أكسيد النيتروز(Nitrous Oxide- N₂O)

 

هو يعرف أيضا بالغاز المضحك أو النيتروز أو نيترو أو أن أو أس laughing gas, nitrous, nitro, or NOS  الذي هو مركب كيميائي له الصيغة التالية N2O.  ويستخدم كمخدر في العمليات الجراحية. ويستخدم في المركبات لزيادة قدرة المحرك.
تم اكتشاف عمل أكسيد النيتروز في مجال محركات الطائرات 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 النيتروز لشحنة الدخول للتعويض عن قلة كثافة الهواء في الأجواء العالية.

وقد استخدم 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 الإنضغاط, استخدام مجمع شحن ومجمع عادم 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 يتجزأ عند حوالي 565 درجة فهرنهيت (296.1 درجة مئوية) إلى أكسجين ونيتروجين. وعندما يستخدم في محرك الاحتراق الداخلي فأنه يتم إدخاله إلى غرفة الاحتراق, وإثناء شوط الإنضغاط عندما تصل درجة حرارة الهواء إلى درجة 565 فهرنهيت (296.1 درجة مئوية) فإنه يتجزأ ويؤدي إلى تكوين خليط غني بالأكسجين. في حالة حقن أكسيد النيتروز مع الوقود بالمحرك فإنه يكون له تأثير كما لو كان المحرك مشحّن أو أن نسبة الإنضغاط 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 قدم مكعب (أو متر مكعب) من أكسيد النيتروز يحتوي على 2.3 أوكسجين عما هو موجود في قدم مكعب (أو متر مكعب) من الهواء.

 

الخواص الكيميائية:

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 يبقي النيتروز 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, يزداد كذلك الضغط, ولكنه يظل في حالة الغاز. في حالة محاولة 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. يغلي النيتروز السائل عند درجة 129.1 درجة مئوية تحت الصفر (-89.5 درجة مئوية).

 

الاحتراق:

أكسيد النيتروز لا يشتعل, ولكنه مأكسد. فإنه يعطي كمية أكبر من الأوكسجين, ولهذا يمكن 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 (296.1 درجة 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. وهذا مصاحب للفهم عند بعض الناس بأن عملية الحصول على قدرة عالية مع تقديم للشرارة تكون 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 للاسطوانة 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:

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 أبقاء 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:

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 ليتمكن النيتروز 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:

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:

هذا النظام يسمى أيضاً المسبب للضباب. نظام بخاخ النيتروز يمكن أعطاء قدرة عالية بدون مشاكل جانبية. لهذا النظام يجب عمل ثقب ويقلوظ 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 الوقود والنيتروز يختلطوا مسبقاً قبل الحقن. وضغط النيتروز العالي يقوم بتكسير الوقود إلى رذاذ دقيق. يمكن أن تكون 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:

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 بمقدار 10 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)  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:

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 النيتروز سوف 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 لملئ 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  من المشاكل الكبر لاستخدام النيتروز في المحركات الترددية هي مع زيادة شحنة ذات كثافة عالية في الاسطوانات فإنها سوف تزيد الضغط بشكل كبير قد لا تتحملة بنية المحرك. زيادة الضغط والحرارة المصاحبين يمكن أن تؤدي إلى مشاكل جامة 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 يكون في الحالة الغازية, ولذلك فأن إضافة الأكسجين سوف يأخذ حجم أكبر ويقلل القدرة العادية للمحرك, وكمية النيتروجين الموجودة به. ولكن في حقن النيتروز السائل, فإن قدرة المحرك العادية سوف تقل بمقدار ضئيل ولكن سوف تتمكن من أن تضيف أكسجين ونيتروجين. ووضع ذلك بصورة مبسطة مع استخدام أكسيد النيتروز, نستطيع 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.

  

المصدر:

www.nitrouskits.co.uk

 مواقع ذات علاقة:

http://www.holley.com/index.asp?division=NOS
http://en.wikipedia.org/wiki/Nitrous_oxide