Samochody spalają benzynę. To jest podstawowa zasada. Ale spalanie jest reakcją chemiczną wymagającą tlenu. Zwykle po prostu zasysamy otaczające powietrze. Atmosfera składa się z około 21 procent tlenu. Odpoczynek? Głównie azot. Azot nie uczestniczy w spalaniu. Jest obojętny. Po prostu siedzi w cylindrze i zajmuje miejsce, które można wykorzystać na większą ilość tlenu.
Tlen określa, ile paliwa może zużyć silnik. Stosunek stechiometryczny dla benzyny wynosi około 1:14. Do całkowitego spalenia 1 gram paliwa wymaga 14 gramów tlenu. Jeśli paliwa jest więcej niż potrzeba, wychodzi ono rurą wydechową w postaci niespalonych węglowodorów. Zanieczyszczenie. Marnować.
Oto eksperyment myślowy. Co by było, gdyby samochód nie był uzależniony od powietrza z otoczenia? A jeśli niósł własne zapasy? Czysty tlen.
Wdychanie 100% tlenu zamiast 21% zmienia matematykę. Otrzymujesz około pięć razy więcej tlenu. Więcej tlenu oznacza, że przy każdym skoku można spalić więcej paliwa. A więcej spalonego paliwa oznacza większą moc.
Silnik o mocy 100 koni mechanicznych faktycznie stanie się silnikiem o mocy 500 koni mechanicznych.
Brzmi jak doskonała poprawa. Więcej mocy. Mniej strat paliwa. Ale jest pewien haczyk. Duży chwyt.
Problem z przegrzaniem
Ogień kocha tlen. Więcej tlenu sprawia, że ogień jest gorętszy i szybszy.
Silniki spalinowe działają już w temperaturach, które mogą stopić stal. Radzą sobie z tym dzięki systemom chłodzenia, specjalistycznym materiałom i precyzyjnemu taktowaniu. Dostarczanie czystego tlenu do tej mieszaniny? Będzie bardzo gorąco. Jest naprawdę gorąco.
„Temperatura spalania gwałtownie wzrośnie, prawdopodobnie niemal natychmiast niszcząc elementy silnika”.
Będziesz potrzebował materiałów, które wytrzymają ekstremalne naprężenia termiczne. Standardowe tłoki aluminiowe są bardziej podatne na topienie. Zawory stalowe mogą ulec wypaczeniu lub pęknięciu. Blok silnika może ulec uszkodzeniu pod wpływem naprężenia termicznego.
Przechowywanie i bezpieczeństwo
Tlen to nie tylko gaz, który można przechowywać w standardowym zbiorniku paliwa. Wymaga zbiorników magazynujących pod wysokim ciśnieniem. Rozważ trwałe cylindry kompozytowe. To dodaje wagi. Dużo wagi.
Następnie jest aspekt bezpieczeństwa. Tlen wspomaga spalanie. Ułatwia zapłon i wspomaga spalanie. Nieszczelny układ tlenowy w pobliżu gorących elementów układu wydechowego? To nie tylko zagrożenie pożarowe. Grozi to wybuchem.
Postępowanie z czystym tlenem wymaga specjalistycznego sprzętu. Uszczelki muszą być wolne od zanieczyszczeń tlenowych. Smary muszą być niepalne. Konwencjonalny smar może zapalić się w środowisku tlenowym. Koszt utrzymania takiego systemu byłby ogromny.
Wydajność kontra praktyczność
Na papierze wzrost wydajności jest realny. Możesz spalić więcej paliwa, wydobyć więcej energii. Ale bariery praktyczne są ogromne. Samo zarządzanie ciepłem wymagałoby całkowitego przeprojektowania układów chłodzenia i wydechu silnika.
Większość pojazdów nie przewozi czystego tlenu. Polegają na darmowych dostawach w powietrzu. Kompromisem jest prostota. I niezawodność.
Gdybyś mógł rozwiązać problemy z ogrzewaniem i magazynowaniem, miałbyś superwydajny silnik. Ale na razie wyzwania inżynieryjne przeważają nad przyrostem mocy. Powietrze, którym oddychamy, jest rozrzedzone nie bez powodu. Pełni funkcję naturalnego bufora.
Tak więc, choć idea pięciokrotnego zwiększenia mocy jest kusząca, rzeczywistość jest logistycznym koszmarem. Zostaje nam powietrze. Jest brudny. On…
Problem z objętością czystego tlenu
Możesz wpaść na pomysł prostego podłączenia butli z czystym tlenem do maski samochodu, aby silnik mógł łatwiej „oddychać”. Odpowiedź jest prosta: jest to niemożliwe ze względu na prawa fizyki. Tlen zajmuje ogromną objętość. Nawet po skompresowaniu ogromna objętość wymagana do spalenia paliwa sprawia, że taki system jest niepraktyczny.
Spójrzmy na liczby. Jeden galon benzyny waży 6,2 funta. Aby całkowicie spalić to paliwo, silnik potrzebuje 86,8 funtów tlenu. Ten stosunek wagowy wynosi 14:1. Jednak problemem przechowywania nie jest waga, ale przestrzeń. Tlen jest gazem, co oznacza, że jest lekki i zajmuje dużą objętość. Jeden funt tlenu zajmuje 11,2 stóp sześciennych.
Wykonaj obliczenia dla jednego galona benzyny, a przekonasz się, że potrzeba 972,16 stóp sześciennych tlenu. Teraz wyobraź sobie standardowy 20-litrowy zbiornik paliwa. Aby dopasować taką ilość paliwa, trzeba by przewieźć prawie 20 000 stóp sześciennych tlenu. Ta objętość wypełniłaby dom o powierzchni 2500 stóp kwadratowych na poziomie podłogi samym utleniaczem.
Kompresja nie rozwiązuje problemu przestrzeni
Sprężenie gazu pomaga, ale nie wystarczy. Jeśli tlen zostanie sprężony do 3000 psi (funtów na cal kwadratowy), wymagana objętość magazynowania spada do około 100 stóp sześciennych. Czy to jest prawdziwe?
Rozważmy standardową butlę do nurkowania. Mieści około 80 stóp sześciennych powietrza. Aby przechowywać tlen na pełny zbiornik benzyny, będziesz potrzebować 250 takich butli do nurkowania. To nie jest mały pojemnik. To cały magazyn.
Podtlenek azotu: praktyczny kompromis
Dlatego kierowcy wyścigowi i tunerzy używają podtlenku azotu. Podtlenek azotu ($N_2O$) to gaz, który ulega skropleniu pod ciśnieniem. Ta zmiana fazowa umożliwia przechowywanie ogromnych ilości środka utleniającego w stosunkowo małej butelce. Po wtryśnięciu do kolektora dolotowego rozkłada się na azot i tlen. Silnik potrzebuje tlenu. Azot jest głównie obojętnym dodatkiem „balastowym”.
Kompromisem jest czas trwania działania. Typowy system podtlenku azotu zapewnia tylko jedną do trzech minut doładowania, aż do opróżnienia zbiornika. Ale w tak krótkim czasie może dodać około 100 koni mechanicznych do silnika o dużej pojemności skokowej.
Zagrożenia związane z nadmiarem powietrza
Jest jedno „ale”. Dodanie tak dużej ilości tlenu umożliwia silnikowi wtryskiwanie większej ilości paliwa. Więcej paliwa oznacza większą moc, ale także znacznie zwiększa ciśnienie w cylindrach. Jeśli silnik nie jest zaprojektowany tak, aby wytrzymywał takie obciążenia, nadciśnienie może go zniszczyć.
Jest to ten sam podstawowy problem, z którym borykasz się w przypadku czystego tlenu. Części silnika musiałyby być masywniejsze, mocniejsze i cięższe, aby wytrzymać obciążenie. W przypadku samochodu codziennego użytku nieporęczne zbiorniki tlenu i kruchość silnika sprawiają, że taki system jest nie do przyjęcia. Podtlenek azotu stanowi skuteczne, choć krótkotrwałe rozwiązanie bez konieczności całkowitej przebudowy silnika.
Rzeczywistość inżynieryjna jest taka, że powietrze jest już najtańszym i najbardziej dostępnym utleniaczem. Łatwiej go modyfikować niż transportować.
Gdzie dalej
Jeśli chcesz głębiej zrozumieć mechanikę spalania wewnętrznego, zacznij od podstaw spalania benzyny i wytwarzania energii. Zrozumienie ograniczeń silnika jest tak samo ważne, jak zrozumienie jego potencjału.
- Jak działają silniki samochodowe?
- Jak działa benzyna?
- Jak mierzy się moc
