Lachgaseinspritzung
Lachgaseinspritzung ist eine Methode zur Leistungssteigerung von Verbrennungsmotoren mit Hilfe des Sauerstoffträgers Distickstoffmonoxid (Lachgas).
Geschichte
Die Lachgaseinspritzung zur Leistungssteigerung von Verbrennungsmotoren wurde bereits vom Physikochemiker Walther Nernst um 1900 an seinem Privatauto untersucht. Im Zweiten Weltkrieg wurde diese Technik in Deutschland weiterentwickelt, um die Höhenleistung von Flugmotoren zu steigern (siehe GM-1).
Die Technik wurde dabei sowohl bei Benzin-Direkteinspritzermotoren als auch bei Dieselmotoren angewandt. Ursprünglich wurde druckverflüssigtes Lachgas in den Ansaugtrakt des Laders gespritzt, später wurde kälteverflüssigtes Lachgas verwendet, da man dafür keine schweren Druckbehälter benötigte. Neben der oxidierenden Wirkung hatte die Ladeluftkühlung ebenfalls einen nennenswerten Anteil an der Leistungssteigerung.
Technik
Die Lachgaseinspritzung ist bei nahezu allen Arten von Verbrennungsmotoren möglich. Jedoch ist ein Motor, dessen Kompression erhöht wurde oder dessen Zündzeitpunkt nach früh verändert wurde, keine optimale Ausgangsbasis. Auch diese Motoren können ein Lachgassystem erhalten, benötigen dann aber zusätzliche Veränderungen und einen Brennstoff mit einer Oktanzahl größer als ROZ 95.
Lachgas (Distickstoffmonoxid, N2O) hat die Eigenschaft, bei 575 °C in zwei Stickstoffatome und ein Sauerstoffatom zu zerfallen. Wenn deshalb bei entsprechenden Temperaturen in dem Zylinder mehr Sauerstoff pro Zylinderfüllung für die Verbrennung zur Verfügung steht, kann und muss entsprechend mehr Brennstoff pro Zylinderfüllung verbrannt werden. Bei Sauerstoffüberschuss sind Überhitzung und Zerstörung des Motors zu erwarten.
Das Verhältnis von Lachgas zu Brennstoff ist stark zu Ungunsten des Lachgases. Bezogen auf die Masse benötigt man deutlich mehr Lachgas, um eine bestimmte zusätzliche Menge Brennstoff zu verbrennen. Das Verhältnis ist dabei abhängig von der Art des Brennstoffes (Benzin, Kerosin, Heizeröl, Ethanol, Methan, Biogas, LNG, Propan, Holzgas).
Die zugrunde liegende Reaktionsgleichung lautet:
3 Moleküle n-Octan, 25 Moleküle Sauerstoff und 25 Moleküle Lachgas reagieren exotherm zu 24 Molekülen Kohlenstoffdioxid, 27 Molekülen Wasser und 25 Molekülen Stickstoff.
In dieser summierten Reaktionsgleichung sind jedoch zwei wirkliche chemische Reaktionen zusammengefasst. Das ist einerseits die Spaltung des Lachgases zu Stickstoff und Sauerstoff. Das ist andererseits die Verbrennung des n-Octans mit Sauerstoff. Beide Reaktionen sind exotherm.
Daraus ergibt sich, dass anstatt einer Lachgaseinspritzung auch eine Sauerstoffeinspritzung oder eine Lufteinblasung denkbar sind.
Lachgas hat die Siedetemperatur −88,48 °C bei dem Druck 101,325 kPa.
Deshalb sinkt die Ansauglufttemperatur um etwa 20 °C. Das ist eine essentielle Eigenschaft der Lachgaseinspritzung, weil durch diesen gekühlten Gasstrom die thermische Belastung des Motors reduziert wird. Durch diese Abkühlung wird ebenfalls die Menge der Brennstoff- und Sauerstoffmoleküle pro Volumen deutlich gesteigert, sodass eine höhere Energiemenge pro Volumen zur Verfügung steht und so die Leistung des Motors um bis zu 55 % und, bei entsprechenden (starken) Veränderungen, sogar um mehrere 100 % gesteigert werden kann.
Grundlegende Varianten der Lachgaseinspritzung
„Dry System“ (trockenes System) Hierbei wird nur Lachgas eingespritzt; der erforderliche zusätzliche Kraftstoff muss von der Kraftstoffeinspritzanlage bzw. von dem/den Vergaser(n) des Motors geliefert werden. Diese Variante ist die unsicherere, da kein einheitliches Gemisch für jeden Zylinder entsteht und die maximale Leistungsfähigkeit von serienmäßigen Einspritzdüsen / Vergasern schnell erreicht ist. Von diesem Punkt an reicht der Kraftstoff nicht mehr für das zugeführte Lachgas und der Motor magert ab, was heißt, dass er zu wenig Kraftstoff und zu viel Sauerstoff bekommt, wodurch eine sogenannte klopfende Verbrennung entstehen kann, die wiederum Schäden am Motor verursachen kann (abgebrannte Zündkerzen, Ventile, Kolben).
„Wet System“ (nasses System) Hierbei wird Lachgas zusammen mit Benzin über eine oder mehrere Mischdüsen, die Bestandteil des Systems sind, eingespritzt. Der Vorteil besteht darin, dass ein fertiges Gemisch eingespritzt wird und alle Zylinder das gleiche Mischungsverhältnis haben. Auch die maximale Durchlassmenge ist bei solchen Düsen weit höher, d. h. man kann mehr Kraftstoff einspritzen. Moderne Mischdüsen liegen bei einem Durchlass für max. ca. 20 PS pro Düse. Spezielle Düsen entwickeln ein Potential von bis zu 40 PS pro Düse.
Sogenannte Direct Port Systeme verfügen statt nur einer Einspritzdüse für den ganzen Motor über mindestens eine Einspritzdüse pro Zylinder. Da eine Einspritzdüse max. 20 PS leisten kann, sind bei einem Achtzylindermotor dann theoretisch bis zu 160 PS Mehrleistung möglich. Diese Systeme sind aber manchmal auch dann erforderlich, wenn eine relativ geringe Leistung angestrebt wird, beispielsweise bei offenen Einzeldrosselklappenanlagen. Direct Port Systeme können „wet“ oder „dry“ sein.
Betriebsdauer und Betriebskosten
Mit einer moderaten Mehrleistung (Serientriebwerke vertragen i. d. R. bis 20 PS Mehrleistung pro Zylinder), könnte man eine 10 lb-Flasche (Standardgröße bei amerikanischen Systemen) am Stück leeren. Das dürfte aber nur schwer möglich sein, da die Endgeschwindigkeit lange vorher erreicht wird und eine Zuführung der Mehrleistung dann nicht mehr sinnvoll ist. Lachgas kostet momentan je nach Anbieter etwa 5–8 Euro pro lb, eine 10 lb Flasche reicht bei 50 PS Mehrleistung für ca. 4–5 Minuten Einsatzdauer, die tatsächliche Einsatzdauer ist stark flaschendruckabhängig. Der Kraftstoffverbrauch steigt im Verhältnis zur Mehrleistung an, was aber bei Mehrleistungen bis 150 PS wegen der relativ kurzen Einsatzdauer nicht sonderlich ins Gewicht fällt.
Der große Vorteil der Leistungssteigerung mittels Lachgas ist die hohe Leistungsausbeute zu vergleichsweise geringen Kosten, die dann aber nur relativ kurzzeitig möglich und daher nur für Beschleunigungs- und Sprintrennen optimal ist. Für Rundkursrennen etc. ist ein Lachgassystem nicht gut geeignet.
Die Lachgaseinspritzung darf allerdings nicht mit einer Nitro-Einspritzung verwechselt werden. Bei diesen Systemen wird zusätzlich noch Nitromethan eingespritzt. Dadurch fällt die Leistungsausbeute zwar noch höher aus, allerdings auf Kosten des Motors, da die thermische und mechanische Überbeanspruchung des Motors enorm ist.
Betriebserlaubnis in Deutschland
Lachgaskits sind in Deutschland genehmigungspflichtig, wenn man sie im Rahmen der StVZO benutzen möchte.
Eine solche Genehmigung kann nur durch zugelassene Prüfer erteilt werden. Die Genehmigung kann durch eine Betriebserlaubnis#Allgemeine Betriebserlaubnis für Fahrzeuge (ABE)[1] erlangt werden, ist aber, mit höherem Aufwand, auch durch andere Prüfungsverfahren möglich. Wer weder Kosten noch Mühen scheut, kann ein voll funktionsfähiges System, das keine ABE hat, in die Fahrzeugpapiere eintragen lassen, nachdem es die Prüfung bestanden hat.
Die wesentliche Einschränkung liegt hier, ähnlich wie bei Turbo- oder Kompressorumbauten, in der maximalen Motorleistung, die häufig durch bestimmte sicherheitsrelevante Bauteile wie z. B. die Bremsanlage, die stärker als der Motor sein muss, letztendlich aber durch die Karosseriebelastbarkeit, beschränkt wird. Daher kommt es, dass häufig beispielsweise nur 30 PS Mehrleistung für PKW eingetragen bzw. genehmigt werden, was die mögliche Mehrleistung i. d. R. weit unterschreitet.
Der letzte Anbieter für Lachgaskits mit ABE war NOS1.[2] Andere Systeme, z. B. von NOS, Nitrous Express (NX), ZEX oder Venom sind ebenfalls eintragungsfähig, haben jedoch keine ABE und müssen nach anderen Verfahren geprüft und genehmigt werden. Die Flaschen dieser USA-Systeme sind in der Regel D.O.T. geprüft. Diese Form der Prüfung wird vom deutschen TÜV akzeptiert, was Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Abnahme ist.
Die Flaschen (Druckbehälter), egal ob diese deutschen oder amerikanischen Ursprungs sind, müssen einer regelmäßigen Prüfung, die den rechtlichen Anforderungen genügt, unterzogen werden.
Einzelnachweise
- ABE 91065
- Unbenanntes Dokument