Двигатель закиси азота, или система закиси азота ( НОС ) — двигатель внутреннего сгорания , в котором кислород для горения топлива поступает в результате 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 азота могут быть «сухими», когда закись азота впрыскивается отдельно от топлива, или «мокрыми», когда дополнительное топливо подается в двигатель вместе с закисью азота. Использование NOS на улицах или шоссе может быть запрещено в зависимости от местных правил. Использование N 2 O разрешено в некоторых классах автогонок. Надежная работа двигателя с впрыском азота требует пристального внимания к прочности компонентов двигателя и точности систем смешивания, в противном случае могут возникнуть разрушительные детонации или превышение максимальных значений, предусмотренных для компонентов. Системы закиси азота применялись еще во время Второй мировой войны для некоторых авиационных двигателей.
В контексте гонок закись азота часто называют азотом или NOS . Термин NOS происходит от инициалов названия компании Nitrous Oxide Systems, Inc. (ныне торговая марка Holley Performance Products ), одной из компаний-новаторов в разработке систем впрыска закиси азота для использования в автомобилях, и стал обобщенным термином. товарный знак . Нитро также иногда используется, хотя и неправильно, так как оно больше относится к нитрометановым двигателям .
При разложении моля закиси азота выделяется половина моля молекул O 2 (газообразный кислород) и один моль молекул N 2 (газообразный азот). Такое разложение позволяет достичь концентрации кислорода 36,36%. Газообразный азот негорюч и не поддерживает горение. Воздух , который содержит только 21% кислорода, а остальное составляет азот и другие в равной степени 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), с образованием углекислого газа и водяного пара, а также тепла, что заставляет первые два продукта сгорания расширяться и оказывать давление на поршни. вождение двигателя.
Закись азота хранится в резервуарах в жидком виде, но при атмосферных условиях представляет собой газ. При впрыске в виде жидкости во впускной коллектор испарение и расширение вызывают снижение температуры воздуха/топлива в заправке с соответствующим увеличением плотности, тем самым увеличивая объемный КПД цилиндра .
Поскольку разложение N 2 O на кислород и газообразный азот является экзотермическим 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 топливной смесью. горячие газы сгорания, образующиеся в цилиндрах.
Все системы основаны на одноступенчатом комплекте, но эти комплекты можно использовать в нескольких комплектах (так называемые двух-, трех- или даже четырехступенчатые комплекты). Самые передовые системы контролируются электронным блоком прогрессивной доставки, который позволяет одному комплекту работать лучше, чем нескольким комплектам. Большинство Pro Mod и некоторые дрэг-рейсинговые автомобили Pro Street используют три ступени для дополнительной мощности, но все больше и больше переходят на импульсную прогрессивную технологию. Преимущество прогрессивных систем заключается в использовании большего количества закиси азота (и топлива) для обеспечения еще большего увеличения мощности, поскольку дополнительная мощность и крутящий момент вводятся постепенно (в отличие от немедленной подачи на двигатель и трансмиссию), что снижает риск механических повреждений. шок и, как следствие, повреждение.
Автомобили с двигателями, оснащенными закисью азота, можно отличить 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, попавших в систему подачи. В результате жидкий закись азота попадает по трубопроводу от резервуара для хранения к электромагнитному клапану или клапанам, которые выпускают его во впускной тракт двигателя. Когда система продувки активирована, на мгновение будут видны один или несколько шлейфов закиси азота, поскольку жидкость при выбросе превращается в пар. Целью продувки закисью азота является обеспечение подачи правильного количества закиси азота в момент активации системы, поскольку размеры жиклеров закиси азота и топлива подобраны таким образом, чтобы обеспечить правильное соотношение воздух/топливо, а поскольку жидкий закись азота плотнее, чем газообразный закись азота, любой Пары азота в магистралях заставят автомобиль на мгновение «увязнуть» (поскольку соотношение азот/топливо будет слишком богатым, что снизит мощность двигателя), пока жидкий закись азота не достигнет впрыскивающего сопла.
Существует две категории азотных систем: сухая и мокрая, с четырьмя основными способами подачи азотных систем: одно сопло , прямой порт , пластина и стержень, используемые для выпуска азота в камеру впускного коллектора . Почти во всех системах закиси азота используются специальные вставки с отверстиями, называемые форсунками, а также расчеты давления для дозирования закиси азота или закиси азота и топлива во влажных условиях, подаваемые для создания правильного соотношения воздух-топливо (AFR) для желаемой дополнительной мощности.
В сухой системе азота метод подачи азота обеспечивает только закись азота. Требуемое дополнительное топливо подается через топливные форсунки , благодаря чему в коллекторе не остается топлива. Именно это свойство дало сухой системе название. Поток топлива можно увеличить либо за счет увеличения давления, либо за счет увеличения времени, в течение которого топливные форсунки остаются открытыми.
Системы сухого азота обычно полагаются на метод подачи с одним соплом, но в сухих приложениях можно использовать все четыре основных метода подачи. Сухие системы обычно не используются в карбюраторных двигателях из-за особенностей работы карбюратора и его неспособности подавать большое количество топлива по требованию. Системы сухого азота на двигателях с впрыском топлива будут использовать увеличенное давление топлива или ширину импульса форсунки при активации системы как средство обеспечения правильного соотношения топлива и закиси азота.
Во влажной системе закиси азота метод подачи закиси обеспечивает совмещение закиси и топлива, в результате чего впускной коллектор «смачивается» топливом, что и дало название этой категории. Влажные азотные системы можно использовать во всех четырех основных методах доставки.
В мокрых системах двигателей с непосредственным впрыском топлива необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать побочных возгораний, вызванных скоплением топлива во впускном тракте или коллекторе и/или неравномерным распределением смеси азота и топлива. Двигатели с левым впрыском топлива и непосредственным впрыском топлива имеют системы впуска, предназначенные 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 азота оно ведет себя не так, как один воздух; таким образом, существует возможность неравномерного распределения топлива в камерах сгорания двигателя, вызывающего обедненную смесь/детонацию и/или скопление в частях впускного тракта/коллектора, что представляет собой опасную ситуацию, в которой топливо может бесконтрольно воспламениться, вызывая катастрофический отказ компонентов. . В карбюраторных двигателях и двигателях с одноточечным впрыском/дроссельной заслонкой используется конструкция мокрого коллектора, которая разработана для равномерного распределения топливно-воздушных смесей по всем камерам сгорания, что делает это в основном не проблемой для этих применений.
Система закиси азота с одной форсункой вводит азот или смесь топлива и азота через одну точку впрыска. Форсунка обычно размещается во впускной трубе/тракте после воздушного фильтра, перед впускным коллектором и/или корпусом дроссельной заслонки в двигателях с впрыском топлива и после корпуса дроссельной заслонки в двигателях с карбюратором. В мокрых системах высокое давление впрыскиваемого азота вызывает аэрозолизацию топлива, впрыскиваемого одновременно через форсунку, что обеспечивает более тщательное и равномерное распределение смеси азота и топлива.
Система закиси азота с прямым портом вводит азот или смесь топлива и азота как можно ближе к впускным отверстиям двигателя через отдельные форсунки непосредственно в каждом впускном канале. В системах закиси с прямым портом будут использоваться те же или аналогичные форсунки, что и в системах с одним соплом, только в количестве, равном или кратном количеству впускных отверстий двигателя. Поскольку системы с прямым портом не должны полагаться на конструкцию впускного тракта/коллектора для равномерного распределения азота или топливно-азотной смеси, они по своей сути более точны, чем другие методы подачи. Большее количество форсунок также позволяет подавать больший общий объем азота, чем другие системы. Несколько «стадий» подачи закиси азота могут быть достигнуты за счет использования нескольких наборов форсунок на каждом впускном отверстии для дальнейшего увеличения потенциала мощности. Системы закиси азота с прямым портом являются наиболее распространенным методом подачи в гоночных приложениях.
В пластинчатой системе закиси азота используется прокладка, расположенная где-то между корпусом дроссельной заслонки и впускными отверстиями с отверстиями, просверленными вдоль ее внутренних поверхностей, или в трубке, подвешенной к пластине, для распределения азота или топливно-азотной смеси. Системы пластин представляют собой решение, не требующее сверления, по сравнению с другими методами доставки, поскольку пластины, как правило, предназначены для конкретного применения и подходят между существующими компонентами, такими как корпус дроссельной заслонки к впускному коллектору или от верхнего впускного коллектора к нижнему впускному коллектору. развязки. Пластинчатые системы, требующие немного больше, чем более длинные крепежи, являются наиболее легко реверсируемыми системами, поскольку они практически не требуют постоянных изменений во впускном тракте. В зависимости от применения пластинчатые системы могут обеспечивать точное распределение азота или топливно-азотной смеси, аналогично системам с прямым портом.
В стержневой системе азота используется полая трубка с множеством отверстий, просверленных по ее длине, которая помещается внутри впускной камеры для подачи азота. Методы подачи азота в виде стержня представляют собой почти исключительно сухие системы закиси азота из-за неоптимальных возможностей распределения топлива в стержне. Барные системы закиси азота популярны среди гонщиков, которые предпочитают, чтобы использование закиси было скрыто, поскольку метод распределения закиси не сразу очевиден, и большинство связанных компонентов системы закиси могут быть скрыты из поля зрения.
Системы закиси азота могут использоваться с газообразным топливом, таким как пропан или сжатый природный газ. Преимущество этой системы заключается в том, что она технически является сухой системой, поскольку топливо при попадании во впускной тракт не находится в жидком состоянии.
Использование закиси азота влечет за собой беспокойство по поводу надежности и долговечности двигателя, присутствующего во всех сумматорах мощности. Из-за значительного увеличения давления в цилиндрах двигатель в целом подвергается большей нагрузке, в первую очередь те компоненты, которые связаны с вращающимся узлом двигателя. Двигатель, компоненты которого не могут справиться с повышенным напряжением, вызванным использованием систем закиси азота, может получить серьезные повреждения двигателя, такие как трещины или разрушение поршней, шатунов, коленчатых валов и/или блоков. Надлежащее усиление компонентов двигателя, а также точная и адекватная подача 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 сильно возросшая мощность и крутящий момент двигателя могут привести к повреждению гидротрансформатора и самой коробки передач из-за напряжения.
Системы впрыска закиси азота для автомобилей запрещены для использования на дорогах в некоторых странах. Например, в Новом Южном Уэльсе , Австралия, в пункте 3.1.5.7.3 Правил дорожного движения и дорожного движения для модификаций легких транспортных средств (используется с 1994 года) говорится, что использование или установка систем впрыска закиси азота не разрешены. [2]
В Великобритании нет ограничений на использование N.
2O , но об изменении необходимо сообщить страховой компании, что может привести к увеличению премии по страхованию транспортных средств или отказу в страховании.
В Германии, несмотря на строгие правила TÜV , систему закиси азота можно легально устанавливать и использовать в уличном автомобиле. Требования к техническому стандарту системы аналогичны требованиям для вторичной переработки природного газа .
Некоторые органы, налагающие санкции в дрэг-рейсинге, разрешают или запрещают использование закиси азота в определенных классах или имеют определенные классы закиси азота. Закись азота разрешена на соревнованиях Formula Drift .
Подобный базовый метод использовался во время Второй мировой войны самолетами Люфтваффе с системой GM-1 для поддержания выходной мощности авиационных двигателей на большой высоте, где плотность воздуха ниже. Соответственно, он использовался только специализированными самолетами, такими как высотные разведчики, скоростные бомбардировщики и высотные перехватчики. Иногда он использовался в Люфтваффе с формой впрыска метанола и воды , получившей обозначение MW 50 (оба означали Notleistung как меры кратковременного повышения мощности), чтобы добиться существенного увеличения производительности истребителей за короткие периоды времени , как и при их комбинированном использовании. на прототипах истребителя Фокке-Вульф Та 152 H. [3]
Использование британскими системами инжекторов закиси азота во время Второй мировой войны представляло собой модификацию двигателей Merlin , выполненную Heston Aircraft Company для использования в некоторых вариантах ночных истребителей de Havilland Mosquito и PR-версиях Supermarine Spitfire .