\cdot R_{N_{2}}$ ⓘ

Massenanteile:

$g_{CO_{2}}={\frac {3{,}664\cdot g_{C}}{m_{RGtmin}^{*}}}$ ⓘ

$g_{N_{2}RG}={\frac {g_{N}\cdot m_{Lmin}^{*}}{m_{RGtmin}^{*}}}$ ⓘ

$g_{CO_{2}max}={\frac {g_{C}\cdot 3{,}664}{m_{RGtmin}^{*}}}$ ⓘ

Minimale Rauchgasmasse:

$m_{RGtmin}^{*}=3{,}664\cdot g_{C}+m_{Lmin}^{*}\cdot g_{N}$ ⓘ

Minimale Luftmasse:

$m_{Lmin}^{*}={\frac {2{,}664\cdot g_{C}+7{,}937\cdot g_{H}+g_{S}-g_{O}}{0{,}232}}$ ⓘ

Variablen:

$x_{CO_{2}}:$ Gemessener $CO_{2}$-Gehalt im Abgas

$R_{CO_{2}}:$ Gaskonstante von Kohlenstoffdioxid = $188{,}95\,\mathrm {\frac {J}{kgK}}$

$R_{N_{2}}:$ Gaskonstante von Stickstoff = $296{,}76\,\mathrm {\frac {J}{kgK}}$ ⓘ

g sind jeweils die Massenanteile des einzelnen Gases an der Gesamtmasse, die Indizes bezeichnen das Gas, RG bedeutet Anteil des Rauchgases (Abgas), t bedeutet Anteil des trockenen Abgases (vor der Messung wird das Wasser sehr oft aus dem Abgas „gefiltert“, um Verfälschungen zu vermeiden). ⓘ

$m_{Lmin}^{*}$: Zur Verbrennung mindestens benötigte Luftmasse ⓘ

Die relativen Anteile der Sauerstoffanreicherung und der Kraftstoffverdünnung können durch den Gemischanteil Z quantifiziert werden, der wie folgt definiert ist

$Z=\left[{\frac {sY_{\mathrm {F} }-Y_{\mathrm {O} }+Y_{\mathrm {O,0} }}{sY_{\mathrm {F,0} }+Y_{\mathrm {O,0} }}}\right]$,

wobei

$s=\mathrm {AFR} _{\mathrm {stoich} }={\frac {W_{\mathrm {O} }\times v_{\mathrm {O} }}{W_{\mathrm {F} }\times v_{\mathrm {F} }}}$,

Y_F,0 und Y_O,0 die Massenanteile von Kraftstoff und Oxidationsmittel am Einlass, W_F und WO die Molekulargewichte der Spezies und v_F und vO die stöchiometrischen Koeffizienten von Kraftstoff bzw. Sauerstoff sind. Der stöchiometrische Mischungsanteil ist

$Z_{\mathrm {st} }=\left[{\frac {1}{1+{\frac {Y_{\mathrm {F,0} }\times W_{\mathrm {O} }\times v_{\mathrm {O} }}{Y_{\mathrm {O,0} }\times W_{\mathrm {F} }\times v_{\mathrm {F} }}}}}\right]$

Der stöchiometrische Gemischanteil ist mit λ (Lambda) und ϕ (Phi) durch folgende Gleichungen verknüpft

$Z_{\text{st}}={\frac {\lambda }{1+\lambda }}={\frac {1}{1+\phi }}$,

unter der Annahme, dass

$\mathrm {AFR} ={\frac {Y_{\mathrm {O,0} }}{Y_{\mathrm {F,0} }}}$ ⓘ

Prozentualer Überschuss an Verbrennungsluft

Ideale Stöchiometrie

In Industrieheizungen, Kraftwerksdampferzeugern und großen gasbefeuerten Turbinen sind die gebräuchlichsten Bezeichnungen prozentualer Verbrennungsluftüberschuss und prozentualer stöchiometrischer Luftanteil. Ein Verbrennungsluftüberschuss von 15 Prozent bedeutet zum Beispiel, dass 15 Prozent mehr als die erforderliche stöchiometrische Luft (oder 115 Prozent der stöchiometrischen Luft) verwendet wird. ⓘ

Ein Verbrennungskontrollpunkt kann durch Angabe des prozentualen Luft- (oder Sauerstoff-) Überschusses im Oxidationsmittel oder durch Angabe des prozentualen Sauerstoffanteils im Verbrennungsprodukt definiert werden. Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Messgerät kann zur Messung des prozentualen Sauerstoffanteils im Verbrennungsgas verwendet werden, woraus sich der prozentuale Sauerstoffüberschuss anhand der Stöchiometrie und einer Massenbilanz für die Brennstoffverbrennung berechnen lässt. Zum Beispiel für Propan (C
₃H
₈) zwischen stöchiometrisch und 30 % Luftüberschuss (AFR-_Masse zwischen 15,58 und 20,3) ist die Beziehung zwischen dem prozentualen Luftüberschuss und dem prozentualen Sauerstoffanteil wie folgt:

${\begin{aligned}\mathrm {Mass\%\ O_{2}\ in\ propane\ combustion\ gas} &\approx -0.1433(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )^{2}+0.214(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )\\\mathrm {Volume\%\ O_{2}\ in\ propane\ combustion\ gas} &\approx -0.1208(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )^{2}+0.186(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )\end{aligned}}$ ⓘ

Stöchiometrischer Luftbedarf

Der stöchiometrische Luftbedarf $L_{\text{st.}}$ (auch Mindestluftbedarf $L_{\text{min.}}$) ist ein Massenverhältnis aus der Brennstoffmasse $m_{\text{B}}$ und der zugehörigen stöchiometrischen Luftmasse $m_{\text{L-st.}}$. ⓘ

$L_{\text{st.}}={\frac {m_{\text{L-st.}}}{m_{\text{B}}}}$ ⓘ

Der Luftbedarf kann aus den Masseanteilen einer Reaktionsgleichung ermittelt werden, wenn man eine vollständige Verbrennung der Komponenten voraussetzt. ⓘ

Für gängige Kraftstoffe im Verbrennungsmotorenbau ergibt sich bei $\lambda =1$:

• Benzin (Ottokraftstoff): $L_{\text{st}}=14{,}7$ – für die Verbrennung von 1 kg Benzin sind 14,7 kg Luft notwendig.
• Dieselkraftstoff: $L_{\text{st}}=14{,}5$ – für die Verbrennung von 1 kg Dieselkraftstoff sind 14,5 kg Luft notwendig.

Bei Saugmotoren enthält die Frischgasladung am unteren Totpunkt (UT) immer einen Anteil Abgas des vorangegangenen Arbeitstaktes. Dieser Restgasanteil entspricht dem Brennraumvolumen im oberen Totpunkt (OT) mal Abgasdruck. Die Gasladungsmenge für Benzinmotoren (Luft plus Abgas) liegt deshalb etwa 20 % höher als mit reiner Luft (ca. 1,2 · 14,7 = 17,6 kg Gas pro kg Benzin). Auch Abgasrückführung beim Ottomotor leistet ihren Beitrag (z. B. 1,4 · 14,7 = 20,6 kg Gas pro kg Benzin). Dieselmotoren werden sowieso bei Luftüberschuss betrieben (λ von etwa 10 im Leerlauf bis 1,4 („Rußgrenze“) bei Volllast). Turbomotoren können den Gaswechsel ohne Restgasanteil betreiben (λ = 1,0). ⓘ

Typische Werte

Thermen und Kessel

Die Messung des Verbrennungsluftverhältnisses von Heizkesseln oder -thermen ist Teil einer Abgasmessung. Gebläsebrenner kommen bei Volllast mit λ = 1,2 aus, atmosphärische Brenner unter Volllast mit etwa λ = 1,4. Im Teillastverhalten steigt das Verbrennungsluftverhältnis auf Werte von λ = 2 bis 4, was zu einer Erhöhung des Abgasverlustes und gleichzeitig zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades führt. ⓘ

Gasturbinen und Triebwerke

Bei Gasturbinen und darauf basierenden Strahltriebwerken läuft die Verbrennung innerhalb der Brennkammer am Flammhalter nahe λ = 1 ab, die nachfolgende Zuführung von Sekundärluft erhöht die Werte auf λ = 5 und mehr. Die Luftzahl ist deshalb so hoch, weil die Höchsttemperatur in der Brennkammer (bis 1600 °C) und die maximale Eintrittstemperatur in die Turbine (bis 1400 °C) nicht überschritten werden dürfen. ⓘ