Использование нитрометана и смеси

Использование нитрометана и смеси

Нитрометан по техническим характеристикам также будет отличаться, и, если вы посмотрите таблицу 12.4, увидите, что у него даже нет октанового числа (так как существует слишком много переменных), однако его использование может легко увеличить мощность бензинового двигателя. Это возможно благодаря необычному химическому составу нитрометана, а также благодаря тому факту, что чрезмерно обогащенная топливовоздушная смесь может обеспечивать нормальное горение. Сам по себе нитрометан как топливо малоэффективен, но он содержит примерно 53% кислорода в массовом отношении, что позволяет подавать в двигатель большое количество топлива, которое будет преобразовываться в тепловую энергию. Так как нитрометан горит медленно, энергия продолжает воздействовать на поршни почти до самого конца такта рабочего хода.

В прошлом нитрометан использовался в качестве топлива в самых мощных дрэгстерах в пропорции 80–90% нитро и 10–20% метанола, но в наши дни процентное соотношение метанола значительно уменьшилось. На спидвеях и гонках Hill Climb нитро используется в небольших количествах (часто это разрешено по правилам гонок) в качестве присадки для увеличения мощности. Метанол является основным топливом, а ацетон инекоторые другие присадки могут добавляться (например, 0,5% касторового масла, чтобы замаскировать запах).

Чтобы предотвратить детонацию и другие возможные повреждения двигателя, всегда необходимо снижать степень сжатия при использовании нитро. Топливовоздушная смесь постоянно должна быть обогащена. При использовании смеси с содержанием нитро 80–90% пропорция топливовоздушной смеси может быть обогащена (две части топлива на часть воздуха) или обеднена (1 часть топлива на две части воздуха). Использование смеси с содержанием нитро 20% изменит состав топливовоздушной смеси до трех или четырех частей топлива к одной части воздуха (таблица 12.5).

При смешивании нитро с другими видами топлива самым безопасным методом, который позволяет избежать ошибок, является смешивание вобъемных долях. Поэтому, чтобы получить смесь с содержанием 20% нитро, необходимо добавить 1л нитро на 4 л метанола. Некоторые также готовят смесь при помощи гидрометра, специально калиброванного для этой цели. Проблемой при использовании данного метода является то, что его показания относительно содержания нитро в смеси будут верны только при температуре 20°С. В таблице 12.6 вы можете увидеть, что при температуре топлива 38°С и использовании топлива с содержанием нитро 80% гидрометр покажет только 73%. Следовательно, всегда необходимо измерять температуру топлива, прежде чем приступать к приготовлению смеси.

Таблица 12.5. Увеличение интенсивности потока топлива для нитрометана

Таблица 12.6. Корректировочная таблица показаний гидрометра

Многие, кажется, не понимают, что гидрометр для измерения содержания нитро откалиброван таким образом, чтобы показывать точные данные только при смешивании чистого метанола и нитро. Если вы собираетесь использовать смесь нитро/метанол/ацетон, показания гидрометра все равно будут точными, так как удельный вес метанола и ацетона одинаковый. Но при добавлении других соединений, например окиси пропилена, показания гидрометра будут неточными.

Воспламенение топлива с высоким содержанием нитро всегда было проблемой. Дрэгстеры в серии гонок Top Fuel работают на электрических системах, способных подавать ток силой 1,2 А к каждой свече зажигания. Чем выше содержание нитро в смеси, тем ниже будет скорость горения (если только не используются специальные присадки, ускоряющие горение, например окись пропилена). Поэтому угол опережения зажигания необходимо увеличить. В двигателях для гонок Top Fuel угол опережения зажигания составляет обычно 50°.

Нитро горит медленно, поэтому зрелищное пламя из выхлопной трубы ночью вам обеспечено.

Опасности, связанные с использованием нитрометана

С использованием нитрометана связаны значительные опасности для вас и окружающих. После горения относительно большие количества испарившейся азотной кислоты выходят через систему выпуска отработанных газов. Чем выше содержание нитро в топливе, тем большее количество кислоты будет испаряться. При вдыхании пары азотной кислоты вызывают сокращение мышц, что затрудняет дыхание. Поэтому очень важно использовать подходящую маску, если водитель находится в таком положении, что может вдохнуть выхлопные газы. Конечно же, механикам, которые выполняют техническое обслуживание автомобиля, также понадобятся подходящие маски.

Некоторые считают, что нитрометан взрывоопасен. На самом деле это не так, но, как и любое топливо, он чувствителен к ударным нагрузкам. Вот основные причины, по которым нитрометан может стать опасным:

• добавление гидразина в топливную смесь (гидразин запрещен во многих странах, так как он очень опасен);
• использование едкого натра или любого другого щелочного соединения для очистки топливного бака или топливопроводов;
• использование топливного бака из «непротравленного» анодированного алюминия (после анодирования топливный бак должен постоять несколько дней, заполненный раствором 90% воды и 10% уксуса, так как это поможет удалить все отложения, оставшиеся в баке после анодирования);
• слишком высокое давление в топливном насосе (нитро может стать нестабильным под воздействием ударных нагрузок, и хотя многие водители дрэгстеров в гонках Top Fuel используют давление более 34бар, давление более 8,6бар уже считается опасным).

При использовании топлива с содержанием нитро более 20% всегда существует опасность возгорания или взрыва в поддоне картера, так как большое количество топлива проходит через поршневые кольца в поддон картера. Первыми признаками того, что это может произойти, являются желтые языки пламени из сапунов. Поэтому важно следить за двигателем по крайней мере в течение двух-трех минут после выключения.

Другие компоненты, добавляемые в топливо

Кроме основных видов топлива – бензина, метанола и нитрометана – существуют и другие соединения, которые добавляют в топливо по различным причинам.

Окись пропилена (эпоксидный пропан) используется в топливе с высоким содержанием нитро, чтобы увеличить скорость горения. Ее необходимо использовать в количествах, не превышающих 15% от количества нитро в топливе, так как скорость горения может резко возрасти, что приведет кдетонации и серьезным повреждениям двигателя. Например, если вы используете топливо с содержанием нитро 80%, вы можете использовать до 12% окиси пропилена.

Окись пропилена также может использоваться с топливом Avgas или другими видами топлива для гоночных автомобилей с высоким содержанием свинца, а также с метанолом, но в соотношении в смеси не более 5%, чтобы обеспечить Использование нитрометана и смеси на 2–3%. При этом реакция дроссельной заслонки значительно возрастает. Но необходимо принять некоторые меры предосторожности, а именно слегка обогатить топливовоздушную смесь и сместить угол опережения зажигания в сторону отставания, чтобы избежать серьезных повреждений двигателя.

При смешивании с другими видами топлива окись пропилена является относительно стабильной, но она может стать взрывоопасной, если в чистом виде вступит в реакцию с медью, медными сплавами или частичками коррозии. Поэтому это соединение необходимо хранить в алюминиевых ипластиковых контейнерах.

Нитропропан также приведен в таблице 12.4, однако я рекомендую использовать его с большой осторожностью и только для двигателей автомобилей, участвующих в спринтерских гонках, где давление наддува не будет слишком высоким. Имейте в виду, что нитропропан – это кислородосодержащее топливо, поэтому смесь может стать слишком обедненной, если только не будут произведены соответствующие модификации системы питания. Для начала подачу топлива необходимо увеличить в три раза при добавлении нитропропана (то есть на 10% нитропропана подачу топлива необходимо увеличить на 30%), а также необходимо сместить угол опережения зажигания в сторону отставания, так как в противном случае скорость горения может быстро выйти из-под контроля.

Как и окись пропилена, ацетон и пикриновая кислота, нитропропан принадлежит к классу нитропарафинов. Он может использоваться с видами топлива для гоночных автомобилей с высоким содержанием свинца или топливом Avgas в концентрации не более 12%, чтобы обеспечить Использование нитрометана и смеси на 5–6%. Его также можно смешивать с метанолом в таких же пропорциях, чтобы обеспечить примерно такое же Использование нитрометана и смеси. Однако, если в метаноле присутствует более 3% ацетона, не стоит использовать концентрацию выше 5–6%. Учтите, что многие компании не продают метанол в чистом виде. Часто они добавляют 2–3% ацетона, чтобы улучшить способность метанола смешиваться сдругими соединениями. На самом деле содержание до 10% ацетона в смеси увеличит скорость горения метанола, оптимизирует запуск двигателя при низкой температуре окружающей среды, а также сократит вероятность детонации обедненной смеси.

Оценка требований по октановому числу топлива

Некоторые утверждают, что октановое число топлива должно увеличиваться на 2 единицы при увеличении давления наддува на 0,07 бар. Влучшем случае это чрезмерное упрощение достаточно сложного вопроса, а в худшем случае подобное «правило» может привести к серьезным повреждениям двигателя. Я предпочел бы обсудить этот вопрос менее категорично, не приводя точные цифры.

Первый трюизм заключается в том, что при значительном увеличении температуры впускного заряда и увеличении нагрузки на двигатель необходимо увеличить октановое число топлива, чтобы предотвратить детонацию. В общем это, конечно, не противоречит заявлению в начале данного раздела, но, если разобраться, при увеличении октанового числа какой метод использовать: исследовательский или моторный? Конечно же, каждый компрессор увеличивает температуру впускного заряда, и, конечно же, более высокая температура подразумевает более высокое давление наддува. Однако разве изменения в температуре окружающей среды не приводят к увеличению температуры впускного заряда? Остаточные выхлопные газы на самом деле делают то же самое, только внутри цилиндров. Увеличение температуры воды и масла также увеличивает температуру впускного заряда. Последнее может быть следствием увеличения температуры окружающей среды, но также может быть вызвано воздействием охлажденного впускного заряда высокой плотности, приводящего к увеличению тепловой энергии при добавлении топлива к этому впускному заряду высокой плотности, чтобы обеспечить необходимый состав топливовоздушной смеси.

В данном случае объем камеры сгорания необходимо измерить, чтобы затем рассчитать степень сжатия. Конечно же, отношение давление наддува/степень сжатия важно для оценки требуемого октанового числа топлива, но и такие факторы, как эффективность промежуточного охладителя, температура двигателя, характеристики кулачков распредвала и угол опережения кулачков, форма камеры сгорания и т.д., также играют важную роль.

Теперь я скажу то, что сначала, казалось бы, опровергнет мое первое утверждение. Каждый раз, когда мы увеличиваем плотность заряда и подвергаем двигатель нагрузке, нам необходимо увеличить октановое число, чтобы избежать детонации. При этом при низкой температуре окружающей среды и высокой плотности может возникнуть детонация. Также установка промежуточного охладителя или более эффективной системы охлаждения может вызвать детонацию. И даже более эффективная система выпуска отработанных газов тоже приводит к появлению детонации. Меньшее количество остаточных отработанных газов увеличивает плотность впускного заряда, но меньшее количество выхлопных газов также значительно меньше сдерживает распространение пламени горения. Более высокая скорость горения приведет к более интенсивному увеличению давления, потере контроля над процессом горения и, следовательно, к детонации.

Как я уже говорил, все достаточно сложно. Более того, это очень тонкий баланс: незначительное увеличение температуры впускного заряда – это не проблема, но более значительное увеличение потребует увеличения октанового числа топлива. А незначительное увеличение плотности итемпературы впускного заряда, скорее всего, потребует использования топлива с более высоким октановым числом.

Влажность – способ естественного увеличения октанового числа

Мы не часто задумываемся о влажности, пока наша одежда не начинает прилипать к телу, а мы не начинаем обливаться потом. Это указывает на то, что содержание пара в воздухе резко возросло. Однако следствием увеличения влажности является не только то, что меньшее количество молекул кислорода попадает в цилиндры, но и то, что между молекулами топлива и кислорода появляется все больше и больше молекул воды. Врезультате расстояние между молекулами кислорода итоплива увеличивается, что замедляет скорость горения в камере сгорания, так как вместо того, чтобы быстро распространяться от одной молекулы топлива к другой, пламя постоянно сталкивается с молекулами воды. Следовательно, вода помогает сдерживать интенсивность пламени, другими словами детонацию, а это то же самое, что делают все присадки для увеличения октанового числа. Именно поэтому часто увеличение влажности компенсирует увеличение температуры окружающей среды, что обычно требует увеличения октанового числа топлива на 1 единицу каждые 13°С. Инаоборот, значительное снижение влажности и увеличение температуры впускного заряда или температуры окружающей среды может привести к повреждению двигателя гоночного автомобиля под воздействием детонации, если октановое число топлива не будет увеличено или не будет понижено давление наддува, а топливовоздушная смесь не будет обогащена. Увеличение барометрического давления на 25,4 мм требует увеличения октанового числа топлива на 1 единицу. Однако это можно компенсировать посредством обогащения топливовоздушной смеси или смещения угла опережения зажигания в сторону отставания. В любом случае резкое увеличение влажности снижает степень необходимой компенсации. Как показано в таблице, приведенной ниже, мы определяем уровень влажности по показаниям двух термометров: сухого термометра и смоченного. Когда оба термометра показывают одну и ту же температуру, влажность составляет 100%. Однако, если шарик сухого термометра показывает температуру 25°С, а шарик мокрого термометра – 24°С, расхождение в 1° указывает на то, что влажность составляет 92%.

Влажность в процентном отношении

Мощность увеличивается при увеличении октанового числа

И в завершение давайте рассмотрим, насколько увеличение октанового числа топлива выгодно, если двигатель был модифицирован с целью использования всех преимуществ увеличения антидетонационных характеристик. Возьмем автомобиль Subaru Impreza WRX, сконструированный для круговых гонок и ралли. Двигатель подвергся серьезным модификациям, на которые было затрачено большое количество времени и средств, чтобы обеспечить абсолютную надежность автомобиля. Объем двигателя был увеличен до 2,2л не с целью увеличения мощности, а скорее чтобы увеличить крутящий момент в нижней части кривой мощности и, следовательно, расширить диапазон мощности.

Наиболее значительным отступлением от стандартного принципа была установка двух турбокомпрессоров с шариковыми подшипниками Garrett GT25. Это было сделано для того, чтобы предотвратить образование турбоям и увеличить мощность в верхнем и среднем диапазоне частоты вращения двигателя. В данной ситуации это было достигнуто отчасти благодаря установке двух турбокомпрессоров и отчасти благодаря использованию более эффективной системы выпуска отработанных газов. Достаточно сложно разработать эффективную систему выпуска отработанных газов для одного турбокомпрессора, установленного горизонтально на оппозитный двигатель, который используется в автомобилях Subaru и Porsche. Если вы правильно подберете размер труб для одной стороны двигателя, с другой стороны они, возможно, не будут подходить. Поэтому правильным было решение установить два турбокомпрессора и подобрать соответствующего диаметра трубы для обеих сторон.

В раллийных гонках по бетонированному покрытию в автомобилях допускается использование неэтилированного топлива с октановым числом 98 по исследовательскому методу (во время гонок автомобили должны заправляться только на специально предназначенных для этого станциях). Однако в некоторых видах гонок допускается использование концентрированных присадок для увеличения октанового числа топлива. На чистом неэтилированном топливе с октановым числом 98 по исследовательскому методу мощность двигателя достигла 406,8л.с. А при использовании присадки Nulon Pro Strength мощность увеличилась до 461,3л.с., то есть пиковая мощность увеличилась на 15%, а пиковый крутящий момент – на 19%. Для круговых гонок и гонок на выносливость (6- и 12-часовых) можно использовать либо неэтилированное топливо с октановым числом 100 по исследовательскому методу, либо топливо Avgas 100/130. В автомобилях с атмосферными двигателями чаще используется более дорогое неэтилированное топливо с октановым числом 100. Так как его удельный вес выше, расход топлива снижается, поэтому приходится реже заезжать на пит-стопы. Однако в автомобилях с турбированными двигателями более высокое октановое число важнее и в любом случае при добавлении толуола (раствор в пропорции 30% толуола и 70% топлива Avgas) позволяет увеличить удельный вес до разрешенного значения 0,75. При использовании раствора топлива Avgas и толуола мощность возросла до 508,2 л.с.

Означает ли это, что смесь с высоким октановым числом прибавила более 100 л.с. мощности в отличие от неэтилированного топлива? Нет. Дополнительная мощность появилась благодаря более высокому октановому числу (увеличение примерно на 13–15 единиц по исследовательскому методу), что позволило увеличить давление наддува (до 0,6 бар). В свою очередь более высокое давление наддува стало возможным потому, что спецификации компрессора были улучшены, обеспечивая интенсивный поток при нескольких уровнях наддува, к тому же использование эффективного промежуточного охладителя позволило сохранить температуру впускного заряда на 20–25°С выше, чем температура окружающей среды.

Присадка Nulon Pro Strength обеспечила Мощность увеличивается при увеличении октанового числа на 15% по сравнению с использованием чистого неэтилированного бензина с октановым числом 98 по исследовательскому методу, так как давление наддува и угол опережения зажигания были модифицированы, чтобы максимально использовать преимущества увеличения октанового числа.