Рано или поздно в любом автомобильном сообществе обычно возникает тема про впрыск воды в двигатель, мол, кто-то где-то слышал, что это повышает мощность и позволяет снизить расход топлива.
Тема многих привлекает, ведь это кажется манной небесной – можно не городить турбины, не ставить азот, а просто впрыснуть в мотор бесплатной воды и он сразу преобразится. Это кажется слишком невероятным, чтобы быть правдой.
Но на самом деле в «водном» вопросе все еще интереснее чем кажется на первый взгляд – польза от впрыска воды в мотор есть, а вот смысла его ставить – нет. Запутались? Давайте разбираться.
Впрыск воды в двигатель
То, что добавление воды в двигатель может быть неплохой идеей, задумались еще более 100 лет назад, причем не какие-то гаражные тюнингаторы, а вполне приличные заводские инженеры.
Правда, поначалу технологией пользовалось авиационное двигателестроение, но и в автомобильной промышленности за идеей посматривали.
В послевоенные годы появился даже серийный автомобиль, в котором впрыск воды был реализован на заводе – Oldsmobile F-85 Jetfire.
Oldsmobile F-85 Jetfire 1962 года
С помощью воды GM боролась с детонацией. Потом долго с этой темой работал Saab, причем сразу не нескольких моделях.
Saab 99 Turbo 1967 года выпуска
Даже в наши дни выпускается BMW M4, в котором на одном из моторов тоже используется эта технология. Да что там говорить, даже в Формуле-1 в начале 80-х, до введения прямого запрета, некоторые команды ставили подобные системы и получали прибавку в мощности. Если столько неглупых инженеров работали над этой темой значит во впрыске воды есть смысл?
BMW M4 Coupe с системой впрыска воды в двигатель
Почему помогает
Да, смысл имеется. Далекому от физики человеку это может быть трудно понять. Как же так – двигатель работает на бензине, почему добавление воды как-то улучшает его характеристики.
Но на самом деле все логично – вода позволяет охладить топливо-воздушную смесь, что уже само по себе и неплохо (для сжатия охлажденной смеси нужно затратить меньше энергии, значит больше мощности мотор передаст на колеса), а попадая в цилиндр, она к тому же испаряется и немного повышает степень сжатия, что как раз и дает прибавку в мощности. Кроме того, вода увеличивает скорость горения, что позволяет значительно снизить детонацию. В разные годы инженеры с помощью впрыска воды решали разные задачи. До появления интеркулеров – охлаждение смеси, после их появления – краткосрочное увеличение мощности, в повседневной жизни – снижение октанового числа топлива.
Схема работы двигателя Oldsmobile F-85 Jetfire
Техническая реализация впрыска может быть разной, но в самых примитивных вариантах очень дешевой. Любая емкость, шланг от капельницы, моторчик стеклоомывателя, форсунка для распыления во впускной коллектор, простая электрическая схема.
Но это, конечно, ненадежно и рискованно – чуть перестарался с подачей воды и здравствуй, гидроудар. Сегодня уже придуманы системы впрыска с компьютерным управлением по данным с датчиком, это позволяет системе работать стабильно, но и, конечно, повышает стоимость установки.
Сейчас многие компании наладили продажи готовых комплектов – однако стоят они 800-1000 долларов.
Комплект впрыска воды в двигатель AQUABAST WI-2.0
Почему не нужно ставить
После прочтения прошлого раздела у многих читателей наверняка появилась мысль, почему же система впрыска воды до сих пор не стоит на всех автомобилях в мире, если она относительно проста в реализации и улучшает работу мотора. И причины для этого, конечно, есть.
Во-первых, наличие воды в смеси ухудшает выхлоп, а экологические стандарты все строже и строже, автопроизводителям совсем не хочется бороться еще и с этой проблемой.
Система впрыска воды в двигатель
Во-вторых, настроить впрыск воды, чтобы он работал стабильно, задача совсем непростая, особенно если речь идет о впрыске во впускной коллектор.
Как ни располагай форсунку, наполнение водой разных цилиндров все равно будет отличаться, а это почти гарантирует неустойчивую работу на полной мощности и при небольших оборотах под нагрузкой.
Технология распределенного впрыска воды эту проблему чисто теоретически могла бы решить, но тут уже начинает сказываться цена вопроса – сегодня для бюджетных машин даже распределенный впрыск бензина слишком дорог и сложен, что уж говорить про воду.
Установленная система
В-третьих, вода для конечного потребителя оказывается не бесплатной. Воду из-под крана для впрыска в двигатель использовать нельзя. Вернее, конечно, можно, но из-за солей и добавок стенки цилиндров двигателя уже за пару тысяч километров покроются отложениями (вспомним кухонные чайники!), и тогда хлопот с мотором не оберешься.
Так что, как минимум, вода нужна дистиллированная. А по-хорошему, нужно в нее добавлять метанол, чтобы и зимой можно было использовать, и двигатель работал ровнее. То есть помимо затрат на бензин у владельца машины появляется необходимость покупать (ну, или изготавливать самому) жидкость для впрыска.
А это вряд ли позволит снизить стоимость эксплуатации.
Реальный пример
Экономическую сомнительность использования воды в массовом автопроме можно проследить как раз на примере BMW M4. Инженеры сообщают, что за счет воды удалось повысить мощность мотора на 14 л.с., при этом расход топлива снизился на 8%. Система потребляет 1,5 литра водно-метанольной смеси на 100 километров.
Водяной бак на 7 литров, значит нужно его заправлять каждые 500 километров, примерно так же, как и бензин. Да, без воды автомобиль будет нормально работать, но без прибавки в мощности и экономии. Вот и считаем, выгода по бензину не такая уж и большая, прирост в «лошадях» есть, но тоже не глобальный, а мороки с системой много.
Для обычного автомобиля это не окупится.
Под капотом BMW M4 Safety Car с системой впрыска воды
А вот в гонках, где «мы за ценой не постоим», система впрыска воды весьма оправдана, особенно в дреге (хотя там приходится конкурировать с азотом), где ресурс не важен, стоимость эксплуатации тоже, а каждая снятая десятая секунды с результата повышает шансы на победу. Впрочем, те же задачи, что и с помощью воды, можно решить и другими способами, поэтому это тоже опциональный вопрос.
Так что получается парадокс, впрыск воды в мотор реально позволяет улучшить его характеристики, но по совокупности факторов такие системы себя почти никогда не оправдывают, как бы ни хотелось некоторым мечтателям заправляться из водопроводной сети и ездить на полной мощности.
Утоли мои печали: как впрыск воды повышает мощность мотора
Обыватель при упоминании системы впрыска воды в цилиндр скептически хмыкнет: если двигатель автомобиля получит гидроудар, ничего хорошего из этого не выйдет.
Но одно дело, когда при проезде глубокой лужи в двигатель через впускной тракт попадает большое количество воды, которую пытается сжать поршень – это приводит к разрушению шатунно-поршневой группы… Совсем другое – точечный впрыск специальной смеси в камеру сгорания.
Система впрыска воды чаще всего используется на высокофорсированных двигателях для улучшения их характеристик.
Откуда получается дополнительная мощность? Существует сразу несколько вариаций системы, различающиеся только точками установки.
Для этого во впускном коллекторе устанавливается специальная форсунка, подающая во впускной тракт водометанольную смесь, которая смешивается с топливной смесью, подаваемой в камеру сгорания.
Почему именно смесь воды со спиртом? Во-первых, такая жидкость замерзает при более низких температурах, а во-вторых, вода со спиртом обладает лучшим рассеиванием, из-за чего образуется более равномерная смесь и уменьшается температура во впускном коллекторе.
За счет мелкодисперсных капель смесь охлаждается, что позволяет повысить степень сжатия, а также уменьшить скорость горения смеси в цилиндрах, а это снижает возможность детонации.
Также снижение температуры горения топливно-водяной смеси влияет на химические процессы в камере сгорания, что уменьшает концентрацию вредных выбросов азота и углекислых газов.
Опыты российских конструкторов на дизельных двигателях с экспериментальными системами показали снижение выбросов оксидов азота в три-четыре раза, а выбросов СО2 – в 1,2 раза.
Казалось бы, одни плюсы! Но, как и все в мире, идеальных вещей не бывает. В отработавших газах увеличивается концентрация несгоревших углеводородов, что немного увеличивает расход топлива автомобиля. На малой скорости или полностью открытой дроссельной заслонке двигатель может работать неустойчиво.
Одной из ключевых причин является неравномерное распределение жидкости по цилиндрам – в некоторых из них неизбежно создается обедненная смесь. Обычно такую проблему можно решить, установив систему с индивидуальными форсунками на каждый из цилиндров, управляемых компьютером.
Кроме того, пользователи часто забывают, что в систему необходимо заливать только дистиллированную воду. Ведь растворенные в обычной воде соли могут привести к образованию нагара в камерах сгорания, и, как следствие, уменьшить ресурс двигателя. Посмотрите на накипь в чайнике – вы же не хотите, чтобы подобная гадость была и внутри цилиндров?
С чего все началось?
Впервые в мировой практике впрыск воды в цилиндры двигателя применил венгерский инженер Bcnki в начале XX века. Еще спустя несколько лет профессор Хопкинсон из Англии успешно применил экспериментальную систему впрыска воды для улучшения характеристик промышленных двигателей.
А наибольший вклад внес Гарри Рикардо, создатель одноименной марки, занимающейся выпуском автомобильных комплектующих.
На его счету – многочисленные исследования, несколько патентов и даже монография High-Speed Internal Combustion Engine, в которых подробно описаны методы и испытания двигателей с впрыском воды.
В результате всех испытаний Рикардо представил двигатель, оснащенный системой впрыска смеси воды с метанолом, благодаря которой удалось добиться увеличения характеристик мотора почти что двукратно! Широкое применение водометанольные смеси нашли во время Второй мировой войны. Первую скрипку сыграли авиаторы, которые в погоне за скоростями и высотой искали любые ухищрения, чтобы выжать максимум мощности из поршневых двигателей, которых к концу войны все равно заменили реактивной авиацией.
В 1942 году на вооружение ВВС Германии поступил иcтребитель Focke-Wulf 190 D-9, оснащенный системой впрыска водометанольной смеси во время форсажа. Причем он был не единственным в своем роде в Люфтваффе. Похожей системой впрыска оснащались двигатели Daimler-Benz 605 и BMW 801D для Messerschmidt Bf-109, а также Junkers Jumo 213A-1.
Стоит отметить, что авиационные двигатели того времени уже имели системы турбонаддува, и впрыск воды, по сути, играл роль интеркулера. Водометанольная смесь MW-50 впрыскивалась во впускной тракт авиационного двигателя, где смешивалась с топливной смесью, устремляясь в камеру сгорания.
В результате контакта с раскаленными стенками цилиндров вода превращалась в пар, который, расширяясь, создавал в цилиндре избыточное давление, а предварительное охлаждение топливной смеси на впуске способствовало увеличению ее объема в цилиндре и улучшало эффективность сгорания топлива.
В результате мощность немецких моторов кратковременно увеличивалась на 20-30 процентов, что давало последним преимущества по набору высоты и максимальной скорости.
На фото: Messerschmitt Bf-109
Собственные системы впрыска воды разработали и союзники. Так, американская компания Pratt & Whitney в своем двигателе J57 для бомбардировщика В-29 установила похожую систему для повышения характеристик двигателя на малых и средних высотах. Похожую систему с успехом применяли и на истребителях.
В 1943 году по приказу НКАП моторный завод №45 должен был разработать документацию на советскую систему впрыска воды для двигателей АМ-38Ф.
Опытная партия из пяти самолетов Ил-2, оснащенных двигателем с впрыском воды, была построена на заводе №18, однако после испытаний система была признана слишком дорогой и сложной в настройке.
На фото: ИЛ-2
С развитием в конце войны реактивных двигателей работы по увеличению мощности поршневых агрегатов были практически свернуты, и богатый опыт форсировки отошел на задний план. Но о системах вспомнили автомобильные компании.
Первым впрыск водометанольной смеси на серийном автомобиле стали применять американцы из General Motors, которым такая система оказалась нужна для повышения детонационной стойкости турбомотора Oldsmobile F-85 Jetfire.
Что из этого получилось, мы уже рассказывали вам ранее.
На фото: Oldsmobile F-85 Jetfire Hardtop Coupe 1963
Еще одним производителем, вспомнившем о полезных свойствах водометанольной смеси, стал шведский Saab, где до начала 1980-х годов устанавливали систему впрыска воды на Saab 99 Turbo S. Правда, с появлением интеркулеров, охлаждающих воздух во впускном тракте, такие системы на серийных автомобилях плавно сошли на нет, но не были забыты в автоспорте.
В 1983 году команды Формулы-1 Renault и Ferrari установили на свои болиды системы впрыска воды, позволившие итальянцам в итоге занять первое место в кубке конструкторов. На машинах были установлены баки объемом 12 литров для хранения смеси спирта и воды, регулятор давления и водяной насос, однако впоследствии подобные системы были запрещены регламентом.
На фото: Renault RE40 '1983
Похожие системы пытались внедрить в середине 1990-х в WRC, но и там они получили запрет через недолгое время, как и на ле-мановских спортпротипах. Очень широкое распространение баки с водой получили у американских гонщиков на ¼ мили.
Могучие американские «восьмерки» дрегстеров, снабженные механическими нагнетателями, требовали серьезного охлаждения, а интеркулеры еще не получили широкое распространение.
Тогда некоторые светлые головы и вспомнили о полезных свойствах водно-спиртовой смеси, подаваемой в двигатель.
Так, суперкар Porsche 911, доработанный фирмой 9ff, в 2005 году установил рекорд скорости 388 км/ч для автомобилей, официально сертифицированных для дорог общего пользования. Его оппозитная «шестерка» с двумя турбокомпрессорами на пару с обычными интеркулерами была также оснащена системой впрыска воды.
Впрыск воды, наши дни
На некоторое время интерес к системам от производителей угас, но в 2015 году про технологии вспомнили мотористы BMW, решившие применить впрыск воды уже не для повышения мощности, а для снижения расхода бензина.
Первым автомобилем, опробовавшем систему впрыска воды с метанолом, стал пейс-кар BMW M4, участвующий в гонках MotoGP.
Но если там была установлена обычная форсунка, подающая смесь во впускной коллектор, то на опытном трехцилиндровом турбомоторе рабочим объемом 1,5 литра система стала более продвинутой.
Вода смешивается с топливной смесью с помощью топливного насоса высокого давления Bosch, срабатывающему только на оборотах мотора свыше 4 000. Водно-топливная смесь через форсунку впрыскивается в саму камеру сгорания. В результате мощность 201-сильного двигателя увеличилась на 14 л. с.
, возросла детонационная стойкость двигателя, что позволило поднять степень сжатия с 9.5:1 до 11,0:1 и в целом улучшить отдачу мотора на низких и средних оборотах.
Объем водяного бака с подогревом – 7 литров, а в обычных условиях автомобиль расходует около 1,5 литра воды на 100 км пути, что означает необходимость пополнения системы почти каждые 500 километров.
На фото: BMW M4 Coupé MotoGP Safety Car (F82) '2015
Однако инженеры BMW предусмотрели и другие способы добычи воды: при работе кондиционера конденсат из системы автоматически сливается в бак. Все эти ухищрения позволяют экономить почти 8% топлива на 100 км пути в смешанном цикле, а особенно эффективно система может работать в паре с гибридным приводом. Правда, о таких гибридах в БМВ пока молчат.
Серийный выпуск двигателей с водометанольной системой впрыска по планам должен начаться уже в конце этого года, причем поставляться такие БМВ будут и в Россию. На наше счастье, из-за повышенной стойкости к детонации эти машины будут менее требовательны к октановому числу – заправляться можно будет обычным Аи-95.
Можно ли поставить такую систему себе на машину?
Если очень хочется, то можно. Начитавшись интернета, умельцы делают самодельные системы, используя в качестве элементов капельницы, медицинские шприцы и прочие изделия, устанавливают во впускном коллекторе за дроссельной заслонкой и… такие системы работают.
Впрочем, все плюсы от повышенной мощности или крутящего момента перечеркиваются одним жирным минусом. Ведь по сути такой самопал просто льет огромное количество воды в коллектор, не распыляя ее, в результате чего водяная взвесь поступает во все цилиндры неравномерно.
О последствиях мы уже говорили выше – в некоторых цилиндрах воды больше, чем в остальных, что приводит к обеднению смеси в отдельных цилиндрах и неравномерную работу мотора.
В худшем случае количество воды, поступаемой в цилиндр, так велико, что приводит к шансу получить тот самый пресловутый гидроудар.
Для тех, у кого есть чуть больше денег, продавцы тюнинг-аксессуаров предлагают комплект из насоса высокого (около 5-10 бар) давления, электронного блока управления насосом, форсунок для впрыска смеси и, естественно, бачка для воды. В самых дорогих системах применяется клапан, регулирующий давление и количество поступаемой воды.
Принцип работы такой системы прост: блок управления, подключенный к датчику расхода воздуха двигателя, анализирует полученную информацию и рассчитывает подачу воды, дав команду насосу.
Несмотря на кажущуюся простоту, и здесь возникают определенные сложности.
Впрыск воды происходит только на определенных режимах работы двигателя, обычно подобные системы работают при оборотах двигателя свыше 3 000 об/мин.
К тому же система почти не контролирует подачу смеси, а только подает команду на включение/выключение насоса. Основным ограничением на количество впрыскиваемой воды становится только производительность самой форсунки.
Кстати, пока блок даст команду насосу на запуск, пока насос включается и начинает перекачивать воду, происходит задержка между отправкой команд на впрыск топлива и впрыск воды, что неминуемо снижает эффективность всей системы.
Главными спецами по системам впрыска воды для автомобильных двигателей были признаны конструкторы британской фирмы Aquamist, в 1990-е поставлявшие комплекты для болидов WRC, пока их не запретили. И цена на тюнинг-киты колеблется в районе 3 000 долларов. В общем, пока впрыск воды остается довольно экзотическим, недешевым и, положа руку на сердце, не таким уж эффективным средством форсировки.
Впрыск с водой
Концерн Bosch представил систему, в которой вместе с бензином в камеры сгорания двигателя впрыскивается вода. Что-то очень знакомое, не так ли? Но все же будем разбираться: что это дает и какие могут быть перспективы у такой технологии.
Начать стоит с того, что сама идея добавлять в камеру сгорания вместе с топливом небольшое количество воды очень и очень не нова.
Около ста лет назад (!) такую систему разработал и описал с точки зрения физических процессов английский инженер Хопкинсон, который и опробовал ее на больших промышленных двигателях.
В годы Второй Мировой войны, на немецких и американских самолетах устанавливался дополнительный впрыск в цилиндры воды, смешанной в равных долях с метанолом. Велись такие разработки и в СССР, но вскоре авиация стала переходить на реактивную тягу и о впрыске воды забыли.
Однако идею подхватили автомобилисты, как профессиональные конструкторы, так и изобретатели-самоучки. Привлекало всех то, что вода в камере сгорания обеспечивает дополнительное охлаждение, при этом смесь бензина, воздуха и мелкораспыленной воды сгорает медленнее, чем обычная, что позволяет избежать детонации.
При лучшем охлаждении двигателя и снижению риска детонации, не корректируется «назад» угол опережения зажигания (что автоматически делается во избежание детонации). Угол опережения остается в наиболее эффективной позиции с точки зрения снятия мощности.
На практике это отражается в улучшении динамики двигателя (за счет повышения крутящего момента) и экономии топлива.
Комплекты систем впрыска воды, метанола или их смеси для самостоятельной установки
К настоящему времени разных конструкций систем впрыска воды создано великое множество. Их разрабатывали автопроизводители, производственные фирмы и придумывали в гаражах рукастые любители.
В частности, Renault представил в 1977 году систему впрыска воды, которую применял на болидах «Формулы 1» в 80-х годах, но затем от нее отказался.
Применялся впрыск воды и на гоночных мотоциклах — такие системы ставили Harley-Davidson, Suzuki, BMW, Honda, Kawasaki.
Нынче на интернет-ресурсах не составляет труда найти фирменный промышленный комплект со специальным бачком, насосом, распылителями и электронным блоком управления. Цена вопроса — в среднем от 50 до 150 тысяч рублей.
(Годится и для впрыска метанола, между прочим).
И напротив, можно вообще не потратить ни копейки — смотрим видеоблоги, где гаражные изобретатели покажут и расскажут, как сделать впрыск воды (да и чего угодно) с помощью пластиковой баклажки, трубки от капельницы и иглы от шприца.
И вот сейчас на этом поле, распаханном всеми кому не лень, решил сыграть Bosch. Немецкий концерн представил свою версию системы, которая была разработана для турбированных моторов с непосредственным впрыском.
Конструктивно «водяная» система Bosch близка к обычному распределенному впрыску и состоит из инжекторов, насоса, емкости для воды и электронного блока управления. Инжекторы встроены в патрубки впускного коллектора перед клапанами.
Как только впускной клапан открывается, инжектор выпускает порцию мелкораспыленной воды, которая вместе с воздухом втягивается в камеру сгорания.
Затем срабатывает уже топливный инжектор и далее все по обычному циклу 4-тактного двигателя.
Работа системы Bosch water Injection: сначала впрыск воды, затем топлива и воспламенение смеси
Как утверждают специалисты немецкого концерна, данная система особо эффективна при быстром ускорении или во время движения по скоростной автостраде, позволяя экономить до 13% бензина.
Особенно ощутима будет топливная экономия на небольших трех- и четырехцилиндровых двигателях. Расход дистиллированной воды — менее одного литра на 100 километров пути. Если запас дистиллята иссякнет, двигатель продолжит работу в обычном режиме.
Впрыск воды не является жизненно важной системой и служит просто для улучшения характеристик.
Сейчас система «водяного» впрыска Bosch обкатывается на спорткаре BMW M4 GTS с турбированным шестицилиндровым двигателем. Как показывают испытания, технология немецкого концерна позволяет улучшить динамику машины и экономить около 4% топлива.
«Впрыск воды может придать дополнительный импульс любому турбомотору», — считает Штефан Зайберт, президент подразделения Бензиновых Систем Robert Bosch GmbH.
Ему вторит д-р Рольф Буландер, член совета директоров компании Robert Bosch GmbH и председатель правления бизнес-направления Решений для мобильности, говоря: «Наша система впрыска воды демонстрирует, что у двигателя внутреннего сгорания все еще припасены некоторые козыри в рукаве».
Каков итог?
Впрыск воды оказывается очень живучей идеей. Среди автомобилистов-любителей тут есть свои адепты, горячо отстаивающие достоинства «водяной инжекции». Временами вспоминают про воду и конструкторы, по мере развития технологий совершенствуя систему.
Хотя, казалось бы, все тут ясно: выигрыш в мощности и экономичности получается совсем небольшой, а конструкция автомобиля усложняется и появляется еще одна заправочная жидкость. При минусовой температуре вода замерзает и система не работает.
Так что перспективы массового внедрения водяного впрыска по-прежнему остаются сомнительны и туманны.
Как впрыск воды в цилиндры повышает мощность и экономичность двигателя
Впрыск воды в цилиндры звучит несколько необычно. Как вода, являясь негорючей жидкостью может повысить мощностные или экономические показатели двигателей? Но это работает.
Конечно, вода не является топливом и не может передавать энергию, но она может выполнить другие, достаточно важные функции, позволяя увеличивать степень сжатия двигателя без возникновения побочных явлений.
А это ключ к повышению мощности при меньшем расходе топлива.
Исследованиями доказано, что при увеличении степени сжатия увеличивается и мощность, но при этом возрастает опасность, что смесь воздуха и бензина воспламенится еще до того, как появится искра.
То есть произойдет так называемое детонационное горение со стремительным распространением пламени (скорость горения при детонации нарастает скачкообразно и достигает 1500 … 2500 м/сек, тогда как при нормальном — около 25 м/сек).
Это может быть фатальным для двигателя, поскольку при этом в результате взрывного горения часть топлива не успевает полностью сгореть, что внешне сопровождается появлением дымного выхлопа темного цвета.
При этом вследствие взрывного сгорания двигатель работает неуравновешенно, происходит перегрев его деталей, прогорают поршни и клапаны, пригорают поршневые кольца, резко повышается износ цилиндропоршневой и кривошипно-шатунной групп. И не допустить детонации повышением октанового числа бензина, которое характеризует стойкость его к детонации, становится невозможным, поскольку все имеет свои пределы.
Однако, на помощь может прийти вода, которая охлаждает поступающую в цилиндр смесь при большой нагрузке двигателя и предотвращает ее преждевременное возгорание.
В конце концов, ничего нового под солнцем. Этот принцип годами использовался в авиадвигателях и автоспорте. Были также попытки и на серийных автомобилях.
Однако, для массового производства автомобилей это было слишком дорого и сложно.
В последние годы наблюдается возврат к подзабытым технологиям в связи с необходимостью повышения экономических и экологических показателей поршневых двигателей.
В частности, компания Bosch, произвела тестирование системы впрыска воды в двигатель, которая предназначена для 3-х и 4-цилиндровых агрегатов с наддувом.
Специальная форсунка впрыскивает небольшое количество водяного тумана перед впускным клапаном во время всасывания смеси в цилиндр. Впоследствии вода испаряется, охлаждая при этом смесь воздуха и топлива, да и саму камеру сгорания.
Впрыск водяного тумана во впускной коллектор снижает температуру в цилиндре. Следовательно, двигатель может иметь более высокую степень сжатия и, соответственно, более высокую мощность при меньшем расходе топлива. Иллюстрация технологии Bosch WaterBoost.
Сущность процесса
В поршневом двигателе впрыск воды существенно понижает температуру топливовоздушной смеси, что увеличивает ее плотность и, следовательно, большая масса смеси, поступает в цилиндр, обеспечивая повышение литровой мощности.
Вода, находящаяся в небольших каплях, поглощает тепло (и понижает давление) при сжатии заряда, тем самым уменьшая работу, на его сжатие.
Дополнительный эффект возникает во время сгорания, когда вода поглощает значительное количество тепла при испарении, снижая пиковую температуру и, как следствие, обеспечивает уменьшение образование NOx, а также снижает потери тепловой энергии, которая поглощается стенками цилиндра.
Это позволяет преобразовать дополнительную часть энергии, получаемой при сгорания из тепловой в механическую давления на поршень. Когда капли воды испаряются, поглощая тепло, они превращаются в пар под высоким давлением. Конечный результат – получение заряда топливовоздушной смеси с более высоким октановым числом, который выдерживает высокие степени сжатия без возникновения детонации.
Контроль над впрыском воды очень важен. Такой впрыск следует применять только тогда, когда возникают соответствующие условия. Обычно это происходит, когда двигатель сильно форсирован и работает на полную мощность.
В противном случае, а также когда воды впрыскивается слишком много, значительно снижается температура в процессе сгорания, что приводит к отрицательным эффектам — снижению мощности и увеличению расхода топлива.
В принципе, прямой впрыск воды в поршневом двигателе возможен в любой точке цикла двигателя, в зависимости от желаемого эффекта, даже в конце рабочего такта или во время такта выпуска, но тогда будет использоваться только для снижения температуры двигателя.
Обычно в двигателе впрыск воды происходит прямо перед впускным клапаном. Это охлаждает всасываемый воздух, делая его более плотным (больший объемный КПД) и предотвращает детонацию топлива в цилиндрах.
Не все так просто
Большинство современных двигателей транспортных средств заранее запрограммированы на определенные пропорции топлива и воздуха, поэтому добавление воды без перепрограммирования электронного блока управления (ЭБУ) или иного изменения этих соотношений, скорее всего, не принесет никакой пользы и может даже снизить его показатели или вовсе повредить двигатель.
Кроме того, системы управления большинства современных топливных систем в которых не предусматривался впрыск воды, не могут определить наличие воды в смеси, и, соответственно, не могут определить новую оптимальную степень сжатия или иным образом воспользоваться преимуществами более низких температур цилиндров.
В большинстве случаев в обычных предварительно запрограммированных двигателях автомобилей использование метода непрямого впрыска воды приводит к потере мощности, поскольку водяной пар заменяет воздух, который требуется для осуществления процесса сгорания и выработки энергии.
Как правило, хороший результат получают только двигатели, специально переоборудованные для впрыска воды и имеющие соответствующие прошивки системы управления.
Кроме того, двигатель может быть поврежден, если впрыскивается слишком много воды или если сам инжектор неисправен и заливает цилиндр.
Вода не сжимается, и слишком много воды в цилиндре во время такта сжатия может вызвать гидроудар, когда объем жидкости в двигателе близок или превышает объем между поршнем и головкой цилиндра двигателя в верхней мертвой точке, что приводит к чрезвычайно высокому давлению в цилиндре, которое может вызвать разрушение головки, поршней, шатунов, а также другие повреждения двигателя. Такие ситуации обычно являются фатальными требует его капитального ремонта или даже замены двигателя.
Многие «специалисты» утверждают, что, вставив трубку для подачи воды во впускном коллекторе, гарантируют увеличение пробега или повышение мощности. Однако, если при этом не перепрограммируется ЭБУ автомобиля или не будут внесены существенные изменения в двигатель, в конечном итоге может произойти потеря мощности и его повреждение.
Удачные апробации Bosch
Компания Bosch совместно с BMW разработала технологию впрыска воды под названием WaterBoost. Компания заявляет о повышении мощности двигателя до 5%, снижении выбросов в отработавших газах до 4% и снижении расхода топлива до 13%.
Несколько лет назад Bosch произвела исследования впрыска воды в двигатель на автомобиле BMW.
При этом было выполнено тестирование системы на экспериментальном 1,5-линдровом бензиновом двигателе, степень сжатия которого увеличили с 9,5 до 11,5.
Благодаря этому он развивал почти удвоенную мощность — 160 кВт, да еще и при значительно меньшем расходе топлива. Также BMW применила впрыск воды на M4 GTS — трехлитровому 6-цилиндровому двигателе.
Впрыск воды — также называемый «впрыск противодетонанта» — это технология, которая, как утверждается, снижает как расход топлива, так и выбросы CO2, одновременно повышая мощ-ность двигателя.
Пяти литров дистиллированной воды хватает примерно на 3000 километров пробега. Даже если вода закончилась, двигатель будет продолжать работать в обычном режиме, но с меньшим крутящим моментом из-за подачи меньших доз топлива или снижении давления в турбонагнетателе. Bosch, применяя впрыск воды, заявляет, что у двигателя внутреннего сгорания все еще есть в запасе несколько козырей.
По заявлению Bosch, впрыск воды в цилиндры сэкономит в среднем четыре процента топлива, а при высоких нагрузках — до 13 процентов. Система, конечно же, требует специального резервуара для дистиллированной воды, который будет нагреваться, чтобы не замерзнуть зимой, и вся вода из системы впрыска после выключения двигателя будет возвращаться обратно в бак.
Но не все автомобилестроительные фирмы разделяют взгляды Boschю.
Так, Mercedes-Benz заявил, что хорошо знаком с этой технологией, но считает ее нерентабельной, поскольку система слишком сложная, дорогая и ее эффект до конца неясен.
Они также исследовали технологию снижения температуры камеры сгорания впрыском воды, но считают ее не вполне подходящей на сегодняшний день с точки зрения снижения выбросов.
Что такое водо-метанольный впрыск?
Технология впрыска воды почти такая же старая, как и сам автомобиль. Однако, как и многие автомобильные технологии, она потеряна — так как мода берет своё. Впрыск воды — это возможность подавить детонацию, что позволяет поднять давление в цилиндрах и тем самым повысить КПД двигателя.
Контроллером впрыска воды легко управлять и довольно просто установить. Теперь, когда выброс газов в атмосферу контролируется все жестче, октановое число бензина повышается и растет цена, впрыск воды становится лучшим способом экономии топлива, так как «вода» доступна практически бесплатно.
Исследования по использованию впрыска воды в ДВС были проведены в Авиационной Лаборатории Langley во время войны с декабря 1941 г. по март 1942 г.
Выписка из данного отчета (перевод) на рисунке.
Выводы: водная инжекция может применяться как средство внутреннего охлаждения двигателя.
Достоинства впрыска воды:
- Возможность работы на обедненных смесях, что уменьшает расход топлива, либо можно уменьшить октановое число топлива без ухудшения характеристик двигателя.
- Впрыск воды может устанавливаться на авиационную технику.
- Понижается температура выхлопных газов.
- Возможность увеличения мощности двигателя за счет устранения детонации.
Недостатки технологии впрыска воды:
- Повышенный вес (сейчас это устранено за счет применения современных технологий).
- Необходимость в дополнительном баке для воды.
- Трудности использования при отрицательных температурах (необходимо добавлять спирт или метанол).
Как работает впрыск воды?
Итак, как же вода помогает подавить детонацию? Детонация случается, когда пламя в цилиндре не прогрессирует, а вместо этого происходит взрыв. Это вызывает массивное увеличение давления, которое может повредить поршни, кольца и даже головки блока цилиндров. Детонация иногда может быть услышана как «тинь-тинь» — звук идущий от двигателя.
Впрыск воды может осуществляться 3-мя способами
Первый и основной, когда вода впрыскивается на впуске, до того как смесь попадает в цилиндры, маленькие капли собирают тепло из воздуха. Вода имеет очень высокий коэфициент теплообмена (может поглотить большое количество энергии, и при этом температура поднимется не сильно), это способствут охлаждению поступающего воздуха.
Капли начинают испаряться, при этом поглощается еще больше тепла. И наконец, когда оставшиеся капли достигают камеры сгорания вся вода превращается в пар. Это действует как анти-детонант и к тому же поддерживает внутренности двигателя в очень чистом состоянии (препятсвует образованию карбоновых отложений). Эксперименты с впрыском воды проводились еще в 1930-х годах.
В то время было обнаружено, что детонации можно избежать если смесь воздух/топливо делать более богатой. По мере роста давления детонация усиливается, но обогащение смеси снимает проблему, в тоже время было установлено, что при впрыске воды — детонации не происходит, даже если смесь бедная.
Снижение детонации при богатой смеси происходит за счет того, что большое количество топлива охлаждает камеру сгорания, естественно при использовании воды такого количества топлива уже не нужно.
Этот эффект наиболее значительный и позволяет экономить топливо при больших нагрузках на двигатель.
Saab — на своих последних моделях турбированных автомобилей стал недавно применять впрыск воды на больших нагрузках в сочетании с более бедной смесью — это способствует снижению вредного выхлопа и экономии топлива.
Если взглянуть на это с другой точки зрения, то на больших нагрузках можно экономить топливо без снижения мощности.
Всегда ли для впрыска используется вода?
Несмотря на то, что мы пока говорили только про «воду», многие системы используют смесь воды с метанолом (50/50), или воды и метилового спирта.
Исследования проводившиеся во время второй мировой войны доказали, что использование чистой воды лучше для снижения детонации, а смесь с метанолом позволяет получить больше мощности до того как произойдет детонация. Одна из причин этого в том, что алкоголь горит медленнее, чем бензин.
Поэтому пик давления в цилиндрах возникает позже, что способствует увеличению момента. Вопрос заключается в том — может ли впрыск воды помочь в увеличении мощности двигателя? В то время как температура поступающего в двигатель воздуха понижается, понижается и его плотность, а присутствие воды в цилиндрах оставляет меньше места для кислорода.
И в таком случае чистый сухой воздух означает больше мощности. Однако холодный воздух менее плотный, что позволяет увеличить количество воздуха, поэтому теоритически, если отношение воздух/топливо не меняется — то оба фактора нейтрализуют друг друга.
Это означает, что если впрыск воды используется без какой либо настройки двигателя — то улучшений ждать не приходится. Однако, если смесь забеднить, или увеличить давление или выставить более раннее зажигание — то в результате получится прибавка в мощности.
Заряженные авиационные двигатели имеют устройства для автоматического обеднения смеси когда идет впрыск воды. Напомним, что изменения в составе смеси на высоких нагрузках могут быть очень опасными, и могут плохо сказаться на «здоровье» вашего двигателя.
Двигатели, нагнетающие воздух принудительно (турбо и компрессорные) очень легко повредить, если беднить смесь или изменять зажигание.
Система впрыска должна обеспечивать следущее:
- равномерно распределять подачу воды между цилиндрами;
- автоматически запускаться к нужному моменту;
- иметь возможность перекрыть воду, когда она не нужна;
- или предупредить водителя или понизить мощность двигателя (за счет снижения наддува), когда вода кончается;
- быть очень надежной.
Многие системы, которые доводилось видеть не удволетворяют указанным выше критериям.
Чтобы система была эффективной, подача воды должна меняться в зависимости от воздушного потока. Другими словами поток воды должен соотвествовать потоку воздуха. Маленькое количество воды должно быть на малых нагрузках, и больше на больших. Если подача воды контролируется достаточно точно, то максимальное количество должно быть на пике момента.
Вода должны подаваться в очень хорошо распыленном виде. Это способствует созданию маленьких капель, что увеличивает площадь соприкосновения. Маленькие капли также имеют меньше шансов «упасть» с воздуха и намочить стенки впускного коллектора, что может вызвать неравномерное распределение воды по цилиндрам. Капли маленького размера — требуют применения насоса с высоким давлением и правильного дизайна форсунки. 
Как альтернативу насосу можно использовать давление наддува, для этого поступаюший воздух надо прогонять через специальную форсунку. В таком случае подключение воды осуществляется до компрессора. В таком случае, требования к форсунке будут очень высоки, чтобы избежать больших капель. Однако такой метод себя не зарекомендовал, так как со временем компрессор приходит в негодность (на лопастях крыльчатки образуется налет).
Вообще же впрыск воды можно осуществлять в разных местах. В атмосферных автомобилях форсунка располагается обычно рядом с дроссельной заслонкой (до неё). В турбированных же автомобилях выбор шире:
- до компрессора;
- после компрессора, но до интеркулера;
- после интеркулера.
Устанавливать форсунку нужно либо до дроссельной заслонки, либо после, вообще же лучше-подобрать оптимальное расположение опытным путем.
На самолетных двигателях к примеру встречается до 18 форсунок установленных рядом с выходом из турбины. Количество подаваемой воды нужно правильно дозировать, обычно это 20-30 процентов от веса жидкости (бензин + вода).
Систему нужно настроить так, чтобы вода подавалась только при большом потоке воздуха.
Впрыск воды — очень эффективное средство борьбы с детонацией, и при этом не уменьшается воздушный поток.
Систему довольно легко установить, так как компоненты можно распределить, наибольший недостаток — это наличие резервуара с водой, к тому же его еще приходится периодически заправлять.
Кроме того, такая система снижает выброс вредных веществ в атмосферу, даёт возможность использовать топливо с более низким октановым числом, ну и служит хорошим средством для экономии (снижается расход топлива).
В данной статье мы ознакомились в впрыском воды. Если Вы желаете купить радар-детектор в интернет-магазине. Компания Radartech готова предоставить антирадары оптом и в розницу.
Мы является официальным производителем, поэтому цены на антирадары ниже именно на нашем сайте.
Хотя Вы можете обратиться и к официальным дилерам радар-детекторов Radartech Pilot 21RS plus, Pilot 21 R(S) и прочих моделей антирадаров Радартех в Москве и по России.
Загрузка...
