Auta spalují benzín. To je základní princip. Ale spalování je chemická reakce, která vyžaduje kyslík. Obvykle jen nasáváme okolní vzduch. Atmosféru tvoří přibližně 21 procent kyslíku. Odpočinek? Hlavně dusík. Dusík se neúčastní spalování. Je inertní. Jen sedí ve válci a zabírá místo, které by se dalo využít pro více kyslíku.
Kyslík určuje, kolik paliva může motor spotřebovat. Stechiometrický poměr pro benzín je přibližně 1:14. Jeden gram paliva vyžaduje pro úplné spálení 14 gramů kyslíku. Pokud je paliva více, než je potřeba, vystupuje výfukovým potrubím jako nespálené uhlovodíky. Znečišťující látka. Odpad.
Zde je myšlenkový experiment. Co když auto nespoléhá na okolní vzduch? Co když si nesl vlastní zásoby? Čistý kyslík.
Vdechování 100 procent kyslíku místo 21 procent mění matematiku. Získáte asi pětkrát více kyslíku. Více kyslíku znamená, že při každém zdvihu lze spálit více paliva. A více spáleného paliva znamená větší výkon.
Motor o výkonu 100 koní se ve skutečnosti stane motorem o výkonu 500 koní.
Zní to jako dokonalé zlepšení. Více síly. Méně plýtvání palivem. Má to ale háček. Velký úlovek.
Problém s přehříváním
Oheň miluje kyslík. Více kyslíku činí oheň žhavějším a rychlejším.
Spalovací motory již pracují při teplotách, které mohou roztavit ocel. Zvládají to chladicími systémy, specializovanými materiály a přesným načasováním. Dodávat této směsi čistý kyslík? Bude velmi horko. Je opravdu horko.
“Teploty spalování prudce vzrostou, což pravděpodobně téměř okamžitě zničí součásti motoru.”
Budete potřebovat materiály, které vydrží extrémní tepelné namáhání. Standardní hliníkové písty se pravděpodobněji roztaví. Ocelové ventily se mohou zdeformovat nebo prasknout. Blok motoru může při tepelném namáhání selhat.
Úložiště a zabezpečení
Kyslík není jen plyn, který lze skladovat ve standardní palivové nádrži. Vyžaduje vysokotlaké skladovací nádrže. Zvažte odolné kompozitní válce. To přidává váhu. Hodně váhy.
Pak je tu bezpečnostní aspekt. Kyslík podporuje spalování. Usnadňuje zapalování a zlepšuje spalování. Netěsný kyslíkový systém v blízkosti horkých součástí výfuku? Nejde jen o nebezpečí požáru. Toto je nebezpečí výbuchu.
Manipulace s čistým kyslíkem vyžaduje specializované vybavení. Těsnění musí být bez kontaminace kyslíkem. Maziva musí být nehořlavá. Běžné mazivo se může v kyslíkovém prostředí vznítit. Náklady na údržbu takového systému by byly obrovské.
Účinnost versus praktičnost
Na papíře jsou zisky z efektivity skutečné. Můžete spálit více paliva, získat více energie. Ale praktické překážky jsou obrovské. Samotné řízení tepla by vyžadovalo kompletní přepracování chladicího a výfukového systému motoru.
Většina vozidel neveze čistý kyslík. Spoléhají na volný přísun vzduchu. Kompromisem je jednoduchost. A spolehlivost.
Pokud byste dokázali vyřešit problémy s teplem a skladováním, měli byste superúčinný motor. V tuto chvíli však technické problémy převažují nad přírůstky koňských sil. Vzduch, který dýcháme, je z nějakého důvodu zředěný. Působí jako přirozený nárazník.
Takže zatímco představa pětinásobného zvýšení výkonu je lákavá, realita je logistická noční můra. Zůstal nám vzduch. Je špinavý. on…
Problém s objemem čistého kyslíku
Možná přijdete s myšlenkou jednoduše připevnit láhev čistého kyslíku na kapotu vašeho auta, abyste motoru pomohli snadněji „dýchat“. Krátká odpověď je, že je to nemožné kvůli fyzikálním zákonům. Kyslík zabírá obrovské množství. I když je stlačen, obrovský objem potřebný ke spálení paliva činí takový systém nepraktickým.
Podívejme se na čísla. Jeden galon benzínu váží 6,2 liber. K úplnému spálení tohoto paliva potřebuje motor 86,8 liber kyslíku. Tento hmotnostní poměr je 14:1. Problémem skladování však není hmotnost, ale prostor. Kyslík je plyn, což znamená, že je lehký a zabírá velký objem. Jedna libra kyslíku zabírá 11,2 kubických stop.
Proveďte výpočty pro jeden galon benzínu a zjistíte, že je potřeba 972,16 kubických stop kyslíku. Nyní si představte standardní 20galonovou plynovou nádrž. Abyste se vyrovnali takovému množství paliva, museli byste nést téměř 20 000 kubických stop kyslíku. Tento objem by zaplnil dům o ploše 2 500 čtverečních stop podle úrovně podlahy pouze pro oxidační činidlo.
Komprese neřeší problém s prostorem
Stlačení plynu pomáhá, ale nestačí. Pokud je kyslík stlačen na 3000 psi (libra na čtvereční palec), požadavek na skladovací objem klesne na přibližně 100 kubických stop. Je to skutečné?
Zvažte standardní potápěčský válec. Pojme přibližně 80 kubických stop vzduchu. K uskladnění kyslíku pro plnou nádrž benzínu budete potřebovat 250 těchto potápěčských nádrží. Toto není malý kanystr. Je to celý sklad.
Oxid dusný: praktický kompromis
To je důvod, proč závodníci a ladiči používají oxid dusný. Oxid dusný ($N_2O$) je plyn, který pod tlakem zkapalňuje. Tato změna fáze umožňuje, aby bylo v relativně malé láhvi uloženo obrovské množství oxidačního činidla. Při vstřikování do sacího potrubí se rozkládá na dusík a kyslík. Motor potřebuje kyslík. Dusík je převážně inertní „balastní“ aditivum.
Kompromisem je doba trvání akce. Typický systém oxidu dusného poskytuje pouze jednu až tři minuty posílení, dokud není nádrž prázdná. Ale za tu krátkou dobu dokáže přidat asi 100 koní k motoru s velkým objemem.
Nebezpečí nadměrného vzduchu
Je tu jedno „ale“. Přidání takového množství kyslíku umožňuje motoru vstřikovat více paliva. Více paliva znamená větší výkon, ale také výrazně zvyšuje tlak ve válcích. Pokud motor není navržen tak, aby vydržel takové zatížení, nadměrný tlak jej může zničit.
To je stejný základní problém, kterému byste čelili s čistým kyslíkem. Části motoru by musely být masivnější, pevnější a těžší, aby vydržely zátěž. Pro běžné auto je takový systém nepřijatelný kvůli objemnosti kyslíkových nádrží a křehkosti motoru. Oxid dusný nabízí výkonné, i když krátkodobé řešení bez nutnosti kompletní přestavby motoru.
Technická realita je taková, že vzduch je již nejlevnějším a nejdostupnějším okysličovadlem. Je snazší jej upravit než přepravit.
Kam dál
Pokud chcete hlouběji porozumět mechanice vnitřního spalování, začněte se základy toho, jak hoří benzín a jak vzniká energie. Pochopení limitů vašeho motoru je stejně důležité jako pochopení jeho potenciálu.
- Jak fungují motory automobilů?
- Jak funguje benzín?
- Jak se měří výkon
