О выпрыске воды

о впрыске воды:

Немного о впрыске воды

Прежде чем начать разговор о впрыске воды немного отступлю от главной темы. Современный мир, новые технологии, средства связи, получения информации и т.д. внесли свой вклад. С развитием интернета люди стали меньше читать книги, для получения информации уже не так часто ходят в библиотеку или в книжный магазин. С развитием скорости интернета, стало популярным искать ответы, даже не читая, а просматривая короткие видеоролики. С одной стороны это очень удобно, можно очень быстро найти ответы на многие вопросы, но мне кажется эти ответы очень и очень поверхностные. Получается такая ситуация, на поверхности много неотфильтрованной информации – ситуация как на книжном рынке (если кто помнит, что это такое). Ходишь по рынку видишь обложки книг, если что заинтересует, можешь взять и посмотреть содержание книги, а вот если хочешь почитать, то книгу необходимо купить. Все это блуждание по просторам интернета мне напоминает прогулку по книжному рынку, но без покупки книг для детального изучения.

Немного о впрыске воды – Часть 2

Сначала рассмотрим принципиальную (самую простую) систему впрыска воды, которую можно без особого труда сделать самому. Потом начнем ее усложнять, добавляя системы зашиты. И конечно рассмотрим различные прогрессивные виды подачи воды (смеси вода/метанол). Сначала изучим теорию, потом конечно практические тесты различных систем. И в конце обязательно проведем тестовые испытания различных двигателей (атмо, турбо и дизель) на дино стенде на предмет увеличения мощности и экономичности при использовании системы впрыска воды.

Много комментариев было по поводу улучшения таких показателей, как расход топлива. Для этого у нас есть специальное оборудование Fuel Consumption Meter for cars, установив его в топливную систему мы в режиме онлайн на дино стенде получим такие показатели как BSFC (Brake specific fuel consumption). По-русски это называется удельный расход топлива, равен отношению расхода топлива (на единицу расстояния или времени) к мощности или к тяге. Используется для характеристики топливной эффективности двигателей.

Немного о впрыске воды – Часть 3. Реальные замеры.

Steve Morris из New Era Performance имеет на своем универсале или вагоне - мощность далеко за 1700 сил. Мотор big block Chevy с компрессором ProCharged, карбюратор, БЕЗ ИНТЕРКУЛЕРА - ИЗБЫТОЧНОЕ ДАВЛЕНИЕ (BOOST) НА 7000 об/мин 20 PSI (1.38 bar). Более того, в качестве топлива он использует обычный бензин с заправки 93 (RON – 98)

Немного о впрыске воды Часть 4 – Дизель, на примере BMW 330D. Очень полезно для внедорожников.

И так, BMW 330D E90 245 HP, 520 Nm – заявленные характеристики производителем. В реальности так это и есть. Многие тюнерские конторы обещают путем перекалибровки родного ЭБУ двигателя до 300 л/с и момент 600 Нм. Мне бы очень хотелось увидеть машинку с такими показателями, которая после тюнинга уже проехала пару десятков тысяч километров.

Если речь идет о таком же точно моторе, но на BMW X6 30D то я еще поверю, но не на машине 3-й серии. Да моторы одинаковые, но система охлаждения абсолютно разная, а именно это и есть слабое место BMW 330D .

Словосочетание «впрыск воды в цилиндры» звучит нелепо, ведь каждый автовладелец прекрасно знает, что попадание этой жидкости в двигатель грозит гидроударом и выходом из строя силового агрегата. Тем не менее такой вариант форсирования мотора с успехом применялся еще в первой половине прошлого века.

Правда, изначальной целью инженеров было не увеличение мощности ДВС, а борьба с детонацией топливно-воздушной смеси в цилиндрах.

Эффект от присутствия воды в составе горючей смеси

Как уже было сказано, первоначально впрыск воды применялся для борьбы с детонацией. Однако, как правило, использовался раствор воды и метилового спирта в различных пропорциях. Опытным путем было установлено, что оптимальное соотношение составляет 50/50. Сам по себе раствор играет роль антидетонационной добавки, а форсирование двигателя изначально было побочным эффектом, о котором узнали не сразу. Кроме того, вода является антиоксидантом и препятствует образованию углеродистых отложений в камерах сгорания.

Что же происходит в камерах сгорания при впрыске водного раствора метанола?

1. Вода обладает высокой теплоемкостью, благодаря чему существенно снижается температура в цилиндрах ДВС.
2. Поскольку более холодный воздух сжать намного легче, энергии во время такта сжатия затрачивается значительно меньше, т. е. повышается КПД двигателя.
3. Помимо этого, появляется возможность загнать в цилиндры больше воздуха, а вода, испаряясь, создает дополнительное давление, повышая степень сжатия.
4. Жидкость попадает в цилиндры в распыленном состоянии, и мгновенно обволакивается частицами бензина, в результате рабочая смесь становится более однородной, хорошо заполняет все доступное пространство, и сгорает более равномерно. Это обеспечивает дополнительный рост КПД и снижает вероятность детонации. Таким образом, мощность ДВС возрастает примерно на 10% .

Что касается метилового спирта, процесс его сгорания протекает с меньшей скоростью, чем у бензина, посему рост давления в цилиндрах протекает более плавно, и максимальное значение достигается позже. В результате увеличивается крутящий момент и мощность.

В идеальном случае наибольшее количество воды должно впрыскиваться на пике момента. Соотношение воды и воздуха должно находиться в пределах от 1/10 до 1/14. При меньшем количестве воздуха рабочая смесь будет сгорать не полностью, о чем просигнализируют «выстрелы» в глушителе, а при недостатке воды может возникнуть детонация.

Краткий экскурс в историю

Для автомобилей первой половины двадцатого века мощность двигателя внутреннего сгорания не имела решающего значения. В отличие от автоконструкторов, авиаинженеры боролись едва ли не за каждую лошадиную силу. По этой причине впрыск воды, а точнее ее смеси с метанолом, в массовом количестве впервые был использован именно на самолетах при работе ДВС в режиме форсажа.

Пионером в этой области стал немецкий Мессершмитт Bf.109 G-6 («Густав»). Именно на этот истребитель, выпуск которого начался осенью 1942 года, стала устанавливаться система MW 50 (от Metanol-Wasser), число указывало на процентное содержание метилового спирта. Были и другие системы: MW 0, MW 30, MW 75 и даже MW 100, впрыскивающая чистый метанол. Однако практика показала, что наилучшее форсирование ДВС достигается при впрыске 50-процентного раствора спирта.

Если говорить о конкретных цифрах, то двигатель этого «Мессера» на форсаже без впрыска метанола на высоте 1 км развивал мощность 1575 л. с., а включенная система MW 50 добавляла еще 225 л. с. (суммарная мощность увеличивалась до 1800 л. с.). В результате максимальная скорость самолета возрастала примерно на 40 км/ч, что давало большое преимущество в бою.

Свое применение впрыск воды нашел и в американской авиации. Советские же инженеры дальше опытных образцов не пошли. Далее, с появлением реактивных двигателей вопрос о необходимости впрыска воды в поршневые двигатели внутреннего сгорания самолетов отпал сам собой.

Как работает система впрыска воды

Принцип ее работы прост: во впускной коллектор двигателя устанавливается форсунка, через которую поступает вода. При работе мотора происходит следующее: вначале во впускной коллектор поступает топливно-воздушная смесь, затем туда же впрыскивается вода, которая охлаждает топливно-воздушную смесь, поступающую в цилиндры.

Благодаря тому, что частицы бензина обволакивают микрокапли воды, массовая доля горючего увеличивается, а из-за неиспарившейся жидкости возрастает степень сжатия в камерах сгорания. Скорость горения бензина, смешанного с водой существенно падает, следовательно, условия, способствующие детонации рабочей смеси возникнуть не могут.

Следует помнить, что измененный состав рабочей смеси в цилиндрах двигателя влияет на состав отработавших газов. Так, концентрация углерода и окислов азота существенно снижается, однако увеличивается доля углеводородов.

Форсированный таким способом ДВС может периодически работать нестабильно. Чаще всего это происходит при движении с малой скоростью при полностью открытой дроссельной заслонке. Причина в том, что система впрыска настроена неправильно, вследствие чего во впускной коллектор попадает избыточное или недостаточное количество жидкости.

Если система изготавливается и устанавливается своими руками, следует тщательно выбирать подходящий насос и форсунку. Только в этом случае:

• впрыск воды во впускной коллектор будет осуществляться стабильно;
• жидкость будет подаваться в мелкораспыленном виде.

Может быть, двигатели внутреннего сгорания доживают последние десятилетия, но производители не сдаются. Они выжимают максимум из этой технологии, оптимизируя конструкцию двигателя для повышения эффективности и экономичности. Недавно сообщалось об инновации Nissan, которая изобрела . Теперь о своих достижениях поведала Bosch. Немецкая фирма представила систему водяного впрыска WaterBoost для простой модификации существующих ДВС.

Даже самый продвинутый двигатель внутреннего сгорания впустую тратит примерно пятую часть топлива. Например, оно расходуется на систему охлаждения двигателя. В современных двигателях немного дополнительного топлива впрыскивается в камеру сгорания не для сгорания, а для испарения со стенок, за счёт чего происходит охлаждение двигателя.

Bosch предлагает модифицировать систему впрыска топлива: использовать воду вместо бензина при охлаждении камеры. То есть суть технологии WaterBoost заключается в том, что на больших оборотах в двигателе задействуется водяная помпа, которая впрыскивает в камеру сгорания немного воды незадолго до поджига топливной смеси.

Требуется совсем немного воды: на 100 км уходит несколько сотен миллилитров. Поэтому маленький бачок с водой потребуется заливать дистиллированной водой каждые несколько тысяч километров, что для большинства водителей не станет накладным. Это даже приятно: заливая воду, ты знаешь, что эта вода будет использоваться вместо бензина (при охлаждении).

Да и если вода в бачке кончится, тоже ничего страшного, разве что немного снизится крутящий момент и на несколько процентов вырастет потребление топлива.

Как показали опыты Bosch, такая простая модификация может на несколько процентов снизить потребление топлива (до 13%) без потери мощности и крутящего момента. Экономия возможна в моменты перегрева двигателя на самых высоких оборотах: например, при резком ускорении или движении по шоссе с высокой скоростью.

Кроме того что это экономит бензин, так испарение воды ещё и лучше охлаждает двигатель, чем испарение бензина.

Как дополнительный бонус к экономии топлива - на 4% снижаются выбросы CO 2 , так что двигателю будет легче пройти проверку на соблюдение жёстких экологических нормативов, которые предъявляются к современным бензиновым двигателям.

Наиболее эффективным внедрение водяного впрыска будет для компактных трёх- и четырёхцилиндровых двигателей. Другими словами, именно для тех двигателей, которые используются в самых популярных современных автомобилях среднего размера.

Но это ещё не всё. Кроме экономии топлива, WaterBoost может добавить до 5% мощности двигателям с турбонаддувом. Дело в том, что добавка воды насыщает кислородом нагнетаемый воздух от турбины и увеличивает скорость горения смеси, позволяя оптимизировать угол опережения зажигания - угол поворота кривошипа от момента, при котором на свечу зажигания начинает подаваться напряжение для пробоя искрового промежутка до занятия поршнем верхней мёртвой точки.

Идея опережения зажигания в том, чтобы поджигать горючую смесь заранее, до достижения поршнем верхней мёртвой точки. При правильном выборе момента зажигания, давление газов достигает максимальной величины примерно через 10-12 градусов поворота коленчатого вала после прохода поршнем верхней мертвой точки.

Изменив угол опережения зажигания и подкрутив настройки тайминга поджигания, инженеры могут выжать ещё чуток мощности даже из мощных двигателей с турбонаддвуом, даже на спорткарах.

Первым автомобилем, в котором внедрят технологию водяного впрыска WaterBoost, станет BMW M4 GTS с шестицилиндровым турбодвижком.

BMW M4 GTS. Фото: BMW Group

Про внедрение WaterBoost в автомобилях средней ценовой категории информации пока нет.

У компании Bosch есть большой опыт в автомобильной промышленности. Именно Bosch в 1887 году изобрела безопасную систему детонации воздушно-топливной смеси ДВС от магнето. Такая система зажигания используется в автомобилях до сих пор. До этого изобретения смесь в ДВС поджигали через калильные трубки Даймлера открытым пламенем.

Bosch производит не только системы зажигания, стартеры, но и многие другие автомобильные компоненты. Например, недавно наладила серийное производство электромоторов для гоночных картов .

Электромотор Bosch для гоночных картов. Фото: Bosch

За электромоторами - будущее, но и ДВС не собирается сдаваться без боя.

«Наш водяной впрыск показывает, что у двигателей внутреннего сгорания осталось ещё несколько трюков под капотом», - сказал д-р Рольф Буландер (Rolf Bulander), председатель подразделения Bosch Mobility Solutions и член совета директоров Robert Bosch GmbH.

Знаете ли вы, что даже самый совершенный бензиновый двигатель теряет приблизительно пятую часть топлива на задачи, не связанные непосредственно с приводом автомобиля в движение? Некоторое количество бензина используется для охлаждения - в особенности при высоких оборотах двигателя. С помощью новой системы компания Bosch продемонстрировала возможную альтернативу: впрыск воды, например, при быстром ускорении или во время движения по скоростной автостраде, позволяет сэкономить вплоть до 13% топлива. «Наша система впрыска воды демонстрирует, что у двигателя внутреннего сгорания все еще припасены некоторые козыри в рукаве», - говорит д-р Рольф Буландер, член совета директоров компании Robert Bosch GmbH и председатель правления бизнес-направления Решений для мобильности. Экономия топлива, которую предлагает новая система, особенно ощутима в небольших трех- и четырехцилиндровых двигателях: именно таких, которые можно найти под капотом большинства автомобилей средних размеров.

Дополнительный импульс для двигателя с турбонаддувом

Актуальность инновации заключается не только в экономии топлива. Данная технология позволяет также увеличить мощность двигателя. «Впрыск воды может придать дополнительный импульс любому турбомотору», - говорит Штефан Зайберт, президент подразделения Бензиновых Систем Robert Bosch GmbH. - Более ранний угол опережения зажигания делает работу двигателя более эффективной. Исходя из этого, инженеры могут получить дополнительную мощность из двигателя даже в спорткарах.

В основе инновационной технологии лежит тот факт, что двигатель не должен перегреваться. Для того, чтобы предотвратить перегрев, дополнительное топливо впрыскивается практически в каждый бензиновый двигатель. Испаряясь, оно охлаждает детали. Во время работы с системой впрыска воды был использован тот же физический принцип. Перед тем как топливо воспламеняется, мелкодисперсная водяная пыль впрыскивается во впускной коллектор. Высокая удельная теплота парообразования воды означает, что она обеспечивает эффективное охлаждение.

По этой же причине достаточно лишь небольшого количества воды: на каждые сто километров пути требуется всего несколько сотен миллилитров жидкости. В результате компактный бак для дистиллированной воды, снабжающий систему впрыска, должен пополняться с периодичностью раз в несколько тысяч километров.

В случае, если запас дистиллированной воды невозможно пополнить, причин для беспокойства нет: двигатель все равно будет работать без перебоев - хотя и без увеличения крутящего момента и уменьшенного потребления горючего, которые обеспечивает водный впрыск.

Первым транспортным средством, которое демонстрирует инновационную систему водного впрыска, является спорткар BMW M4 GTS. В его турбированном шестицилиндровом двигателе данная технология обеспечивает улучшенные характеристики и снижает потребление горючего даже при полной нагрузке.

В ходе тестовых испытаний (WLTC) было продемонстрировано, что водяной впрыск позволяет сберечь до 4% топлива. В реальных дорожных условиях эта цифра может быть еще выше: потребление топлива может быть уменьшено до 13% во время быстрого разгона или езды по скоростной автостраде.

- Не станет ли водяной впрыск причиной коррозии двигателя?

Нет. В камере сгорания вообще не остается воды. Она испаряется до того, как в двигателе происходит процесс сгорания. Вся вода выбрасывается в окружающую среду вместе с выхлопными газами.

- Каким образом пополняются запасы воды?

Для поддержания системы впрыска требуется иметь с собой всего лишь небольшое количество дистиллированной воды - именно она используется для пополнения специального резервуара. В среднем требуется доливать воду каждые 3 тыс. км.

- Может ли замерзнуть вода в резервуаре?

Когда двигатель перестает работать, вода перетекает обратно в резервуар, где она может замерзнуть. После того как двигатель возобновит работу, вода постепенно оттает.

- Существует ли непосредственный впрыск воды?

Да. Это система впрыска воды во впускной коллектор, так как у такой системы есть технические преимущества и обходится она гораздо дешевле. Это делает возможным ее массовое использование на разных типах транспортных средств.

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.