Закись азота. Правда и вымысел

Данная статья не является инструкцией к действию, автор нарочно не приводит никаких практических выкладок. Это просто теория, все ваши действия – это только ваше решение. Автор не несет никакой ответственности за результаты ваших экспериментов. Однако, правильно собранная система никакого вреда двигателю не принесет.

Аксиома:
Закись азота – самый дешевый, быстрый и эффективный способ повысить термическое КПД и мощность двигателя, правда кратковременно.

История:
Оксид азота (закись азота) в качестве ингаляционного наркоза используется и по сей день начиная с середины 19века. Вдыхание смеси этого бесцветного со слабым приятным запахом газа с воздухом вызывает кратковременное состояние схожее с опьянением (Назван веселящим газом английским химиком Х. Дэви, который, изучая на себе действие Закиси азота (1799), обнаружил в начальной фазе возбуждение, сопровождающееся смехом и беспорядочными телодвижениями, в последующем — потерю сознания.). Как способ увеличения мощности применение закиси ведет историю ещё с 1912 года, когда на авиасоревнованиях «Кубок Шнайдера» некоторые пилоты устанавливали на своих этажерках криогенные баллоны с оксидом азота – вот вам и тюнинг. Боевое крещение системы подачи закиси прошли во время Второй мировой, когда немецкие конструкторы первыми на некоторых модификациях FW-190 штатно использовали данное соединение, позволявшее кратковременно поднимать мощность авиационных моторов в полтора-два раза и давать преимущество в воздушном бою. Однако в авиации вскоре воцарилась эпоха реактивных двигателей и про закись забыли. А вспомнили о ней как раз тюнеры автомобилей в 70е годы. Новая эра началась с кустарных и не надёжных систем впрыска закиси, откуда и пошли слухи о взрывоопасности. И вот уже в 1978 году американская компания «Nitrous Oxide systems» впервые предложила всем автолюбителям универсальную систему подачи N20. Потом были ZEX, Edelbrock и прочие фирмы, но смысл был именно в промышленном масштабе и востребованности данной продукции. Сейчас нонсенсом считается американский дрегстер на котором не установлено системы хотя бы на 50 сил.

Химия:
Закись азота N2O — бесцветный газ со слабым приятным запахом и сладковатым вкусом.
Плотность при 0°С и 101 325 н/м2(760 мм рт. ст.) 1,9804 кг/м3, tкип — 89,5°С, tпл — 102,4°С.
Химически N2O с водой, растворами кислот и щелочей не реагирует, кислородом не окисляется.
Выше 500°C разлагается: 2N2O = 2N2 + 2O; поэтому при повышенных температурах действует как сильный окислитель и поддерживает горение. (обратим на это внимание)

Принцип действия системы:
1. N2O подаётся в цилиндр, уже перемешанная с топливовоздушной смесью. При сжатии и воспламенении топливовоздушной
смеси закись азота разлагается на азот и кислород (2N2O->2N2+2O) под воздействием температуры (~350C). В результате высвобождается атомарный кислород, который позволяет окислить (сжечь) дополнительное количество топлива. Кислорода, содержащегося в N2O, в 1.6 раза больше, чем в воздухе (по массе).
2. Кроме того, азот, который так же высвобождается, работает как антидетонатор, не давая процессу горения идти лавинообразно.
3. Закись хранится в баллоне в сжиженом состоянии. Высвобождаясь при расжирении, начинает кипеть, резко охлаждаясь. А поскольку Тпл и Ткип рядышком, то, едва вскипев, замерзает и переходит в твердое состояние и летит дальше в виде кристаллов (снега). Стремительно отбирая тепло у окружающей среды, система работает как интеркулер на наддувных двигателях (резкое понижение температуры смеси в коллекторе даёт увеличения потока топливовоздушной смеси и, собственно, плотности заряда).

Важно:
Топливновоздушная смесь сгорает максимально эффективно при определенном соотношении топлива и окислителя (стехиометрическое отношение – такое соотношение топлива и окислителя, при котором данная смесь сгорает полностью и без остатка) требуемого для данного типа топлива. Если мы добавляем больше окислителя, то необходимо пропорционально подавать больше топлива, иначе смесь неизбежно обеднится, будет перегрев двигателя, детонация, которая, к слову, в случае с закисью очень опасна: пара “хороших стуков” и к примеру поршень вполне может лишиться колец с перегородками или мы увидим «руку дружбы» в виде сломанного шатуна в дыре блока цилиндров. В то же время, подача закиси без доптоплива вообще даст легкую прибавку, возможно даже без детонации, а при увеличении дозы оной и при появлении детонации мотор начнет “тупить” и глохнуть.

Системы:
И раз мы затронули дополнительное топливо, то неплохо разобраться с типами систем.
Основное подразделение идёт на системы подачи N2O в цилиндры в газообразном или жидком виде. Первые системы более просты и маломощны(до 50сил в зависимости от объёма двигателя), их как раз и выпускают многие фирмы. Не понимаю только за что они берут такие деньги за баллон, пару метров шланга и проводов с кнопкой, но это дело престижа и бренда. Вторые же серьёзны, предназначены они для повышения мощности в разы, стоят значительно дешевле, проще в реализации и схемотехнике и надежны.
В основе своей разговор пойдёт о втором типе систем как наиболее приемлемом для русского сердца: раз играть, то по полной, нам же не нужны полумеры. Хотя при правильной постройке и настройке, а мы будем говорить о собственноручном изготовлении, мотор проживёт достаточно долго.
Далее системы делятся на “сухие” и “мокрые” вне зависимости от агрегатного состояния закиси азота подаваемой в коллектор.
“Сухая” система является самой дешёвой и простой, закись подаётся одной форсункой в коллектор, качество смеси регулируется возможностями карбюратора или штатных мозгов и форсунок и говорить о доптопливе в виде спиртов или газов нет возможности (разумеется, если только они не являются основным топливом). Система неуправляема, её можно только включить и выключить. Есть шанс выйти за пределы штатных возможностей топливоподачи и обеднить смесь, что не есть хорошо для мотора.

“Мокрая” система, в которой закись подаётся также как в «сухой», но дополнительно происходит подача топлива с помощью отдельной форсунки, что позволяет избегать появления детонации и достичь максимальных показателей для этого типа впрыска. Подача может осуществляться из дополнительного бака механически. Есть возможность использовать в качестве доптоплива бензины, спирты и даже газы с более высоким октановым числом.

Отдельная песня это многоточечный впрыск или direct port. Закись впрыскивается в каждый цилиндр в непосредственной близости от впускного клапана. Более точная и правильная система.

Как и договорились, подачу закиси газом далее вообще рассматривать не будем. Хотя нет, обосновать все-таки это нужно. Газ сам по себе занимает объем, лишнее пространство в цилиндре. Есть разница, пропихнуть 1см3 жидкости или 1см3 газа? А сколько в итоге газа окажется в цилиндре? В случае с жидкостью – больше. Это раз. Во-вторых, жидкость при нагревании начинает кипеть, отбирая тепло у деталей КС, поршней, цилиндров. Химия... Надеюсь, теперь меньше будут упираться рогом, доказывая, что газовая подача закиси это суперправильно, а “жидкость убивает мотор”.

Так как в обычной одноуровневой системе в единицу времени поступает одно и то же количество газа, то и прирост мощности всегда будет одинаковым при одном и том же кол-ве газа, поступающего в коллектор. НО.

Пусть за 1с в коллектор поступает 14гр закиси (жиклер 0.7мм). при этом обороты двигателя равны 6000об/мин. Тогда количество тактов всасывания равно Tвсас = 200 тактов всасывания в секунду, тогда в каждый цилиндр попадает 14гр/200=0,07гр за один такт. При этом прибавка крутящего момента будет, к примеру, Х. Ежели обороты будут, к примеру, 600об/мин (холостой ход), то за один такт всасывания в цилиндр будет всасываться 14гр/20=0,7гр. И прибавка момента будет уже не Х, а 10Х!!!!!!! Таким образом, прибавка мощности будет одинаковой, а вот прибавка крутящего момента обратно пропорциональна оборотам двигателя. Именно поэтому необходимо включать закись только после определенных оборотов, иначе это может привести к поломке поршней, шатунов или коленвала. Второй миф – о взрывающихся двигателях. Как известно, без ума можно и...что-то сломать. Ведь можно подать в двигатель 20гр/сек, а можно 120гр/сек. При этом мотор не успеет развить даже критического для него крутящего момента – его убьет детонация. Поэтому необходимо расчитать необходимый поток закиси. Для этого используется тарированый жиклер, установленный после (фактически сразу на нем) электромагнитного клапана. В зависимости от диаметра жиклера изменяется количество закиси, проходящей в единицу времени через магистраль. Жиклер должен быть тщательно подобран и, в зависимости от его диаметра, должно быть подобрано количество доптоплива, поступающего в двигатель, в частности, для “сухой” системы. Опытным путем установлено, что вывереный, пролитый жиклер 0.7мм дал расход закиси 14гр/сек при давлении 52атм.

В общем случае, Добавочная мощность, при использовании закиси (в л.с.), при давлении 52атм. = D^2*const, где const = 70, а D = диаметр жиклера

на самом деле все очень сильно зависит от способа доставки закиси, её качества; от того, насколько она успела испариться, от кол-ва доптоплива, его октанового числа. Но в среднем, при 40гр/сек прибавка получается в районе 100сил. Нужно чтобы жиклер был ОЧЕНЬ тчательно подобран, пролит, а закиси должна подаваться жидкой, газ это уже не то.

Количество доптоплива (бензина), которое должно поступать в двигатель должно иметь соотношение 8.5:1, елси это бензин и 6:1 если спирт.

ЧаВО по закиси

Повредит ли закись двигатель? Смысл в том, что необходимо подбирать конкретный тип и уровень закиси под каждый конкретный двигатель. Стандартные детали имеют некоторый запас прочности, но если его превысить, то сами понимате... Для большей эффективности нужно улучшать КШМ, впуск/выпуск и т.д. Сколько добавится “кобыл”? Все зависит от вашего двигателя, типа системы, колес, КПП и т.д. На сколко хватает баллона? Опять же, все зависит от того, как вы построили закись. Вы легко все можете посчитать сами исходя из таблицы. Когда лучше всего включать? Только с открытым дросселем после 3000 об/мин. Придется переделывать мой карбюратор/перепрошивать ЭБУ? Нет, система подачи закиси со своей системой приготовления топливнозакисной смеси. Конечно, если у вас не “сухая” система. Закись горит/взрывается? Нет, закись не горит сама по себе. Однако, кислород, содержащийся в закиси позволит сгорать большему количеству топлива. Повреждает ли закись катализатор/катколлектор? Нет, несколько возросшее содержание кислорода в выхлопе увеличит эффективность катализатора, а возросшие температуры будут только в течение 15-20сек, что не критично. Какие распредвалы лучше использовать с закисными системами? Это индивидуально.

Авторы:
Лаврентий “Pugnator” Иванов
Андрей “Oxygen” Кушпель
Илья “Dr.Barlog” Батемиров