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Über den Brennstoff wird dem Motor chemisch gebundene Energie zugeführt. Durch Verbrennung wird diese Energie zunächst in thermische und anschließend in mechanische Energie umgewandelt. Der für die Verbrennung benötigte Sauerstoff stammt aus der Umgebungsluft und wird in den Brennraum eingebracht. Kraftstoff und Luft müssen zu einem zündfähigen Gemisch aufbereitet werden.
Neben der Kraftstoffzerstäubung und der Kraftstoffverdampfung ist natürlich auch das sogenannte Luft-Kraftstoffverhältnis für eine optimale Verbrennung von elementarer Bedeutung. Hierbei muss grundsätzlich zwischen der Quantitätsregelung (Ottomotor) und der Qualitätsregelung (Dieselmotor) unterschieden werden. Quantitätsregelung bedeutet, dass bei annähernd konstantem Luftverhältnis die in den Zylinder strömende Gemischmenge durch ein Drosselorgan (i.d.R. eine Drosselklappe) geregelt wird. Im Gegensatz dazu erfolgt bei der Qualitätsregelung eine bedarfsgerechte Kraftstoffzumessung durch Variation der Einspritzmenge, woraus ein variables Lambda resultiert.
Die Zuteilung des Kraftstoffs beim Dieselmotor ist abhängig von der Momentenanforderung. Die maximale Einspritzmenge wird durch die zur Verfügung stehende Luftmenge begrenzt. Durch die in der Nähe des stöchiometrischen Gemisches auftretende Rußgrenze ist beim Dieselmotor ein fetter Motorbetrieb nicht möglich. Abbildung 6-6 zeigt ein aus verschiedenen Lastanforderungen resultierendes λ-Kennfeld für einen DI-Dieselmotor ohne externe Abgasrückführung.
Die Zerstäubung des Kraftstoffs erfolgt in der Regel mit einer Einspritzdüse oder mit einem Einspritzventil. Die Kraftstoffzerstäubung (Tröpfchengröße) wird durch die folgenden Größen beeinflusst:
Differenz aus Einspritzdruck und Gegendruck (Saugrohr oder Brennraumdruck)
Ladungsbewegung
Düsengeometrie
Brennraumgeometrie und -temperatur
Der Durchmesser der eingespritzten Kraftstofftröpfchen ist entscheidend für die Verdampfungszeit, die näherungsweise mit dem Quadrat des Tropfendurchmessers zunimmt. Typische Tröpfchendurchmesser liegen im Bereich von 10-25 μ, wobei auch größere Tropfen entstehen können [MAY99]. Neben der Tropfengröße ist auch noch die Tropfengrößenverteilung (siehe Abbildung 6-7) zu beachten, da sich beide Eigenschaften maßgeblich auf das Emissionsverhalten des Motors auswirken.
Abbildung 6-7 zeigt beispielhaft den sog. mittleren Sauter-Tröpfchendurchmesser am Ottomotor.
Der Sauterdurchmesser gibt dabei das Verhältnis von mittlerem Tropfenvolumen zur mittleren Tropfenoberfläche in einem abgegrenzten Messvolumen an
Die Verdampfung der Kraftstofftropfen umfasst den Übergang von der flüssigen in die gasförmige Phase. Vereinfacht betrachtet stellt man sich z.B. eine mit heißer Luft gefüllte Kugel (Verbrennungsbombe) vor, worin sich ein der stöchiometrischen Luftmenge entsprechendes einzelnes Kraftstofftöpfchen befindet. Der Kraftstofftropfen wird durch die heiße Umgebungsluft erhitzt, was an seiner Oberfläche zum Abdampfen von Kohlenwasserstoffen führt. Zuerst dampfen dabei die niedrig siedenden und dann die höher siedenden Kohlenwasserstoffe ab. Im Laufe des Abdampfvorgangs vermischt sich der Kraftstoffdampf mit der Luft. In Abbildung 6-9 sind die Verläufe qualitativ dargestellt. Nach hinreichend langer Zeit ist der gesamte Kraftstoff verdampft und mit der Luft vermischt. Abbildung 6-9 zeigt auch, dass während des Verdampfungsvorgangs extrem unterschiedliche λ-Verhältnisse vorliegen. Zu Beginn beträgt das Kraftstoff-Luft-Verhältnis im Kraftstofftropfen λ = 0 und im restlichen Brennraum λ = unendlich. Für Ottomotoren mit λ-1-Konzept liegt nach der Verdampfung ein homogenes Gemisch mit λ= 1,0 vor. Beim Dieselmotor stellt sich ein globales λvon 1,0 ≤λ≤7,0 ein.
In Abbildung 6-10 sind tendenziell die Verläufe der Kraftstoffaufbereitung (Verdampfung) für die verschiedenen Gemischbildungsvarianten dargestellt. Je nach Qualität der Kraftstoffzerstäubung ergeben sich entsprechende Verschiebungen der Verläufe; grundsätzlich zeigt sich aber folgendes Bild: