Як впорскування води підвищує потужність мотора

1. Як це працює?
2. З чого все почалося?
3. Алюсил не винен: справжні причини ненадійності алюмінієвих моторів
4. На яких автомобілях застосовувалося?
5. Впорскування води, наші дні
6. Кращі сучасні бензинові мотори Європи: з наддувом і без
7. Чи можна поставити таку систему собі на машину?

Вже більше ста років автомобільні інженери працюють над підвищенням віддачі мотора. Спочатку все було просто: більше літраж, більше циліндрів, більше потужності! Але досить швидко стало зрозуміло, що replacement for displacement все-таки необхідний: в хід пішли компресори, турбіни, ускладнення ГРМ з багатоклапанних конструкціями і регульованими фазами, розподілений і безпосереднє уприскування, полегшення поршневий групи ... Тепер, коли до ДВС все частіше в компанію стали додавати електромотори, здається, що межа форсування звичайного мотора досягнуто. Але ні - ви забули про уприскування води! Розберемося, навіщо це робиться і чому досі не застосовується в масовому автомобілебудуванні.

Про биватель при згадці системи упорскування води в циліндр скептично хмикнет: якщо двигун автомобіля отримає гідроудар, нічого доброго з цього не вийде. Але одна справа, коли при проїзді глибокої калюжі в двигун через впускний тракт потрапляє велика кількість води, яку намагається стиснути поршень - це призводить до руйнування шатунно-поршневої групи ... Зовсім інша - точковий впорскування спеціальної суміші в камеру згоряння.

Як це працює?

Система упорскування води найчастіше використовується на високофорсованих двигунах для поліпшення їх характеристик. Звідки виходить додаткова потужність? Існує відразу кілька варіацій системи, що розрізняються лише точками установки. Для цього у впускному колекторі встановлюється спеціальна форсунка, що подає у впускний тракт водометанольний суміш, яка змішується з паливною сумішшю, яка подається в камеру згоряння.

Чому саме суміш води зі спиртом? По-перше, така рідина замерзає при більш низьких температурах, а по-друге, вода зі спиртом пропонує кращі розсіюванням, через що утворюється більш рівномірна суміш і зменшується температура у впускному колекторі. За рахунок дрібнодисперсних крапель суміш охолоджується, що дозволяє підвищити ступінь стиснення, а також зменшити швидкість горіння суміші в циліндрах, а це знижує можливість детонації. Також зниження температури горіння паливно-водяної суміші впливає на хімічні процеси в камері згоряння, що зменшує концентрацію шкідливих викидів азоту і вуглекислих газів.

Досліди російських конструкторів на дизельних двигунах з експериментальними системами показали зниження викидів оксидів азоту в три-чотири рази, а викидів СО2 - в 1,2 рази.

Здавалося б, одні плюси! Але, як і все в світі, ідеальних речей не буває. У відпрацьованих газах збільшується концентрація незгорілих вуглеводнів, що трохи збільшує витрату палива автомобіля. На малій швидкості або повністю відкритій дросельної заслінки двигун може працювати нестабільно.

Однією з ключових причин є нерівномірний розподіл рідини по циліндрах - в деяких з них неминуче створюється збіднена суміш. Зазвичай таку проблему можна вирішити, встановивши систему з індивідуальними форсунками на кожен з циліндрів, керованих комп'ютером.

Крім того, користувачі часто забувають, що в систему необхідно заливати тільки дистильовану воду. Адже розчинені в звичайній воді солі можуть призвести до утворення нагару в камерах згорання, і, як наслідок, зменшити ресурс двигуна. Подивіться на накип в чайнику - ви ж не хочете, щоб подібна гидота була і всередині циліндрів?

З чого все почалося?

Вперше у світовій практиці впорскування води в циліндри двигуна застосував угорський інженер Bcnki на початку XX століття. Ще через кілька років професор Хопкінсон з Англії успішно застосував експериментальну систему уприскування води для поліпшення характеристик промислових двигунів. А найбільший внесок зробив Гаррі Рікардо, творець однойменної марки, що займається випуском автомобільних комплектуючих. На його рахунку - численні дослідження, кілька патентів і навіть монографія High-Speed ​​Internal Combustion Engine, в яких детально описані методи і випробування двигунів з уприскуванням води.

В результаті всіх випробувань Рікардо представив двигун, оснащений системою впорскування суміші води з метанолом, завдяки якій вдалося домогтися збільшення характеристик мотора майже двократно! Широке застосування водометанольний суміші знайшли під час Другої світової війни. Першу скрипку зіграли авіатори, які в гонитві за швидкостями і висотою шукали будь-які хитрощі, щоб вичавити максимум потужності з поршневих двигунів, яких до кінця війни все одно замінили реактивної авіацією.

У 1942 році на озброєння ВПС Німеччини надійшов іcтребітель Focke-Wulf 190 D-9, оснащений системою впорскування водометанольний суміші під час форсажу. Причому він був не єдиним у своєму роді в Люфтваффе. Схожої системою впорскування оснащувалися двигуни Daimler-Benz 605 і BMW 801D для Messerschmidt Bf-109, а також Junkers Jumo 213A-1. Варто відзначити, що авіаційні двигуни того часу вже мали системи турбонаддува, і впорскування води, по суті, грав роль інтеркулера. Водометанольний суміш MW-50 впорскувалася у впускний тракт авіаційного двигуна, де змішувалася з паливною сумішшю, прямуючи в камеру згоряння. В результаті контакту з розпеченими стінками циліндрів вода перетворювалася на пару, яка, розширюючись, створював в циліндрі надлишковий тиск, а попереднє охолодження паливної суміші на впуску сприяло збільшенню її обсягу в циліндрі і покращувало ефективність згоряння палива. В результаті потужність німецьких моторів короткочасно збільшувалася на 20-30 відсотків, що давало останнім переваги по набору висоти і максимальної швидкості.

На фото: Messerschmitt Bf-109

Власні системи упорскування води розробили і союзники. Так, американська компанія Pratt & Whitney в своєму двигуні J57 для бомбардувальника В-29 встановила схожу систему для підвищення характеристик двигуна на малих і середніх висотах. Схожу систему з успіхом застосовували і на винищувачах. У 1943 році за наказом НКАП моторний завод №45 мав розробити документацію на радянську систему уприскування води для двигунів АМ-38Ф. Дослідна партія з п'яти літаків Іл-2, оснащених двигуном з уприскуванням води, була побудована на заводі №18, однак після випробувань система була визнана занадто дорогий і складною в налаштуванні.

На фото: ІЛ-2

На яких автомобілях застосовувалося?

З розвитком в кінці війни реактивних двигунів роботи по збільшенню потужності поршневих агрегатів були практично згорнуті, і багатий досвід форсування відійшов на задній план. Але про системах згадали автомобільні компанії. Першим уприскування водометанольний суміші на серійному автомобілі стали застосовувати американці з General Motors, яким така система виявилася потрібна для підвищення детонаційної стійкості турбомотора Oldsmobile F-85 Jetfire. Що з цього вийшло, ми вже розповідали вам раніше .

На фото: Oldsmobile F-85 Jetfire Hardtop Coupe 1963

Ще одним виробником, згадати про корисні властивості водометанольний суміші, став шведський Saab, де до початку 1980-х років встановлювали систему уприскування води на Saab 99 Turbo S . Правда, з появою интеркулеров, охолоджуючих повітря у впускному тракті, такі системи на серійних автомобілях плавно зійшли нанівець, але не були забуті в автоспорті.

У 1983 році команди Формули-1 Renault і Ferrari встановили на свої боліди системи упорскування води, що дозволили італійцям в підсумку посісти перше місце в кубку конструкторів. На машинах були встановлені баки об'ємом 12 літрів для зберігання суміші спирту і води, регулятор тиску і водяний насос, однак згодом подібні системи були заборонені регламентом .

На фото: Renault RE40 '1983

Схожі системи намагалися впровадити в середині 1990-х в WRC, але і там вони отримали заборону через недовгий час, як і на ле-мановскіх спортпротіпах. Дуже широке поширення баки з водою отримали у американських гонщиків на ¼ милі. Могутні американські «вісімки» дрегстеров, забезпечені механічними нагнітачами, вимагали серйозного охолодження, а інтеркулери ще не набули широкого поширення. Тоді деякі світлі голови і згадали про корисні властивості водно-спиртової суміші, яка подається в двигун. Так, суперкар Porsche 911, доопрацьований фірмою 9ff, в 2005 році встановив рекорд швидкості 388 км / год для автомобілів, офіційно сертифікованих для доріг загального користування. Його оппозитная «шістка» з двома турбокомпресорами на пару зі звичайними интеркулерами була також оснащена системою впорскування води.

Впорскування води, наші дні

На деякий час інтерес до систем від виробників згас, але в 2015 році про технології згадали мотористи BMW, що вирішили застосувати впорскування води вже не для підвищення потужності, а для зниження витрат на бензин. Першим автомобілем, випробувати систему уприскування води з метанолом, став пейс-кар BMW M4, який бере участь в гонках MotoGP. Але якщо там була встановлена ​​звичайна форсунка, що подає суміш у впускний колектор, то на дослідному трьохциліндровому турбомотор робочим об'ємом 1,5 літра система стала більш просунутою.

Вода змішується з паливною сумішшю за допомогою паливного насоса високого тиску Bosch, спрацьовує тільки на оборотах мотора понад 4 000. Водно-паливна суміш через форсунку впорскується в саму камеру згоряння. В результаті потужність 201-сильного двигуна збільшилася на 14 л. с., зросла детонаційна стійкість двигуна, що дозволило підняти ступінь стиснення з 9.5: 1 до 11,0: 1 і в цілому поліпшити віддачу мотора на низьких і середніх оборотах. Обсяг водяного бака з підігрівом - 7 літрів, а в звичайних умовах автомобіль витрачає близько 1,5 літра води на 100 км шляху, що означає необхідність поповнення системи майже кожні 500 кілометрів.

На фото: BMW M4 Coupé MotoGP Safety Car (F82) '2015

Однак інженери BMW передбачили і інші способи видобутку води: при роботі кондиціонера конденсат з системи автоматично зливається в бак. Всі ці хитрощі дозволяють економити майже 8% палива на 100 км шляху в змішаному циклі, а особливо ефективно система може працювати в парі з гібридним приводом. Правда, про таких гібридах в БМВ поки мовчать.

Серійний випуск двигунів з водометанольний системою впорскування за планами повинен початися вже в кінці цього року, причому поставлятися такі БМВ будуть і в Росію. На наше щастя, через підвищеної стійкості до детонації ці машини будуть менш вимогливі до октанового числа - заправлятися можна буде звичайним Аі-95.

Чи можна поставити таку систему собі на машину?

Якщо дуже хочеться, то можна. Начитавшись інтернету, умільці роблять саморобні системи, використовуючи в якості елементів крапельниці, медичні шприци та інші вироби, встановлюють у впускному колекторі за дросельною заслінкою і ... такі системи працюють.

Втім, всі плюси від підвищеної потужності або крутного моменту перекреслюються одним жирним мінусом. Адже по суті такий самопал просто ллє величезну кількість води в колектор, що не розпорошуючи її, в результаті чого водяна суспензія надходить в усі циліндри нерівномірно. Про наслідки ми вже говорили вище - в деяких циліндрах води більше, ніж в інших, що призводить до збіднення суміші в окремих циліндрах і нерівномірну роботу двигуна. У гіршому випадку кількість води, поступаемой в циліндр, так велико, що призводить до шансу отримати той самий горезвісний гідроудар.

Для тих, у кого є трохи більше грошей, продавці тюнінг-аксесуарів пропонують комплект з насоса високого (близько 5-10 бар) тиску, електронного блоку управління насосом, форсунок для вприскування суміші і, природно, бачка для води. У найдорожчих системах застосовується клапан, який регулює тиск і кількість поступаемой води.

Принцип роботи такої системи простий: блок управління, підключений до датчика витрати повітря двигуна, аналізує отриману інформацію і розраховує подачу води, давши команду насосу.

Незважаючи на гадану простоту, і тут виникають певні складнощі. Впорскування води відбувається тільки на певних режимах роботи двигуна, зазвичай подібні системи працюють при оборотах двигуна понад 3 000 об / хв. До того ж система майже не контролює подачу суміші, а тільки подає команду на включення / вимикання насоса. Основним обмеженням на кількість впорскується води стає тільки продуктивність самої форсунки.

До речі, поки блок дасть команду насосу на запуск, поки насос включається і починає перекачувати воду, відбувається затримка між відправкою команд на уприскування палива і впорскування води, що неминуче знижує ефективність всієї системи.

Головними фахівцями по системах уприскування води для автомобільних двигунів були визнані конструктори британської фірми Aquamist, в 1990-і постачали комплекти для болідів WRC, поки їх не заборонили. І ціна на тюнінг-кити коливається в районі 3 000 доларів. Загалом, поки впорскування води залишається досить екзотичним, недешевим і, поклавши руку на серце, не таким вже ефективним засобом форсування.