Когда расточен блок цилиндров, установлены облегченные кованые шатуны и поршни, обточен маховик, поставлен широкофазный распредвал и усиленное колено, клапана стали легче, а пружины жестче, впускной коллектор блестит как зеркало. Когда сделано уже практически все возможное. И ты гордый и довольный "зарубаешься" на прямой с какой-то колымагой, а она вдруг на сотне уходит от тебя как от стоячего. В голове рождается мысль о впустую потраченных деньгах. И вроде турбина есть, и топливо льется рекой, а чего-то не хватает. У двигателя – кислородное голодание.
Про существование нитрос-систем я знал и раньше. Но только просмотр фильма «Быстрые и Бешеные» (у нас его больше знают как «Форсаж»), эдакого гимна технике, мощи и скорости, подвиг меня на более внимательное изучение и осмысление этого вопроса. Прежде всего разберемся с тем, для чего нужен нитрос. И говорить мы будем о процессе смесеобразования и сгорания.
Кислород
Кислород В цилиндрах двигателя, не важно дизельного или бензинового, сгорает не просто топливо, а топливовоздушная смесь, т. е. смесь топлива и воздуха. Присутствие кислорода обязательно, поскольку горение углеводорода (т. е. бензина) осуществляется при наличии окислителя (т. е. кислорода). Сам по себе бензин горит неохотно.
В идеале благодаря реакции горения бензин, окисляясь кислородом, превращается в углекислый газ и воду. При этом выделяется много энергии, которая заставляет поршень перемещаться и крутиться коленвал. Но это в идеале. И дело не в топливе, а в воздухе, поступающем в двигатель. Окружающий нас воздух не состоит только из кислорода. Более того, кислорода в воздухе всего лишь около 21%. Почти в 4 раза больше азота, более 78%. Есть также аргон и углекислый газ – это еще почти 1%, а оставшиеся сотые или даже тысячные доли воздуха представляют собой смесь из множества различных газов. Вернемся к двигателю. Нормальным соотношением топливовоздушной смеси принято считать 14,7:1 (т. е. 14,7 кг воздуха с нормальным содержанием в нем кислорода на 1 кг паров бензина). Изменение этих пропорций и делает топливную смесь «богатой» (меньше воздуха) или бедной (больше воздуха). Современные двигатели с непосредственным впрыском топлива в цилиндр могут работать на сверхбедных смесях – 40:1 или даже более. В обычных же моторах (карбюраторных или с многоточечным впрыском) при обедненной смеси двигатель работает нестабильно или вообще глохнет, а при обогащенной поедает слишком много топлива или, залив свечи топливом, также останавливается. Кстати, отсюда и большинство проблем с вредными выбросами – окислы азота, угарный газ и даже не догоревшее топливо вообще могут вылетать из выхлопной трубы. Вот и выходит, что набить горючки в цилиндры не так сложно. Если потребуется, можно установить более производительные форсунки или перенастроить систему карбюраторов. Куда сложнее с кислородом. Собственно, вся проблема в том и заключается, что, как ни старайся, кислорода из воздуха много не соберешь. Всяческие компрессоры, турбонаддувы, нагнетатели и т. п. позволяют лишь накачать в цилиндры несколько больше воздушного коктейля. Но доля кислорода в нем больше не станет, пропорции же не изменить. Идеальной могла бы быть ситуация, при которой в цилиндры подается чистый кислород. Но возить с собой баллон со сжатым или, тем паче, сжиженным кислородом не просто опасно, а смертельно опасно. Все равно, что сидеть на бочке с порохом. Здесь на помощь приходит химия. Получив в 1772 г. в ходе химических опытов закись азота (N2O), английский ученый Джозеф Пресли и представить себе не мог, как вещество, которое он создал, изменит индустрию тюнинга во второй половине XX века.
Закись азота N2O.
Гемиоксид, оксид диазота или просто закись азота – бесцветный газ со слабым приятным запахом и несколько сладковатым привкусом. Газ растворим в воде, спирте, эфире, серной кислоте. С водой, рас-творами кислот, щелочей, кислородом не взаимодействует. Температура плавления –90,8 ОC, кипения – 88,5 ОC. Обладает наркотическим действием. При высокой температуре N2O действует как сильный окислитель. При температуре 300 ОС разлагается на составляющие. Вот это нам и нужно.
Из одного газа получается два, занимая практически равный объем. То есть само по себе такое разложение дает прибавку давления в камере сгорания. Но еще важнее то, что появляется свободный кислород. Причем атомарный, а не молекулярный. То есть реакция разложения закиси азота в цилиндрах протекает столь быстро, что атомы кислорода не успевают образовать молекулы и потому более активно окисляют молекулы бензина. Так что реакция горения протекает более интенсивно.
Плотность закиси азота примерно на 50% больше плотности воздуха. Кислорода в ней порядка 36% (против 21% в атмосфере). Т. е. при разложении определенного объема закиси выделяется почти в 2,5 раза больше кислорода, чем его находится в том же объеме воздуха. И, несмотря на то что азота получается еще больше, такой кислородный «допинг» позволяет существенно увеличить подачу топлива. Как результат: больше горючей смеси в цилиндре, больше мощность. В годы Второй мировой войны это свойство закиси азота уже было известно. В авиации подобные системы давали некоторые преимущества по скорости, но особенно по высоте (для полетов в условиях более разреженного воздуха). Однако с появлением реактивных двигателей закись азота забылась. Автомобилисты вспомнили об этом чудесном газе в 70-е годы прошлого века. Пришла эра форсажа.
Вернемся к работе двигателя внутреннего сгорания. Работа мотора и его мощностные характеристики напрямую зависят от качества, количества и однородности горючей смеси. Как было отмечено выше, большее количество кислорода позволяет сжечь больше топлива. Отсюда и дополнительная мощность. Но это видимая и основная часть работы нитрос-систем. Другая основа эффективности сгорания – парообразование топлива. Жидкий бензин не горит, горят его пары. Испаряется бензин куда лучше воды, и высокая температура в двигателе ускоряет этот процесс. Вот почему в моторе бензин сперва распыляется инжектором форсунки или жиклером карбюратора на мелкие капли, а затем испаряется, попадая на горячий клапан, поршень и т. д. Чем более мелкими будут капли топлива, тем больше будет совокупная площадь их поверхностей, тем быстрее и легче они превратятся в пар. Правильно спроектированная нитрос-система позволяет повысить эффективность распыления топлива и его парообразования. Это в первую очередь относится к распылению дополнительного топлива в так называемых «мокрых» системах, о чем я расскажу далее.
И третья прибавка исходит из плотности топливовоздушной смеси. Исходя из законов физики известно, что при одинаковом давлении плотность и масса холодного воздуха выше, чем у нагретого. Для двигателя это означает, что в цилиндры поступит больше кислорода, что позволит сжечь больше топлива и тем самым увеличить мощность. На плотность воздуха влияют также влажность и атмосферное давление, но на эти параметры воздействовать сложнее. В современных автомобилях используются интеркулеры, охлаждающие поступающий воздух и делающие его более плотным. Без них работа турбокомпрессоров была бы менее эффективной (при работе они здорово нагревают воздух). Закись азота действует на топливовоздушную смесь как хлад-агент. Впрыскиваясь как жидкость, она мгновенно превращается в газ. Из 1 кг N2O получается порядка 500 литров газа. Воздух буквально вымораживается. Вот еще одно благотворное влияние нитрос-системы на работу двигателя. И вот почему вместе с закисью азота нельзя использовать впрыск воды. Она мгновенно превращается во множество мелких льдышек с вполне предсказуемым результатом для двигателя.
NO2
Так уж случилось, что праотцами автомобильных нитрос-систем стали два гонщика. Это не означает, что до них таких попыток не было, но существующие устройства были неудобными и сложными. Именно Майк Термос и Дайл Вазнаян в середине 70-х создали устройство, которое можно было установить практически на любой автомобиль и легко управлять им. В 1978 г. они организовали NOS (Nitrous Oxide Systems, Inc.). Сейчас под этой маркой производятся десятки вариантов систем для сотен марок автомобилей, мотоциклов, снегоходов, катеров, самолетов и т. д. Фильм «Форсаж» сделал аббревиатуру NOS фактически именем нарицательным. И как мне кажется, продукция под этой маркой является наилучшим примером для рассказа о системах закиси азота.
