Como usar y poner a punto un sistema de Óxido Nitroso

El óxido nitroso es una de esas aplicaciones tan útiles que nos ha dado la ciencia. Recordemos que este gas fue descubierto en Inglaterra por accidente en el siglo 18 y que mucho más tarde (en las décadas del ´30 y `40) fue utilizado por los dentistas como un anestésico. Durante la segunda guerra mundial los alemanes de la Luftwaffe instalaron un sistema de inyección de óxido nitroso en su flota de aviones Messerschmitt ME109, brindando a los motores de 12 cilindros una considerable ventaja en velocidad y poder de ascensión. Claro que más tarde se utilizaría en aviones militares Norteamericanos, continuando su uso en tiempos de paz, especialmente en carreras de hidroplanos y más tarde en las carreras de aceleración o picadas.
 

A) La química del Óxido Nitroso
La expresión científica que identifica a este elemento es N2O, lo que indica su composición de dos partes de Nitrógeno por parte de Oxigeno. Por peso el Nitro esta formado por un 50% de Oxigeno. Por comparación la atmósfera terrestre posee un porcentaje menos rico, entorno al 21%. Debido a la disociación del Nitrógeno y el Oxigeno durante la combustión el Nitro esta también compuesto por un 50% de Oxigeno por volumen. En estas condiciones actúa como un oxidante, ya que el gas por si mismo no se quema, lo que hace es mejorar la combustión.

Cuando ingresa a la cámara de combustión, con las altas temperaturas que se alcanzan por la compresión y por la quema de la mezcla de aire/combustible, el Óxido Nitroso libera sus átomos de Oxigeno en el proceso de combustión. En consecuencia se debe introducir más combustible para evitar que la mezcla quede excesivamente pobre, por la que podemos llegar a destruir el motor.

Las propiedades provistas por el Óxido Nitroso para aumentar el poder son numerosas. El efecto refrigerante de la combustión es uno de ellos ya que el liquido comprimido en el tanque experimenta una gran caída de presión al ser liberado (de entre 750 a 925 Psi, según la temperatura en la que se encuentre, a la presión atmosférica de 14.7 Psi). Al expandirse rápidamente el líquido pasa al estado gaseoso con una inmediata caída en su temperatura. Ya de por si esta drástica caída en la temperatura afecta favorablemente al sistema de admisión del motor, creando una carga de admisión más densa. Basta que recordemos que el gas enfría la mezcla que ingresa al cilindro, por tanto, al estar más comprimidas en el mismo lugar y en un mismo tiempo pueden entrar más moléculas de combustible, aire y Nitro.
Teóricamente el radio ideal de mezcla entre el Óxido Nitroso y el combustible es de 9.6:1. En la practica la mayoría de los sistemas comercializados ofrecen un margen de seguridad pre-establecido (contra condiciones de mezcla pobre) al suplir un radio más rico del requerido de aproximadamente 8:1. En aplicaciones reservadas para la competición estos números trabajan más cerca del 4:1 ya que el proceso de combustión acelerada provista por el Nitro produce un tremendo aumento en la temperatura e increíblemente una mezcla súper rica ayuda a enfriar la tapa de cilindros, el bloque, los pistones, etc.

Al calentarse, el Nitrógeno es un agente que proporciona oxigeno y que cuyos restos en la cámara de combustión ayudan a retardar el movimiento del frente de la flama de esta. Esto resulta en una entrega de poder más suave y en contra de que se puede pensar este efecto suavizante, que esta asociado al aumento de la potencia y el torque, puede llegar a mejorar la vida de las partes internas de nuestro motor.

B) Composición del sistema Nitroso
En nuestra primera entrega sobre este tema detallamos los distintos tipos de sistemas que hoy podemos encontrar, esta nota aún esta disponible en PowerZone, por lo que te recomendamos leerla para tener un panorama más completo. Los sistemas de Nitro son comercializados en forma de kit que aseguran una potencia extra variable entre 50 y 300 Hp “atornillables” a nuestro motor, sin que este tenga que sufrir grandes modificaciones. Como es lógico el riesgo aumenta con la dosis aplicada, en especial en motores pequeños, donde no seria seguro triplicar la potencia original. Ya para aplicaciones muy ambiciosas tendremos que pensar en un juego de pistones y hasta un cigüeñal forjado, en lugar de los elementos originales.

El Óxido Nitroso pasa de su estado líquido, almacenado en la botella o tanque de alta presión, al estado gaseoso cuando se expande rápidamente por las cañerías conectadas a la admisión donde este cambio de estado finaliza.

Esta operación puede ser controlada por el conductor, por un elemento de comando, de “timer” o por solenoides eléctricos operados en función de la posición del acelerador, que en este caso funcionan al margen de que el flujo de la botella este activado o no.

La inyección del Nitro se lleva a cabo a través de boquillas específicas que hasta pueden poseer la capacidad de ser ajustables o de tener pasajes intercambiables. Los sistemas están pensados para abastecer a los cilindros a traves de aperturas en el múltiple de admisión o en sistemas más dedicados en la propia tapa de cilindros. También podemos encontrar un sistema muy popular que consta de un tubo de dispersión montado en una platina bajo el carburador, todo depende de las características del motor al que se le instale el sistema. En motores a inyección es común ver que la alimentación de Nitro se de en la admisión, a la altura del múltiple y luego del cuerpo de aceleración.
 

Estos serian los sistemas comercialmente más utilizados y populares, por lo que también son los más accesibles de instalar y en caso de que sea necesario también son los más sencillos de remover.

La inyección del Nitro (rica en oxigeno) dentro del motor se puede dar solo acompañada de un aumento adicional del suministro de combustible, provisto en muchos casos por un sistema auxiliar al original. La mayoría de los sistemas comerciales se limitan a colocar una desviación o “T” en la línea de combustible presurizada en algún lugar entre la bomba de combustible (mecánica o eléctrica) y la platina de alimentación del motor, sea a inyección o carburador.
El flujo es gobernado por una válvula selenoide eléctrica que es similar a la que controla el flujo del Nitro. En los sistemas de inyección de combustible del tipo original, este enriquecimiento puede ejercerse por medio de los inyectores de combustible (reprogramación del controlador, puesta a punto del ciclo de funcionamiento, etc.).

C) Los Selenoides
Alimentar un motor con una dosis presurizada de óxido nitroso y combustible es una proposición del tipo “todo o nada”. Las válvulas eléctricas (o selenoides) son especialmente usadas para estas aplicaciones ya que pueden hacer frente a la operación On / Off del sistema, por lo que están específicamente diseñadas para este trabajo. La capacidad del sistema Nitroso esta primariamente dada en función del tamaño de los pasajes de estos selenoides, así como de las dimensiones de las boquillas o barras de spray utilizadas.

Los selenoides son especialmente calibrados y configurados por los fabricantes por lo que otros, pensados para diferentes usos, simplemente no pueden realizar este trabajo. Cabe aclarar que ni siquiera los selenoides para combustible y Nitro son intercambiables entre si ya que sus avanzadas técnicas de fabricación y los avanzados materiales usados los obligan a trabajar solo con la sustancia para la que fueron pensados.

Estos selenoides están pensados para absorber un amperaje muy bajo, a pesar de que tienen que ser de actuación muy rápida y poderosa, para poder vencer así las presiones del gas sobre el funcionamiento de su válvula.

Por causa de que la presión en la botella sube en función de que la temperatura alrededor de esta también lo haga, un selenoide nitroso normalmente tiene que trabajar con una presión en la línea que excede a las 1000 Psi. Incluso hay sistemas de calefacción de botellas, cuyo fin es mantener una temperatura que asegure una operación de entrega superior a los 1000 psi, por la que el sistema obtiene su máxima eficiencia. Si enfriamos la botella podemos ver que la presión de salida del gas puede caer a 300 Psi, por lo que lograríamos perder buena parte del potencial poder entregado.

El selenoide de combustible en cambio esta pensado para trabajar con una presión de entre las 4 y 8 Psi encontradas en la línea de un motor a carburador y hasta las 40 Psi de un sistema de inyección electrónica.
En los sistemas de competición más complicados o completos podemos encontrar que son utilizados múltiples selenoides (muchas veces combinados con múltiples platinas e inyectores), lo que brinda la opción de disponer de varias etapas de inyección, logrando así un uso más progresivo del Nitro, lo que evita “quemar” innecesariamente las cubiertas.
Los fabricantes construyen y calibran las válvulas de sus selenoides para trabajar en un ambiente de presión específico, por lo tanto es recomendable que se instale una bomba de combustible de alta capacidad y un regulador de presión de combustible que preferentemente sea ajustable y que este colocado cerca de este selenoide. Otra recomendación importante recae en el uso de un reloj para chequear la presión de combustible y con el cual podemos monitorear su crítica condición de entrega, debiéndose observar un flujo más bien dinámico que estático.

D) La Botella

La botella es un tanque especifico para el Nitro donde este se almacena bajo la capacidad de soportar una presión interior de 3000 Psi (únicamente alcanzable por un tremendo incendio). Estas botellas son realizadas en aluminio, lo que ofrece una mejor resistencia a la corrosión y un bajo peso. Encima de estas podemos encontrar una válvula de seguridad que se abre para purgar el contenido si la presión interior excediese los 3000 Psi (en algunos reglamentos de categorías americanas es obligatorio que ante una emergencia este flujo este dirigido fuera del auto).

Por los peligros inherentes a la salud los proveedores de Nitro han desarrollado una versión especial de este gas/liquido pensada para aplicaciones no medicinales. Lanzada a mediados de los años ´80, cuando la popularidad del Nitro se hizo cada vez más notoria, esta formula contiene un pequeño agregado de Dióxido de Sulfuro (en una relación de 1.000 a 1 de N2O a SO2). En promedio general un sistema de 100 Hp para un motor V8
rinde unos tres pases de ¼ de milla, manteniendo un flujo correctamente presurizado desde una botella pequeña.

E) Utilización de un sistema Nitroso
Instalar un equipo de Nitro es una tarea que se puede desarrollar utilizando solo herramientas de mano, pero deberemos tomar precauciones muy importantes, referidas a la alta calidad de los materiales utilizados para canalizar el flujo hasta el motor.
Los caños de alta calidad que resistan los efectos corrosivos del Nitro y con altos valores de resistencia al fuego son algo elemental a tener en cuenta. Los diámetros de estas líneas estarán dictados por el volumen de cada kit y por seguridad todas las líneas deberán ser colocadas fuera del habitáculo de los pasajeros. La prolijidad de instalación y el cumplir con todo el proceso resulta crítico para lograr la máxima seguridad, por lo que también se recomienda utilizar filtros en línea de alto grado. Para mantener la presión de entrega constante todas las conexiones deberán ser tratadas con Teflón o Loctite removible, lo que nos asegurara una operación sin perdidas.
El costo es objeto de definición, ya que varias discusiones se pueden realizar en base a que este sistema es o no más rentable que otros métodos de potenciación. A un kit básico debemos agregar un calentador para la botella (lo que mejora sensiblemente la performance del sistema, en especial durante el invierno), un reloj de presión de combustible y es razonable incluir apagadores automáticos para el motor, necesarios para el caso de que se detecte una baja presión de combustible o aceite, lo que deberá agregarse al costo inicial. Otra fuente de costo extra puede deberse a la instalación de un sistema de purga de Nitro, lo que requiere una cañería y un selenoide separados para tal fin. Si bien se incrementa el costo inicial es de esperar un rendimiento más consistente del sistema a cambio de gastar algo más de Gas.

F) Puesta a punto del sistema Nitroso
Convenientemente aplicado un sistema Nitroso actual puede doblar el poder del motor. Si encima este motor ha sido ensamblado cuidadosamente para este fin, utilizando partes bien combinadas y el combustible de la mejor calidad disponible, podemos pensar en alcanzar algún día a la rentabilidad con la que se lo usa en Norteamérica, donde los Funny Cars, Dragsters y autos de doble uso (pista/calle) alcanzan performances asombrosas gracias a este elemento.

La puesta a punto es especialmente crítica, ya que depende muchísimo de la entrega de combustible y del sistema de encendido. Debemos recordar que la entrega de poder también esta encadenada a otro factor muy importante y que muchas
veces es desconocido, este recae sobre la presión de la botella así como su temperatura que es de tanta importancia como lo es el volumen y la presión del combustible entregado. Es necesario advertir que una botella de Nitro no debe ser calentada nunca con una llama abierta, el uso de calentadores para la o las botellas es ideal para mantener una temperatura más constante y por ende una presión estable. Otra aclaración importante se refiere a que a medida que la botella de Nitro se vacía la presión de entrega también cae, por ello en las instalaciones más profesionales se utilizan dos o más botellas que aseguran un volumen de suministro constante.

La presión de combustible estática tiene poco que ver con la dinámica, por ello debemos tener un mínimo de 5 Psi bajo máxima aceleración. Para brindar las serias cantidades de combustible necesarias en una aplicación de alta potencia se hace necesaria una bomba de combustible auxiliar o un sistema auxiliar completo.

Como en todo motor de combustión interna el poder entregado esta en directa relación con presión efectiva producida al freno en cada cilindro. Esta presión se produce como resultado directo de la energía liberada por la combustión de la mezcla de aire y combustible. Cualquier modificación que se realice a un motor para incrementar la cantidad o calidad de esta entrega de energía representara un aumento en el valor de esta potencia efectiva al freno, lo que es valido tanto para un motor nitroso como para uno que no use este gas. Al elevarse este valor en las presiones dentro del cilindro vemos que también hay un aumento importante de los niveles térmicos.

Por ello se recomienda que trabajemos con motores que puedan absorber estas cargas extra.
El duro ambiente dentro y cerca de las cámaras de combustión obligan a que el sellado entre la tapa de cilindros y el bloque motor sea excelente.

Es necesario disponer de juntas de primera calidad, tomando recaudos similares a los realizables cuando se adiciona un turbo o un súper cargador.
La atención puesta para hermanar estas superficies, así como el cuidado de seguir una correcta secuencia de torque se hacen imprescindibles. En aplicaciones extremas se puede recurrir hasta el uso de “O-rings” para sellar de la mejor manera a los cilindros.
A pesar de que existen excepciones, al Nitro no le gustan los pistones de aleación de aluminio encontrados en los motores de serie. Aunque si bien pueden adaptarse pistones para que sobrevivan si pensamos agregar una generosa dosis de Nitro es imprescindible que se utilicen pistones de aleación forjada, preferentemente con una ubicación de aros más baja que la original. Con un montaje del primer aro algo más bajo ayudamos a que estos puedan soportar de mejor manera al aumento en la presión y temperatura, aliviando también a la superficie superior y al domo del pistón. En condiciones extremas de temperatura se limita la entrega de poder del motor, lo que lleva al deterioro estructural del bloque y tapa de cilindros o a la detonación. De hecho, las más serias aplicaciones son basadas en conjuntos forjados de pistones, bielas y cigüeñal.
Por causa de las altas presiones encontradas durante la combustión, un motor que es alimentado por Nitro se beneficia si el árbol de levas le permite disponer de una mayor duración de eventos que en un motor “normal”.
Por ejemplo el cruce de válvulas no puede ser muy corto ya que corre el riesgo de suceder muy pronto o muy tarde con respecto a la posición del cigüeñal. Esta situación puede llevar a un exceso en la presión efectiva en los cilindros, con la
consiguiente perdida de seguridad operativa. La elevada presión de combustión encontrada en los motores nitrosos generalmente llevan a que tengamos que disponer de un árbol de levas con un cruce ligeramente mayor (o sea con más apertura entre los lóbulos) al de un motor estándar. Si se abre la válvula de admisión muy pronto se produce un efecto de reversión del flujo del escape aun saliente, lo que contamina a la mezcla entrante. Por causa de que el uso del Nitro genera más gases de desecho es razonable que la fase de escape sea unos 10 o 15 grados más larga, dando tiempo para evacuarlos correctamente.

Específicamente se sugiere que la válvula de escape abra antes en lugar de que cierre más tarde, dado que la combustión con el Nitro es más rápida y los gases están prontos para ser evacuados un poco antes. En Norteamérica hay empresas que comercializan levas con diagramas específicos para el uso de Nitro, aunque para los motores que tradicionalmente se preparan por estos lados ya es más difícil de conseguir un elemento tan puntual.
Estos mismos factores pueden aplicarse a las cámaras de combustión ya que en aquellas tapas que tengan un diseño de alta turbulencia, con quema lenta y efecto “quench”, se pueden crear zonas que muestran picos de presión muy altos. Esto no sucede en los diseños sin efecto “quench”, por ejemplo las verdaderamente hemisféricas, ya que se adaptan mucho mejor a estas condiciones. Es bueno aclarar que los motores con Nitro generalmente responden igual a como lo hace un motor estándar cuando se retrabaja el flujo de la o las tapas de cilindro.

Es más, el Nitro tiene afinidad por los volúmenes mayores a los normales en los pasajes de escape.
A pesar de que cualquier equipo de Nitro ofrece un potencial excelente de mejora, la manera en que controlan la distribución a través de las boquillas es realmente crítica y hace la principal diferencia. Los sistemas con una platina bajo el carburador de alguna manera están limitados para una pareja distribución para cada cilindro, especialmente en un motor de máxima performance. Los sistemas de inyección multipunto que respiran en un ambiente seco (solo aire) ofrecen una ligera ventaja de distribución del flujo de Nitro con respecto a los sistemas de carburador o inyección con cuerpo de aceleración (el famoso “throttle body”), donde la admisión es “mojada”, es decir con mezcla de aire/combustible en el sistema.

Afortunadamente cualquier forma de inyección de Nitro lleva a que tengamos unas temperaturas de escape muy parejas. A altas Rpm la temperatura de los gases de escape tiende a ser muy pareja entre una salida y otra. Esto es especialmente atribuido a la eficiencia de los inyectores y es una de las razones por la que es posible un desempeño superior amparado en la inyección de boquillas individuales, cuando la comparamos con los sistemas de platina bajo el carburador. La ecualización en la temperatura de las salidas de escape también significa que la atomización del combustible es muy buena. Esta excelente atomización es combinada con una inmejorable calidad de distribución, lo que resulta en una potencia menos destructiva para el motor nitroso, en especial al compararlo con otro de similares características que no utilice Nitro y que alcance un nivel de potencia similar gracias a técnicas más tradicionales.

Una muy buena puesta a punto es esencial para el buen funcionamiento de cualquier sistema de Nitro. En especial para asegurarnos una alta longevidad y entrega de potencia del motor. Por ello el sistema de encendido debe estar en óptimas condiciones y ser capaz de entregar la suficiente energía para el salto de chipa en las bujías, que a su vez inflamaran la mezcla bajo la elevada presión que produce el Nitro dentro de los cilindros.
El grado térmico de las bujías utilizadas deberá ser más frió que el normal, obteniendo así la coloración apropiada de su porcelana y por el cual observaremos una correcta lectura en el electrodo de masa.

El chequeo regular cilindro a cilindro determinara las necesidades especificas de cada uno sobre su correspondiente bujía en las variables condiciones de operación.
Las propiedades de enfriamiento inherentes al Nitro logran que este tienda a suprimir el efecto de detonación, pero debemos recordar que una excesiva puesta a punto del encendido nos hará perder potencia y podemos llegar al extremo de que una ignición sobre avanzada logre la auto destrucción del motor. Por causa de que el Nitro acelera el grado de deflagración de la mezcla cuanto más Nitro ingrese al cilindro más deberemos retrasar el encendido. En aplicaciones con Nitro normalmente aspiradas (o sea sin turbo) con 2 grados de atraso total estaríamos haciendo frente de la mejor manera a un incremento de 100 Hp adicionados por la inyección de este gas. En general un kit de 100 Hp de Nitro es tolerable con una puesta a punto de encendido con el avance total sin modificar, pero ya con un incremento de 100-150 Hp son muy recomendables los 2 grados de atraso. Para absorber la potencia de los equipos de 150-200 Hp son imprescindibles los 2 grados de atraso, mientras que los más radicales de 200 a 325 Hp reciben 4 grados de atraso. Para agregar seguridad en el uso inicial de cualquier equipo de Óxido Nitroso es aconsejable otro atraso de 2 grados adicionales en la puesta a punto inicial, especialmente para las primeras pasadas de prueba.

Para el uso en competición o en aplicaciones de calle muy serias, donde se utilizan además del Nitro a otros métodos de potencia como turbos o súpercargadores, es normal encontrar un sistema auxiliar para el manejo de la ignición. Hoy día se pueden encontrar módulos que permiten ajustar el encendido desde el interior de nuestro auto, tal es el caso de los productos ofrecidos por empresas de renombre mundial como MSD, Ford SVO, Jacobs o incluso el ofrecido por ACCEL que modifica los especiales parámetros del encendido y el combustible necesarios para el correcto funcionamiento de un motor Nitroso.
En general estas aplicaciones de turbo o súpercargador presentan una presión positiva dentro de zona de la admisión, por ello tanto el gas como el combustible son conectados por encima de estos elementos de potenciación, ya que seria imposible para la bomba de combustible poder vencer la presión para forzar la entrada dentro del motor. No hace falta mencionar que sin ese combustible las condiciones ultra pobres de la combustión determinaran el estallido de nuestro motor.

G) Los efectos
Este tema es muy amplío ya que cada aplicación es diferente, cada sistema de inyección puede responder de mejor o peor manera a un emplazamiento determinado de los componentes necesarios para el uso del Nitro y hay mucho sobre lo que hay que experimentar para poder aprender. Buena parte del éxito depende de la base sobre la que se trabaja, muchos fabricantes anuncian valores de potencia a sus kits que indican un nivel general de performance que esta sujeto a la respuesta que ofrecen los distintos motores. En muchas instancias un motor estándar mostrara una mejora más importante en su performance que uno que este medianamente modificado. Por otra parte un motor ya preparado para la más grande exigencia en competición puede ser mejorado a un grado significativamente mayor de lo que podría alcanzarse con un motor de serie.
Al margen de las consideraciones básicas expuestas en este informe, los métodos para extraer una potencia extra rentable a un motor sin Nitro (en base a la respiración eficiente y excelentes sistemas de encendido y lubricación) son también aplicables a un motor “con botella”. Más allá de las piezas involucradas en el armado del motor es una excelente medida la de consultar a fondo al fabricante del equipo para así poder seleccionar los componentes ideales, los que sean conocidos por entregar la mayor dosis de poder en la manera que sea más segura.
Otro detalle importante es no subestimar tus necesidades. Es preferible que te tomes el tiempo necesario para consultar sobre los componentes necesarios para tu aplicación, ya que así las chances de lograr una performance más que satisfactoria
se multiplican. Esperamos que esta nota te aclare un poco más el panorama sobre este apasionante tema de potenciación, claro esta que no será la última sobre el tema, ya que con el tiempo adicionaremos más material útil a PowerZone. Esta todo dicho, así que ahora es mejor que se pongan a trabajar sobre sus futuras instalaciones…
Diseño Web: Eduardo Prat
Texto: José Luis Rey
En base a fuentes de Internet y Hot Rod Magazine