Wie kühlt Sprit und was macht eigentlich das Nitro genau?

Ich bin in manchen Beiträgen immer wieder über die Funktionen des Nitromethans und Überlegungen zur Spritkühlung gestoßen ... die nicht immer ganz kohärent sind.
Im Anhang habe ich ein kleines Statement dazu verfasst, für alle die es interessiert, was genau bei der Verbrennung abläuft. (Ist leider stark technik-lastig geworden, aber ich hoffe, es ist immer noch gut verständlich!)

quote:

Zur Kühlung: Methanol verbrennt ("saubere" Verbrennung vorausgesetzt!) 2CH3OH + 3O2 -> 2CO2 + 4H2O also 2 Teile Methanol brauchen 3 Teile Sauerstoff aus der Ansaugluft. Nitromethan dagegen verbrennt 4CH3NO2 + 3O2 -> 4CO2 + 6H2O + 2N2 auf dieselben 3 Teile Sauerstoff kommen 4 Teile Nitromethan, es benötigt also nur halb so viel Sauerstoff zum Verbrennen. In der Praxis bedeutet das, dass man einen Motor, der mit Hochprozentigem betrieben wird, auch "fetter" stellen kann (die angesaugte Luft ist ja pro Hub immer konstant, aber die tatsächlich benötigte Luft sinkt) Gleichzeitig besitzt Nitromethan mit ~ 0,6 MJ/kg eine etwa doppelt so große Verdampfungswärme wie Methanol mit ~ 0,3 MJ/kg Der Kühleffekt durch die Erhöhung des Nitromethangehalts stützt sich also auf zwei Faktoren: - Erhöhung der Durchflussmenge des Gemischs - Erhöhung der Verdampfungsenergie des Gemischs Zur Leistungssteigerung: Methanol bringt ~ 19 MJ/kg an Energie Nitromethan etwa ~ 11 MJ/kg an Energie Nachdem für den selben Luftsauerstoff doppelt so viel Nitromethan wie Methanol verbrannt werden kann, beträgt der Energiezuwachs etwa 3 MJ/kg (22MJ/kg gesamt) Die 3 MJ/kg machen energietheoretisch also magere 15% Mehrleistung aus, würde man einen Motor einerseits mit 0% Nitro, andererseits mit 100% Nitro fahren. In der Praxis kommt aber dazu, dass Nitromethan durch seine größere Explosionsfähigkeit (6-60 Vol% in Luft glaube ich) das Gemisch weitaus zündfreudiger macht, was einer Leistungssteigerung deutlich über dem theoretischen Prozentsatz entspricht, da eine schnellere und effizientere (aber sicher nicht vollständige) Verbrennung erfolgen kann. Kurzum: das Nitromethan unterstützt unsere ineffizienten Vergaser bei der Bildung eines zündfreudigen Gemisches was. m.M. den Löwenanteil an der Mehrleistung ausmacht. (nebst anderen angenehmen Nebeneffekten wie besseres Laufverhalten und Einstellbarkeit) Dazu noch folgendes Statement: ---- Durch den höheren Energiemsatz ist der Kühlvorteil kleiner als der Hitzenachteil. ---- ... trifft umso mehr zu, je schlechter die Gemischbildung im Motor ist (also je größer die Mehrleistung durchs Nitromethan) Bei einer von Haus aus "guten" Verbrennung wäre die Kühlwirkung doppelt so groß, der Leistungszuwachs aber nur etwa 15% ergo würde der Motor trotz höherer Leistung viel kühler laufen. Was hat das alles mit der Kompression zu tun? ... nachdem bei fetterer Gemischeinstellung mehr Sprit in den Motor gelangt, dessen Brennraumvolumen aber konstant bleibt, steigt natürlich der Kompressionsdruck ("Flüssigkeiten lassen sich nicht komprimieren") Dem kann man entgegen wirken, in dem der Brennaumdeckel aufgebockt wird. Das Kompressionsvolumen wird also vergrößert, wenn der Motor mit höherem Nitromethananteil betrieben wird, als er ausgelegt wurde.

Hallo aaron,

schön zusammengestellt aber icht überall ganz richtig (interpretiert). Gröbster Schnitzer ist der hier:
Was hat das alles mit der Kompression zu tun?

... nachdem bei fetterer Gemischeinstellung mehr Sprit in den Motor gelangt, dessen Brennraumvolumen aber konstant bleibt, steigt natürlich der Kompressionsdruck ("Flüssigkeiten lassen sich nicht komprimieren")
Dem kann man entgegen wirken, in dem der Brennaumdeckel aufgebockt wird. Das Kompressionsvolumen wird also vergrößert, wenn der Motor mit höherem Nitromethananteil betrieben wird, als er ausgelegt wurde.

Warum? ganz einfach, Flüssigkeiten brennen nicht!, nur Gase. Alles was du bei heißem Motor reindüst in den Vergaser verdampft (und kühlt damit) zu Gas. Erst das Gas wird dann komprimiert. Wäre es wirklich Flüssigkeit gibts einen Schlag und der Motor ist tot da Flüssigkeiten tatsächlich nicht nenneswert komprimierbar sind.
Die Kompression wird zurückgenommen um den Zündzeitpunkt zurückzunehmen. Hohe Verdichtung = heißeres Gas = frühere Zündung und wie bei den großen Motoren klopfende Verbrennung. da Nitro nun schneller und leichter zündet hätte man erstens zu viel Frühzündung und zweitens dadurch klopfende Verbrennung (vor allem bei niedrigeren Drehzahlen). Allein aus dem Grund wird die verdichtung gesenkt bei höherem Nitroanteil und so der Kurbeltrieb mechnisch geschont bei besserer Endleistung.

Gruß

Andi

Das von RT Andreas beschriebene Problem hatte ich am eigenen Motor erleben dürfen. Durch verfrühte Zündung (falsches Spaltmaß) ergaben sich bereits nach geringer Laufleistung, Ratterspuren am Hauptlager.

Hallo Andreas,

Da muss ich dir recht geben, der Absatz ist unglücklich formuliert!
Im Prinzip geht's wie du schon geschrieben hast darum, dass man mit höherem Nitrogehalt mehr an Gemisch in den Brennraum einfüllt, als eigentlich vorgsehen, weil das Verhältnis Gas (Ansaugluft) Flüssigkeit (Sprit) am Vergasereinlass zugunsten der Flüssigkeit geändert wird, was in Summe dann mehr Gas im Brennraum ausmacht und die höhere Kompression, Wärmeentwicklung und damit Vorzündung mitbringt.


Aber: @Flüssigkeiten kann man nicht komprimieren - Wäre es wirklich Flüssigkeit gibts einen Schlag und der Motor ist tot

Der Sprit verdampft nicht vollständig im Motor - wär' ja auch dumm
Zudem ist der Brennraum nicht voll von Flüssigkeit, sondern nur mit dem Rest von jenem bißchen, was mit der Ansaugluft mit geht. Damit verringert sich aber das Brennraumvolumen weiter, im Vergleich zur mageren Einstellung.

Was du meinst, ist ein abgesoffener Motor, der wär tatsächlich tot, wollte man ihn durchdrehen.

Hm,

also es scheint doch nicht ganz klar zu sein was wann wie und warum passiert. Lassen wir mal alles weg was Steuerzeiten oder Mechanik betrifft um es einfacher zu machen.
Hauptgrundsätze bei Motoren ist:
Nur was man reinschüttet kann auch rauskommen!
Daraus folgt u.a. je höher die Drehzahl um so höher die (mögliche)Leistung, da pro Zeiteinheit mehr Masse durchgesetzt wird.
Je höher die Drehzahl um so schneller muß das Gemisch abbrennen, bzw früher gezündet werden.
Volumen i(druckabhängig) st bei Motoren egal, allein die Masse zählt und deren (oberer)Heizwert.
Also kann ein Motor immer nur ein definiertes Luftvolumen je nach Druckverhältnis und Temperatur und damit ne bestimmte Sauerstoffmasse ansaugen pro Hub. Zu dieser Sauerstoffmasse X braucht man genau y Masse an Brennstoff für optimale Verbrennung. Das wird aber zu heiß, daher geht man in der Praxis immer Richtung fetter. Das hat nix mit "Kühlung" durch Verdampfen zu tun, sondern die Flammtemperatur selbst wird niedriger so wie beim Bunsenbrenner/Autogenschweißen mit blauer oder gelber Flamme!
Fett bedeutet aber, irgendwann brennt es nichtmehr / nichtmehr schnell genug => das muß man nun durch Nitro ändern. Dank dem chemisch gebundenen Sauerstoffanteil im Nitro zerfällt das leicht und brennt sehr schnell ab, vieel schneller als Methanol/Luft allein. Leider sinkt damit aber auch die Oktanzahl und der Motor kann klingeln, klopfen.
Nitro dient daher in erster Linie als Zündbeschleuniger, vor allem für höchste Drehzahlen (ist ja klar) aber auch!! für stabilen Leerlauf, da dort oft sehr fettes Gemisch vorliegt. Man kann dafür auch z.B. Propylenoxid nehmen.
Bei Nitrozusatz muß man die Verdichtung senken da es sonst klopfende Verbrennung gibt so wie wenn man statt Super Normalbenzin im Auto tankt. Das hat nix mit "Flüssigkeit" zu tun. Das Einzige was eventuell anfangs flüssig ist im Brennraum ist der Ölanteil im Sprit. Nitro und Methanol verdampfen komplett da sie sehr früh schon sieden. Auch das Öl wird großteils Dampf (außer dem das an der Wandung hängt) und trägt so die Hitze raus aus dem Motor.
Mit Nitro stellt man zwar Richtung "fett" aber Nitro selbst benötigt ja auch weniger Sauerstoff. Das überströmende Gemisch dagegen wird nicht mehr, das ist ja "mechanisch begrenzt" durch Hubraum und Drehzahl (Resonanzaufladung) beim 2takter. Bei 4takter mit Aufladung wäre es möglich mehr reinzupacken.
Die Energie die ein Motor ausgibt ist nur vom sogenannten Gemischheizwert abhängig, alles andere ist ihm egal. So ist bei gleichem Gemischheizwert der Verbaruch an Benzin nur halb so hoch wie bei Methanolbetrieb, einfach weil Methanol eben nur die Hälfte Heizwert (und auch Luftverbrauch für Verbrennung hat) Der Gasanteil bleibt aber bei einm Liter Hubraum immer rund 1l Gas pro Zündung. Nur einmal hast du eben 100%Methanolmasse drin und einmal 50% Benzinmasse für die optimale Verbrennung. Der Energieinhalt des Liters Gemisch ist dabei glich. Bei Methanol und Nitro ist es ebenso, das Gemischvolumen ändert sich nicht, nur die Brenngeschwindigkeit und Zündfähigkeit. Passen die beiden letzten faktoren optimal zueinander und zum Motor, so gibt das dann eine Leistungssteigerung. Daher läuft auch nicht jeder Motor mit Standardsprit optimal und man kann durch variieren am Motor - oder Sprit das Optimum finden.

Gruß

Andi

P.S.

Wers nicht glaubt kann ja mal Dieethylether = normale Ether dem Methanolsprit zusetzen. Statt ca 117 Oktan wie reines Methanol sinkt die Oktanzahl drastisch weit unter 80 Oktan ab. Ether zündet auch schon bei 180°C, siedet bei ca 34°C also sozusagen ein "Extremnitro" was die schlechten Eigenschaften in Methanolern angeht. Der Motor wird nie richtig laufen und nageln, klopfen, toben sollte er mal tatsächlich laufen. Da man dazu nur geringste Zusatzmengen braucht ändert sich auch praktisch nix am Gemisch bzw fetter/magerere Einstellung.

irre, dass die Dinger überhaupt laufen, bei dem Haufen Zeug, der da passieren muss

Ich war auch nicht ganz mit dem ersten Bericht einverstanden,deshalb habe ich mal einen spezi befragt. Hier ist seine Antwort.



Der obige Beitrag ist recht fehlerhaft.

Der spezifische Verdampfungswärmebedarf von Nitromethan liegt bei lediglich ca. 48 % im Vergleich zu Methanol, es ist also genau umgekehrt.

Die verstärkte innere Kühlung entsteht primär durch den bei hoher Nitromethandosierung höheren Methanoldurchsatz im Vergleich zur stöchiometrischen Verbrennung von purem Methanol.

Nitromethan selbst steigert die Leistung nur indirekt, da sein Heizwert deutlich niedriger als der vom Methanol ist.

Dadurch dass Nitromethan bei gleichem Fanggrad den Sauerstoffeintrag pro Hub erhöht, kann auf diesem Wege mehr vom Energieträger Methanol zugeführt werden, was ansonsten zur Zündunfähigkeit des Gemisches führen würde.

Bezüglich der Vergrößerung des Brennraumvolumens liegt die Aussage reichlich daneben, da vergaster Kraftstoff selbstverständlich komprimierbar ist. Da der Fanggrad gleich bleibt, bleibt auch der Verdichtungsdruck gleich. (Käme der Kraftsoff im flüssigen Aggregatzustand in den Brennraum, ließe er sich nicht entflammen.)

Die Kompression muß deshalb vermindert werden, weil die größere Volumenbildung der gezündeten Brandgase nicht mehr der Relation des hubraumspezifischen Fangrades entspricht.

Weitere ausführliche Informationen zu diesem Thema finden sich im Fachbuch "Modellmotoren praxisnah".


i. A. W. Frings

hm, überwiegend fast dasselbe, was als falsch bezeichnet wird, in andere Worte verpackt, oder?

Zur Verdampfungswärme von Nitromethan und Methanol: Es wäre ungeschickt, die Verdampfungswärme zum jeweiligen Siedepunkt unter Normaldruck heranzuziehen, (wie es im besagten Buch teils getan wurde) daher würde mich - ehrlich - interessieren, wie die Verhältnis von 1:0,48 zugunsten des Methanols zustande kommt? Oder kann man wirklich annehmen, dass die Druckverhältnisse im Motor keine Auswirkung auf die Siedepunkte haben?

Zur Leistungssteigerung durch Nitromethan

quote:

Nitromethan selbst steigert die Leistung nur indirekt, da sein Heizwert deutlich niedriger als der vom Methanol ist.

bitte meinen Kommentar zu dieser Feststellung im ersten Posting beachten. Dazu:
Explosionsgrenzen Methanol:
3,4 -15,0 Vol.-% (in Luft)
Explosionsgrenzen Nitromethan:
7,3 - 63,0 Vol.-% (in Luft)

Eine auch nur halbwegs stöchiometrisch korrekte Verbrennung ist bei unseren Motoren Wunschdenken. > Der beste Heizwert nützt nichts, wenn die Verbrennung durch falsche Dosierung bloß unvollständig abläuft, und Methanol ist hier eben mehr als fünf Mal sensibler als Nitromethan.

quote:

Dadurch dass Nitromethan bei gleichem Fanggrad den Sauerstoffeintrag pro Hub erhöht, kann auf diesem Wege mehr vom Energieträger Methanol zugeführt werden,

Auch hier: Aufgrund der bei weiten höheren Zündfreudigkeit des Nitromethans muss davon ausgegangen werden, dass es nicht als Sauerstoffträger für die Methanolverbrennung zur Verfügung stehen kann, sondern allenfalls selbst ohne weitere Sauerstoffzugabe "vorrangig" (nämlich nach der katalytischen Erstzündung des Methanols) verbrennt - was aber ebenfalls schon eine sehr gewagte Annahme wäre.

An dieser Stelle gibt es im zitierten Buch auch eine kleine Unstimmigkeit: Wenn der Rückstand einer Nitromethanverbrennung Salpetersäure wäre, dann könnte es nicht gleichzeitig "den Zündbereich des Methanols durch Sauerstofffreigabe erweitern" (Modellmotorenpraxis, S118 )

Abgesehen davon ist es eine Glaubensfrage - nämlich diejenige, ob es es unsere Vergaser für die Betriebsanforderungen im Offroad-Modell tatsächlich schaffen, ein stöchiometrisch halbwegs korrektes Gemisch zur Verfügung zu stellen, welches sich "nach dem Methanol richtet" (Modellmotorenpraxis, S117)
Für Flug-, Helimotoren und besser geregelte Motoren mag das stimmen, hier garantiert nicht.

Dazu muss vielleicht erwähnt werden, dass sich "Modellmotorenpraxis" - so sehr ich dieses Buch im Allgemeinen schätze - doch sehr stark an die Spielregeln der Fliegerei hält, weshalb es im Automodellbereich zu Trugschlüssen kommt, wie man sieht.

... und nein, ich möchte nicht nochmal erwähnen, dass es wenig lustig wäre, würde der gesamte Sprit vergast werden.

Aber unsere Diskussion ist damit schon weit weg von der RC-Praxis, und für die auch nicht mehr sinnvoll.
Daher möchte ich gar nicht mehr soviel dazu schreiben, und halte es wie ferdi