Lachgaseinspritzung

Eine Lachgas-Druckflasche des Herstellers NOS, wie sie in Pkw verwendet werden könnte.

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 verwendet und 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 (als Benzin-Direkteinspritzer ausgeführten) Benzinmotoren 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, die zudem bei Beschuss explodieren konnten. Neben der oxidierenden Wirkung hatte die so erzielte Ladeluftkühlung ebenfalls einen nennenswerten Anteil an der Leistungssteigerung.

Die Technik

Ein Lachgassystem steigert die Motorleistung über eine Drehmomenterhöhung.

Die Lachgaseinspritzung ist bei nahezu allen Arten von Verbrennungsmotoren möglich, jedoch ist ein Motor, dessen Kompression erhöht (z.B. durch Planen des Zylinderkopfs bei sonst unverändertem Motor) oder dessen Zündzeitpunkt (nach früh z.B. durch "Chip-Tuning") verändert wurde, keine optimale Ausgangsbasis. Auch diese Triebwerke können ein Lachgassystem erhalten, benötigen dann aber zusätzliche Veränderungen und Benzin mit hoher Oktanzahl.

Lachgas (Distickstoffmonoxid, N₂O) hat die Eigenschaft, bei 575 °C in zwei Stickstoffatome und ein Sauerstoffatom zu zerfallen. Da nun zusätzlicher Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung steht, entsteht eine schnellere und vor allem energiereichere Verbrennung.

Diese Verbrennung benötigt aber unbedingt zusätzlichen Kraftstoff, da die Mehrleistung nur aus dem extra Kraftstoff gewonnen wird, der nun, dank des zusätzlichen Sauerstoffs, in der gleichen Zeit verbrannt werden kann. Grundsätzlich kann man sagen, dass jedes "Leistungs-Tuning" darauf abzielt, mehr Kraftstoff in der gleichen Zeitspanne effektiv zu verbrennen. Der Sauerstoff ist also nur Mittel zum Zweck. Würde man dem Motor den zusätzlichen Kraftstoff vorenthalten, wäre die zusätzliche Leistungsausbeute allerhöchstens gering und das Gemisch würde ggf. gefährlich abmagern, was zu Verbrennungsaussetzern und überhöhten Brennraumtemperaturen mit Beschädigungen als Folge führen kann.

Das Verhältnis von N₂O zu Benzin liegt stark zu Ungunsten des Lachgas, man benötigt, bezogen auf die Masse, immer deutlich mehr N₂O um eine bestimmte Menge Kraftstoff effektiv zu verbrennen. Das Verhältnis ist dabei abhängig von der Art des Kraftstoffes (Benzin, Diesel, Alkohol, Propan etc.).

Die zu Grunde liegende Reaktionsgleichung lautet:

$\mathrm{3 \ C_8H_{18} + 25 \ O_2 + 25 \ N_2O \longrightarrow 24 \ CO_2 + 27\ H_2O + 25 \ N_2 \!}$

Bei genauerer Betrachtung dieser Formel und dem Vergleich mit der herkömmlichen Verbrennung von Benzin mit Luft kommt man darauf, dass auf Grund des höheren Sauerstoffgehalts von Lachgas ca. 21,5% mehr Benzin verbrannt werden können ^[1].

Da das flüssige Lachgas eine Temperatur von –88 °C hat, senkt sich die Ansauglufttemperatur um etwa 20 Kelvin. Dies ist eine essentielle Eigenschaft der Lachgaseinspritzung, da durch diesen gekühlten Gasstrom die thermische Belastung des Motors reduziert wird. Durch diese Abkühlung wird ebenfalls die Menge der Brenn- und Sauerstoffmoleküle pro Volumeneinheit deutlich gesteigert, so dass eine höhere Energiemenge pro Volumeneinheit 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 man kein einheitliches Gemisch für jeden Zylinder erreicht und die max. 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 s.g. 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 Mischdüse(n), die Bestandteil des Systems ist/sind, eingespritzt. Der Vorteil besteht darin, dass ein fertiges Gemisch eingespritzt wird und alle Zylinder ein gleiches 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. 200PS pro Düse. Spezielle Düsen entwickeln ein Potential von bis zu 400PS pro Düse.

So genannte Direct Port Systeme, sind Systeme, die, statt nur einer Einspritzdüse für den ganzen Motor, über mindestens eine Einspritzdüse pro Zylinder verfügen. Wenn man bedenkt, dass eine Einspritzdüse max. 200PS leisten kann, ist klar, dass bei einem 8-Zylinder Motor dann theoretisch bis 1600PS Mehrleistung möglich sind. Diese Systeme sind aber manchmal auch dann erforderlich, wenn man eine relativ geringe Leistung anstrebt, z.B. bei offenen Einzeldrosselklappenanlagen etc.. Direct Port Systeme können Wet oder Dry Systeme sein.

Betriebsdauer und Betriebskosten

Mit einer moderaten Mehrleistung (Serientriebwerke vertragen i.d.R. bis 20PS Mehrleistung pro Zylinder), könnte man eine 10lb 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 10lb Flasche reicht bei 50PS 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 150PS 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 ist und sie daher nur für Beschleunigungs- und Sprintrennen optimal sein lässt. Für Rundkursrennen etc. ist ein Lachgassystem nicht sehr 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.

Legalität in Deutschland

Dieser Artikel oder Absatz stellt die Situation in Deutschland dar. Hilf mit, die Situation in anderen Ländern zu schildern.

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 ABE^[2] erlangt werden, ist aber, mit entsprechend höherem Aufwand, auch durch andere Prüfungsverfahren ohne vorhandene ABE möglich. Wer weder Kosten noch Mühen scheut, kann ein voll funktionsfähiges System, das keine ABE hat, in die Fahrzeugpapiere eintragen lassen, sofern dieses die Prüfung besteht.

Die wesentliche Einschränkung liegt hier, ähnlich wie bei Turbo- oder Kompressorumbauten, in der maximalen Motorleistung, die häufig durch bestimmte sicherheitsrelevante Bauteile wie z.B. der Bremsanlage, die stärker als der Motor sein muss, letztendlich aber durch die max. Karosseriebelastbarkeit beschränkt wird. Daher kommt es, dass häufig beispielsweise "nur" 30PS Mehrleistung für PKW eingetragen bzw. genehmigt werden, was die max. mögliche Mehrleistung i.d.R. weit unterschreitet.

Der derzeit einzige Anbieter für Lachgaskits mit ABE ist NOS1. ^[3] Andere Systeme, z.B. von NOS, Nitrous Express, ZEX etc., sind ebenfalls eintragungsfähig, haben momentan jedoch keine ABE und müssen nach anderen Verfahren geprüft und ggf. genehmigt werden. Die Flaschen dieser US-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 in jedem Fall einer regelmäßigen Prüfung unterzogen werden, die den rechtlichen Anforderungen genügt.

Einzelnachweise

1. ↑ [1]
2. ↑ ABE 91065
3. ↑ nos1 - NOS-Power mit ABE