Un motor de óxido nitroso, o sistema de óxido nitroso ( NOS ), es un motor de combustión interna en el que el oxígeno para quemar el combustible proviene de la descomposición del óxido nitroso , N2O , así como del aire. El sistema aumenta la potencia de salida del motor al permitir que el combustible se queme a una velocidad mayor de lo normal, debido a la mayor presión parcial de oxígeno inyectado con la mezcla de combustible . [1] Los sistemas de inyección nitroso pueden ser "secos", donde el óxido nitroso se inyecta por separado del combustible, o "húmedos", en los que se transporta combustible adicional al motor junto con el nitroso. El NOS puede no estar permitido para uso en calles o carreteras, según las regulaciones locales. El uso de N2O está permitido en ciertas clases de carreras de autos. El funcionamiento confiable de un motor con inyección nitrosa requiere una atención cuidadosa a la resistencia de los componentes del motor y a la precisión de los sistemas de mezcla, de lo contrario pueden ocurrir detonaciones destructivas o exceder los máximos de los componentes diseñados. Los sistemas de óxido nitroso se aplicaron ya en la Segunda Guerra Mundial para ciertos motores de aeronaves.
En el contexto de las carreras, el óxido nitroso se suele denominar nitroso o NOS . El término NOS se deriva de las iniciales del nombre de la empresa Nitrous Oxide Systems, Inc. (ahora una marca de Holley Performance Products ), una de las empresas pioneras en el desarrollo de sistemas de inyección de óxido nitroso para uso en el rendimiento de los automóviles, y se ha convertido en una marca comercial genérica . A veces también se utiliza nitro , aunque es incorrecto, ya que se refiere más a los motores de nitrometano .
Cuando un mol de óxido nitroso se descompone, libera medio mol de moléculas de O 2 (gas oxígeno) y un mol de moléculas de N 2 (gas nitrógeno). Esta descomposición permite alcanzar una concentración de oxígeno del 36,36%. El gas nitrógeno no es combustible y no favorece la combustión. El aire —que contiene solo un 21% de oxígeno, siendo el resto nitrógeno y otros gases igualmente incombustibles y que no favorecen la combustión— permite un nivel máximo de oxígeno un 12% inferior al del óxido nitroso. Este oxígeno favorece la combustión; se combina con combustibles como la gasolina, el alcohol, el gasóleo , el propano o el gas natural comprimido (GNC) para producir dióxido de carbono y vapor de agua, junto con calor, lo que hace que los dos primeros productos de la combustión se expandan y ejerzan presión sobre los pistones, impulsando el motor.
El óxido nitroso se almacena en forma líquida en tanques, pero es un gas en condiciones atmosféricas. Cuando se inyecta en forma líquida en un colector de admisión, la vaporización y expansión provoca una reducción de la temperatura de la carga de aire/combustible con un aumento asociado de la densidad, lo que aumenta la eficiencia volumétrica del cilindro .
Como la descomposición de N 2 O en oxígeno y nitrógeno gaseoso es exotérmica y, por lo tanto, contribuye a una temperatura más alta en el motor de combustión, la descomposición aumenta la eficiencia y el rendimiento del motor, lo que está directamente relacionado con la diferencia de temperatura entre la mezcla de combustible no quemado y los gases de combustión calientes producidos en los cilindros.
Todos los sistemas se basan en un kit de una sola etapa, pero estos kits se pueden utilizar en múltiples (llamados kits de dos, tres o incluso cuatro etapas). Los sistemas más avanzados están controlados por una unidad de suministro progresivo electrónico que permite que un solo kit funcione mejor que varios kits. La mayoría de los autos de carreras Pro Mod y algunos Pro Street utilizan tres etapas para obtener potencia adicional, pero cada vez más están cambiando a la tecnología progresiva pulsada. Los sistemas progresivos tienen la ventaja de utilizar una mayor cantidad de óxido nitroso (y combustible) para producir aumentos de potencia aún mayores a medida que la potencia y el par adicionales se introducen gradualmente (en lugar de aplicarse al motor y la transmisión de inmediato), lo que reduce el riesgo de choque mecánico y, en consecuencia, daños.
Los autos con motores equipados con óxido nitroso pueden identificarse por la "purga" del sistema de suministro que la mayoría de los conductores realizan antes de llegar a la línea de partida. Se utiliza una válvula separada operada eléctricamente para liberar el aire y el óxido nitroso gaseoso atrapado en el sistema de suministro. Esto lleva el óxido nitroso líquido a través de las tuberías desde el tanque de almacenamiento hasta la válvula solenoide o válvulas que lo liberarán en el tracto de admisión del motor. Cuando se activa el sistema de purga, una o más columnas de óxido nitroso serán visibles por un momento mientras el líquido se convierte en vapor a medida que se libera. El propósito de una purga de nitroso es garantizar que se suministre la cantidad correcta de óxido nitroso en el momento en que se activa el sistema, ya que los chorros de nitroso y combustible están dimensionados para producir proporciones correctas de aire/combustible, y como el nitroso líquido es más denso que el nitroso gaseoso, cualquier vapor nitroso en las líneas hará que el automóvil se "atasque" por un instante (ya que la proporción de nitroso/combustible será demasiado rica, lo que reducirá la potencia del motor) hasta que el óxido nitroso líquido llegue a la boquilla de inyección.
Existen dos categorías de sistemas de óxido nitroso: seco y húmedo , con cuatro métodos principales de suministro de sistemas de óxido nitroso: boquilla única , puerto directo , placa y barra que se utilizan para descargar óxido nitroso en las cámaras del colector de admisión . Casi todos los sistemas de óxido nitroso utilizan insertos de orificio específicos, llamados chorros, junto con cálculos de presión para medir el óxido nitroso, o el óxido nitroso y el combustible en aplicaciones húmedas, entregados para crear una relación aire-combustible (AFR) adecuada para la potencia adicional deseada.
En un sistema de nitroso seco , el método de suministro de nitroso proporciona únicamente nitroso. El combustible adicional necesario se introduce a través de los inyectores de combustible , lo que mantiene el colector seco de combustible. Esta propiedad es lo que le da el nombre al sistema seco. El flujo de combustible se puede aumentar ya sea aumentando la presión o aumentando el tiempo que los inyectores de combustible permanecen abiertos.
Los sistemas de óxido nitroso seco generalmente dependen de un método de suministro de una sola boquilla, pero los cuatro métodos de suministro principales se pueden utilizar en aplicaciones secas. Los sistemas secos no se utilizan normalmente en aplicaciones con carburador debido a la naturaleza de la función del carburador y a la incapacidad de proporcionar grandes cantidades de combustible a demanda. Los sistemas de óxido nitroso seco en motores con inyección de combustible utilizarán una mayor presión de combustible o un mayor ancho de pulso del inyector al activarse el sistema como medio para proporcionar la proporción correcta de combustible para el óxido nitroso.
En un sistema de óxido nitroso húmedo , el método de suministro de óxido nitroso proporciona óxido nitroso y combustible juntos, lo que hace que el colector de admisión quede "humedecido" con combustible, lo que le da el nombre a la categoría. Los sistemas de óxido nitroso húmedo se pueden utilizar en los cuatro métodos de suministro principales.
En los sistemas húmedos de los motores de inyección directa o de combustible, se debe tener cuidado para evitar contraexplosiones causadas por la acumulación de combustible en el tracto de admisión o el colector y/o la distribución desigual de la mezcla de nitroso/combustible. Los motores de inyección directa y de puerto de combustible tienen sistemas de admisión diseñados para el suministro de aire únicamente, no aire y combustible. Dado que la mayoría de los combustibles son más pesados que el aire y no están en estado gaseoso, cuando se utilizan con sistemas de nitroso, no se comportan de la misma manera que el aire solo; por lo tanto, existe la posibilidad de que el combustible se distribuya de manera desigual en las cámaras de combustión del motor, lo que causa condiciones de mezcla pobre/detonación y/o acumulación en partes del tracto de admisión/colector, lo que presenta una situación peligrosa en la que el combustible puede encenderse de manera incontrolable y causar una falla catastrófica en los componentes. Los motores con carburador y de inyección de un solo punto/cuerpo del acelerador utilizan un diseño de colector húmedo que está diseñado para distribuir uniformemente las mezclas de combustible y aire a todas las cámaras de combustión, lo que hace que esto no sea un problema para estas aplicaciones.
Un sistema de óxido nitroso con una sola boquilla introduce el óxido nitroso o la mezcla de combustible y óxido nitroso a través de un único punto de inyección. La boquilla se coloca normalmente en el tubo o conducto de admisión después del filtro de aire, antes del colector de admisión o del cuerpo del acelerador en aplicaciones con inyección de combustible, y después del cuerpo del acelerador en aplicaciones con carburador. En sistemas húmedos, las altas presiones del óxido nitroso inyectado provocan la aerosolización del combustible inyectado en tándem a través de la boquilla, lo que permite una distribución más completa y uniforme de la mezcla de óxido nitroso y combustible.
Un sistema de nitroso de puerto directo introduce el nitroso o la mezcla de combustible/nitroso lo más cerca posible de los puertos de admisión del motor a través de boquillas individuales directamente en cada conducto de admisión. Los sistemas de nitroso de puerto directo utilizarán las mismas boquillas o similares a las de los sistemas de boquilla única, solo que en cantidades iguales o múltiplos de la cantidad de puertos de admisión del motor. Dado que los sistemas de puerto directo no tienen que depender del diseño del tracto/colector de admisión para distribuir uniformemente el nitroso o la mezcla de combustible/nitroso, son inherentemente más precisos que otros métodos de suministro. La mayor cantidad de boquillas también permite que se suministre una mayor cantidad total de nitroso que otros sistemas. Se pueden lograr múltiples "etapas" de nitroso utilizando múltiples conjuntos de boquillas en cada puerto de admisión para aumentar aún más el potencial de potencia. Los sistemas de nitroso de puerto directo son el método de suministro más común en aplicaciones de carreras.
Un sistema de óxido nitroso de placa utiliza un espaciador colocado en algún lugar entre el cuerpo del acelerador y los puertos de admisión con orificios perforados a lo largo de sus superficies interiores, o en un tubo que está suspendido de la placa, para que se distribuya el óxido nitroso o la mezcla de combustible/nitroso. Los sistemas de placa proporcionan una solución sin taladros en comparación con otros métodos de distribución, ya que las placas generalmente son específicas de la aplicación y se ajustan entre los componentes existentes, como las uniones del cuerpo del acelerador al colector de admisión o del colector de admisión superior al colector de admisión inferior. Los sistemas de placa, que requieren poco más que sujetadores más largos, son los sistemas más fáciles de revertir, ya que necesitan poco o ningún cambio permanente en el tracto de admisión. Dependiendo de la aplicación, los sistemas de placa pueden proporcionar una distribución precisa del óxido nitroso o de la mezcla de combustible/nitroso similar a la de los sistemas de puerto directo.
Un sistema de nitroso en barra utiliza un tubo hueco, con una serie de orificios perforados a lo largo de su longitud, colocado dentro de la cámara de admisión para suministrar nitroso. Los métodos de suministro de nitroso en barra son casi exclusivamente sistemas de nitroso seco debido a las posibilidades de distribución de combustible no óptimas de la barra. Los sistemas de nitroso en barra son populares entre los corredores que prefieren que el uso del nitroso esté oculto, ya que el método de distribución del nitroso no es inmediatamente evidente y la mayoría de los componentes asociados del sistema nitroso pueden quedar ocultos a la vista.
Los sistemas de óxido nitroso se pueden utilizar con un combustible gaseoso como el propano o el gas natural comprimido. Esto tiene la ventaja de ser técnicamente un sistema seco , ya que el combustible no está en estado líquido cuando se introduce en el tracto de admisión.
El uso de óxido nitroso conlleva preocupaciones sobre la confiabilidad y longevidad de un motor, algo que ocurre con todos los agregadores de potencia. Debido a las presiones de cilindros considerablemente mayores, el motor en su conjunto se somete a una mayor tensión, principalmente los componentes asociados con el conjunto giratorio del motor. Un motor con componentes incapaces de hacer frente a la mayor tensión impuesta por el uso de sistemas de óxido nitroso puede sufrir daños importantes, como pistones, bielas, cigüeñales y/o bloques agrietados o destruidos. El fortalecimiento adecuado de los componentes del motor, además de un suministro de combustible preciso y adecuado, son clave para el uso del sistema de óxido nitroso sin fallas catastróficas.
Además, el óxido nitroso no debe utilizarse en vehículos con transmisión automática , ya que el aumento considerable de la potencia y el torque del motor pueden provocar daños por tensión en el convertidor de torque y en la propia transmisión.
En algunos países, los sistemas de inyección de óxido nitroso para automóviles son ilegales para su uso en las carreteras. Por ejemplo, en Nueva Gales del Sur (Australia), el Código de prácticas para modificaciones de vehículos ligeros de la Autoridad de Carreteras y Tráfico (en vigor desde 1994) establece en la cláusula 3.1.5.7.3 que no se permite el uso o la instalación de sistemas de inyección de óxido nitroso. [2]
En Gran Bretaña no existen restricciones sobre el uso de N
2O , pero la modificación debe ser declarada a la compañía de seguros, lo que probablemente resulte en una prima más alta para el seguro de vehículos de motor o en la negativa a asegurar.
En Alemania, a pesar de las estrictas normas de la TÜV , se puede instalar y utilizar legalmente un sistema de óxido nitroso en un vehículo de circulación por carretera. Los requisitos para el estándar técnico del sistema son similares a los de las conversiones a gas natural del mercado de accesorios .
Varios organismos reguladores de las carreras de aceleración permiten o no el uso de óxido nitroso en determinadas categorías o tienen categorías específicas de óxido nitroso. El óxido nitroso está permitido en las competiciones de Formula Drift .
Una técnica básica similar fue utilizada durante la Segunda Guerra Mundial por los aviones de la Luftwaffe con el sistema GM-1 para mantener la potencia de salida de los motores de los aviones a gran altitud donde la densidad del aire es menor. En consecuencia, solo fue utilizado por aviones especializados como aviones de reconocimiento de gran altitud, bombarderos de alta velocidad e interceptores de gran altitud. A veces se utilizó con la forma de inyección de metanol-agua de la Luftwaffe , designada MW 50 (ambos concebidos como medidas de aumento de potencia a corto plazo de Notleistung ), para producir aumentos sustanciales en el rendimiento de los aviones de combate en períodos cortos de tiempo , como con su uso combinado en los prototipos de cazas Focke-Wulf Ta 152 H. [3]
Los sistemas de inyección de óxido nitroso utilizados por los británicos durante la Segunda Guerra Mundial fueron modificaciones de los motores Merlin realizadas por la Heston Aircraft Company para su uso en ciertas variantes de cazas nocturnos del de Havilland Mosquito y versiones de reconocimiento fotográfico del Supermarine Spitfire .