خلط البنزين بالنيتروز لزيادة قدرة المحرك- Nitrous oxide N2O

خلط-البنزين-بالنيتروز-لزيادة-قدرة-المحرك-Nitrous-o

أكسيد النيتروز(Nitrous Oxide- N2O)
 
https://scontent-iad3-1.xx.fbcdn.net/hphotos-xta1/v/t1.0-9/12112431_1178458108850289_1265635056547633055_n.jpg?oh=782c6730cb7b57c298577a43ba646d17&oe=56D03D8E
 
استخدام النيتروز (Nitrous oxide N2O):
النيتروز هو غاز عدم الرائحة وغير قابل للاشتعال. ويستخدمه البعض بالسيارة لزيادة القدرة عن طريق إدخاله مع الهواء داخل المحرك. يعمل النيتروز على زيادة كمية الاكسجين عن الموجودة بالجو (مما يؤدي إلى زيادة الاحتراق وبالتالي زيادة الضغط والحرارة داخل الأسطوانة وزيادة القدرة). يجب في تلك الحالة المحافظة على درجة حرارة المحرك لتجنب مشاكل الصفع والمشاكل الأخرى. وزيادة كمية الوقود ليتمكن النيتروزمن التفاعل معها.
أكسيد النيتروز يوجد تحت عدة مسميات اخرى N2O or N2O, nitrous, nitro, أو الغاز المضحك laughing gas, الذي هو مركب كيميائي له الصيغة التالية N2O الذي يستخدم كمخدر في العمليات الجراحية, ويستخدم في المركبات لزيادة قدرة المحرك.
يطلق عليه تجاريا  NOS نسبة إلى الشركة المصنعة Nitrous Oxide Systems, وهي واحدة من أوائل الشركات التي طورت نظام حقن أكسيد النيتروز لاستخدامه بالسيارات.
 لا يجب الخلط  هنا بينه وبين أكاسيد النيتروجين التي يعتبر من ملوثات عادم السيارة ويطلق عليها نوكس NOx, والمسبب للأمطار الحمضية  acid rain, واضمحلال طبقة الأوزون Ozone depletion, والانحباس الحراري greenhouse effect. والتي هي عبارة عن أكسيد النيتريك NO, أو ثاني أكسيد النيتروجين NO2.
قدرة المحرك تتكون من مقدار الوقود المحترق. ويمكنك على ذلك زيادة كمية الوقود المضخة داخل المحرك, ولكن حد كمية الوقود هو مقدار الأكسجين المطلوب لحرقها. ولهذا حد المحرك لعمل القدرة, هو مقدار الأكسجين الذي يمكنها أن تستنشقه. ولهذا عمد المسابقين في سباق السيارات بعمل ما يمكن عمله لإدخال هواء زيادة: رفع عدد اللفات, زيادة السعة, سهولة دخول الشحنة, تشحين المحرك, الخ. ويعمل أكسيد النيتروزعلى حل هذه المشكلة بطريقة مختلفة, فأنه لن يقوم بزيادة مقدار الهواء الداخل للمحرك, ولكن سيزيد من كمية الأكسجين الداخل للمحرك. الهواء يحتوي فقط على 20% أكسجين, وأكسيد النيتروز يحتوي على 36% أكسجين. في حالة إضافة أكسيد نيتروجين, سوف تزيد من كمية مستوى الأكسجين بالخليط بشكل ملحوظ أكثر من 20% إلى 25-30%, التي ستؤدي إلى زيادة مستوى الأكسجين بمقدار 25-50% (30% مقارنة 20% تكون زيادة مقدارها 10% بالنسبة لكمية الأكسجين 20%, أو 10/20 = 50%).
أكسيد النيتروز له أهمية إضافية للأداء. حيث إنه يحقن داخل مجمع السحب كسائل, الذي يأخذ حجم أقل من غاز أكسيد النيتروز. هذا يعني أنها لن تأخذ كثير من حيز الهواء. حتى في حالة حدوث تبخير لأكسيد النيتروز, فإنه سوف يؤدي إلى تبريد الشحنة الداخلة, والتي ستعمل على تبريد, وزيادة كثافة الشحنة. هذا التبريد يساعد على تبريد أجزاء المحرك ويقلل من الصفع.
تاريخ استخدام النيتروز بالمحركات:
اكتشف عمل أكسيد النيتروز عن طريق الألمان واستخدم في صناعة الطائرات في بداية الحرب العالمية الثانية. وقد جهزت العديد من الطائرات الألمانية بما يعرف بنظام (GM-1) الذي يضيف أكسيد النيتروزلشحنة الدخول للتعويض عن قلة كثافة الهواء في الأجواء العالية.
وقد استخدم النيتروز في سيارات السباق في الخمسينيات بالقرن الماضي كوسيلة غير مشروعة لزيادة قدرة المحرك. ويستخدم حالياً لزيادة قدرة المحرك في بعض السيارات في بعض التطبيقات. ويتشابه مع وسائل أخرى لزيادة قدرة المحرك مثل التعديل في عمود الكامة, استخدام مغذي أكبر, زيادة نسبة الانضغاط, مجمع شحن وعادم أكثر انسيابية. وهو يتشابه مع وسائل زيادة قدرة المحرك بأنه في حالة الاستخدام السيئ يؤدي إلى تلف الماكينة وتقصير عمرها. ولكن إضافة النيتروز بكميات قليلة يمكن أن يزيد القدرة بمقدار من 25 إلى 35%.
 
ما هو النيتروز؟
 
هو غاز عديم اللون وغير قابل للاشتعال وليس سام ولا يسبب الحكة. من خواص أكسيد النيتروجين, أنه عند حوالي 565 درجة فهرنهيت (296.1 درجة مئوية) أنه يتجزأ إلى أكسجين ونيتروجين. وعندما يستخدم في محرك الاحتراق الداخلي فأنه يسحب إلى غرفة الاحتراق, وخلال شوط الانضغاط عندما تصل درجة حرارة الهواء إلى درجة 565 فهرنهيت (296.1 درجة مئوية) فإنه يتكون خليط غني بالأكسجين. في هذه حالة إضافة وقود أثناء حقن أكسيد النيتروز يكون له نفس التأثير كما لو كان المحرك مشحّن أو أن نسبة الانضغاط ذادت. ويعمل نظام السيارات بالنيتروز كأنه محرك نفاث ويستخدم خلال فترة صغيرة لدفعات زائدة من القدرة.
أكسيد النيتروز له هذا التأثير لأنه به نسبة عالية من الأكسجين أعلى من الموجود بالهواء عند الضغط الجوي. يحتوي النيتروز على 36% أكسجين بالوزن ويحتوي الجو على نسبة أكسجين 23%. بالإضافة إلى أن أكسيد النيتروز أكثر كثافة من الهواء بـ 50% عند نفس الضغط. ولذلك فإن حجم القدم المكعب (المتر المكعب) من أكسيد النيتروز يحتوي على 2.3 أوكسجين عما هو موجود في القدم مكعب (المتر مكعب) من الهواء.
 
كيف يعمل بالسيارة؟
تأتي أجزاء أكسيد النيتروز في مجموعة بها معظم الأجزاء المطلوبة للتركيب. بها أنبوبة بها أكسيد النيتروز (وغالبا ما تسبت في شنطة السيارة). ووصلات لتصل الغاز من الخلف إلى المحرك, وجهاز تحكم في متناول السائق, وفوهة لحقن أكسيد النيتروز لداخل المحرك.
يمكن استخدام اكسيد النيتروز مع أي نوع من السيارات. ويوجد منه عدة أنواع:
النوع المبتل Wet (يحقن في مجمع السحب, مما يجعل المجمع مبتل ولهذا جاء المسمى) ويوجد منه نوعين:

  •         حقن أحادي Single Point
  •         حقن متعدد Direct Port
النوع الجافDry  (الحقن بعد مجمع السحب, مما يجعل المجمع جاف, ولهذا جاء المسمى).
 
الخواص الكيميائية Chemical Properties:
 
يتكون جزئ أكسيد النيتروز من ذرتين من النيتروجين وذرة من الأوكسجين. بالنسبة للوزن فإنه يتكون من 36% أوكسجين (الهواء تكون نسبة الأوكسجين به 23.6% فقط). عند درجة 70 درجة فهرنهيت نحتاج إلى ضغط 760 رطل على البوصة المربعة (5.24 ميجا بسكال) للإبقاء على النيتروز في حالة سائلة. درجة الحرارة الحرجة هي 97.7 فهرنهيت (36.5 درجة مئوية)؛ عند هذه الدرجة لا يمكن لضغط البخار أن يبقيالنيتروز في حالة السائل. عند هذه النقطة يتحول النيتروز إلى غاز ويكون عند ضغط 1069 رطل على البوصة المربعة (7.37 ميجا بسكال). وعند زيادة درجة الحرارة أكثر, كذلك يزداد الضغط, ولكنه يظل في حالة الغاز. في حالة محاولة الشخص سحب النيتروز فإنه يجب المحافظة على درجة الحرارة أقل من 97.7 فهرنهيت (36.5 درجة مئوية). عندما إطلاق سائل النيتروز من ضغط 760 رطل على البوصة المربعة (5.24 ميجا بسكال) إلى 14.7 رطل على البوصة المربعة (101.35 كيلو بسكال) (الضغط الجوي العادي). فإنه سوف يبدأ في الغليان ويتمدد بسرعة؛ انخفاض الضغط سوف يؤدي إلى انخفاض درجة الحرارة. يغليالنيتروز عند درجة 129.1 درجة فهرنهيت تحت الصفر (- 89.5 درجة مئوية).
 
الاحتراق Combustion:
 
أكسيد النيتروز لا يشتعل, ولكنه مؤكسد. فإنه يعطي كمية أكبر من الأوكسجين, ولهذا يمكنه حرق كمية أكبر من الوقود, وتكون النتيجة قدرة أكبر. الذرات في أكسيد النيتروز مرتبطة ببعضها. والأكسجين ليس حر, ولكنه يصبح كذلك مع ارتفاع درجات الحرارة. عند درجة حرارة 565 فهرنهيت (296.1 درجة مئوية), تتكسر الرابطة ويصبح الأكسجين حر. درجة حرارة الاحتراق اكبر بكثير من درجة 565 فهرنهيت (296.1درجة مئوية), ولهذا فإن ذلك لا يشكل مشكلة. عند إضافة أكسيد النيتروز إلى المحرك, فإن نسبة الأكسجين تزيد وتقل نسبة باقي الغازات التي لا تدخل في الاحتراق (تكون في الغالب نيتروجين). فإن هذه تسرع من معدل الاحتراق وتحتاج تقديم أقل بالنسبة لتوقيت الشرارة للحصول على قيمة عالية للقدرة. ويعتبر ذلك صعب للفهم عند بعض الناس في عملية الحصول على قدرة عالية مع تقديم للشرارة أقل, تلك هي الحقيقة عند استخدام أكسيد النيتروز. فيجب أن يكون أعلى ضغط للأسطوانة يحدث تقريباُ 20 درجة بعد النقطة الميتة العالية للحصول على قدرة عالية. عند تسريع عملية الاحتراق فإن أعلى ضغط للأسطوانة سوف يحدث سريعاُ. ويمكن إدارة المحرك بتقديم كبير للإشعال ولكن التقديم لن يقلل من القدرة ولكن سوف يؤدي إلى مشاكل مع الاحتراق مثل الصفع مما يؤدي إلى تدمير محرك النيتروز خلال فترة وجيزة.
 
الصفع/ الصفق Detonation:
 
يؤدي استخدام النيتروز إلى زيادة احتمال الصفع بالمحرك. ولإبقاء المحرك بعيداُ عن الصفع, فإنه يجب عليك التغلب على كمية الحرارة الإضافية التي يسببها النيتروز. الطريقة السهلة للقيام بذلك هو إضافة وقود أكثر. معظم نظم النيتروز تأتي بباخ وقود غني لإعطائك نقطة بداية آمنة. فأن الوقود الإضافي سوف يأخذ الحرارة ويرفع حد الصفع. الطريقة الأخرى للتحكم في الحرارة هو حقن ماء. نظام دقيق لحقن الماء سوف يسمح لك بإدارة المحرك عند النسبة الكيميائية الصحيحة لنسبة النيتروز والوقود, وبذلك يصبح النظام أكثر كفاءة في استخدام الوقود. في حالة الاستخدام المعقول ومحاولة إبقاء مستوي القدرة في الحدود المعقولة فإن استخدام وقود غني هو كل ما تحتاج إليه للتحكم في الصفع. حقن الماء وإدارة المحرك بوقود غني سوف يقلل من القدرة الخارجة, ولكن رفع حد الصفع سوف يسمح باستخدام نيتروز أكثر للحصول على قدرة أعلى.
 
نسبة النيتروز للوقود Nitrous-to-fuel Ratios:
 
النسبة الكيميائية الصحيحة للنيتروز إلى الوقود هي  9.469:1 . في حالة أن محرك النيتروز يدور بوقود فقير, فإن ذلك قد يتلف المحرك خلال بضعة ثوان. ويجب أن يكون هناك كمية كافية من الوقود ليتمكنالنيتروز من التفاعل معها, في حالة عدم توفر ذلك فإن درجة الحرارة سوف ترتفع بصورة سريعة. وسوف يعمل الأكسجين الذي لم يكن قادر على التفاعل مع الوقود إلى أكسدة أي أجزاء تكون ساخنة بالدرجة الكافية. ولهذا لا تدير المحرك بوقود فقير.    
 
أنظمة الألواح Plate Systems:
 
النظم الأكثر شيوعاً في هذا المجال هي من نوع نظام قضيب الرشاش. لوح يوضع بين المغذي ومجمع الشحن. ويكون هناك قضيب رشاش في كل لوح, الأعلى لأكسيد النيتروز والأسفل للوقود. يكون النيتروز أعلى من الوقود لإعطاء خلط جيد للنيتروز والوقود. الألواح سهل تركيبها وأثبتت أداء جيد, ولكنها ليست الأحسن. فإنه يجب أن يمر النيتروز من خلال المجمع بالكامل. كلما زادت المسافة التي يأخذها النيتروز للوصول إلى الاسطوانة كلما زاد تمدده. وكلما زاد الحجم الذي يحتله النيتروز كلما قل حجم الخليط الذي سوف يحصل عليه المحرك. ولهذا فأن المحرك سوف يعطي قدرة أعلى كلما كان الحقن بالقرب من الاسطوانة قدر الإمكان.  هناك مشكلة أخر مع قضبان رشاش النيتروز وبالأخص مع المجموعات الكبيرة 300 حصان (220 كيلووات)  (فما أكثر وهي في بداية الحقن حيث أن عند اصطدام النيتروز بنهاية قضيب الرشاش فإنها سوف ترسل نبضة عكسية تؤدي إلى أعاقة الانسياب. ولكن حالما عمل الجهاز فلن يكون هناك مشاكل ولكن هذا التردد في البداية قد يؤدي إلى انزلاق العجلات للسيارة.
 
أنظمة البخاخات Nozzle Systems:
 
هذا النظام يسمى أيضاً المسبب للضباب. نظام بخاخ النيتروز يمكن إعطاء قدرة عالية بدون مشاكل جانبية. لهذا النظام يجب ثقب وعمل قلوظ في مجمع الشحن بالقرب من غرفة الاحتراق (ويركب بخاخ على الأقل لكل اسطوانة) هناك العديد من الأنظمة المتعددة المراحل تستخدم أكثر من بخاخ للاسطوانة. يحتاج هذا النظام إلى الكثير من أعمال السباكة لتركيب النيتروز ولكنها تعطي خليط أحسن (أو ضباب), وذلك لأن الوقودوالنيتروز يختلطوا مسبقاً قبل الحقن. وضغط النيتروز العالي يقوم بتكسير الوقود إلى رذاذ دقيق. يمكن أن نقطة البخاخ بالقرب جداً من الاسطوانة لأقل تمدد. في العديد من الأحوال, ويعتمد على كيفية وضع البخاخات وطريقة توجيهها فإنه يمكن أن تزيد من انسياب الهواء. ولهذا يكون هناك مميزات عديدة لنظام البخاخات.
 
تأثير التبريد Cooling Effects:
 
الهواء البارد لمجمع السحب يكون أكثر كثافة ويحتوي على عدد أكبر من ذرات الأكسجين بالقدم المكعب. ولهذا فإن الهواء البارد سوف يسمح بحرق وقود أكثر مؤدياً إلى زيادة الطاقة. فأن تقليل درجة الحرارة بمقدار10 درجات فهرنهيت (5.5 درجة مئوية)  يمكن أن يؤدي إلى زيادة القدرة بمقدار 1 إلى %1.5 للمحرك. يغلي النيتروز عند درجة حرارة -129 درجة فهرنهيت (-89.5 درجة مئوية)  وهو سوف يبدأ الغليان حالما يحقن. وهذا سوف يؤدي إلى تخفيض بمقدار 80 درجة فهرنهيت (45 درجة مئوية)  في درجة حرارة هواء مجمع السحب. فأنه في حالة التعامل مع محرك 400 حصان (293.9 كيلووات) فأن ذلك سوف يؤدي إلى زيادة بمقدار 30 حصان (22 كيلووات), حصلنا عليها فقط عن طريق تأثير التبريد فقط. كما أن تأثير التبريد يساعد المحرك على التعامل مع مشكلة الصفع.
 
القدرة المتوسطة Average Power:
 
في حالة استخدام محرك 550 حصان (404.1 كيلووات)  فإنه يجب أن يدور بسرعة تصل إلى 7000 لفة في الدقيقة للحصول على هذا المقدار من القدرة وخلال فترة محدودة من السرعة. ولكن استخدام النيتروزسوف يمكن الوصول إلى هذا المقدار من القدرة عند سرعة أقل وقدرة متوسطة أعلى. ولهذا يكون لمحرك النيتروز السبق في هذا المجال. والسبب هو أن تدفق النيتروز يكون ثابت ولا يعتمد على سرعة المحرك. فعند السرعات البطيئة يكون هناك وقت أطول يسمح للنيتروز لمليء الاسطوانات, ولهذا نحصل على مقدار أكبر من النيتروز في شوط القدرة. هذا سوف يساعد على تولد قدرة أكبر عند السرعات المنخفضة. وعند زيادة سرعة الدوران والوصول إلى منطقة القدرة للمحرك فأنك سوف تحصل على مقدار أقل للنيتروز في شوط القدرة ولكن ذلك سوف يزيد من قدرة القدرة العادية للمحرك. فأن ذلك سوف يؤدي إلى تسطيح منحنى العزم ويعرض من منطقة القدرة.
 
مشاكل استخدام النيتروز بالسيارة:
واحدة من  المشاكل الكبيرة لاستخدام النيتروز في المحركات الترددية هي: مع زيادة شحنة ذات كثافة عالية في الاسطوانات فإنها سوف تزيد الضغط بشكل كبير قد لا تتحمله بنية المحرك. زيادة الضغط والحرارة المصاحبين يمكن أن تؤدي إلى مشاكل جامه مثل صهر المكبس أو الصمامات, ويمكن أيضا أن تشقق واعوجاج المكابس ورأس الاسطوانات. وقد يتطلب استخدام النيتروز: الاستخدام لفترات قصيرة متقطعة للحصول على قدرة استثنائية عالية لتعدي سيارة أخرى مثلا. 
 
لماذا إذا لا نستخدم أكسجين نقي بدلاً من النيتروز:
 
الهواء يحتوي على أكسجين بنسبة 23.6% بالوزن, والبقية تتكون في الغالبية من النيتروجين. ولا يساعد النيتروجين في عملية الاحتراق ولكنه يقوم بعملية امتصاص الحرارة وحملها للخارج. عند إضافة نيتروز فإنه يتكون من 36% أكسجين مع الباقية نيتروجين. فكلما أضفت أكسيد نيتروز أكثر كلما قلت نسبة النيتروجين المتوفرة لامتصاص الحرارة. ولذا السبب يتسبب النيتروز في زيادة حرارة المحرك بشكل سريع. أما في حالة إضافة أكسجين نقي (والتي قد سبق تجربتها) فأن نسبة النيتروجين سوف تقل بشكل أسرع كلما زادت كمية الأكسجين المضافة. ولذلك لن نتمكن من إضافة كمية كبيرة من الأكسجين قبل أن تصبح الحرارة مشكلة يصعب التحكم فيها. وأيضاً فأن الأكسجين المضغوط في الحالة الغازية, ولذلك فأن إضافة الأكسجين سوف يأخذ حجم أكبر ويقلل القدرة العادية للمحرك, وكمية النيتروجين الموجودة به. ولكن في حقن النيتروزالسائل, فإن ذلك سوف قدرة المحرك العادية سوف تقل بمقدار ضئيل ولكن سوف تضيف أكسجين ونيتروجين. ووضع ذلك بصورة مبسطة مع استخدام أكسيد النيتروز, نستطيع يمكن الحصول على ذرات الأكسجين بالمحرك والحصول على كمية أكبر من النيتروجين في نفس الوقت. النيتروز يمكن أن يضيف قدرة أكثر قبل أن تصبح الحرارة مشكلة لا يمكن التحكم فيها.