Le auto bruciano benzina. Questo è l’accordo di base. Ma la combustione è una reazione chimica che richiede ossigeno. Di solito, risucchiamo semplicemente l’aria intorno a noi. L’atmosfera è composta per circa il 21% da ossigeno. Il riposo? Principalmente azoto. L’azoto non si preoccupa di bruciare. È inerte. Resta semplicemente nel cilindro, occupando spazio che potrebbe essere utilizzato per più ossigeno.
L’ossigeno determina la quantità di carburante che un motore può consumare. Il rapporto stechiometrico per la benzina è di circa 1:14. Un grammo di carburante ha bisogno di 14 grammi di ossigeno per bruciare completamente. Se hai carburante in eccesso, esce dal tubo di scappamento come idrocarburi incombusti. Inquinante. Sciupare.
Ecco l’esperimento mentale. E se un’auto non facesse affidamento sull’aria ambiente? E se trasportasse la propria scorta? Ossigeno puro.
Inalare ossigeno al 100% anziché al 21% cambia i conti. Stai osservando un apporto di ossigeno circa cinque volte maggiore. Più ossigeno significa che è possibile bruciare più carburante in ogni corsa. E più carburante bruciato significa più potenza.
Un motore da 100 cavalli diventerebbe effettivamente un motore da 500 cavalli.
Sembra l’aggiornamento definitivo. Più potere. Meno sprechi di carburante. Ma c’è un problema. Uno grande.
Il problema del caldo
Il fuoco ama l’ossigeno. Una maggiore quantità di ossigeno rende il fuoco più caldo. E più veloce.
I motori a combustione interna funzionano già a temperature che fondono l’acciaio. Lo gestiscono con sistemi di raffreddamento, materiali specializzati e tempistiche accurate. Pompare ossigeno puro in quella miscela? Farà caldo. Davvero caldo.
“La temperatura di combustione salirebbe alle stelle, probabilmente distruggendo quasi istantaneamente i componenti del motore.”
Avresti bisogno di materiali in grado di resistere a stress termici estremi. I pistoni standard in alluminio probabilmente si scioglierebbero. Le valvole in acciaio potrebbero deformarsi o rompersi. Il blocco motore potrebbe guastarsi sotto il carico termico.
Conservazione e sicurezza
L’ossigeno non è solo un gas che puoi tenere in un serbatoio di carburante standard. Richiede recipienti di stoccaggio ad alta pressione. Pensa ai serbatoi compositi per carichi pesanti. Ciò aggiunge peso. Molto.
Poi c’è l’aspetto della sicurezza. L’ossigeno supporta la combustione. Fa sì che gli incendi si accendano più facilmente e brucino più intensamente. Una perdita nel sistema di ossigeno vicino a componenti di scarico caldi? Non è solo un rischio di incendio. È un pericolo di esplosione.
La gestione dell’ossigeno puro richiede attrezzature specializzate. Le guarnizioni devono essere prive di ossigeno. I lubrificanti devono essere non combustibili. Il grasso comune può incendiarsi in un ambiente ricco di ossigeno. I costi di manutenzione per un sistema del genere sarebbero enormi.
Efficienza vs praticità
Sulla carta, i guadagni in termini di efficienza sono reali. Puoi bruciare più carburante ed estrarre più energia. Ma le barriere pratiche sono immense. La sola gestione del calore richiederebbe una riprogettazione completa dei sistemi di raffreddamento e di scarico del motore.
La maggior parte delle auto non trasporta ossigeno puro. Fanno affidamento sulla fornitura gratuita nell’aria. Il compromesso è la semplicità. E affidabilità.
Se potessi risolvere i problemi di calore e stoccaggio, avresti un motore iperefficiente. Ma per ora, le sfide ingegneristiche superano i guadagni di potenza. L’aria che respiriamo è diluita per un motivo. Agisce come un cuscinetto naturale.
Quindi, anche se l’idea di un incremento di cinque potenze è allettante, la realtà è un incubo logistico. Rimaniamo con l’aria. È disordinato. Lo è
Il problema del volume con l’ossigeno puro
Potresti chiederti perché non ci limitiamo a fissare una bombola di ossigeno puro al cofano di un’auto e lasciarla respirare più facilmente. La risposta breve è la fisica. L’ossigeno è incredibilmente ingombrante. Anche quando lo comprimi, l’enorme volume necessario per bruciare carburante lo rende poco pratico.
Diamo un’occhiata ai numeri. Un singolo litro di benzina pesa 6,2 libbre. Per bruciare completamente quel carburante, un motore ha bisogno di 86,8 libbre di ossigeno. Questo è un rapporto di 14 a 1 in peso. Ma il problema non è il peso; lo spazio è. L’ossigeno è un gas, il che significa che è leggero ed espansivo. Una libbra di ossigeno occupa 11,2 piedi cubi.
Fai i conti per un litro di gas e otterrai 972,16 piedi cubi di ossigeno necessari. Ora, immagina un serbatoio di gas standard da 20 galloni. Dovresti trasportare quasi 20.000 piedi cubi di ossigeno per eguagliare quel carburante. Quel volume riempirebbe una casa con 2.500 piedi quadrati di superficie solo per l’ossidante.
La compressione non risolve il problema dello spazio
Comprimere il gas aiuta, ma non basta. Se si preme l’ossigeno a 3.000 psi, si riduce il fabbisogno di stoccaggio a circa 100 piedi cubi. È gestibile?
Considera una bombola subacquea standard. Contiene circa 80 piedi cubi d’aria. Per immagazzinare l’ossigeno per un pieno di gas, avresti bisogno di 250 bombole da sub. Non è un piccolo contenitore. Quello è un magazzino.
Protossido d’azoto: il compromesso pratico
Questo è il motivo per cui piloti e preparatori utilizzano invece il protossido di azoto. Il protossido di azoto ($N_2O$) è un gas che si liquefa sotto pressione. Questo cambiamento di fase consente di immagazzinare una quantità enorme di ossidante in una bottiglia relativamente piccola. Quando iniettato nell’aspirazione, si scompone in azoto e ossigeno. Il motore si preoccupa dell’ossigeno. L’azoto è per lo più un riempitivo inerte.
Il compromesso è la durata. Un tipico sistema nitroso fornisce solo da uno a tre minuti di spinta prima che la bottiglia sia vuota. Ma in quel breve lasso di tempo, può aggiungere circa 100 cavalli a un motore big block.
Il pericolo di troppa aria
C’è un problema. L’aggiunta di così tanta ossigeno consente al motore di iniettare più carburante. Più carburante significa più potenza, ma anche una pressione dei cilindri notevolmente più elevata. A meno che il motore non sia costruito per sopportare lo stress, la pressione extra può farlo esplodere.
Questo è lo stesso problema fondamentale che dovresti affrontare con l’ossigeno puro. I componenti del motore dovrebbero essere più robusti, resistenti e pesanti per sopravvivere al carico. Per un guidatore quotidiano, l’ingombro dei serbatoi di ossigeno e la fragilità del motore lo rendono un non-starter. Il protossido di azoto offre una soluzione potente, anche se fugace, senza richiedere una ricostruzione completa del motore.
La realtà ingegneristica è che l’aria è già l’ossidante più economico e disponibile. Modificarlo è più facile che trasportarlo.
Dove andare da qui
Se vuoi approfondire la meccanica della combustione interna, inizia con le nozioni di base su come brucia il gas e su come viene generata la potenza. Comprendere i limiti della forza del tuo motore è importante quanto comprenderne il potenziale.
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