Автомобили сжигают бензин. Это базовый принцип. Но горение — это химическая реакция, которой необходим кислород. Обычно мы просто засасываем окружающий воздух. Атмосфера примерно на 21 процент состоит из кислорода. Остальное? В основном азот. Азот не участвует в горении. Он инертен. Он просто находится в цилиндре, занимая пространство, которое могло бы быть использовано для большего количества кислорода.
Кислород определяет, сколько топлива может потреблять двигатель. Стехиометрическое соотношение для бензина составляет примерно 1:14. Один грамм топлива требует 14 граммов кислорода для полного сгорания. Если топлива больше, чем нужно, оно выходит через выхлопную трубу в виде несгоревших углеводородов. Загрязнитель. Отходы.
Вот мысленный эксперимент. Что если бы автомобиль не полагался на окружающий воздух? Что если бы он нес свой собственный запас? Чистый кислород.
Вдыхание 100-процентного кислорода вместо 21-процентного меняет математику. Вы получаете примерно в пять раз больше кислорода. Больше кислорода означает, что больше топлива может быть сожжено за каждый такт. А больше сожженного топлива означает больше мощности.
Двигатель мощностью 100 лошадиных сил фактически станет двигателем мощностью 500 лошадиных сил.
Звучит как идеальное улучшение. Больше мощности. Меньше отходов топлива. Но есть подвох. Большой подвох.
Проблема перегрева
Огонь любит кислород. Больше кислорода делает огонь горячее и быстрее.
Двигатели внутреннего сгорания уже работают при температурах, которые могут расплавить сталь. Они справляются с этим с помощью систем охлаждения, специализированных материалов и точного тайминга. Подача чистого кислорода в эту смесь? Будет очень жарко. Действительно жарко.
«Температура сгорания резко возрастет, что, вероятно, почти мгновенно уничтожит компоненты двигателя.»
Вам понадобятся материалы, способные выдерживать экстремальные термические нагрузки. Стандартные алюминиевые поршни, скорее всего, расплавятся. Стальные клапаны могут деформироваться или треснуть. Блок двигателя может выйти из строя под термической нагрузкой.
Хранение и безопасность
Кислород — это не просто газ, который можно хранить в стандартном топливном баке. Он требует емкостей для хранения под высоким давлением. Подумайте о прочных композитных баллонах. Это добавляет вес. Много веса.
Затем есть аспект безопасности. Кислород поддерживает горение. Он облегчает воспламенение и усиливает горение. Утечка в системе кислорода рядом с горячими компонентами выхлопа? Это не просто пожароопасно. Это опасно взрывом.
Обращение с чистым кислородом требует специализированного оборудования. Уплотнения должны быть очищены от кислородных загрязнений. Смазочные материалы должны быть негорючими. Обычная смазка может загореться в кислородной среде. Затраты на обслуживание такой системы были бы огромными.
Эффективность против практичности
На бумаге выигрыш в эффективности реален. Вы можете сжигать больше топлива, извлекать больше энергии. Но практические барьеры огромны. Только управление теплом потребовало бы полной переработки систем охлаждения и выхлопа двигателя.
Большинство автомобилей не перевозят чистый кислород. Они полагаются на бесплатный запас в воздухе. Компромисс заключается в простоте. И надежности.
Если бы вы могли решить проблемы с теплом и хранением, у вас был бы сверхэффективный двигатель. Но пока инженерные проблемы перевешивают выигрыш в лошадиных силах. Воздух, которым мы дышим, разбавлен не просто так. Он действует как естественный буфер.
Так что, хотя идея пятикратного увеличения мощности соблазнительна, реальность представляет собой логистический кошмар. Мы остаемся с воздухом. Он грязный. Он…
Проблема объема чистого кислорода
Возможно, вам придет в голову идея просто прикрепить к капоту автомобиля баллон с чистым кислородом, чтобы двигатель «дышал» легче. Короткий ответ: это невозможно из-за законов физики. Кислород занимает огромный объем. Даже при сжатии его колоссальный объем, необходимый для сжигания топлива, делает такую систему непрактичной.
Давайте посмотрим на цифры. Один галлон бензина весит 6,2 фунта. Для полного сжигания этого топлива двигателю требуется 86,8 фунта кислорода. Это соотношение по весу составляет 14:1. Однако проблема хранения заключается не в весе, а в пространстве. Кислород — это газ, то есть он легкий и занимает большой объем. Один фунт кислорода занимает 11,2 кубических футов.
Сделайте расчеты для одного галлона бензина, и вы получите, что необходимо 972,16 кубических футов кислорода. Теперь представьте себе стандартный бензобак объемом 20 галлонов. Чтобы соответствовать такому количеству топлива, вам пришлось бы перевозить почти 20 000 кубических футов кислорода. Этот объем заполнил бы дом площадью 2 500 квадратных футов по полу только для окислителя.
Сжатие не решает проблему пространства
Сжатие газа помогает, но недостаточно. Если сжать кислород до давления 3 000 psi (фунтов на квадратный дюйм), требование к объему хранения снижается примерно до 100 кубических футов. Реально ли это?
Рассмотрим стандартный акваланговый баллон. Он вмещает примерно 80 кубических футов воздуха. Чтобы хранить кислород для полного бака бензина, вам понадобится 250 таких акваланговых баллонов. Это не маленькая канистра. Это целый склад.
Закись азота: практичный компромисс
Именно поэтому гонщики и тюнеры используют закись азота. Закись азота ($N_2O$) — это газ, который сжижается под давлением. Этот фазовый переход позволяет хранить огромное количество окислителя в относительно небольшой бутылке. При впрыске во впускной коллектор она распадается на азот и кислород. Двигателю нужен кислород. Азот же в основном является инертной «балластной» добавкой.
Компромисс заключается в продолжительности действия. Типичная система закиси азота обеспечивает наддув всего от одной до трех минут, пока баллон не опустеет. Но за это короткое время она может добавить около 100 лошадиных сил к двигателю большого объема.
Опасность избытка воздуха
Есть одно «но». Добавление такого большого количества кислорода позволяет двигателю впрыскивать больше топлива. Больше топлива означает больше мощности, но также значительно повышает давление в цилиндрах. Если двигатель не рассчитан на такие нагрузки, избыточное давление может его разрушить.
Это та же фундаментальная проблема, с которой вы столкнулись бы при использовании чистого кислорода. Детали двигателя должны были бы быть более массивными, прочными и тяжелыми, чтобы выдержать нагрузку. Для повседневного автомобиля громоздкость кислородных баллонов и хрупкость двигателя делают такую систему неприемлемой. Закись азота предлагает мощное, хотя и кратковременное, решение без необходимости полной переборки двигателя.
Инженерная реальность такова, что воздух уже является самым дешевым и доступным окислителем. Модифицировать его проще, чем перевозить.
Куда двигаться дальше
Если вы хотите глубже разобраться в механике внутреннего сгорания, начните с основ того, как сгорает бензин и как генерируется мощность. Понимание пределов прочности вашего двигателя так же важно, как и понимание его потенциала.
- Как работают автомобильные двигатели
- Как работает бензин
- Как измеряется мощность
