.jpg)
 Lachgas installeren is serieuze zaak
Geen angst voor motorschade bij juist gebruik
9 Mei 2007
Aan het begin van de Tweede Wereldoorlog werd door de
Duitse vliegtuigindustrie ontdekt dat door het inspuiten van
lachgas in de verbrandingskamers van een interne
verbrandingsmotor het vermogen van die motor kan worden
verhoogd. Duizenden oorlogsvliegtuigen van zowel de
Luftwaffe als de Britse Royal Air Force werden in de loop
van de oorlog voorzien van een systeem dat lachgas aan de
motor toevoegde. In de jaren die volgden ging de militaire
luchtvaart over op straalmotoren en verdween lachgas in de
schuiflade. Pas in de jaren zeventig en tachtig werd het
goedje herontdekt door drag racers in de Verenigde
Staten (alhoewel er al in de jaren vijftig clandestien
gebruik van werd gemaakt bij stock car-races…) en
op zijn laatst sinds The Fast And The Furious in
2001 de bioscopen haalde, is nitrous oxide een hot
item in de tuningwereld. Echter ook een onderwerp waarover
veel misverstanden en halve waarheden de ronde doen.
Lachgas (di-stikstofoxide) is een verbinding van stikstof
en zuurstof met de formule N2O. Het is een kleurloos, niet
ontvlambaar gas met een licht zoete smaak en geur. Bij
inademing ontstaat de neiging lacherige geluiden te maken -
vandaar de naam. Het gas werd in 1776 ontdekt, maar het
duurde nog twintig jaar voordat Sir Humphry Davy er in het
Pneumatic Institute te Bristol, waar men het
therapeutische gebruik van gassen onderzocht, mee ging
experimenteren. Al snel werd lachgas populair in Engelse
artistieke kringen en in de loop van de negentiende eeuw was
het een attractie op kermissen. Deze vormen van recreatief
gebruik en massavermaak verdwenen weer (tot het gas
recentelijk weer in de belangstelling kwam als partydrug),
maar het gebruik van lachgas bij kleine operaties in
ziekenhuizen en bij tandartsen werd algemeen. Deze vorm van
verdoving is inmiddels verdrongen door andere middelen die
een minder euforische uitwerking hebben.
Met dit koppelstuk kunnen twee lachgasflessen aan de
hoofdleiding naar de motorruimte worden aangesloten. Deze
foto als bureablad op uw pc?
Open de foto in schermresolutie en klik erop met de
rechtermuisknop. Kies in het menu de optie 'als achtergrond
gebruiken'.
Tegenwoordig zou lachgas dan ook nauwelijks meer te
krijgen zijn als het niet op vrij grote schaal in de
voedingsmiddelenindustrie werd gebruikt. Het wordt vooral (soms
aangeduid als E942) toegepast in spuitbussen met slagroom
omdat het vrij goed in vetten oplosbaar is. Bij het
uittreden uit de spuitbus komt het gas weer uit de oplossing
en werkt dan als blaasmiddel.
Afkoeling
Het gebruik van lachgas in verbrandingsmotoren teneinde het
vermogen te verhogen, zou in principe in hetzelfde kader
kunnen worden geschaard als drukvulling door middel van een
compressor (turbo, mechanisch aangedreven compressor,
Comprex e.d.). Doel is het vergroten van de hoeveelheid
zuurstof in de verbrandingskamer boven de maximale
hoeveelheid die de motor zelf kan aanzuigen. Meer zuurstof
in de verbrandingskamers betekent dat er meer brandstof kan
worden verbrand, en dat levert weer een hoger motorkoppel
op.
Het toevoeren van lachgas is zeker één van de eenvoudigste
en goedkoopste manieren om een forse stijging van
motorkoppel (en dus vermogen) over een breed toerengebied te
bewerkstelligen. Bij een temperatuur van 296 °C ontbindt
lachgas in stikstof en zuurstof. Wanneer het lachgas wordt
aangevoerd via het inlaatspruitstuk van de motor, wordt het
met de aangezogen lucht of het lucht/brandstofmengsel de
verbrandingskamer ingezogen. Als vervolgens de
verbrandingstemperatuur tijdens de compressiefase de 296 °C
bereikt, ontstaat er een zeer zuurstofrijke mix. N2O heeft
dit effect omdat het een hogere concentratie aan zuurstof
bezit dan de lucht in de atmosfeer - 36% per eenheid tegen
23%. Bovendien heeft N2O een 50% grotere dichtheid dan lucht,
bij dezelfde druk. Alles bij elkaar betekent dit dat een
kubieke meter lachgas 2,3 keer zoveel zuurstof bevat als een
kubieke meter lucht. Er zal dan ook tegelijkertijd met het
introduceren van lachgas in de verbrandingskamer een van te
voren bepaalde hoeveelheid extra brandstof moeten worden
ingespoten om een juiste verhouding tussen zuurstof en
brandstof te handhaven. Het resultaat is - net als bij
drukvulling door middel van bijvoorbeeld een turbo - een
navenante verhoging van de gemiddelde verbrandingsdruk en
dus het motorkoppel.
Een tweede effect van het inspuiten van lachgas bestaat
eruit, dat de inlaatlucht van de motor sterk wordt afgekoeld.
Hoe kouder de aangevoerde lucht, hoe groter de dichtheid
ervan - ergo, meer zuurstof in de verbrandingskamer. Het gas
wordt vloeibaar onder hoge druk (ca. 80 bar) opgeslagen en
begint te verdampen zodra het vrijkomt. Bij het verdampen
van N2O daalt de temperatuur vrij drastisch (gaskookpunt -90
°C), en evenzo het volume van het gas. Wanneer het lachgas
in de verbrandingskamer komt, zal het door de temperatuur
van de verbranding weer enorm in volume toenemen.
Uit het bovenstaande moge al duidelijk zijn, dat het
inspuiten van lachgas op zich niet vermogensvermeerderend
is. N2O is immers een oxydant en géén (hulp)brandstof. De
vermogenswinst wordt bereikt door samen met het lachgas een
hoeveelheid extra brandstof in te spuiten. Omdat een
bepaalde hoeveelheid lachgas die wordt ingespoten ook een
bepaalde hoeveelheid extra zuurstof bij het ontleden in de
verbrandingskamer oplevert, en de optimale mengselverhouding
tussen brandstof en zuurstof in principe een vast gegeven
is, kan je vrij nauwkeurig berekenen hoeveel brandstof er
bij die hoeveelheid lachgas moet worden ingespoten, en
hoeveel extra vermogen dat gaat opleveren. In tegenstelling
tot andere tuningmethoden staat het extra vermogen dan ook
direct ter beschikking wanneer het systeem wordt
ingeschakeld.
Nozzle
Verreweg de meeste lachgasinjectiesystemen voor automotoren
zijn zogenoemde 'natte' systemen. In het inlaatspruitstuk
wordt een sproeier gemonteerd met twee koppen. Eén voor het
inspuiten van het lachgas, en de ander voor het
tegelijkertijd inspuiten van extra brandstof boven de
hoeveelheid die via het reguliere motormanagementsysteem
wordt toebedeeld.
| De gebruikte sproeier heeft
twee koppen: de 'rode' leiding is de
brandstofleiding; de 'blauwe' is voor het inspuiten
van lachgas. |
De grootte van de doorlaatopening van beide sproeiers
bepaalt de hoeveelheid lachgas en de hoeveelheid brandstof
die wordt ingespoten als het systeem in werking is. De
juiste verhouding tussen brandstof en lachgas (zuurstof)
wordt bepaald door de verhouding tussen de twee sproeiers.
Er zijn verschillende maten sproeiers voor vermogenswinsten
van 10 tot 200 pk of meer. Bij extreme toepassingen kan ook
één nozzle (met een sproeier voor lachgas- en één
voor brandstofinjectie) per cilinder worden toegepast. Bij 'droge'
lachgassystemen wordt alleen lachgas ingespoten, en moet het
aanwezige motormanagement op één of andere manier zorgen
voor de benodigde extra brandstof. Dit soort systemen is
eigenlijk bedoeld voor custom toepassingen waarbij
een aftermarket motormanagementsysteem wordt gebruikt of het
bestaande systeem in ieder geval volledig wordt aangepast,
maar volgens ing. Maarten van Rie van DBM Engineering, dat
de Nederlandse vertegenwoordiging van de Amerikaanse lachgas-specialist
Nitrous Express in handen heeft, gebeurt het maar al te vaak
dat zulke installaties worden ingebouwd zonder afdoende
maatregelen te nemen voor wat betreft de
brandstofvoorziening. "Vroeg of laat gaat dat mis. En de
onvermijdelijke motorschade geeft het fenomeen
lachgasinjectie weer onverdiend een slechte naam."
Acceleratie
Onverdiend, want 'magisch' als het verkrijgen van extra
paardenkrachten 'uit de fles' mag lijken, is het in principe
niet anders dan alle andere tuningmethoden, of het nu het
flowen van de cilinderkop, het gebruik van 'scherpe'
nokkenassen of het installeren van een turbo is. Allemaal
zijn ze gericht op het vergroten van de hoeveelheid zuurstof
die een verbrandingsmotor (feitelijk niets meer of minder
dan een luchtpomp) kan aanzuigen, waardoor er meer brandstof
kan worden verbrand en de zuiger met een grotere kracht naar
beneden wordt geduwd. In alle gevallen betekent dat een
zwaardere belasting van motor en overige
aandrijflijncomponenten. Het verschil met lachgasinjectie
is, dat bij deze laatste de extra belasting slechts
plaatsvindt wanneer de bestuurder meer vermogen wenst en het
systeem inschakelt. Omdat de inhoud van een lachgasfles
hoogstens voldoende is voor enkele minuten gebruik, wordt
het systeem überhaupt slechts gebruikt wanneer kortstondig
maximale acceleratie wordt verlangd. Voor het overige
functioneert de motor exact hetzelfde als vóór de inbouw van
het systeem. Volgens Van Rie is elke moderne automotor in
principe geschikt voor de inbouw van lachgasinjectie: "Zolang
de motor in goede conditie verkeert en de extra
vermogensopbrengst door het lachgasinjectiesysteem binnen
redelijke grenzen blijft ten opzichte van het 'eigen
vermogen', kan een dergelijk systeem worden geïnstalleerd
zonder gevaar voor de betrouwbaarheid van de auto." Wel is
het zo dat bij grotere vermogenswinsten een aantal 'veiligheidsmaatregelen'
wenselijk kan zijn (afhankelijk van het gebruik en de wensen
van de klant), terwijl bij extreme toepassingen voor
bijvoorbeeld professioneel drag-racen, waarbij
lachgasinjectie het motorvermogen met meer dan 100% kan
laten stijgen, motor en aandrijflijn terdege zullen moeten
worden aangepast.
Beveiligingsklep
Een basisset (Stage one) van Nitrous Express
bestaat uit een lachgasfles die doorgaans in de kofferruimte
of op de plaats van de achterbank (bij show- en/of
sprintauto's) wordt gemonteerd. Van daaruit loopt een
leiding met een mantel uit gevlochten roestvrijstaal naar de
motorruimte. In de brandstofleiding komt een T-stuk, met een
leiding naar de brandstofaansluiting van de sproeier. Het
systeem heeft een hoofdschakelaar die in het dashboard of de
middenconsole en een gasklepschakelaar, die het systeem
alleen inschakelt wanneer volgas wordt gegeven. De
vermogenswinst is afhankelijk van de sproeierbezetting 35,
50 of 75 pk, waarbij Van Rie in elk geval aanraadt 'klein'
te beginnen.
| De afgebeelde 'solenoids'
sluiten de aanvoer van lachgas en brandstof af
wanneer de installatie is uitgeschakeld, er sprake
is van een fout in het syteeem(bijvoorbeeld een te
lage brandstofdruk) of het inschakelen van de
installatie ongewenst is (bij lage motortoerentallen).
Ze kunnen worden aangestuurd door de hoofdschakelaar
van het systeem en eventuele extra 'veiligheden' als
een brandstofdrukschakelaar en een 'window switch'.
|
Het effect van 35 pk extra op zeg maar een tweeliter
viercilindermotor is heel duidelijk merkbaar, maar niet
dusdanig dat de motor zich 'verslikt' of de rijdbaarheid er
onder lijdt. Voelt dat goed aan, dan zou je het eens met 50
pk kunnen gaan proberen. Op dit punt is het verstandig de
brandstofpomp eens aan een nader onderzoek te onderwerpen en
eventueel te vervangen door een exemplaar met een grotere
opbrengst. Eén en ander kan nog beveiligd worden met een
brandstofdrukbeveiligingsklep, die verhindert dat het
systeem wordt ingeschakeld wanneer de brandstofdruk van de
benzinepomp niet toereikend is. Ook zal bij een dergelijke
verhouding tussen het standaard motorvermogen en extra
vermogensopbrengst door lachgasinjectie de hoeveelheid extra
zuurstof bij lage toerentallen te groot zijn, de motor kan
dat eenvoudigweg niet verwerken. Een zogenoemde window
switch zorgt ervoor dat het systeem slechts
ingeschakeld kan worden in een bepaald toerengebied. Een
grote zes- of achtcilindermotor kan ook met een relatief
eenvoudig basissysteem al gauw 75 pk extra aan", aldus Van
Rie.
Twee fasen
Het Dual Stage systeem is gemaakt voor nog grotere
vermogenswinsten, waarbij problemen met de koppeling en de
tractie van de aangedreven wielen zouden kunnen ontstaan
wanneer het extra vermogen in één keer wordt 'losgelaten'.
Met dit systeem worden twee sproeiers sequentieel
aangestuurd, zodat het extra vermogen in twee fasen wordt
opgebouwd. Nog een stap verder is een volledig
programmeerbaar systeem, waarbij de hoeveelheid ingespoten
lachgas (en extra brandstof) voor elk punt op een
driedimensionale 'map' van bijvoorbeeld toerental en
gasklephoek of druk in het inlaatspruitstuk (Manifold
Absolute Pressure; zie AK 13-04
'Motormanagement makkelijk gemaakt') worden bepaald.
Een lachgasinjectiesysteem kan verder nog worden uitgebreid
met automatische flesverwarming, die er voor zorgt dat de
lachgasfles onder een constant hoge druk blijft en daarmee
het aanspreekgedrag wanneer het systeem wordt ingeschakeld,
verbetert; een vanaf de bstuurdersplaats te bedienen
elektrische flesopener, een manometer, explosiebeveiliging
voor in de downpipe en in de categorie 'show' de
zogenoemde purge valve waarmee op tentoonstellingen
en bijeenkomsten van getunede auto's een grote wolk lachgas
kan worden 'afgeblazen' - al kan het ook worden gebruikt om
de hoofdleiding te vullen met lachgas, zodat het extra
vermogen bij het eerste gebruik sneller ter beschikking
staat. Een ander gebruik van lachgas vinden we bij de
zogenoemde N-ter Cooler waarbij de intercooler van een sterk
opgevoerde turbo- of compressormotor met het bij verdamping
zeer koude lachgas of het in dit opzicht vergelijkbare CO2
wordt 'besproeid'. Daarbij kan de inlaatluchttemperatuur
tijdelijk zeer laag worden gehouden, hetgeen natuurlijk
gunstige gevolgen heeft voor motorvermogen en -respons. "Maar
bij turbomotoren kan je ook lachgasinjectie gebruiken als
veiligheid. Daarbij gaat het dan niet zozeer om het extra
vermogen - in deze gevallen adviseren we doorgaans de
kleinste sproeierbezetting met 35 pk vermogenswinst - als om
de koelende werking, waarmee schadelijke detonatie bij de
hoge verbrandingsdrukken in zo'n motor wordt voorkomen." Van
Rie benadrukt hiermee weer de veelzijdigheid van
lachgasinjectie. "We bouwen het in heel veel verschillende
voertuigen in voor bijna evenveel verschillende doeleinden:
voor shows en (semi-)professioneel gebruik tijdens sprints
en drag-races, maar ook als comfortabele vermogensreserve in
zakelijk gereden auto's van het Audi/BMW-genre."
|
