Verbrennermotor neu erfunden? – Wirkungsgrad bis zu 60 %!

Kühle Flammen könnten den Wirkungsgrad von Verbrennern deutlich erhöhen. Ein interessantes Experiment fand in den vergangenen Monaten auf der ISS statt.
23.07.2023
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Quelle: ISS National Laboratory
preysler, rh2010 – stock.adobe.com
Nachdem das Verbrenneraus vom Tisch ist, wird es, Stand jetzt, Pkw mit Verbrennermotoren auch in absehbarer Zeit – VW spricht von Jahrzehnten – weiterhin geben. Motorräder waren laut offiziellen Angaben von dem geplanten Verbot ohnehin nicht betroffen.

Erhöhung des Wirkungsgrades auf bis zu 60 % möglich

Von einem interessanten Experiment auf der ISS berichtet das Online-Portal ISS National Laboratory. Dabei geht es um das Thema „Kühle-Flammen“, deren Verwendung den Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren deutlich erhöhen könnte. Demnach könnte dieser von derzeit 35 Prozent auf bis zu 60 Prozent verbessert werden. Neben der Entwicklung neuer Technologien wie Elektro- oder Wasserstoffantrieben, die sich am Markt bislang nur schwer behaupten können, erscheint es sinnvoll, auch an bestehenden weitverbreiteten Technologien zu forschen und diese weiter effizienter zu machen. Auch neue Entwicklungen, die den Verbrennungsmotor effizienter gestalten, verbessern schlussendlich die CO₂-Bilanz und reduzieren den Schadstoffausstoß.

Auf die Temperatur kommt es an

Um die Effizienz von Verbrennungsmotoren zu verbessern und den Schadstoffausstoß zu verringern, griffen die ISS-Wissenschaftler auf das Phänomen der „Kühle Flammen“ zurück. Heiße Flammen wie bei einem Erdgasherd erreichen rund 1.700 Grad Celsius. Kalte Flammen brennen jedoch bei viel niedrigeren Temperaturen um etwa 500 Grad Celsius.

Die meisten Verbrennungsmotoren verbrennen Benzin mit einem Wirkungsgrad von 35 %. Das bedeutet, dass ein durchschnittliches Fahrzeug nur mit etwa einem Drittel der Energie angetrieben wird, die bei der Verbrennung im Motor entsteht.

Derzeit gehen 65 Prozent der Energie als Wärme verloren

Dieser Wärmeverlust entsteht auf zwei Arten: durch heiße Abgase, die aus dem Auspuffrohr des Autos austreten und die sich kaum vermeiden lassen, und durch Motorwärme, auf deren Reduktion Motorenhersteller heutzutage ihr Augenmerk lenken. Aktuelle Verbrennungsmotoren laufen sehr heiß. Auch ist ein Kühlsystem erforderlich, um die Motortemperatur für einen dauerhaften und sicheren Betrieb zu senken.

Hohe Temperaturen bedeuten einen hohen Schadstoffausstoß

Hohe Verbrennungstemperaturen erzeugen auch mehr Stickoxide (NOx). Wenn Motoren so konstruiert werden könnten, dass sie das Konzept der Chemie der „Kühlen Flammen“ umsetzen, dann würden sie kühler laufen, was gleichbedeutend damit wäre, dass sie sauberer und viel effizienter laufen könnten. Dies erfordert jedoch ein tiefgreifendes Verständnis der „Kühlen Flammen“, die auf der Erde nur schwer zu untersuchen sind. Wenn man eine Kerze anzündet, bildet sich die Flamme schnell und wandert sofort nach oben, um die typische tropfenförmige Flamme zu bilden. Das liegt daran, dass die heißen Verbrennungsprodukte aufgrund des Auftriebs durch die Schwerkraft nach oben steigen und dadurch frische Luft anziehen. Diese Strömung hält die Flamme in Gang, und der Prozess ist sehr schnell. Im Gegensatz dazu ist die Chemie der kalten Flamme sehr langsam und erzeugt eine schwache Flamme, die länger braucht, um sich zu entwickeln. Auf der Erde bewegt sich der Auftrieb so schnell, dass er kalte Flammen fast sofort erstickt, weshalb die Forscher den Umweg über das All und die ISS wählten. Um „Kühle Flammen“ besser untersuchen zu können, benötigten Wissenschaftler eine Umgebung, in der die Schwerkraft und damit der Auftrieb beseitigt sind. Ein Forscherteam unter der Leitung von Peter Sunderland, einem Professor für Brandschutztechnik an der University of Maryland, nutzte das National Laboratory der Internationalen Raumstation (ISS). In einer von der US-amerikanischen National Science Foundation finanzierten Untersuchung wollte das Team die Mikrogravitation nutzen, um eine neue, noch nie dagewesene Art von „Kühler Flamme“ zu erzeugen, die wertvolle Daten zur Verbesserung von Verbrennungsmodellen liefern sollte.

Auf der Erde bekommt man Auftrieb, sobald man eine Flamme entzündet und die Gase bewegen sich so schnell, dass die langsamen chemischen Prozesse nicht beobachtet werden können. Im Weltraum gibt es eine bessere Umgebung, in der die Moleküle für eine Sekunde oder länger in der Flamme verweilen, und dann kann man diese wirklich langsame, seltene Art von Chemie nutzen, sie aufzeichnen und etwas darüber lernen.“
Peter Sunderland, Leiter des Forscherteams von der University of Maryland

Verbrennungstemperatur über 1.000 Grad Celsius reduziert

Übliche Flammen wie die eines Gasherds, erreichen Temperaturen von 1.700 Grad Celsius. Im Gegensatz dazu brennen kühle Flammen bei viel niedrigeren Temperaturen ab, die in der Regel nicht über 550 Grad Celsius liegen.
Wenn hohe Verbrennungstemperaturen das Problem darstellen, könnte die Chemie der „Kühlen Flamme“ die Lösung sein. Aber indirekt und nicht in der Art und Weise, wie man zunächst annimmt. Kühlere Verbrennungstemperaturen im Motor können nicht durch kühle Flammen selbst erreicht werden – der Motor würde immer noch mit heißen Flammen laufen –, sondern durch die Einbindung einer kühlen Flammenchemie, die es ermöglicht, der Verbrennung zusätzliche Luft hinzuzufügen.

Luft spielt eine entscheidende Rolle bei dem Konzept der kühlen Flamme

Bei Verbrennungsmotoren erfolgt die Verbrennung, indem Kraftstoff und Luft in einem bestimmten Verhältnis gemischt und anschließend komprimiert werden. Durch eine Zündkerze wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet. Wenn es Motorenherstellern gelänge, die gleiche Menge an Kraftstoff durch den Motor zu leiten, jedoch mit doppelt so viel Luft, würde der Motor deutlich kühler laufen. Der Motor könnte unter Umständen sogar ohne ein herkömmliches Kühlsystem auskommen. Dies würde bedeuten, dass weniger Energie in Form von Motorwärme verlorenginge, und auch die Emission von Stickoxidschadstoffen (NOx) würde reduziert. Allerdings würde eine Zündung mit einer Zündkerze bei Motoren, die mit doppelt so viel Luft betrieben werden, nicht mehr funktionieren. Die Flammen würden entweder erlöschen oder sich zu langsam durch das Kraftstoff-Luft-Gemisch ausbreiten, erklärte Peter Sunderland. Stattdessen müsste die Zündung allein durch Kompression erfolgen.
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Bei Motoren ist der Zündzeitpunkt entscheidend. Bei Motoren mit Fremdzündung kann der Zündzeitpunkt genau gesteuert werden, wenn die Flammen heiß und stark sind. Bei künftigen ultraschlanken Selbstzündungsmotoren werden die ersten Reaktionen die kühle Flammenchemie betreffen, die dann die heißen Flammen entzünden, die das Auto antreiben.“
Peter Sunderland, Leiter des Forscherteams von der University of Maryland

Kühle Flamme wurde bereits 1810 entdeckt

Die erste Entdeckung der kalten Flamme wurde bereits im Jahr 1810 gemacht, als der britische Chemiker Sir Humphry Davy während seiner Untersuchungen zur Verbrennung auf die kalte Flamme stieß. Er machte diese zufällige Entdeckung, während er sicherere Lampen für Bergleute entwickelte. Fast zwei Jahrhunderte später, genauer gesagt im Jahr 2012, wurde auf der Internationalen Raumstation eine andere Art von kalter Flamme entdeckt, diesmal durch einen weiteren zufälligen Vorfall. Bei dieser Entdeckung handelte es sich um kühle Diffusionsflammen. Im Gegensatz zu den kühlen Flammen von 1810 entstehen kühle Diffusionsflammen in Systemen, in denen der Brennstoff und ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Sauerstoff, nicht bereits vorab vermischt sind. Stattdessen diffundieren der Brennstoff und das Oxidationsmittel zueinander, und die Flamme entsteht an dem Ort, an dem sie aufeinandertreffen. Für ihre Experimente auf der ISS nutzten die Forschenden keinen flüssigen, sondern gasförmigen Treibstoff. Zwar entstehen kühle Flammen in der Regel bei Flüssigtreibstoffen, doch die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollten die Grenzen der kalten Flamme ausloten. Genauer gesagt ging es darum, den Brennstoff mit den kleinsten Molekülen zu finden, mit dem sich solch eine kühle Flamme erzeugen lässt.

Neue Art von kühler Flamme gesucht und gefunden

Der Versuchsaufbau auf der Raumstation umfasste eine abgedichtete Brennkammer (ungefähr so ​​groß wie ein kleiner Büromülleimer), die mit einem Sauerstoff-Stickstoff-Gemisch gefüllt war. Im Inneren befand sich eine Kugel aus gesinterten Metallspänen, durch die Gas strömte. Ein Zünder startete die Verbrennung. Das Team testete die drei Kraftstoffe (Butan, Propan und Ethan) mit unterschiedlichen Kraftstoff- und Sauerstoffkonzentrationen und unterschiedlichem Druck. Ziel war es, die genauen Bedingungen zu finden, die erforderlich sind, um aus gasförmigem Brennstoff eine kühle Diffusionsflamme zu erzeugen. Die Forschungen waren ermüdend und schlugen zunächst fehl, dachte man zumindest. Es dauerte eine gewisse Zeit, bis das Team die Messungen zu „Kühlen Diffusionsflamme“ richtig interpretierten. Anhand der gewonnenen Daten im Weltraum konnten diese nachgewiesen werden, was im Umkehrschluss bedeuten könnte, dass der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren von 35 Prozent auf bis zu 60 Prozent durch die Anwendung von kühler Diffusionstechnologie gesteigert werden kann.
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