飞车神器:氮气加速有多神奇?

能源材料 7个月前

飞车神器:氮气加速有多神奇?

  《速度与激情》是一部以飙车为题材的电影,电影中除了各种原厂跑车外,还有一些强力改装车,改装车中除了常规的涡轮、机械增压技术,另外就是无比逆天的氮气加速。例如在《速度与激情5》中最后那辆经过改装的道奇Charger SRT8,在摁下一个神奇的按钮后就能拖动一个装满钱的金库到处跑。然而突然有一天,在娱乐赛车游戏开发者发现现实生活中确实有这么一种被称为“氮气加速”的技术之后,这个东西就被迅速神化了,让其拥有瞬间加速,甚至速度能够比肩火箭弹,无视摩擦等神奇功效。那么,现实生活中的氮气加速有这样神奇的功效吗?

飞车神器:氮气加速有多神奇?

  首先纠正一下,所谓的氮气加速使用的并不是氮气。作为一台正常的发动机,空气中占3/4的氮气并不能提升引擎的动力,因为它既不能燃烧也不能助燃。所谓的氮气加速实际上使用的气体是一氧化二氮(N2O),俗称”笑气”,因为有轻微甜味能使人发笑而得名,曾被用于麻醉。该气体在常温下稳定,高温下分解成的氮气和氧气,可以增加燃料燃烧的完整度,提升动力。氮气加速与涡轮增压和机械增压一样,都是为了增加混合气中的氧气含量,提升燃烧效率从而增加功率输出,不同的是,NOS是直接利用氧化物,而增压则是通过外力增加空气密度来达到目的的。早在二战时期,德国空军就曾使用过这项技术,而现在我们在电影中看到的氮气加速(Nitrous Oxide System,简称为NOS,即氮气加速系统)主要是指由美国霍利公司开发生产的产品。大部分用于目前世界直线加速赛中的瞬间提高大比率马力。下面让我们来看一下这套系统的玄机。

  作为一套完整的动力提升系统,氮气加速系统中除了N2O之外,系统还由气罐、电磁阀、喷嘴、启动关、专用的氮气管路、保险、继电器、净化过滤器和铱合金火花塞等组成。

飞车神器:氮气加速有多神奇?

  作为这套系统名称直接来源的“氮气”自然是储存在气罐中的。这种气罐与大家平时所见的煤气罐、灭火器罐一样,是一个填充气体的钢制容器,除了彼此在外观尺寸上的区别,氮气罐也有空重、总重以及瓶内压力等规格;一个储存N2O的专用储气罐净重约6.7kg,充满N2O后约11kg。按照每次使用1分钟来算,一瓶气可以用3538次。在使用这套系统之前自然会先被充满氮气,一般来说,一个气罐加气压力高于342公斤每立方分米时,N2O就会从气态变成液态,放热并降温到零下127度。而当需要用到N2O时,它会先变成气态再反应。这个过程需要吸收大量的热量,使进入气缸的氧气密度增加,单单是这个降温的过程就可以增加6%的马力,根据一辆夏利2000的实际使用情况,其1.342L的8A发动机在加装NOS后,其0-100km/h加速时间减少了23%,而功率提升了21kw,这几乎是8A发动机1/3的最大功率,这样的功率提升还是相当可观的。

  想要把一氧化氮送进气缸内是需要一个叫喷嘴的装置的,NOS系统中的喷嘴如同引擎供油系统中的喷油嘴,喷嘴口径越大,喷出的气体量就越多,对于马力的助益也相对越大;像喷油嘴一样,喷嘴也分为单点喷射(SPI)与多点喷射(MPI)两种。单点喷嘴的位置位于节气门的前部,特点是布局简单,但控制精度差。多点喷嘴的位置位于进气歧管上,这样控制精度就可以较高,但是为了加装喷嘴就要在歧管上钻孔,加工喷嘴孔在做功时,引擎与缸内零件都会受到极大损害,一般用于职业赛车改装,常用于世界直线加速赛。另外,除了单点与多点的分别之外,喷嘴也有“干湿”之分。

  “干”是指干式喷嘴,即只是喷N2O;“湿”是指湿式喷嘴,即是将N2O与燃油同时喷进气缸,所以这类喷嘴需要额外多搭一条油管进入气管道里,因此湿式系统所使用的喷嘴通常采用”丫”字形设计,两条管路平时相互独立,靠电磁阀来控制开闭。就改装效果来说,湿式系统比干式系统更能精准地控制油气混合比,因此也可以使用大流量喷嘴,这样马力的提升幅度也会更大。除此之外,由于NOS提供了额外的助燃氧气,所以还要对电子控制单元(ECU)进行重新设计,主要是要相应增加与之配合的喷油量。

  在上一段中,我们提到了电磁阀,电磁阀是控制喷嘴作动的重要组件,因为NOS的喷射原理是利用瓶内压力将气体灌入引擎,因此在气瓶和喷嘴之间必须装设一个控制器,以控制气体的喷否,电磁阀的精准性相当重要,因为NOS必须在节气门全开的状态下喷射,如果在节气门开启角度不足或是已经关闭时继续供给,将造成一氧化二氮逆流,严重者甚至会出现回火,这时候流量计或空气芯就很容易损坏。启动开关则是提供指令,让电磁阀作动的重要部品,一般大多装设在油门踏板正下方,或是节气门拉线的末端位置,不过也会利用节气门电压以感测油门开度,让驾驶者在油门全开之际一并启动NOS。

飞车神器:氮气加速有多神奇?

  其实在NOS系统中,除了上述主要结构以及气罐本身的开关外,还必须另外装设一道或二道安全开关,否则长时间使用NOS会导致燃烧室压力过大,温度也会急剧升高。举个例子,在电影中,主角多米尼克的练习用车三菱Eclipse,由于疯狂地使用N20差点把引擎废掉。所以通常是将NOS视作”最后阶段”,或是在”重要关头”时才使用。而为了使 NOS在平常处于关闭状态,安全开关就显得格外重要。

  氮气加速系统能够瞬间较大幅度提升发动机的输出功率,这似乎可以给我们一些运动激情,但是还是建议大家不要进行这等程度的改装。首先,加装氮气加速系统不仅仅要对引擎部件进行强化(强化程度甚于在自然吸气的基础上加装涡轮增压或机械增压),更要对整车的各个部位进行强化,涉及的工程量相当巨大。再次,氮气加速系统的使用对发动机的损耗是很大的,一氧化二氮在高温时分解出的氮气因为高压缩,所以它的膨胀度也很高,不是什么车都可以用的,对于普通锻造的活塞和气缸等部件,在氮气的促使下以热膨胀高速运行,对于很多引擎在设计时没估计到会有如此高速及膨胀度,引擎宽容度很有限,会出现活塞和缸壁刮伤、硬顶胀(冷缩后造成密封问题)、烧缸(机油膜破裂)等情况,严重还会顶缸自爆。此外,如果NOS系统的氧气含量过高,无论燃油的标号有多高都会发生爆震,所以出于安全的考虑,NOS系统使用时间最好不要超过10S。因为长时间使用NOS喷射,可以使发动机气缸的内缸压过大,超出发动机的承受能力,造成内壁磨损严重,最终引起爆缸的严重后果。

  氮气加速系统对动力的提升是相当可观的,在电影《速度与激情1》中,一辆加装了NOS及N20系统的品牌捷达车虽然落败,但能挑战装有N2O的本田S2000就已经证明了这套系统的威力。在两支强大的涡轮和氮气加速系统的双重作用下,一台日产GTR-R34可以爆发出1500匹的马力!

  (作者:李星明)