Auto’s verbranden benzine. Dat is de basisovereenkomst. Maar verbranding is een chemische reactie waarvoor zuurstof nodig is. Meestal zuigen we gewoon de lucht om ons heen naar binnen. De atmosfeer bestaat voor ongeveer 21 procent uit zuurstof. De rest? Meestal stikstof. Stikstof geeft niets om verbranding. Het is inert. Het hangt gewoon in de cilinder en neemt ruimte in beslag die voor meer zuurstof kan worden gebruikt.
Zuurstof bepaalt hoeveel brandstof een motor kan verbruiken. De stoichiometrische verhouding voor benzine is ongeveer 1:14. Eén gram brandstof heeft 14 gram zuurstof nodig om volledig te verbranden. Als u overtollige brandstof heeft, verlaat deze de uitlaat gewoon als onverbrande koolwaterstoffen. Verontreinigende stof. Afval.
Hier is het gedachte-experiment. Wat als een auto niet afhankelijk was van de omgevingslucht? Wat als het zijn eigen voorraad zou hebben? Zuivere zuurstof.
Het inademen van 100 procent zuurstof in plaats van 21 procent verandert de wiskunde. Je kijkt naar ongeveer vijf keer meer zuurstofopname. Meer zuurstof betekent dat er bij elke slag meer brandstof kan worden verbrand. En meer verbrande brandstof betekent meer vermogen.
Een motor van 100 pk zou in feite een motor van 500 pk worden.
Dat klinkt als de ultieme upgrade. Meer kracht. Minder brandstofverspilling. Maar er is een addertje onder het gras. Een grote.
Het hitteprobleem
Vuur houdt van zuurstof. Meer zuurstof maakt vuur heter. En sneller.
Verbrandingsmotoren werken al bij temperaturen waarbij staal smelt. Ze beheren dit met koelsystemen, gespecialiseerde materialen en een zorgvuldige timing. Pure zuurstof in dat mengsel pompen? Het wordt heet. Echt heet.
“De verbrandingstemperatuur zou omhoogschieten, waardoor de motoronderdelen waarschijnlijk vrijwel onmiddellijk zouden worden vernietigd.”
Je hebt materialen nodig die bestand zijn tegen extreme thermische belasting. Standaard aluminium zuigers zouden waarschijnlijk smelten. Stalen kleppen kunnen kromtrekken of barsten. Het motorblok zou onder de thermische belasting kunnen bezwijken.
Opslag en veiligheid
Zuurstof is niet zomaar een gas dat u in een standaard brandstoftank kunt bewaren. Er zijn opslagvaten onder hoge druk nodig. Denk aan robuuste composiettanks. Dat voegt gewicht toe. Veel ervan.
Dan is er het veiligheidsaspect. Zuurstof ondersteunt de verbranding. Het zorgt ervoor dat branden gemakkelijker ontstaan en harder branden. Een lek in het zuurstofsysteem in de buurt van hete uitlaatcomponenten? Dat is niet alleen brandgevaar. Het is explosiegevaarlijk.
Voor het omgaan met zuivere zuurstof is gespecialiseerde apparatuur nodig. Afdichtingen moeten zuurstofschoon zijn. Smeermiddelen mogen niet brandbaar zijn. Gewoon vet kan ontbranden in een zuurstofrijke omgeving. De onderhoudsoverhead voor een dergelijk systeem zou enorm zijn.
Efficiëntie versus bruikbaarheid
Op papier zijn de efficiëntiewinsten reëel. Je kunt meer brandstof verbranden en meer energie winnen. Maar de praktische barrières zijn enorm. Alleen al het warmtebeheer zou een compleet nieuw ontwerp van de koel- en uitlaatsystemen van de motor vereisen.
De meeste auto’s vervoeren geen pure zuurstof. Ze zijn afhankelijk van het gratis aanbod in de lucht. De wisselwerking is eenvoud. En betrouwbaarheid.
Als je de warmte- en opslagproblemen zou kunnen oplossen, zou je een hyperefficiënte motor hebben. Maar voorlopig wegen de technische uitdagingen zwaarder dan de winst in pk’s. De lucht die we inademen is om een reden verdund. Het fungeert als een natuurlijke buffer.
Dus hoewel het idee van een boost van vijf krachten verleidelijk is, is de realiteit een logistieke nachtmerrie. Wij houden het bij lucht. Het is rommelig. Het is
Het volumeprobleem met pure zuurstof
Je vraagt je misschien af waarom we niet gewoon een tank met pure zuurstof aan de motorkap van een auto bevestigen, zodat deze gemakkelijker kan ademen. Het korte antwoord is natuurkunde. Zuurstof is ongelooflijk omvangrijk. Zelfs als je het comprimeert, maakt het enorme volume dat nodig is om brandstof te verbranden het onpraktisch.
Laten we naar de cijfers kijken. Een enkele gallon benzine weegt 6,2 pond. Om die brandstof volledig te verbranden heeft een motor 86,8 pond zuurstof nodig. Dat is een gewichtsverhouding van 14 op 1. Maar gewicht is niet het opslagprobleem; ruimte is. Zuurstof is een gas, wat betekent dat het licht en expansief is. Eén pond zuurstof neemt 11,2 kubieke voet in beslag.
Reken uit voor een liter gas en je krijgt 972,16 kubieke voet zuurstof nodig. Stel je nu een standaard gastank van 20 gallon voor. Je zou bijna 20.000 kubieke voet zuurstof moeten vervoeren om die brandstof te evenaren. Dat volume zou een huis vullen met 2.500 vierkante meter vloeroppervlak, alleen al voor de oxidator.
Compressie lost het ruimteprobleem niet op
Het comprimeren van het gas helpt, maar niet genoeg. Als u de zuurstof onder druk brengt tot 3000 psi, vermindert u de opslagbehoefte tot ongeveer 100 kubieke voet. Is dat beheersbaar?
Overweeg een standaard duikfles. Er zit ongeveer 80 kubieke meter lucht in. Om de zuurstof voor een volle tank benzine op te slaan, heb je 250 duikflessen nodig. Dat is geen klein busje. Dat is een magazijn.
Lachgas: het praktische compromis
Dit is de reden waarom racers en tuners in plaats daarvan lachgas gebruiken. Lachgas ($N_2O$) is een gas dat onder druk vloeibaar wordt. Door deze faseverandering kunt u een enorme hoeveelheid oxidatiemiddel in een relatief kleine fles opslaan. Wanneer het in de inlaat wordt geïnjecteerd, wordt het afgebroken tot stikstof en zuurstof. De motor geeft om de zuurstof. De stikstof is meestal een inerte vulstof.
De wisselwerking is de duur. Een typisch nitreuze systeem levert slechts één tot drie minuten boost voordat de fles leeg is. Maar in dat korte tijdsbestek kan hij ongeveer 100 pk toevoegen aan een big block-motor.
Het gevaar van te veel lucht
Er is een vangst. Door zoveel zuurstof toe te voegen, kan de motor meer brandstof injecteren. Meer brandstof betekent meer vermogen, maar ook een aanzienlijk hogere cilinderdruk. Tenzij de motor is gebouwd om de stress aan te kunnen, kan de extra druk hem uit elkaar blazen.
Dit is hetzelfde fundamentele probleem waarmee je te maken krijgt met pure zuurstof. De motorcomponenten zouden steviger, sterker en zwaarder moeten zijn om de belasting te overleven. Voor een dagelijkse bestuurder maken het grootste deel van de zuurstoftanks en de kwetsbaarheid van de motor het een non-starter. Lachgas biedt een krachtige, zij het vluchtige, oplossing zonder dat een volledige motorrevisie nodig is.
De technische realiteit is dat lucht al de goedkoopste en meest beschikbare oxidator is. Het aanpassen ervan is gemakkelijker dan het dragen ervan.
Waar te gaan vanaf hier
Als je dieper wilt graven in de mechanismen van interne verbranding, begin dan met de basisprincipes van hoe gas verbrandt en hoe paardenkracht wordt gegenereerd. Het begrijpen van de grenzen van de kracht van uw motor is net zo belangrijk als het begrijpen van het potentieel ervan.
- Hoe automotoren werken
- Hoe benzine werkt
- Hoe paardenkracht
