Động cơ Nitrous Oxide, hay Hệ thống Nitrous Oxide thường được gọi và được gọi là NOS, là động cơ đốt trong trong đó oxy để đốt cháy nhiên liệu đến từ quá trình phân hủy oxit nitơ, N2O, cũng như không khí. Hệ thống này tăng công suất đầu ra của động cơ bằng cách cho phép nhiên liệu được đốt cháy ở tốc độ cao hơn bình thường, do áp suất riêng phần của oxy được bơm vào hỗn hợp nhiên liệu cao hơn.
Oxit nitơ không bắt lửa ở nhiệt độ phòng, nó chỉ bắt lửa dưới áp suất lớn. Hệ thống phun nitơ có thể là “khô”, trong đó oxit nitơ được phun riêng biệt với nhiên liệu hoặc “ướt” trong đó nhiên liệu bổ sung được đưa vào động cơ cùng với oxit nitơ.
Oxit nitơ được sử dụng trong ô tô để tăng công suất của động cơ trong một khoảng thời gian giới hạn. Ứng dụng đầu tiên của nó bắt nguồn từ Thế chiến II khi nó được sử dụng để tăng sức mạnh của máy bay phản lực, nhưng bây giờ nó đã được sử dụng trong ô tô.
NOS có thể không được phép sử dụng trên đường phố hoặc đường cao tốc, tùy thuộc vào các quy định của mỗi quốc gia. Việc sử dụng N2O được cho phép trong một số hạng đua xe ô tô. Hoạt động đáng tin cậy của động cơ phun nitơ đòi hỏi phải chú ý cẩn thận đến độ bền của các bộ phận động cơ và độ chính xác của hệ thống trộn, nếu không có thể xảy ra các vụ nổ phá hủy hoặc vượt quá mức chịu tải tối đa của bộ phận được thiết kế. Các hệ thống oxit nitơ đã được áp dụng ngay từ Thế chiến II cho một số động cơ máy bay.
Lịch sử
Một kỹ thuật cơ bản tương tự đã được sử dụng trong Thế chiến II bởi máy bay Luftwaffe với hệ thống GM-1 để duy trì công suất của động cơ máy bay khi ở độ cao lớn, nơi mật độ không khí thấp hơn. Theo đó, nó chỉ được sử dụng bởi các loại máy bay chuyên dụng như máy bay trinh sát tầm cao, máy bay ném bom tốc độ cao và máy bay đánh chặn tầm cao. Đôi khi nó được sử dụng với hình thức phun metanol của Luftwaffe, được chỉ định là MW 50 (cả hai đều có nghĩa là các biện pháp tăng cường năng lượng ngắn hạn của Notleistung), để tạo ra sự gia tăng đáng kể về hiệu suất cho máy bay chiến đấu trong thời gian ngắn, như với việc sử dụng kết hợp chúng trên nguyên mẫu máy bay chiến đấu Focke-Wulf Ta 152H.
Việc sử dụng hệ thống phun oxit nitơ trong Chiến tranh thế giới thứ hai của Anh là những sửa đổi của động cơ Merlin do Công ty máy bay Heston thực hiện để sử dụng trong một số biến thể máy bay chiến đấu ban đêm của de Havilland Mosquito và phiên bản PR của Supermarine Spitfire.
Thuật ngữ
Trong bối cảnh đua xe, oxit nitơ thường được gọi là nitơ hoặc NOS. Thuật ngữ NOS có nguồn gốc từ tên viết tắt của tên công ty Nitrous Oxide Systems, Inc. (hiện là thương hiệu của Holley Performance Products) một trong những công ty tiên phong trong việc phát triển hệ thống phun oxit nitơ để sử dụng cho hiệu suất ô tô và đã trở thành nhãn hiệu chung. Nitro đôi khi cũng được sử dụng, mặc dù không chính xác, vì nó đề cập nhiều hơn đến động cơ nitromethane.
Cơ chế hoạt động
Khi một mol oxit nitơ bị phân hủy, nó giải phóng nửa mol phân tử O2 (khí oxy) và một mol phân tử N2 (khí nitơ). Sự phân hủy này cho phép đạt được nồng độ oxy là 36,36%. Khí nitơ không cháy và không hỗ trợ quá trình đốt cháy. Không khí—chỉ chứa 21% oxy, phần còn lại là nitơ và các loại khí không cháy và không hỗ trợ quá trình đốt cháy khác—cho phép mức oxy tối đa thấp hơn 12% so với mức oxy của oxit nitơ. Oxy này hỗ trợ quá trình đốt cháy; nó kết hợp với các nhiên liệu như xăng, cồn, nhiên liệu diesel, propan hoặc khí tự nhiên nén (CNG) để tạo ra carbon dioxide và hơi nước, cùng với nhiệt, làm cho hai sản phẩm đốt cháy trước giãn nở và tạo áp lực lên các pít-tông, thúc đẩy động cơ.
Oxit nitơ được lưu trữ dưới dạng chất lỏng trong bình chứa, nhưng ở dạng khí trong điều kiện khí quyển. Khi được bơm dưới dạng chất lỏng vào ống góp nạp, quá trình hóa hơi và giãn nở làm giảm nhiệt độ nạp không khí/nhiên liệu cùng với sự gia tăng tỷ trọng, do đó làm tăng hiệu suất thể tích của xi lanh.
Vì quá trình phân hủy N2O thành khí oxy và nitơ tỏa nhiệt và do đó góp phần làm tăng nhiệt độ trong động cơ đốt trong, quá trình phân hủy làm tăng hiệu quả và hiệu suất của động cơ, điều này liên quan trực tiếp đến sự chênh lệch nhiệt độ giữa hỗn hợp nhiên liệu chưa cháy và khí đốt nóng sinh ra trong xi lanh.
Xác định
Những ô tô có động cơ được trang bị nitơ có thể được xác định bằng cách “thanh lọc” hệ thống phân phối mà hầu hết người lái xe thực hiện trước khi đến đường ống dẫn. Một van hoạt động bằng điện riêng biệt được sử dụng để giải phóng không khí và oxit nitơ dạng khí bị mắc kẹt trong hệ thống phân phối. Điều này đưa oxit nitơ lỏng đi lên tất cả các đường ống dẫn từ bình chứa đến van điện từ hoặc các van sẽ giải phóng nó vào đường nạp của động cơ. Khi hệ thống thanh lọc được kích hoạt, một hoặc nhiều chùm oxit nitơ sẽ xuất hiện trong giây lát khi chất lỏng bốc hơi thành hơi khi nó được giải phóng. Mục đích của việc thanh lọc oxit nitơ là để đảm bảo rằng lượng oxit nitơ chính xác được cung cấp vào thời điểm hệ thống được kích hoạt vì các vòi phun oxit nitơ và nhiên liệu được định cỡ để tạo ra tỷ lệ không khí/nhiên liệu chính xác, và vì oxit nitơ lỏng đậm đặc hơn oxit nitơ ở dạng khí, bất kỳ hơi oxit nitơ nào trong đường ống dẫn sẽ khiến xe bị “sa lầy” ngay lập tức (vì tỷ lệ nitơ/nhiên liệu quá đậm sẽ làm giảm công suất động cơ) cho đến khi nitơ oxit lỏng đến vòi phun.
Các loại hệ thống NOS
Có hai loại hệ thống oxit nitơ: khô & ướt với bốn phương pháp phân phối chính của hệ thống: vòi phun đơn, cổng trực tiếp, tấm và thanh được sử dụng để xả oxit nitơ vào các lỗ thông của đường ống nạp. Gần như tất cả các hệ thống NOS đều sử dụng các vòi phun, cùng với tính toán áp suất để đo nitơ, hoặc nitơ và nhiên liệu trong các ứng dụng ướt, được phân phối để tạo ra tỷ lệ không khí-nhiên liệu (AFR) thích hợp cho mã lực bổ sung mong muốn.
Hệ thống khô
Trong hệ thống cung cấp oxit nitơ khô, phương pháp phân phối này chỉ cung cấp oxit nitơ. Nhiên liệu bổ sung cần thiết được đưa vào thông qua các kim phun nhiên liệu, giữ cho ống góp khô nhiên liệu. Thuộc tính này là thứ mang lại tên gọi cho hệ thống khô. Lưu lượng nhiên liệu có thể được tăng lên bằng cách tăng áp suất hoặc tăng thời gian kim phun nhiên liệu vẫn mở.
Các hệ thống oxit nitơ khô thường dựa vào một phương pháp phân phối vòi phun đơn, nhưng tất cả bốn phương pháp phân phối chính đều có thể được sử dụng trong các ứng dụng khô. Hệ thống khô thường không được sử dụng trong các ứng dụng chế hòa khí do tính chất chức năng của bộ chế hòa khí và không có khả năng cung cấp một lượng lớn nhiên liệu theo yêu cầu. Hệ thống nitơ khô trên động cơ phun nhiên liệu sẽ sử dụng áp suất nhiên liệu tăng lên hoặc độ rộng xung của kim phun khi kích hoạt hệ thống như một phương tiện cung cấp tỷ lệ nhiên liệu chính xác cho oxit nitơ.
Hệ thống ướt
Trong hệ thống oxit nitơ ướt, phương pháp phân phối cung cấp oxit nitơ và nhiên liệu cùng nhau dẫn đến ống nạp bị “ướt” bằng nhiên liệu. Hệ thống oxit nitơ ướt có thể được sử dụng trong cả bốn phương pháp phân phối chính.
Trong các hệ thống ướt trên động cơ phun nhiên liệu/động cơ phun trực tiếp, phải cẩn thận để tránh phản ứng ngược do nhiên liệu dồn lại trong đường nạp hoặc ống góp và/hoặc phân phối hỗn hợp oxit nitơ/nhiên liệu không đồng đều. Động cơ phun nhiên liệu trực tiếp và cổng có hệ thống nạp được thiết kế để chỉ cung cấp không khí chứ không phải không khí và nhiên liệu. Vì hầu hết các loại nhiên liệu đều nặng hơn không khí và không ở trạng thái khí khi được sử dụng với hệ thống oxit nitơ nên nó không hoạt động giống như không khí; do đó, khả năng nhiên liệu được phân phối không đều đến các buồng đốt của động cơ gây ra tình trạng nghèo/kích nổ và/hoặc đọng lại trong các bộ phận của đường nạp/ống góp dẫn đến tình huống nguy hiểm trong đó nhiên liệu có thể bốc cháy không kiểm soát được gây ra hỏng hóc nghiêm trọng cho các bộ phận. Động cơ phun nhiên liệu bằng chế hòa khí và phun một điểm/thân bướm ga sử dụng thiết kế ống góp ướt được thiết kế để phân phối đều hỗn hợp nhiên liệu và không khí cho tất cả các buồng đốt, khiến điều này hầu như không thành vấn đề đối với các ứng dụng này.
Vòi phun đơn
Hệ thống oxit nitơ vòi phun đơn đưa hỗn hợp oxit nitơ hoặc nhiên liệu/oxit nitơ qua một điểm phun duy nhất. Vòi phun thường được đặt trong đường ống nạp sau bộ lọc khí, trước thân van tiết lưu trong các ứng dụng phun nhiên liệu và sau thân van tiết lưu trong các ứng dụng chế hòa khí. Trong các hệ thống ướt, áp suất cao của oxit nitơ được bơm vào gây ra hiện tượng khí dung hóa nhiên liệu được phun song song qua vòi phun, cho phép phân phối hỗn hợp oxit nitơ/nhiên liệu kỹ lưỡng và đồng đều hơn.
Cổng trực tiếp
Hệ thống oxit nitơ cổng trực tiếp đưa hỗn hợp oxit nitơ hoặc nhiên liệu/oxit nitơ càng gần các cổng nạp của động cơ càng tốt thông qua các vòi riêng lẻ trực tiếp trong mỗi đường nạp. Các hệ thống oxit nitơ cổng trực tiếp sẽ sử dụng các vòi phun giống hoặc tương tự như các vòi phun trong hệ thống vòi phun đơn, chỉ với số lượng bằng hoặc bội số của số lượng các cổng nạp của động cơ. Do các hệ thống cổng trực tiếp không phải dựa vào thiết kế đường nạp/ống góp để phân phối đều hỗn hợp oxit nitơ hoặc nhiên liệu/oxit nitơ, chúng vốn đã chính xác hơn các phương pháp phân phối khác. Số lượng vòi phun nhiều hơn cũng cho phép cung cấp tổng lượng oxit nitơ lớn hơn các hệ thống khác. Có thể thực hiện nhiều “giai đoạn” oxit nitơ bằng cách sử dụng nhiều bộ vòi phun ở mỗi cổng nạp để tăng thêm tiềm năng năng lượng. Hệ thống oxit nitơ cổng trực tiếp là phương pháp phân phối phổ biến nhất trong các ứng dụng đua xe.
Plate – tấm
Hệ thống oxit nitơ dạng tấm sử dụng một miếng đệm được đặt ở đâu đó giữa thân bướm ga và các cổng nạp với các lỗ được khoan dọc theo bề mặt bên trong của nó hoặc trong một ống được treo trên tấm, để phân phối oxit nitơ hoặc hỗn hợp nhiên liệu/oxit nitơ. Các hệ thống tấm cung cấp giải pháp không cần khoan so với các phương pháp phân phối khác vì các tấm thường dành riêng cho ứng dụng và khớp giữa các bộ phận hiện có, chẳng hạn như các mối nối giữa thân van tiết lưu với ống nạp hoặc nút trên-ống nạp-với-dưới-ống nạp-ống nạp. Yêu cầu nhiều hơn một chút so với các chốt dài hơn, hệ thống tấm là hệ thống dễ đảo ngược nhất vì chúng cần ít hoặc không cần thay đổi vĩnh viễn đối với đường nạp. Tùy thuộc vào ứng dụng, các hệ thống tấm có thể cung cấp phân phối hỗn hợp oxit nitơ hoặc nhiên liệu/oxit nitơ chính xác tương tự như hệ thống cổng trực tiếp.
Bar – Thanh
Hệ thống khí oxit nitơ dạng thanh sử dụng một ống rỗng, với một số lỗ được khoan dọc theo chiều dài của ống, được đặt bên trong khoang nạp để phân phối khí oxit nitơ. Các phương pháp phân phối khí oxit nitơ dạng thanh hầu như chỉ là các hệ thống khí oxit nitơ khô do khả năng phân phối nhiên liệu không tối ưu của thanh. Hệ thống oxit nitơ dạng thanh phổ biến với những tay đua thích ẩn việc sử dụng oxit nitơ của họ, vì phương pháp phân phối oxit nitơ không rõ ràng ngay lập tức và hầu hết các thành phần liên quan của hệ thống nitơ có thể bị che khuất khỏi tầm nhìn.
Propane hoặc CNG
Hệ thống oxit nitơ có thể được sử dụng với nhiên liệu khí như propan hoặc khí tự nhiên nén. Điều này có ưu điểm là về mặt kỹ thuật, đây là một hệ thống khô vì nhiên liệu không ở trạng thái lỏng khi được đưa vào đường nạp.
Mối quan tâm về độ tin cậy
Việc sử dụng oxit nitơ mang theo mối lo ngại về độ tin cậy và tuổi thọ của động cơ có mặt với tất cả các bộ tăng cường. Do áp suất xi lanh tăng lên đáng kể, toàn bộ động cơ chịu áp lực lớn hơn, chủ yếu là các bộ phận liên quan đến cụm quay của động cơ. Một động cơ có các bộ phận không thể đối phó với áp lực gia tăng do sử dụng hệ thống oxit nitơ có thể gây ra những hư hỏng lớn cho động cơ, chẳng hạn như các pít-tông, thanh truyền, trục khuỷu và/hoặc khối động cơ bị nứt hoặc bị phá hủy. Tăng cường thích hợp các thành phần động cơ bên cạnh việc cung cấp nhiên liệu đầy đủ và chính xác là chìa khóa để sử dụng hệ thống oxit nitơ mà không gặp sự cố nghiêm trọng.
Ngoài ra, không nên sử dụng oxit nitơ trên xe có hộp số tự động, vì công suất động cơ và mô-men xoắn tăng cao có thể gây ra hư hỏng do ứng suất cho bộ biến mô và chính hộp số.
Tính hợp pháp
Hệ thống phun oxit nitơ cho ô tô là bất hợp pháp khi sử dụng trên đường ở một số quốc gia. Ví dụ: ở New South Wales, Úc, Quy tắc thực hành của Cơ quan quản lý giao thông và đường bộ đối với việc sửa đổi phương tiện hạng nhẹ (được sử dụng từ năm 1994) quy định trong khoản 3.1.5.7.3 rằng việc sử dụng hoặc trang bị hệ thống phun oxit nitơ là không được phép.
Ở Vương quốc Anh, không có giới hạn nào đối với việc sử dụng N2O, nhưng việc sửa đổi phải được khai báo với công ty bảo hiểm, điều này có thể dẫn đến phí bảo hiểm Xe cơ giới cao hơn hoặc bị từ chối bảo hiểm.
Ở Đức, mặc dù có các quy định nghiêm ngặt về TÜV, hệ thống oxit nitơ có thể được lắp đặt và sử dụng hợp pháp trên ô tô chạy trên đường phố. Các yêu cầu đối với tiêu chuẩn kỹ thuật của hệ thống tương tự như các yêu cầu chuyển đổi khí tự nhiên hậu mãi.
Luật đua xe
Một số cơ quan xử phạt trong đua xe kéo drag cho phép hoặc không cho phép sử dụng nitơ oxit trong một số loại nhất định hoặc có các loại oxit nitơ cụ thể. Nitơ được phép sử dụng trong cuộc thi Formula Drift.
