Введение

Автомобильная приставка

использование закиси азота в автоспорте

Двигатель, работающий на закиси азота, или система закиси азота (NOS) – это двигатель внутреннего сгорания, в котором кислород для сжигания топлива поступает как из разложения закиси азота, N2O, так и из воздуха. Система увеличивает мощность двигателя, позволяя сжигать топливо с более высокой, чем обычно, скоростью благодаря более высокому парциальному давлению кислорода, подаваемого вместе с топливной смесью. Системы впрыска закиси 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 может быть запрещено для дорог общего пользования, в зависимости от местных правил. Использование N2O разрешено в определенных классах автогонок. Для надежной работы двигателя с впрыском закиси азота требуется тщательное внимание к прочности компонентов двигателя и точности смесительных систем, иначе могут произойти разрушительные детонации или превышение предельных значений, установленных конструкцией компонентов. Системы закиси азота применялись еще во время Второй мировой войны для некоторых авиационных двигателей.

Терминология

В контексте автогонок оксид азота часто называют "нитро" или NOS. Термин NOS произошел от инициалов названия компании Nitrous Oxide Systems, Inc. (сейчас бренд Holley Performance Products), одной из пионерских компаний в разработке систем впрыска оксида азота для повышения производительности автомобилей и стал общеупотребимым названием. "Нитро" также иногда используется, хотя и неверно, так как обычно относится к двигателям, работающим на нитрометане.

Механизм

Когда моль оксида азота разлагается, он выделяет половину моля молекул O2 (кислородного газа) и один моль молекул N2 (азотного газа). Это разложение позволяет достичь концентрации кислорода 36,36%. Азотный газ негорюч и не поддерживает горение. Воздух, содержащий всего 21% кислорода, а остальное – азот и другие негорючие газы, не поддерживающие горение, допускает на 12% более низкий максимальный уровень кислорода по сравнению с оксидом азота. Этот кислород поддерживает горение, соединяясь 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 эти продукты сгорания расширяться и оказывать давление на поршни, приводя двигатель в действие. Окись азота хранится в виде жидкости в баллонах, но при атмосферных условиях является газом. При впрыске в виде жидкости во впускной коллектор испарение и расширение приводят к снижению температуры воздушно-топливной смеси и соответствующему увеличению её плотности, тем самым повышая объемную эффективность цилиндра. Поскольку разложение N2O на кислород и азотный газ является экзотермическим и, следовательно, способствует повышению температуры в двигателе, это разложение повышает эффективность и мощность двигателя, что напрямую связано с разницей температур между несгоревшей топливной смесью и горячими газами сгорания, образующимися в цилиндрах. Все системы основаны на одноступенчатом комплекте, но эти комплекты могут использоваться в нескольких экземплярах (так называемые двух-, трех- или даже четырехступенчатые комплекты). Наиболее продвинутые системы управляются электронным блоком прогрессивной подачи, который позволяет одному комплекту работать эффективнее, чем несколько. Большинство автомобилей Pro Mod и некоторые Pro Street 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 прироста мощности, поскольку дополнительная мощность и крутящий момент вводятся постепенно (в отличие от мгновенного воздействия на двигатель и трансмиссию), что снижает риск механических ударных нагрузок и, как следствие, повреждений.

Идентификация

Автомобили с двигателями, оснащенными системой закиси азота, можно определить по "продувке" системы подачи, которую большинство водителей выполняют перед стартом. Для выпуска воздуха и газообразной закиси азота, скопившихся в системе подачи, используется отдельный электрически управляемый клапан. Это обеспечивает подачу жидкой закиси азота по трубопроводу от резервуара к электромагнитному клапану или клапанам, которые распыляют ее во впускной коллектор двигателя. При активации продувки на мгновение можно увидеть один или несколько шлейфов закиси азота, поскольку жидкость мгновенно испаряется при выпуске. Цель продувки закисью азота – обеспечить подачу необходимого количества закиси азота сразу после активации системы, так как форсунки закиси азота и топлива рассчитаны на поддержание правильного соотношения воздух/топливо, а поскольку жидкая закись азота плотнее газообразной, наличие пара закиси азота в магистралях вызовет кратковременное падение мощности (из-за избыточного обогащения смеси), пока до форсунки впрыска не дойдет жидкая закись азота.

Типы нитровых систем

Существует две категории нитрогенных систем: сухие и влажные, с четырьмя основными способами подачи нитрогена: односопловая, непосредственного впрыска в каждый цилиндр, пластинчатая и шинная, используемые для подачи нитрогена в камеры впускного коллектора. Почти все нитрогенные системы используют специальные вставки-калибры, называемые жиклерами, а также расчеты давления для дозирования нитрогена или нитрогена и топлива во влажных системах, чтобы обеспечить правильное соотношение воздух/топливо (AFR) для получения желаемой дополнительной мощности.

Сухой

В сухой системе закиси азота метод подачи обеспечивает только закись азота. Дополнительное топливо вводится через топливные форсунки, поддерживая впускной коллектор сухим. Это свойство и дало сухой системе её название. Увеличение потока топлива может быть достигнуто либо повышением давления, либо увеличением времени открытия топливных форсунок. Сухие системы закиси азота обычно используют одноточечную подачу, но все четыре основных метода подачи могут применяться в сухих системах. Сухие системы обычно не используются в карбюраторных двигателях из-за принципа работы карбюратора и его неспособности обеспечить большое количество топлива по требованию. В двигателях с впрыском топлива сухие системы закиси азота используют повышенное давление топлива или увеличенную длительность импульса форсунок при активации системы для обеспечения правильного соотношения топлива и закиси азота.

Мокрый

В системе с мокрым впрыском закиси азота подача закиси азота осуществляется вместе с топливом, в результате чего впускной коллектор становится "мокрым" от топлива, что и дало название этой категории. Системы с мокрым впрыском могут использоваться со всеми четырьмя основными способами подачи. В мокрых системах, применяемых к двигателям с непосредственным впрыском топлива, необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать обратного зажигания, вызванного скоплением топлива во впускном тракте или коллекторе и/или неравномерным распределением смеси закиси азота и топлива. Двигатели с непосредственным впрыском топлива имеют впускные системы, рассчитанные на подачу только воздуха, а не воздушно-топливной смеси. Поскольку большинство видов топлива тяжелее воздуха и не находятся в газообразном состоянии при использовании с системами закиси азота, они не ведут себя так же, как воздух; таким образом, существует вероятность неравномерного распределения топлива по камерам сгорания двигателя, что может привести к обеднению смеси/детонации и/или скоплению топлива в частях впускного тракта/коллектора, создавая опасную ситуацию, в которой топливо может неконтролируемо воспламениться, вызывая катастрофический отказ компонентов. Карбюраторные и двигатели с одноточечным/дроссельным впрыском используют конструкцию "мокрого" коллектора, предназначенную для равномерного распределения топливно-воздушной смеси по всем камерам сгорания, что в основном исключает эту проблему для данных применений.

Однососка

Система с одним соплом подает закись азота или смесь топлива и закиси азота через единую точку впрыска. Сопло обычно располагается во впускном тракте после воздушного фильтра, перед впускным коллектором и/или дроссельной заслонкой в системах с впрыском топлива, и после дроссельной заслонки в карбюраторных системах. В системах "мокрого" типа высокое давление впрыскиваемой закиси азота вызывает распыление топлива, подаваемого одновременно через то же сопло, обеспечивая более полное и равномерное распределение смеси закиси азота и топлива.

Прямой порт

Система прямого впрыска закиси азота подает закись азота или смесь топлива и закиси азота максимально близко к впускным каналам двигателя через отдельные форсунки, установленные непосредственно в каждом впускном коллекторе. В системах прямого впрыска используются те же или аналогичные форсунки, что и в системах с одной форсункой, но в количестве, равном или кратному числу впускных каналов двигателя. Поскольку системы прямого впрыска не зависят от конструкции впускного тракта/коллектора для равномерного распределения закиси азота или смеси топлива/закиси азота, они по своей природе более точны, чем другие способы подачи. Большее количество форсунок также позволяет подавать большее общее количество закиси азота, чем в других системах. Дополнительное увеличение мощности достигается использованием нескольких "ступеней" закиси азота, путем применения нескольких комплектов форсунок на каждый впускной канал. Системы прямого впрыска закиси азота являются наиболее распространенным методом подачи в гоночных приложениях.

Плитка

Для пластинчатой системы впрыска оксида азота используется проставка, устанавливаемая между дроссельной заслонкой и впускными каналами, с отверстиями, просверленными по ее внутренним поверхностям, или в трубке, подвешенной к проставке, для распределения оксида азота или топливно-азотной смеси. Пластинчатые системы требуют минимального сверления по сравнению с другими методами подачи, поскольку проставки обычно разрабатываются для конкретных моделей двигателей и устанавливаются между существующими компонентами, такими как дроссельная заслонка и впускной коллектор, или верхняя и нижняя части впускного коллектора. Для установки пластинчатой системы требуется лишь немного более длинные крепежные элементы, что делает ее наиболее легко демонтируемой, поскольку она требует минимальных или вообще не требует необратимых изменений впускного тракта. В зависимости от применения, пластинчатые системы могут обеспечивать точное распределение оксида азота или топливно-азотной смеси, сопоставимое с системами впрыска в каждый цилиндр.

Бар

Для подачи закиси азота в системе с балкой используется полая трубка с рядом отверстий, просверленных вдоль ее длины, расположенная внутри впускного коллектора. Методы подачи закиси азота через балку почти исключительно сухие системы из-за неоптимальных возможностей распределения топлива, которые предоставляет балка. Системы с балкой популярны среди гонщиков, предпочитающих скрытое использование закиси азота, поскольку способ ее распределения не сразу заметен, и большинство компонентов системы могут быть скрыты от посторонних глаз.

Пропан или СНГ

Нитрогенные системы могут использоваться с газообразным топливом, таким как пропан или сжатый природный газ. Это дает преимущество, поскольку технически это сухая система, так как топливо не находится в жидком состоянии при подаче во впускной коллектор.

Проблемы с надежностью

Использование оксида азота вызывает опасения относительно надежности и долговечности двигателя, особенно при использовании любых систем наддува. Значительно возросшее давление в цилиндрах создает повышенную нагрузку на двигатель в целом, в первую очередь на компоненты вращающейся группы. Двигатель, компоненты которого не рассчитаны на такую нагрузку, возникающую при использовании нитросистемы, может получить серьезные повреждения, такие как трещины или разрушение поршней, шатунов, коленчатого вала и/или блока цилиндров. Правильное усиление компонентов двигателя в сочетании с точной и достаточной подачей топлива – залог безопасного использования нитросистемы. Кроме того, не рекомендуется использовать оксид азота в автомобилях с автоматической трансмиссией, так как значительно возросшая мощность и крутящий момент могут привести к повреждению гидротрансформатора и самой трансмиссии.

Уличная законность

В некоторых странах использование систем впрыска закиси азота в автомобилях запрещено для эксплуатации на дорогах общего пользования. Например, в штате Новый Южный Уэльс (Австралия) в Кодексе практики Управления дорогами и транспорта для модификаций легковых автомобилей (действующем с 1994 года) в пункте 3.1.5.7.3 указано, что использование или установка систем впрыска закиси азота не допускается. В Великобритании использование N2O не ограничено, однако о внесённых изменениях необходимо уведомить страховую компанию, что, вероятно, повлечёт за собой увеличение страхового взноса по полису страхования транспортного средства или отказ в страховании. В Германии, несмотря на строгие правила TÜV, система закиси азота может быть установлена и использоваться в автомобиле, предназначенном для дорог общего пользования. Требования к техническому состоянию системы сопоставимы с требованиями к дооборудованию автомобилей природным газом.

Правила гонок

Несколько организаций, проводящих соревнования по дрэг-рейсингу, разрешают или запрещают использование закиси азота в определенных классах, либо имеют классы, специально предназначенные для автомобилей с закисью азота. Закись азота разрешена в соревнованиях Formula Drift.

История

Аналогичная базовая техника использовалась во время Второй мировой войны самолетами Люфтваффе с системой GM 1 для поддержания мощности авиационных двигателей на больших высотах, где плотность воздуха ниже. Соответственно, она применялась только на специализированных самолетах, таких как высотные разведывательные самолеты, высокоскоростные бомбардировщики и высотные перехватчики. Иногда ее использовали совместно с системой впрыска водно-метанольной смеси, обозначенной как MW 50 (обе системы предназначались для кратковременного увеличения мощности – "Notleistung"), что позволяло значительно повысить характеристики истребителей на короткие периоды времени, как, например, при их комбинированном использовании на прототипах истребителей Focke Wulf Ta 152H. В Великобритании во время Второй мировой войны системы впрыска закиси азота представляли собой модификации двигателей Merlin, выполненные компанией Heston Aircraft Company для использования в некоторых ночных истребителях-вариантах de Havilland Mosquito и разведывательных версиях Supermarine Spitfire.