Двигатель на закиси азота или система закиси азота ( NOS ) — это двигатель внутреннего сгорания , в котором кислород для сжигания топлива поступает из разложения закиси азота , N 2 O, а также воздуха. Система увеличивает выходную мощность двигателя, позволяя топливу сжигаться с более высокой, чем обычно, скоростью из-за более высокого парциального давления кислорода, впрыскиваемого с топливной смесью . [1] Системы впрыска закиси азота могут быть «сухими», где закись азота впрыскивается отдельно от топлива, или «мокрыми», в которых дополнительное топливо подается в двигатель вместе с закисью азота. NOS может быть не разрешен для использования на улицах или шоссе в зависимости от местных правил. Использование N 2 O разрешено в определенных классах автогонок. Надежная работа двигателя с впрыском закиси азота требует пристального внимания к прочности компонентов двигателя и точности систем смешивания, в противном случае могут возникнуть разрушительные детонации или превышение проектных максимальных значений компонентов. Системы закиси азота применялись еще во время Второй мировой войны для некоторых авиационных двигателей.
В контексте гонок закись азота часто называют нитро или NOS . Термин NOS происходит от инициалов названия компании Nitrous Oxide Systems, Inc. (теперь бренд Holley Performance Products ) — одной из пионеров в разработке систем впрыска закиси азота для использования в автомобильной промышленности, и стал обобщенной торговой маркой . Иногда также используется Nitro , хотя это неверно, поскольку это больше относится к двигателям на нитрометане .
Когда моль закиси азота разлагается, он высвобождает половину моля молекул O 2 (газообразный кислород) и один моль молекул N 2 (газообразный азот). Это разложение позволяет достичь концентрации кислорода 36,36%. Газообразный азот не горит и не поддерживает горение. Воздух , содержащий всего 21% кислорода, остальное — азот и другие столь же негорючие и не поддерживающие горение газы, допускает максимальный уровень кислорода на 12 процентов ниже, чем у закиси азота. Этот кислород поддерживает горение; он соединяется с такими видами топлива, как бензин, спирт, дизельное топливо , пропан или сжатый природный газ (СПГ), образуя углекислый газ и водяной пар, а также тепло, которое заставляет первые два продукта сгорания расширяться и оказывать давление на поршни, приводя в движение двигатель.
Поскольку разложение N 2 O на кислород и газообразный азот является экзотермическим процессом и, таким образом, способствует повышению температуры в двигателе внутреннего сгорания, разложение повышает эффективность и производительность двигателя, что напрямую связано с разницей температур между несгоревшей топливной смесью и горячими газообразными продуктами сгорания, образующимися в цилиндрах.
Все системы основаны на одноступенчатом наборе, но эти наборы могут использоваться в нескольких (так называемых двух-, трех- или даже четырехступенчатых наборах). Самые передовые системы управляются электронным прогрессивным блоком подачи, который позволяет одному набору работать лучше, чем нескольким наборам. Большинство Pro Mod и некоторые Pro Street дрэг-гоночные автомобили используют три ступени для дополнительной мощности, но все больше и больше переходят на импульсную прогрессивную технологию. Прогрессивные системы имеют преимущество в использовании большего количества закиси азота (и топлива) для получения еще большего увеличения мощности, поскольку дополнительная мощность и крутящий момент вводятся постепенно (в отличие от немедленного применения к двигателю и трансмиссии), что снижает риск механического удара и, следовательно, повреждения.
Автомобили с двигателями, оборудованными закисью азота, можно распознать по «продувке» системы подачи, которую большинство водителей выполняют перед выходом на стартовую линию. Отдельный клапан с электроприводом используется для выпуска воздуха и газообразной закиси азота, запертой в системе подачи. Это доставляет жидкую закись азота вверх по трубопроводу от резервуара для хранения к электромагнитному клапану или клапанам, которые выпустят ее во впускной тракт двигателя. Когда система продувки активирована, на мгновение будет виден один или несколько шлейфов закиси азота, поскольку жидкость вспыхивает, превращаясь в пар при выпуске. Целью продувки закисью азота является обеспечение подачи правильного количества закиси азота в момент активации системы, поскольку жиклеры закиси азота и топлива подобраны таким образом, чтобы обеспечивать правильное соотношение воздух/топливо, а поскольку жидкая закись азота плотнее газообразной, любые пары закиси азота в магистралях приведут к тому, что автомобиль на мгновение «заглохнет» (поскольку соотношение закиси азота и топлива будет слишком высоким, что снизит мощность двигателя), пока жидкая закись азота не достигнет форсунки впрыска.
Существует две категории систем закиси азота: сухая и мокрая с четырьмя основными методами подачи систем закиси азота: одинарная форсунка , прямой порт , пластина и стержень , используемые для выпуска закиси азота в камеры впускного коллектора . Почти все системы закиси азота используют специальные вставки с отверстиями, называемые жиклёрами, вместе с расчётами давления для измерения закиси азота или закиси азота и топлива во мокрых применениях, подаваемой для создания надлежащего соотношения воздух-топливо (AFR) для желаемой дополнительной мощности.
В сухой системе закиси азота метод подачи закиси азота обеспечивает только закись азота. Дополнительное необходимое топливо вводится через топливные инжекторы , сохраняя коллектор сухим от топлива. Это свойство и дало название сухой системе. Расход топлива можно увеличить либо путем увеличения давления, либо путем увеличения времени, в течение которого топливные инжекторы остаются открытыми.
Системы сухой закиси азота обычно полагаются на один метод подачи сопла, но все четыре основных метода подачи могут использоваться в сухих приложениях. Сухие системы обычно не используются в карбюраторных приложениях из-за характера функции карбюратора и неспособности обеспечить большие объемы топлива по требованию. Системы сухой закиси азота на двигателях с впрыском топлива будут использовать повышенное давление топлива или ширину импульса инжектора при активации системы в качестве средства обеспечения правильного соотношения топлива для закиси азота.
В мокрой закиси азота метод подачи закиси азота обеспечивает одновременное использование закиси азота и топлива, в результате чего впускной коллектор становится «мокрым» от топлива, что и дало название категории. Мокрые закиси азота могут использоваться во всех четырех основных методах подачи.
В мокрых системах на двигателях с непосредственным впрыском топлива необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать обратных вспышек, вызванных скоплением топлива во впускном тракте или коллекторе и/или неравномерным распределением смеси закиси/топлива. Двигатели с впрыском в порт и непосредственным впрыском топлива имеют впускные системы, разработанные для подачи только воздуха, а не воздуха и топлива. Поскольку большинство видов топлива тяжелее воздуха и не находятся в газообразном состоянии при использовании с системами закиси, они ведут себя не так, как воздух в чистом виде; таким образом, существует вероятность неравномерного распределения топлива по камерам сгорания двигателя, что приводит к обеднению смеси/детонации и/или скоплению в частях впускного тракта/коллектора, что представляет собой опасную ситуацию, при которой топливо может неконтролируемо воспламениться, что приведет к катастрофическому отказу компонентов. Карбюраторные и одноточечные/дроссельные двигатели с впрыском используют конструкцию мокрого коллектора, которая разработана для равномерного распределения топливно-воздушных смесей по всем камерам сгорания, что делает это в основном непроблемой для этих применений.
Система с одним соплом впрыска нитро вводит нитро или смесь топлива/нитро через одну точку впрыска. Сопло обычно размещается во впускной трубе/тракте после воздушного фильтра, перед впускным коллектором и/или корпусом дроссельной заслонки в системах с впрыском топлива и после корпуса дроссельной заслонки в карбюраторных системах. В мокрых системах высокое давление впрыскиваемого нитро вызывает аэрозолизацию топлива , впрыскиваемого в тандеме через сопло, что обеспечивает более тщательное и равномерное распределение смеси нитро/топлива.
Система прямого впрыска нитро вводит нитро или топливно-нитрозную смесь как можно ближе к впускным отверстиям двигателя через отдельные форсунки непосредственно в каждом впускном канале. Системы прямого впрыска нитро будут использовать те же или похожие форсунки, что и в системах с одним соплом, только в количестве, равном или кратном количеству впускных отверстий двигателя. Поскольку системы прямого впрыска не должны полагаться на конструкцию впускного тракта/коллектора для равномерного распределения нитро или топливно-нитрозной смеси, они по своей сути более точны, чем другие методы подачи. Большее количество форсунок также позволяет подавать большее общее количество нитро, чем другие системы. Несколько «ступеней» нитро можно реализовать, используя несколько наборов форсунок в каждом впускном отверстии для дальнейшего увеличения потенциала мощности. Системы прямого впрыска нитро являются наиболее распространенным методом подачи в гоночных приложениях.
Система с пластинчатым нитро использует проставку, размещенную где-то между корпусом дроссельной заслонки и впускными отверстиями с отверстиями, просверленными вдоль ее внутренних поверхностей, или в трубке, подвешенной к пластине, для распределения нитро или топливно-нитрозной смеси. Системы с пластинчатым дроссельным клапаном обеспечивают решение без сверления по сравнению с другими методами доставки, поскольку пластины, как правило, являются специфическими для конкретного применения и устанавливаются между существующими компонентами, такими как соединения корпуса дроссельной заслонки с впускным коллектором или верхнего впускного коллектора с нижним впускным коллектором. Требуя немного больше, чем более длинные крепежи, системы с пластинчатым дроссельным клапаном являются наиболее легко меняемыми системами, поскольку они требуют небольших или нулевых постоянных изменений во впускном тракте. В зависимости от применения системы с пластинчатым дроссельным клапаном могут обеспечивать точное распределение нитро или топливно-нитрозной смеси, аналогичное распределению систем с прямым портом.
Система подачи нитро в стержне использует полую трубку с несколькими отверстиями, просверленными по ее длине, помещенную внутрь впускного коллектора для подачи нитро. Методы подачи нитро в стержне почти исключительно являются сухими системами из-за неоптимальных возможностей распределения топлива в стержне. Системы подачи нитро в стержне популярны среди гонщиков, которые предпочитают, чтобы их использование нитро было скрыто, поскольку метод распределения нитро не сразу заметен, и большинство связанных компонентов системы подачи нитро можно скрыть от глаз.
Системы с закисью азота могут использоваться с газообразным топливом, таким как пропан или сжатый природный газ. Это имеет преимущество в том, что технически это сухая система, поскольку топливо не находится в жидком состоянии при впуске во впускной тракт.
Использование закиси азота влечет за собой опасения по поводу надежности и долговечности двигателя, имеющего все добавки мощности. Из-за значительно возросшего давления в цилиндрах двигатель в целом подвергается большей нагрузке, в первую очередь те компоненты, которые связаны с вращающимся узлом двигателя. Двигатель с компонентами, неспособными справиться с возросшей нагрузкой, вызванной использованием систем закиси азота, может получить серьезные повреждения двигателя, такие как треснувшие или разрушенные поршни, шатуны, коленчатые валы и/или блоки. Правильное укрепление компонентов двигателя в дополнение к точной и адекватной подаче топлива являются ключом к использованию системы закиси азота без катастрофических отказов.
Кроме того, закись азота не следует использовать в автомобилях с автоматической коробкой передач , поскольку резко возросшая мощность двигателя и крутящий момент могут привести к повреждению гидротрансформатора и самой трансмиссии.
Системы впрыска закиси азота для автомобилей являются незаконными для использования на дорогах в некоторых странах. Например, в Новом Южном Уэльсе , Австралия, Кодекс правил дорожного движения и дорожного движения для модификаций легковых автомобилей (используется с 1994 года) гласит в пункте 3.1.5.7.3, что использование или установка систем впрыска закиси азота не допускается. [2]
В Великобритании нет ограничений на использование N
2O , но об изменении необходимо сообщить страховой компании, что, скорее всего, приведет к увеличению страховой премии за страхование автотранспортных средств или отказу в страховании.
В Германии, несмотря на строгие правила TÜV , закисная система может быть установлена и легально использована в автомобиле, эксплуатируемом на дорогах общего пользования. Требования к техническому стандарту системы аналогичны требованиям к конверсиям природного газа на вторичном рынке .
Несколько санкционирующих органов в дрэг-рейсинге разрешают или запрещают использование закиси азота в определенных классах или имеют специальные классы по закиси азота. Закись азота разрешена в соревнованиях Formula Drift .
Похожая базовая техника использовалась во время Второй мировой войны самолетами Люфтваффе с системой GM-1 для поддержания выходной мощности двигателей самолетов на большой высоте, где плотность воздуха ниже. Соответственно, она использовалась только специализированными самолетами, такими как высотные разведывательные самолеты, высокоскоростные бомбардировщики и высотные перехватчики. Иногда она использовалась с формой впрыска метанола-воды Люфтваффе , обозначенной MW 50 (оба означали как Notleistung краткосрочные меры повышения мощности), чтобы обеспечить существенное увеличение производительности истребителей за короткие периоды времени , как при их совместном использовании на прототипах истребителей Focke-Wulf Ta 152 H. [3]
Системы впрыска закиси азота, использовавшиеся в Британии во время Второй мировой войны, представляли собой модификации двигателей Merlin, разработанные компанией Heston Aircraft Company для использования в некоторых вариантах ночных истребителей de Havilland Mosquito и фоторазведывательных вариантах Supermarine Spitfire .