Bylo možné krátkodobé zvyšování výkonu motoru vstřikováním dusíku?

Bylo možné krátkodobé zvyšování výkonu motoru vstřikováním dusíku?
Roman Růžička - 8. 1. 2009 - *.progresnet.cz

Občas se dočtu o krátkodobém zvýšení výkonu leteckého motoru vstřikováním dusíku do válců (Tempest). Jaká je podstata tohoto jevu? Používal se i jiný (hořlavý) plyn?

Zásadně vždy se používala nějaká chemicky „výrazně aktivní“ sloučenina, ale nikdy ne (za běžných podmínek) nereagující dusík. Lze se jen dohadovat o tom, kde autor Vašeho zdroje tuto informaci získal v této podobě (a rovněž tak i informaci o údajné instalaci podobného zařízení na letounech Hawker Tempest). Nicméně zanechme planých spekulací a věnujme se Vašemu dotazu.

Pokud budeme vycházet pouze ze samotné informace, že byl „jakýmsi záhadným způsobem ,přítomen‘ dusík“, potom se lze jedině dohadovat, že autor měl na mysli obohacování palivové směsi kyslíkem, a to za použití sloučeniny oxid dusný, N2O. (Oxid dusný, tj. dva atomy dusíku [N, atomová váha 14] a jeden atom kyslíku [O, atomová váha 16]. Za použití triviálních znalostí z devítiletky zjistíme, že molekula této sloučeniny — za běžných podmínek je tato v plynném skupenství — obsahuje 28 hmotnostních dílů dusíku a 16 hmotnostních dílů kyslíku, tedy cca 36,3 procenta hmotnostního podílu kyslíku.)

Abychom si objasnili význam, důvody a způsob použití oxidu dusného, je nutné trochu zabrousit do teorie a historie vývoje výškových leteckých motorů. Výkon motoru pochopitelně s narůstající výškou klesá. První odpomocí od tohoto nevítaného stavu bylo (u motorů přeplňovaných kompresorem, který byl poháněn převodem od klikového hřídele), že kompresor byl schopen dodávat větší množství vzduchu, než dokázal motor spotřebovat — potom se až do určité výšky, zvané výška nominální, přivírala škrticí klapka (a tedy tlak vzduchu v sání snižoval na požadovanou hodnotu, nepřevyšující maximální povolený plnicí tlak). Tedy kupříkladu kompresor potom dokázal udržet maximální povolený plnicí tlak (například abs. tlak 880 mm rtuťového sloupce) do výšky řekněme 4000 metrů; ovšem nad tuto výšku motor opět nedostával vzduch pod maximálním možným (tj. maximálním přípustným, pro konkrétní verzi konkrétního motoru) tlakem, takže tedy nad nominální výškou opět začal maximálně dosažitelný výkon motoru klesat. Navíc nepříjemným problémem bylo, že kompresor odebírá část výkonu motoru pro svůj vlastní pohon; to záhy vedlo jednak ke konstrukci vícerychlostních převodů pohonu kompresoru (rozdělením na více rychlostních stupňů neodebíral v menších výškách kompresor pro svůj pohon tak vysoký výkon — přitom plnicí tlak byl v menších výškách dostatečný, jen nebylo nutné tak výrazně redukovat tlak vzduchu škrcením), jednak ke snaze zvyšovat mechanickou účinnost kompresorů (což pochopitelně znamenalo, že se v konečném výsledku „pro stejné množství dodaného vzduchu kompresorem spotřebovalo méně z výkonu motoru“; tato cesta vedla přes vícestupňové kompresory s chlazením stlačovaného vzduchu, v tomto oboru za války zaujala vedoucí pozici světově proslulá britská motorářská firma Rolls-Royce).

Další možností jak zvyšovat výkon ve výšce (zejména nad nominální výškou existující konstrukce motoru) je, vedle vývoje dalších verzí s novými kompresory (zejm. za války vyráběné motory Rolls-Royce Merlin řad RM.8SM, RM.10SM a RM.11SM, či motory Rolls-Royce Griffon řad RG.4SM, RG.10SM a RG.3SML), použití turbokompresoru, a nebo právě vstřikování (či přisávání) oxidu dusného — ovšem u tohoto posledně uvedeného způsobu zvýšení výkonu je nutno podotknout, že šlo o řešení spíše jen improvizované, už vzhledem k záporům této instalace, zmíněným níže.

Vstřikování oxidu dusného se začalo používat ve snaze zvýšit výkon motoru i nad jeho nominální výškou. V principu byl tímto způsobem do motoru dodán další kyslík, takže bylo v motoru možné spálit více paliva — tedy z paliva uvolnit více energie, čili z motoru dostat větší výkon. Bohužel lze konstatovat, že dostupných údajů ke konkrétním řešením je značně poskrovnu, vesměs bez nějakých technických podrobností. Patrně jediné dostupné informace, byť skutečně ve zcela minimálním rozsahu, jsou k instalaci na německých motorech BMW 801D-2 a BMW 801G-2.

Oxid dusný byl uchováván v nádrži zkapalněný (v kapalném skupenství je při teplotě minus 88,5 °C) v tepelně izolované nádrži, z čehož vychází již první nedostatek celého zařízení, kterým je značná „mrtvá“ hmotnost. Zařízení bylo povoleno používat nad nominální výšku, do motoru je oxid dusný vstřikován do sání motoru dvojicí trysek, kalibrovaných na dodávku 60 či 100 gramů oxidu dusného za sekundu (spotřeba okysličovadla je pochopitelně značná), přičemž dodávka kalibrovanými tryskami byla konstantní, bez ohledu na množství paliva vstřikovaného do válců (to se mění, při stejném provozním režimu, i v závislosti na změnách výšky letu). Kupříkladu zásoba samotného oxidu dusného byla u bombardéru Junkers Ju 88S-1 celých 324 kg (!), což ovšem stačilo pouze na 27 minut (při spotřebě okysličovadla na jeden motor 100 g/sec.), popř. 45 minut při dodávce 60 g/sec. Další nevýhodou tohoto systému byla výše zmíněná konstantní dodávka oxidu dusného, bez vazby na okamžitou dodávku paliva, takže skutečný poměr kyslíku ve směsi se při změnách výšky měnil — to pochopitelně mělo vliv na teplotu plynů ve válci během spalování.

V případě Britů ovšem nikdy nebylo použito vstřikování oxidu dusného u letounů Hawker Tempest. Jediný případ použití tohoto způsobu (krátkodobého) zvýšení výkonu motoru se omezilo na zcela ojedinělý případ, v trvání několika měsíců, a to pouze v případě nočních stíhacích letounů de Havilland Mosquito — jednalo se pouze o dvě operační squadrony (sqdn. č. 96 a 410), pro které bylo upraveno cca 50 strojů Mosquito Mk.XIII (modifikace byla nejprve otestována na Mosquitu Mk.XIII s/n HK374, na kterém WgCdr. John Cunningham, DSO & Bar, DFC & Bar, v noci z 2. na 3. ledna 1944 zcela hladce sestřelil německý Messerschmitt Me 410). Pro vstřikování oxidu dusného byly upraveny motory Merlin 25, ovšem protože postupně přicházely do výzbroje nová Mosquita NF Mk.XXX s výškovými Merliny 76 (přeplňované dvoustupňovými dvourychlostními kompresory s mezichladiči), u kterých nebylo k zlepšení výkonů ve výšce nutné komplikovat motorovou instalaci a zvyšovat hmotnost letounu montáží nějakého „dodatečného“ systému, byla tato instalace vstřikování oxidu dusného na letounech britského RAF použitím nejen prvním, ale současně i posledním; squadrona číslo 410 byla během srpna 1944 přezbrojena právě na Mosquita Mk.XXX, zatímco 96. sqdn. na Mosquitech Mk.XIII létala až do svého rozpuštění v prosinci 1944 (k tomu došlo 12. prosince 1944 na základně Odinham).

Skutečností je, že vstřikování oxidu dusného bylo rozšířené především u německých konstrukcí. Vzhledem k některým záporům (v prvé řadě zvýšení hmotnosti letounu) to potvrzuje, že němečtí technici byli při vývoji výškových leteckých motorů v závěsu za vývojem u spojenců, takže byli nuceni dohánět jejich náskok jakýmikoliv prostředky, byť za cenu záporů tohoto řešení.

Mimo Váš dotaz lze zmínit ještě jiný, principiálně zcela odlišný, způsob zvýšení výkonu motoru, kterým je tzv. vnitřní chlazení*. Zvýšení výkonu je zde umožněno zvětšením náplně válců (ochlazení směsi či plnicího vzduchu umožňuje dopravit do válců větší hmotnost vzduchu a paliva), ke kterému slouží vstřikování kapaliny s velkým skupenským (výparným) teplem, buď vody†, nebo častěji nemrznoucí směsi vody a alkoholu (především metanolu, který má vyšší výparné teplo než etanol). Spíše výjimečně se používalo i dodatečného vstřikování paliva před kompresor‡, ovšem kvůli poměrně nízkému výparnému teplu uhlovodíků se toto příliš nerozšířilo (na druhou stranu je výhodou, že není nutná instalace další nádrže, určené pouze pro kapalinu určenou pro vstřikování do sání). Snížení teploty palivové směsi (či plnicího vzduchu) jednak vede ke zvýšení hmotnosti směsi ve válcích, jednak umožňuje (právě díky nižší teplotě směsi ve válci) i zvýšení plnicího tlaku — to vede k dalšímu zvětšení náplně válce, a tedy opět k nárůstu výkonu motoru.

Tento způsob zvyšování výkonu ovšem v první řadě předpokládá, že kompresor bude schopen dodat vzduch do motoru pod vyšším tlakem — tedy pod nominální výškou motoru. Na rozdíl od vstřikování oxidu dusného tedy lze tohoto způsobu zvýšení výkonu motoru použít pouze ve středních a malých výškách.

Závěrem lze tedy na Váš dotaz odpovědět takto:
• Nikdy se nepoužíval dusík.
• Britové nikdy nepoužívali žádné podobné zařízení na letounech Hawker Tempest, resp. vůbec u žádné ze za války vyráběných verzí motoru Napier Sabre.
• Ke zvýšení výkonu motoru se používal (relativně běžně) oxid dusný, zkoušelo se také použití čistého (tzn. technicky čistého) kyslíku; technické plyny se používaly vždy jen jako okysličovadlo, nikoli jako palivo, tedy nešlo o „plyny hořlavé“. Dále pak dodatečné vstřikování paliva, vody a nebo směsi vody s methylalkoholem do sání motoru (vesměs před kompresor).

K možnosti instalace vstřikování oxidu dusného do motoru Tempestu lze také dodat, že proti této možnosti mluví i způsob nasazení Tempestu — pro použití v malých a středních výškách, tj. pokud se letoun nepohyboval znatelně nad nominální výškou motoru, není použití tohoto systému vhodné (a pro vysloveně výškové nasazení byly k dispozici spíše stroje Spitfire Mk.XIV s motory řady Griffon RG.4SM).

Na samý závěr jedině mohu poznamenat, že Vámi z neznámého zdroje získané informace v této podobě lze zařadit jedině mezi „leteckou latinu“, tj. že jde o informaci nepravdivou a krajně zavádějící, patřící jedině a pouze mezi letecké legendy.
*) Zvyšování výkonu motorů vnitřním chlazením bylo během války značně rozšířeno, a to na obou stranách fronty. Američané toto používali zejména na motorech Pratt & Whitney R-2800 Double Wasp, montované na stíhací letouny Republic P-47D Thunderbolt (hlavně ve verzi R-2800-59), či u námořních stíhacích letounů Grumman F6F-3 a F6F-5 Hellcat (na motorech R-2800-10W), popř. na strojích Vought F4U Corsair (poprvé na F4U-1A, s motory R-2800-8W). Němci používali principielně stejný systém pod označením MW; vstřikování oxidu dusného nad nominální výškou motoru se v Německu používalo pod označením GM (tzv. Göring Mischung).

†) Zmíněné vstřikování vody (popř. vody ve směsi s alkoholem) samozřejmě již na první pohled odporuje mnou výše (v samém úvodu) zmíněnému „výhradnímu použití výhradně výrazně chemicky aktivních látek“. Ovšem zvýšení výkonu je i zde skutečně dáno oněmi „aktivními“ látkami — palivem (benzínem) a atmosferickým kyslíkem, voda či směs vody a metanolu je pouze „prostředníkem“, umožňujícím zvýšit hmotnost náplně paliva a vzduchu ve válcích (chlazení vstřikováním vody před kompresor jednak zvyšuje mechanickou účinnost kompresoru, jednak snížení teploty do válců nasávané směsi umožňuje zvýšit plnicí tlak, efekt je tedy týž, jako kdybychom použili paliva s vyšší odolností proti detonačnímu spalování — benzínu s vyšším o.č.). Přitom případné použití alkoholu není dáno jeho „energetickým obsahem“ (k čemuž plně postačí přebytek paliva v bohaté směsi), ale pouze zabraňuje zamrznutí vody v nádrži, ať za letu ve výšce, nebo i na zemi během zimního období.

V této souvislosti je také nutno upozornit na po dlouhá léta tradované (a stále přežívající) zcela mylné tvrzení, že voda ve válci, která je během spalovacího procesu ve válci za vysokých teplot disociována na kyslík a vodík (a následně se opět slučuje ve vodu) při svém opětovném slučování kladně ovlivňuje celkovou energetickou bilanci. Na mylnost tohoto tvrzení již před řadou let upozorňoval známý odborník v oboru spalovacích motorů Ing. Julius Mackerle. K disociaci vody je totiž nejprve nutné dodat energii, čili že výsledkem celého tohoto procesu je nulový energetický přínos.

‡) Zde je možné poznamenat, že použití karburátorů umístěných před kompresorem (či jednobodového nízkotlakého vstřikování paliva před kompresor) vedlo u motorů firmy Rolls-Royce k dosažení znatelně vyšší plnicí účinnosti, než bylo běžné u motorů s přímým vysokotlakým vstřikováním paliva přímo do válců (drtivá většina německých leteckých motorů z II. světové války).
Algernon - 16. 2. 2009