亜酸化窒素エンジン

亜酸化窒素エンジン、または亜酸化窒素システム( NOS ) は、燃料を燃やすための酸素が、空気だけでなく亜酸化窒素(N _{2 O) の分解からも得られる}内燃機関です。このシステムは、燃料混合物とともに噴射される酸素の分圧が高いため、通常よりも高い速度で燃料を燃焼させることで、エンジンの出力を高めます。^[1]亜酸化窒素噴射システムは、亜酸化窒素が燃料とは別に噴射される「ドライ」、または亜酸化窒素とともに追加の燃料がエンジンに運ばれる「ウェット」です。NOS は、地域の規制によっては、街中や高速道路での使用が許可されない場合があります。N ₂ O の使用は、特定のクラスの自動車レースで許可されています。亜酸化窒素噴射を備えたエンジンを確実に動作させるには、エンジン部品の強度と混合システムの精度に細心の注意を払う必要があります。そうしないと、破壊的な爆発が発生したり、部品の設計最大値を超えたりする可能性があります。亜酸化窒素システムは、第二次世界大戦の頃から、特定の航空機エンジンに採用されてきました。

レースの文脈では、亜酸化窒素はしばしばナイトラスまたはNOSと呼ばれます。NOS という用語は、自動車性能用亜酸化窒素噴射システムの開発における先駆的企業の 1 つであるNitrous Oxide Systems, Inc. (現在は Holley Performance Productsのブランド) の社名の頭文字に由来しており、一般的な商標になっています。ニトロも時々使用されますが、これはニトロメタン エンジンを指すことが多いため、誤りです。

1モルの亜酸化窒素が分解すると、O ₂分子 (酸素ガス) 0.5 モルと N ₂分子 (窒素ガス) 1 モルが放出されます。この分解により、酸素濃度は 36.36% に達します。窒素ガスは不燃性で、燃焼を促進しません。空気(酸素は 21% しか含まれておらず、残りは窒素と、同様に不燃性で燃焼を促進しないその他のガス) の最大酸素レベルは、亜酸化窒素よりも 12% 低くなります。この酸素は燃焼を促進します。ガソリン、アルコール、ディーゼル燃料、プロパン、圧縮天然ガス(CNG) などの燃料と結合して二酸化炭素と水蒸気を生成するとともに、熱を生成します。この熱により、前者 2 つの燃焼生成物が膨張してピストンに圧力がかかり、エンジンが駆動します。

亜酸化窒素はタンク内では液体として貯蔵されますが、大気条件下ではガスです。吸気マニホールドに液体として噴射されると、気化と膨張により空気/燃料充填温度が低下し、それに伴い密度が増加し、シリンダーの容積効率が向上します。

N ₂ O が酸素と窒素ガスに分解される過程は発熱反応であり、燃焼エンジン内の温度上昇に寄与します。この分解によってエンジン効率と性能が向上しますが、これは未燃焼の燃料混合物とシリンダー内で生成される高温の燃焼ガスとの温度差に直接関係しています。

すべてのシステムはシングルステージキットに基づいていますが、これらのキットは複数で使用できます (2 ステージキット、3 ステージキット、さらには 4 ステージキットと呼ばれる)。最も高度なシステムは、電子プログレッシブデリバリーユニットによって制御され、1 つのキットで複数のキットよりも優れたパフォーマンスを発揮します。ほとんどの Pro Mod と一部の Pro Street ドラッグレースカーは、追加のパワーに 3 ステージを使用していますが、パルスプログレッシブテクノロジーに切り替える車が増えています。プログレッシブシステムの利点は、追加のパワーとトルクが徐々に導入されるため (エンジンとトランスミッションにすぐに適用されるのではなく)、より多くのナイトロ (および燃料) を使用してさらに大きなパワー増加を実現し、機械的ショックのリスクを減らし、結果として損傷を軽減できることです。

亜酸化窒素を装備したエンジンを搭載した車は、ほとんどのドライバーがスタートラインに到達する前に行うデリバリー システムの「パージ」によって識別できます。デリバリー システムに閉じ込められた空気とガス状の亜酸化窒素を放出するために、別の電動バルブが使用されます。これにより、液体の亜酸化窒素が、貯蔵タンクからソレノイドバルブまで配管を通って上昇し、エンジンの吸気管に放出されます。パージ システムが作動すると、液体が放出されて蒸気に変わるため、1 つまたは複数の亜酸化窒素の煙が一瞬見えます。亜酸化窒素パージの目的は、システムが起動した瞬間に、正しい量の亜酸化窒素が供給されるようにすることです。亜酸化窒素と燃料ジェットは、正しい空気/燃料比を生成するようにサイズ設定されています。液体亜酸化窒素は気体亜酸化窒素よりも密度が高いため、ライン内の亜酸化窒素蒸気は、液体亜酸化窒素が噴射ノズルに到達するまで、車が一瞬「動きが鈍くなる」原因になります (亜酸化窒素/燃料比が濃くなりすぎてエンジン出力が低下するため)。

ナイトロシステムには、ドライとウェットの 2 つのカテゴリがあり、ナイトロシステムの主な供給方法は、シングルノズル、ダイレクトポート、プレート、バーの 4 つです。これらは、吸気マニホールドのプレナムにナイトロを放出するために使用されます。ほぼすべてのナイトロシステムでは、ジェットと呼ばれる特定のオリフィスインサートと圧力計算を使用して、ナイトロ、またはウェットアプリケーションではナイトロと燃料を計測し、必要な追加馬力に対して適切な空燃比(AFR) を作成します。

ドライナイトロ システムでは、ナイトロ供給方法はナイトロのみを提供します。必要な追加燃料は燃料インジェクターから導入され、マニホールドを燃料のない状態に保ちます。この特性から、ドライ システムという名前が付けられています。燃料流量は、圧力を上げるか、燃料インジェクターが開いている時間を長くすることで増加できます。

ドライ ナイトロ システムは、通常、単一のノズル供給方法に依存しますが、ドライ アプリケーションでは 4 つの主な供給方法すべてを使用できます。ドライ システムは、キャブレターの機能の性質上、オンデマンドで大量の燃料を供給できないため、キャブレター アプリケーションでは通常使用されません。燃料噴射エンジンのドライ ナイトロ システムは、システムの起動時に燃料圧力またはインジェクター パルス幅を増加させて、ナイトロの正しい燃料比率を提供します。

湿式亜酸化窒素システムでは、亜酸化窒素供給方法によって亜酸化窒素と燃料が一緒に供給されるため、吸気マニホールドが燃料で「湿った」状態になり、このカテゴリの名前の由来となっています。湿式亜酸化窒素システムは、4 つの主要な供給方法すべてで使用できます。

燃料/直接噴射エンジンのウェット システムでは、吸気管またはマニホールド内の燃料プールおよび/または窒素/燃料混合物の不均一な分配によって引き起こされるバックファイアを回避するために注意する必要があります。ポート噴射エンジンと直接燃料噴射エンジンの吸気システムは、空気と燃料ではなく、空気のみを供給するように設計されています。ほとんどの燃料は空気より重く、窒素システムで使用する場合は気体状態ではないため、空気のみと同じようには動作しません。そのため、エンジンの燃焼室に燃料が不均一に分配され、希薄状態/デトネーションが発生したり、吸気管/マニホールドの一部に燃料が溜まって危険な状況が発生し、燃料が制御不能に点火してコンポーネントに壊滅的な故障を引き起こす可能性があります。キャブレター付きエンジンとシングル ポイント/スロットル ボディ噴射エンジンは、燃料と空気の混合物をすべての燃焼室に均等に分配するように設計されたウェット マニホールド設計を使用しているため、これらのアプリケーションではほとんど問題になりません。

シングルノズルの亜酸化窒素システムは、単一の噴射ポイントから亜酸化窒素または燃料/亜酸化窒素の混合物を噴射します。ノズルは通常、燃料噴射アプリケーションでは吸気マニホールドおよび/またはスロットルボディの前、キャブレター アプリケーションではスロットルボディの後の吸気管/管路に配置されます。ウェット システムでは、噴射された亜酸化窒素の高圧により、ノズルを介して同時に噴射された燃料がエアロゾル化され、亜酸化窒素/燃料の混合物のより徹底した均一な分配が可能になります。

ダイレクトポートナイトラス システムは、各吸気ランナーの個別のノズルを介して、可能な限りエンジンの吸気ポートに近い場所にナイトラスまたは燃料/ナイトラス混合気を導入します。ダイレクト ポート ナイトラス システムでは、シングル ノズル システムと同じまたは類似のノズルを使用しますが、その数はエンジンの吸気ポートの数と同じかその倍数です。ダイレクト ポート システムは、ナイトラスまたは燃料/ナイトラス混合気を均等に分配するために吸気管/マニホールド設計に頼る必要がないため、他の供給方法よりも本質的に正確です。ノズルの数が多いため、他のシステムよりも多くのナイトラスを供給できます。各吸気ポートで複数のノズル セットを使用することで、ナイトラスの複数の「段階」を実現し、パワーの可能性をさらに高めることができます。ダイレクト ポート ナイトラス システムは、レース用途で最も一般的な供給方法です。

プレート式ナイトラス システムでは、スロットル ボディと吸気ポートの間のどこかにスペーサーを配置し、その内面に沿って穴を開けるか、プレートから吊り下げられたチューブを使用して、ナイトラスまたは燃料/ナイトラス混合物を分配します。プレート システムは、プレートが一般にアプリケーション固有であり、スロットル ボディと吸気マニホールドの間、または上部吸気マニホールドと下部吸気マニホールドの接合部などの既存のコンポーネントの間にフィットするため、他の供給方法と比較してドリル不要のソリューションを提供します。プレート システムは、長い留め具以外はほとんど必要ないため、吸気管に恒久的な変更をほとんどまたはまったく必要としないため、最も簡単にリバースできるシステムです。アプリケーションに応じて、プレート システムは、ダイレクト ポート システムと同様の正確なナイトラスまたは燃料/ナイトラス混合物の分配を提供できます。

バー式ナイトラス システムは、長さに沿って多数の穴が開けられた中空チューブを吸気プレナム内に設置してナイトラスを供給します。バー式ナイトラス供給方法は、バーの燃料分配が最適ではないため、ほぼ完全にドライ ナイトラス システムです。バー式ナイトラス システムは、ナイトラスの分配方法がすぐにはわからないため、ナイトラス システムの関連コンポーネントのほとんどを見えなくすることができるため、ナイトラスの使用を隠したいレーサーに人気があります。

亜酸化窒素システムは、プロパンや圧縮天然ガスなどの気体燃料とともに使用できます。このシステムには、吸気管に導入されたときに燃料が液体状態ではないため、技術的にはドライシステムであるという利点があります。

亜酸化窒素の使用は、あらゆるパワー アディダスを備えたエンジンの信頼性と寿命に関する懸念を伴います。シリンダー圧力が大幅に上昇するため、エンジン全体、特にエンジンの回転アセンブリに関連するコンポーネントに大きなストレスがかかります。亜酸化窒素システムの使用によって課せられるストレスの増加に対処できないコンポーネントを持つエンジンでは、ピストン、コネクティング ロッド、クランクシャフト、ブロックの亀裂や破損など、エンジンに大きな損傷が生じる可能性があります。正確で十分な燃料供給に加えて、エンジン コンポーネントを適切に強化することが、壊滅的な故障を起こさずに亜酸化窒素システムを使用するための鍵となります。

さらに、亜酸化窒素は、エンジン出力とトルクの大幅な増加によりトルクコンバーターとトランスミッション自体 にストレスによる損傷を引き起こす可能性があるため、オートマチックトランスミッションを搭載した車両では使用しないでください。

自動車用の亜酸化窒素噴射システムは、一部の国では道路での使用が違法です。例えば、オーストラリアのニューサウスウェールズ州では、道路交通局の 軽自動車改造に関する実施規則（1994年から使用）の第3.1.5.7.3項に、亜酸化窒素噴射システムの使用または取り付けは許可されていないと記載されています。^[2]

英国ではNの使用に制限はない。
₂ただし、変更は保険会社に申告する必要があり、その結果、自動車保険の保険料の値上げや保険の拒否が発生する可能性があります。

ドイツでは、厳格なTÜV規則にもかかわらず、ナイトロ システムを公道走行車に取り付けて合法的に使用できます。システムの技術基準の要件は、アフターマーケットの天然ガス変換の要件と同様です。

ドラッグ レースのいくつかの認可団体は、特定のクラスで亜酸化窒素の使用を許可または禁止したり、亜酸化窒素専用のクラスを設けたりしています。フォーミュラ ドリフト競技では亜酸化窒素が許可されています。

同様の基本技術は、第二次世界大戦中にドイツ空軍の航空機で、空気密度が低い高高度でも航空機エンジンの出力を維持するためにGM-1システムによって使用されました。したがって、この技術は高高度偵察機、高速爆撃機、高高度迎撃機などの特殊な航空機でのみ使用されました。この技術は、 MW 50と呼ばれるドイツ空軍のメタノール水噴射方式（どちらもNotleistungの短期出力増強手段を意味する）と組み合わせて使用​​され、短期間で戦闘機の性能を大幅に向上させることがあり、フォッケウルフTa 152 H戦闘機のプロトタイプで併用されました。 ^[3]

第二次世界大戦におけるイギリスの亜酸化窒素噴射システムは、ヘストン航空機会社がデ・ハビランド・モスキートの特定の夜間戦闘機型とスーパーマリン・スピットファイアの写真偵察型に使用するために行ったマーリンエンジンの改造でした。

• 車のチューニング
• ターボチャージャー
• 水注入
• レースゲーム
• ハロゲンエンジンは、加速を高めるために塩素またはフッ素を使用する内燃エンジンです（亜酸化窒素エンジンの代替として）。

• Howstuffworks 「亜酸化窒素はどのようにしてエンジンの性能向上に役立つのか？」