Autos verbrennen Benzin. Das ist das Grundangebot. Aber Verbrennung ist eine chemische Reaktion, die Sauerstoff erfordert. Normalerweise saugen wir einfach die Luft um uns herum ein. Die Atmosphäre besteht zu etwa 21 Prozent aus Sauerstoff. Der Rest? Hauptsächlich Stickstoff. Stickstoff kümmert sich nicht um die Verbrennung. Es ist träge. Es hängt einfach im Zylinder herum und nimmt Platz ein, der für mehr Sauerstoff genutzt werden könnte.
Sauerstoff bestimmt, wie viel Kraftstoff ein Motor verbrauchen kann. Das stöchiometrische Verhältnis für Benzin beträgt etwa 1:14. Ein Gramm Kraftstoff benötigt zur vollständigen Verbrennung 14 Gramm Sauerstoff. Wenn Sie überschüssigen Kraftstoff haben, verlässt dieser einfach das Auspuffrohr als unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Schadstoff. Abfall.
Hier ist das Gedankenexperiment. Was wäre, wenn ein Auto nicht auf Umgebungsluft angewiesen wäre? Was wäre, wenn es seinen eigenen Vorrat mit sich führen würde? Reiner Sauerstoff.
Das Einatmen von 100 Prozent Sauerstoff anstelle von 21 Prozent verändert die Rechnung. Sie sehen eine etwa fünfmal höhere Sauerstoffaufnahme. Mehr Sauerstoff bedeutet, dass bei jedem Hub mehr Kraftstoff verbrannt werden kann. Und mehr verbrannter Kraftstoff bedeutet mehr Leistung.
Aus einem 100-PS-Motor würde effektiv ein 500-PS-Motor werden.
Das klingt nach dem ultimativen Upgrade. Mehr Leistung. Weniger Kraftstoffverschwendung. Aber es gibt einen Haken. Ein großes.
Das Hitzeproblem
Feuer liebt Sauerstoff. Mehr Sauerstoff macht das Feuer heißer. Und schneller.
Verbrennungsmotoren arbeiten bereits bei Temperaturen, die Stahl schmelzen lassen. Dies gelingt ihnen mit Kühlsystemen, speziellen Materialien und sorgfältigem Timing. Reinen Sauerstoff in diese Mischung pumpen? Es wird heiß. Wirklich heiß.
„Die Verbrennungstemperatur würde in die Höhe schießen und die Motorkomponenten wahrscheinlich fast augenblicklich zerstören.“
Sie benötigen Materialien, die extremen thermischen Belastungen standhalten. Standard-Aluminiumkolben würden wahrscheinlich schmelzen. Stahlventile können sich verziehen oder reißen. Unter der thermischen Belastung könnte der Motorblock versagen.
Lagerung und Sicherheit
Sauerstoff ist nicht nur ein Gas, das Sie in einem normalen Kraftstofftank aufbewahren können. Es erfordert Hochdruckspeicherbehälter. Denken Sie an Hochleistungstanks aus Verbundwerkstoff. Das erhöht das Gewicht. Vieles davon.
Dann ist da noch der Sicherheitsaspekt. Sauerstoff unterstützt die Verbrennung. Dadurch entsteht ein Feuer leichter und das Brennen wird stärker. Ein Leck im Sauerstoffsystem in der Nähe heißer Abgaskomponenten? Das ist nicht nur eine Brandgefahr. Es besteht Explosionsgefahr.
Der Umgang mit reinem Sauerstoff erfordert spezielle Ausrüstung. Dichtungen müssen sauerstoffrein sein. Schmierstoffe müssen nicht brennbar sein. Gewöhnliches Fett kann sich in einer sauerstoffreichen Umgebung entzünden. Der Wartungsaufwand für ein solches System wäre enorm.
Effizienz vs. Praktikabilität
Auf dem Papier sind die Effizienzgewinne real. Sie können mehr Kraftstoff verbrennen und mehr Energie gewinnen. Aber die praktischen Hürden sind immens. Allein das Wärmemanagement würde eine komplette Neukonstruktion der Kühl- und Abgassysteme des Motors erfordern.
Die meisten Autos transportieren keinen reinen Sauerstoff. Sie sind auf den kostenlosen Nachschub in der Luft angewiesen. Der Kompromiss ist Einfachheit. Und Zuverlässigkeit.
Wenn man die Wärme- und Speicherprobleme lösen könnte, hätte man einen hocheffizienten Motor. Aber im Moment überwiegen die technischen Herausforderungen den Leistungszuwachs. Die Luft, die wir atmen, ist aus einem bestimmten Grund verdünnt. Es fungiert als natürlicher Puffer.
Während also die Idee einer Fünf-Stufen-Steigerung verlockend ist, ist die Realität ein logistischer Albtraum. Wir bleiben bei der Luft. Es ist chaotisch. Es ist
Das Volumenproblem mit reinem Sauerstoff
Sie fragen sich vielleicht, warum wir nicht einfach einen Tank mit reinem Sauerstoff auf die Motorhaube eines Autos schnallen und es leichter atmen lassen. Die kurze Antwort ist Physik. Sauerstoff ist unglaublich sperrig. Selbst wenn man es komprimiert, ist es aufgrund des schieren Volumens, das zum Verbrennen von Kraftstoff erforderlich ist, unpraktisch.
Schauen wir uns die Zahlen an. Eine Gallone Benzin wiegt 6,2 Pfund. Um diesen Kraftstoff vollständig zu verbrennen, benötigt ein Motor 86,8 Pfund Sauerstoff. Das ist ein Gewichtsverhältnis von 14 zu 1. Aber das Gewicht ist nicht das Problem der Lagerung; Raum ist. Sauerstoff ist ein Gas, das heißt, es ist leicht und expansiv. Ein Pfund Sauerstoff nimmt 11,2 Kubikfuß ein.
Rechnen Sie mit einer Gallone Gas und Sie erhalten 972,16 Kubikfuß Sauerstoffbedarf. Stellen Sie sich nun einen normalen 20-Gallonen-Benzintank vor. Um diesen Treibstoff zu decken, müsste man fast 20.000 Kubikfuß Sauerstoff mitführen. Dieses Volumen würde allein für das Oxidationsmittel ein Haus mit einer Grundfläche von 2.500 Quadratmetern füllen.
Komprimierung löst das Platzproblem nicht
Das Komprimieren des Gases hilft, reicht aber nicht aus. Wenn Sie den Sauerstoff auf 3.000 psi unter Druck setzen, reduzieren Sie den Speicherbedarf auf etwa 100 Kubikfuß. Ist das beherrschbar?
Betrachten Sie eine Standard-Tauchflasche. Es fasst etwa 80 Kubikfuß Luft. Um den Sauerstoff für eine volle Tankfüllung zu speichern, bräuchte man 250 Tauchflaschen. Das ist kein kleiner Kanister. Das ist ein Lagerhaus.
Lachgas: Der praktische Kompromiss
Aus diesem Grund verwenden Rennfahrer und Tuner stattdessen Lachgas. Lachgas ($N_2O$) ist ein Gas, das sich unter Druck verflüssigt. Durch diesen Phasenwechsel können Sie eine große Menge Oxidationsmittel in einer relativ kleinen Flasche aufbewahren. Beim Einspritzen in den Einlass zerfällt es in Stickstoff und Sauerstoff. Der Motor kümmert sich um den Sauerstoff. Der Stickstoff ist meist ein inerter Füllstoff.
Der Kompromiss ist die Dauer. Ein typisches Lachgassystem liefert nur ein bis drei Minuten Boost, bevor die Flasche leer ist. Aber in diesem kurzen Zeitfenster kann ein Big-Block-Motor etwa 100 PS mehr leisten.
Die Gefahr von zu viel Luft
Es gibt einen Haken. Durch die Zugabe dieser Menge Sauerstoff kann der Motor mehr Kraftstoff einspritzen. Mehr Kraftstoff bedeutet mehr Leistung, aber auch deutlich höheren Zylinderdruck. Wenn der Motor nicht für die Beanspruchung ausgelegt ist, kann der zusätzliche Druck ihn zerstören.
Dies ist das gleiche grundlegende Problem, das auch bei reinem Sauerstoff auftritt. Die Motorkomponenten müssten robuster, stärker und schwerer sein, um der Belastung standzuhalten. Für einen Alltagsfahrer machen ihn die großen Sauerstofftanks und die Zerbrechlichkeit des Motors zu einem Nichtstarter. Lachgas bietet eine wirksame, wenn auch vorübergehende Lösung, ohne dass eine komplette Motorerneuerung erforderlich ist.
Die technische Realität ist, dass Luft bereits das billigste und am besten verfügbare Oxidationsmittel ist. Es zu modifizieren ist einfacher als es zu tragen.
Wohin von hier aus?
Wenn Sie tiefer in die Mechanik der Verbrennungsmotoren eintauchen möchten, beginnen Sie mit den Grundlagen der Verbrennung von Gas und der Erzeugung von PS. Das Verständnis der Grenzen der Leistungsfähigkeit Ihres Motors ist ebenso wichtig wie das Verständnis seines Potenzials.
- Wie Automotoren funktionieren
- Wie Benzin funktioniert
- Wie Pferdestärken
