​Nitrous Oxide Tuning​

Geen angst voor motorschade bij juist gebruik

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.

 

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