Los coches queman gasolina. Ese es el trato básico. Pero la combustión es una reacción química que exige oxígeno. Por lo general, simplemente aspiramos el aire que nos rodea. La atmósfera tiene aproximadamente un 21 por ciento de oxígeno. ¿El resto? Principalmente nitrógeno. Al nitrógeno no le importa quemarse. Es inerte. Simplemente cuelga en el cilindro, ocupando espacio que podría usarse para más oxígeno.
El oxígeno determina cuánto combustible puede consumir un motor. La relación estequiométrica de la gasolina es aproximadamente 1:14. Un gramo de combustible necesita 14 gramos de oxígeno para quemarse por completo. Si tiene exceso de combustible, simplemente sale por el tubo de escape en forma de hidrocarburos sin quemar. Contaminante. Desperdiciar.
Aquí está el experimento mental. ¿Qué pasaría si un automóvil no dependiera del aire ambiente? ¿Y si llevara su propio suministro? Oxígeno puro.
Inhalar 100 por ciento de oxígeno en lugar de 21 por ciento cambia las matemáticas. Se trata de una ingesta de oxígeno aproximadamente cinco veces mayor. Más oxígeno significa que se puede quemar más combustible en cada brazada. Y más combustible quemado significa más potencia.
Un motor de 100 caballos se convertiría efectivamente en un motor de 500 caballos.
Eso suena como la actualización definitiva. Más poder. Menos desperdicio de combustible. Pero hay un problema. Uno grande.
El problema del calor
El fuego ama el oxígeno. Más oxígeno calienta el fuego. Y más rápido.
Los motores de combustión interna ya funcionan a temperaturas que derriten el acero. Lo logran con sistemas de refrigeración, materiales especializados y una sincronización cuidadosa. ¿Bombear oxígeno puro a esa mezcla? Va a hacer calor. Realmente caliente.
“La temperatura de combustión se dispararía, probablemente destruyendo los componentes del motor casi instantáneamente”.
Necesitaría materiales que puedan soportar un estrés térmico extremo. Los pistones de aluminio estándar probablemente se derretirían. Las válvulas de acero podrían deformarse o agrietarse. El bloque del motor podría fallar debido a la carga térmica.
Almacenamiento y seguridad
El oxígeno no es sólo un gas que se puede guardar en un tanque de combustible estándar. Requiere recipientes de almacenamiento de alta presión. Piense en tanques compuestos de alta resistencia. Eso añade peso. Mucho.
Luego está el aspecto de seguridad. El oxígeno favorece la combustión. Hace que los incendios comiencen más fácilmente y ardan con más fuerza. ¿Una fuga en el sistema de oxígeno cerca de componentes calientes del escape? Eso no es sólo un riesgo de incendio. Es un peligro de explosión.
La manipulación de oxígeno puro requiere equipo especializado. Los sellos deben estar limpios de oxígeno. Los lubricantes deben ser incombustibles. La grasa común puede encenderse en un ambiente rico en oxígeno. Los gastos de mantenimiento de un sistema de este tipo serían enormes.
Eficiencia versus practicidad
Sobre el papel, las ganancias en eficiencia son reales. Puedes quemar más combustible, extraer más energía. Pero las barreras prácticas son inmensas. La gestión del calor por sí sola requeriría un rediseño completo de los sistemas de refrigeración y escape del motor.
La mayoría de los coches no transportan oxígeno puro. Dependen del suministro gratuito del aire. La compensación es la simplicidad. Y confiabilidad.
Si pudieras resolver los problemas de calor y almacenamiento, tendrías un motor hipereficiente. Pero por ahora, los desafíos de ingeniería superan las ganancias de potencia. El aire que respiramos está diluido por una razón. Actúa como un amortiguador natural.
Entonces, si bien la idea de un aumento de cinco potencias es tentadora, la realidad es una pesadilla logística. Nos quedamos con el aire. Es complicado. es
El problema del volumen con el oxígeno puro
Quizás se pregunte por qué no simplemente colocamos un tanque de oxígeno puro en el capó de un automóvil y lo dejamos respirar mejor. La respuesta corta es la física. El oxígeno es increíblemente voluminoso. Incluso cuando lo comprimes, el gran volumen necesario para quemar combustible lo hace poco práctico.
Miremos los números. Un galón de gasolina pesa 6,2 libras. Para quemar ese combustible por completo, un motor necesita 86,8 libras de oxígeno. Esa es una proporción de 14 a 1 en peso. Pero el peso no es el problema del almacenamiento; el espacio es. El oxígeno es un gas, lo que significa que es ligero y expansivo. Una libra de oxígeno ocupa 11,2 pies cúbicos.
Haga los cálculos para un galón de gasolina y obtendrá 972,16 pies cúbicos de oxígeno necesarios. Ahora, imagine un tanque de gasolina estándar de 20 galones. Se necesitarían transportar casi 20.000 pies cúbicos de oxígeno para igualar ese combustible. Ese volumen llenaría una casa con 2.500 pies cuadrados de espacio sólo para el oxidante.
La compresión no resuelve el problema del espacio
Comprimir el gas ayuda, pero no lo suficiente. Si presiona el oxígeno a 3000 psi, reduce el requisito de almacenamiento a aproximadamente 100 pies cúbicos. ¿Es eso manejable?
Considere un tanque de buceo estándar. Tiene aproximadamente 80 pies cúbicos de aire. Para almacenar el oxígeno para un tanque lleno de gasolina, necesitarías 250 tanques de buceo. Ese no es un bote pequeño. Eso es un almacén.
Óxido nitroso: el compromiso práctico
Es por eso que los corredores y sintonizadores usan óxido nitroso. El óxido nitroso ($N_2O$) es un gas que se licua bajo presión. Este cambio de fase le permite almacenar una gran cantidad de oxidante en una botella relativamente pequeña. Cuando se inyecta en la ingesta, se descompone en nitrógeno y oxígeno. El motor se preocupa por el oxígeno. El nitrógeno es principalmente una carga inerte.
La contrapartida es la duración. Un sistema nitroso típico sólo proporciona de uno a tres minutos de impulso antes de que la botella se vacíe. Pero en ese corto período, puede agregar alrededor de 100 caballos de fuerza a un motor de bloque grande.
El peligro del exceso de aire
Hay una trampa. Agregar esa cantidad de oxígeno permite que el motor inyecte más combustible. Más combustible significa más potencia, pero también una presión de cilindro significativamente mayor. A menos que el motor esté diseñado para soportar el estrés, la presión adicional puede destrozarlo.
Este es el mismo problema fundamental al que se enfrentaría el oxígeno puro. Los componentes del motor tendrían que ser más robustos, resistentes y pesados para sobrevivir a la carga. Para un conductor diario, la gran cantidad de tanques de oxígeno y la fragilidad del motor hacen que no pueda arrancar. El óxido nitroso ofrece una solución potente, aunque fugaz, sin necesidad de reconstruir completamente el motor.
La realidad de la ingeniería es que el aire ya es el oxidante más barato y más disponible. Modificarlo es más fácil que llevarlo.
Adónde ir desde aquí
Si desea profundizar en la mecánica de la combustión interna, comience con los conceptos básicos de cómo se quema el gas y cómo se genera la potencia. Comprender los límites de la potencia de su motor es tan importante como comprender su potencial.
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