محرك أكسيد النيتروز

محرك أكسيد النيتروز ، أو نظام أكسيد النيتروز ( NOS )، هو محرك احتراق داخلي يُستمد فيه الأكسجين اللازم لاحتراق الوقود من تحلل أكسيد النيتروز (N₂O ₎ والهواء. يزيد هذا النظام من قدرة المحرك عن طريق السماح باحتراق الوقود بمعدل أعلى من المعتاد، وذلك بسبب ارتفاع الضغط الجزئي للأكسجين المحقون مع خليط الوقود . ^{[ 1 ]} قد تكون أنظمة حقن النيتروز "جافة"، حيث يُحقن أكسيد النيتروز بشكل منفصل عن الوقود، أو "رطبة"، حيث يُضاف وقود إضافي إلى المحرك مع النيتروز. قد لا يُسمح باستخدام نظام NOS في الشوارع أو الطرق السريعة، وذلك تبعًا للوائح المحلية. يُسمح باستخدام _N₂O في فئات معينة من سباقات السيارات. يتطلب التشغيل الموثوق لمحرك مزود بنظام حقن النيتروز عناية فائقة بمتانة مكونات المحرك ودقة أنظمة الخلط، وإلا فقد تحدث انفجارات مدمرة أو تجاوز الحدود القصوى المصممة للمكونات. تم استخدام أنظمة أكسيد النيتروز في وقت مبكر من الحرب العالمية الثانية لمحركات طائرات معينة.

في سياق سباقات السيارات، يُشار إلى أكسيد النيتروز غالبًا باسم "نيتروز" أو "NOS" . ويُشتق مصطلح "NOS" من الأحرف الأولى لاسم شركة "Nitrous Oxide Systems, Inc." (وهي الآن علامة تجارية تابعة لشركة Holley Performance Products )، إحدى الشركات الرائدة في تطوير أنظمة حقن أكسيد النيتروز لتحسين أداء السيارات. ويُستخدم مصطلح "نيترو" أحيانًا، وإن كان غير دقيق، لأنه يُشير في الغالب إلى محركات النيتروميثان .

عند تحلل مول واحد من أكسيد النيتروز، يُطلق نصف مول من جزيئات الأكسجين (O₂ ₎ ومول واحد من جزيئات النيتروجين (N₂ ₎ . يسمح هذا التحلل بالوصول إلى تركيز أكسجين بنسبة 36.36%. غاز النيتروجين غير قابل للاشتعال ولا يُساعد على الاحتراق. أما الهواء ، الذي يحتوي على 21% فقط من الأكسجين، والباقي نيتروجين وغازات أخرى غير قابلة للاشتعال ولا تُساعد على الاحتراق، فيسمح بمستوى أكسجين أقصى أقل بنسبة 12% من مستوى أكسيد النيتروز. يُساعد هذا الأكسجين على الاحتراق؛ إذ يتحد مع أنواع الوقود مثل البنزين والكحول ووقود الديزل والبروبان والغاز الطبيعي المضغوط ( CNG ) لإنتاج ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء، بالإضافة إلى الحرارة، مما يؤدي إلى تمدد نواتج الاحتراق الأولى والثانوية وضغطها على المكابس، وبالتالي تشغيل المحرك.

يُخزّن أكسيد النيتروز كسائل في الخزانات، ولكنه غاز في الظروف الجوية العادية. عند حقنه كسائل في مشعب السحب، يتسبب التبخر والتمدد في انخفاض درجة حرارة خليط الهواء والوقود مع زيادة مصاحبة في الكثافة، مما يزيد من كفاءة الأسطوانة الحجمية .

بما أن تحلل N2O _إلى غاز الأكسجين والنيتروجين هو تفاعل طارد للحرارة وبالتالي يساهم في ارتفاع درجة الحرارة في محرك الاحتراق، فإن التحلل يزيد من كفاءة المحرك وأدائه، وهو ما يرتبط ارتباطًا مباشرًا بالفرق في درجة الحرارة بين خليط الوقود غير المحترق وغازات الاحتراق الساخنة الناتجة في الأسطوانات.

تعتمد جميع الأنظمة على مجموعة أحادية المرحلة، ولكن يمكن استخدام هذه المجموعات في مجموعات متعددة (تُسمى مجموعات ثنائية أو ثلاثية أو حتى رباعية المراحل). وتُتحكم الأنظمة الأكثر تطورًا بواسطة وحدة إلكترونية متدرجة تسمح لمجموعة واحدة بأداء أفضل من أداء مجموعات متعددة. تستخدم معظم سيارات سباق الدراج من فئة Pro Mod وبعض سيارات Pro Street ثلاث مراحل لزيادة الطاقة، ولكن يتزايد عدد السيارات التي تتحول إلى تقنية النبضات المتدرجة. تتميز الأنظمة المتدرجة باستخدام كمية أكبر من النيتروز (والوقود) لإنتاج زيادات أكبر في الطاقة، حيث يتم إدخال الطاقة وعزم الدوران الإضافيين تدريجيًا (بدلاً من تطبيقهما على المحرك وناقل الحركة فورًا)، مما يقلل من خطر الصدمات الميكانيكية، وبالتالي التلف.

يمكن تمييز السيارات المزودة بمحركات تعمل بنظام النيتروز من خلال عملية "تفريغ" نظام التوصيل التي يقوم بها معظم السائقين قبل الوصول إلى خط البداية. يُستخدم صمام كهربائي منفصل لتفريغ الهواء وأكسيد النيتروز الغازي المحتجز في نظام التوصيل. يؤدي ذلك إلى تدفق أكسيد النيتروز السائل عبر الأنابيب من خزان التخزين إلى الصمام اللولبي أو الصمامات التي ستطلقه في مجرى سحب الهواء للمحرك. عند تفعيل نظام التفريغ، يمكن رؤية عمود أو أكثر من غاز أكسيد النيتروز للحظة، حيث يتحول السائل إلى بخار عند انطلاقه. الغرض من عملية تنظيف نظام النيتروز هو ضمان توصيل الكمية الصحيحة من أكسيد النيتروز في اللحظة التي يتم فيها تنشيط النظام، حيث يتم تحديد حجم فوهات النيتروز والوقود لإنتاج نسب الهواء/الوقود الصحيحة، ولأن النيتروز السائل أكثر كثافة من النيتروز الغازي، فإن أي بخار نيتروز في الأنابيب سيؤدي إلى "توقف" السيارة للحظة (حيث ستكون نسبة النيتروز/الوقود غنية جدًا مما يقلل من قوة المحرك) حتى يصل أكسيد النيتروز السائل إلى فوهة الحقن.

توجد فئتان رئيسيتان لأنظمة النيتروز: الجافة والرطبة ، مع أربع طرق رئيسية لتوصيل النيتروز: الفوهة المفردة ، والمنفذ المباشر ، والصفيحة ، والقضيب ، وتُستخدم هذه الطرق لتفريغ النيتروز في غرف مشعب السحب . تستخدم جميع أنظمة النيتروز تقريبًا فتحات خاصة، تُسمى فوهات، بالإضافة إلى حسابات الضغط لضبط كمية النيتروز، أو النيتروز والوقود في التطبيقات الرطبة، وذلك لتحقيق نسبة هواء إلى وقود مناسبة (AFR) للحصول على القدرة الحصانية الإضافية المطلوبة.

يُثير استخدام أكسيد النيتروز مخاوف بشأن موثوقية المحرك وعمره الافتراضي، كما هو الحال مع جميع أنظمة زيادة الطاقة. فبسبب ارتفاع ضغط الأسطوانات بشكل كبير، يتعرض المحرك ككل لضغط أكبر، وخاصةً المكونات المتعلقة بمجموعة الدوران. وقد يتعرض المحرك الذي لا تستطيع مكوناته تحمل الضغط المتزايد الناتج عن استخدام أنظمة النيتروز لأضرار جسيمة، مثل تشقق أو تلف المكابس، وقضبان التوصيل، وعمود المرفق، و/أو كتلة المحرك. لذا، يُعدّ تقوية مكونات المحرك بشكل صحيح، بالإضافة إلى ضمان دقة وكفاءة توصيل الوقود، أمراً أساسياً لاستخدام نظام النيتروز دون حدوث أعطال كارثية.

بالإضافة إلى ذلك، لا ينبغي استخدام أكسيد النيتروز في المركبات ذات ناقل الحركة الأوتوماتيكي ، حيث أن زيادة قوة المحرك وعزم الدوران بشكل كبير قد تتسبب في تلف محول عزم الدوران وناقل الحركة نفسه.

تُعدّ أنظمة حقن أكسيد النيتروز للسيارات غير قانونية للاستخدام على الطرق في بعض البلدان. ​​فعلى سبيل المثال، في نيو ساوث ويلز ، أستراليا، تنصّ مدونة قواعد الممارسة الخاصة بتعديلات المركبات الخفيفة الصادرة عن هيئة الطرق والمرور (المستخدمة منذ عام 1994) في البند 3.1.5.7.3 على أنه "لا يُسمح باستخدام أو تركيب أنظمة حقن أكسيد النيتروز". ^{[ 2 ]}

في بريطانيا العظمى، لا توجد قيود على استخدام N₂ O، ولكن يجب الإعلان عن التعديل لشركة التأمين، وهو ما قد يؤدي إلى زيادة قسط التأمين أو رفض التأمين.

في ألمانيا، ورغم صرامة معايير هيئة الفحص الفني (TÜV) ، يُسمح بتركيب واستخدام نظام النيتروز بشكل قانوني في السيارات التي تسير على الطرق العامة. وتتشابه متطلبات المعيار الفني للنظام مع متطلبات تحويلات الغاز الطبيعي في السوق الثانوية .

هزّت فضيحة سباق دايتونا 500 عام 1976 بعد اكتشاف ناسكار استخدام أكسيد النيتروز في سيارات التأهل الأولى. تمنع معظم هيئات تنظيم رياضة السيارات استخدام أكسيد النيتروز، وهو محظور تمامًا في سباقات السرعة للفئات الاحترافية. كان أكسيد النيتروز يُستخدم سابقًا في فئة برو موديفايد ، ولكن مع ازدياد عدد السيارات المزودة بشواحن توربينية في هذه الفئة، أضافت بعض المجموعات (مثل PDRA وIHRA) فئة خاصة بأكسيد النيتروز ("برو نيتروز"). يُسمح باستخدام أكسيد النيتروز في منافسات فورمولا دريفت .

استُخدمت تقنية أساسية مماثلة خلال الحرب العالمية الثانية من قِبل طائرات سلاح الجو الألماني (لوفتفافه) مع نظام GM-1 للحفاظ على قدرة محركات الطائرات عند التحليق على ارتفاعات عالية حيث تكون كثافة الهواء منخفضة. وبناءً على ذلك، اقتصر استخدامها على طائرات متخصصة مثل طائرات الاستطلاع عالية الارتفاع، والقاذفات عالية السرعة، وطائرات الاعتراض عالية الارتفاع. وقد استُخدمت أحيانًا مع نظام حقن الميثانول والماء الخاص بسلاح الجو الألماني ، والمُسمى MW 50 (وكلاهما يُقصد به تعزيز القدرة على المدى القصير)، لتحقيق زيادات كبيرة في أداء الطائرات المقاتلة لفترات قصيرة ، كما هو الحال مع استخدامهما معًا في نماذج فوك وولف تا 152 إتش المقاتلة. ^{[ 3 ]}

كان استخدام البريطانيين لأنظمة حقن أكسيد النيتروز خلال الحرب العالمية الثانية عبارة عن تعديلات على محركات ميرلين قامت بها شركة هيستون للطائرات لاستخدامها في بعض أنواع المقاتلات الليلية من طراز دي هافيلاند موسكيتو وإصدارات الاستطلاع الجوي من طراز سوبرمارين سبيتفاير .

• تعديل السيارات
• الشاحن التوربيني
• حقن الماء (للمحرك)
• ألعاب السباق ، التي تتميز بشكل بارز بأنظمة أكسيد النيتروز لزيادة الأداء
• محرك الهالوجين ، وهو محرك احتراق داخلي يستخدم الكلور أو الفلور كمؤكسد

• موقع Howstuffworks: "كيف يساعد أكسيد النيتروز على تحسين أداء المحرك؟"