Впрыск воды
Технология впрыска воды почти такая же старая, как и сам автомобиль. Однако, как и многие автомобильные технологии, она потеряна - так как мода берет свое. Впрыск воды - это возможность подавить детонацию, что позволяет поднять давление в цилиндрах. Этим процессом легко управлять и довольно просто установить. Теперь когда выброс газов в атмосферу контролируется все жестче, октановое число бензина понижается, а его цена растет, впрыск воды становится лучшим способом контроля детонации. И у него есть одно неоспоримое преимущество, "топливо" - доступно практически за бесплатно.
Как это работает
Итак, как же вода помогает подавить детонацию? Детонация случается когда пламя в цилиндре не програссирует, а вместо этого происходит взрыв. Это вызывает массивное увеличение давления, которое может повредить поршни, кольца и даже головы. 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 поднимится 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 противо-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 модно избежать если смесь воздух/топливо делать более богатой. По мере роста давления детонация усиливается, но обогащение смеси снимает проблему, в тоже время было найдено 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 вода?
Несмотря на то, что мы пока говорили только про "воду", многие системы используют смесь воды с метанолом (50/50), или води и метиловые спирты. Исследования во времена 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 присутсвие 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 "здоровьи" вашего двигателя. Двигатели, нагнетающие воздух принудительно (турбо и компрессорные) очень легко повредить если беднить смесь или изменять зажигание.
Мне доводилось слышать, что можно добавлять воду непосредственно в бензин. Однако, я незнаю факта, чтобы кто-то реализовал это на практике.
Системы впрыска воды
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 мне 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 имеет меньше шансов "упасть" с воздуха и намочить стенки впускного коллектора, что может вызвать неравномерное распределение воды по цилиндрам. Капли маленького размера - требуют насоса с высоким давлением и правильного дизайна форсунки.
Английская компания Aquamist специализируется на изготовлении таких систем. Они производят свои собственные насосы, которые работают с низким потоком но высоким давлением. Насос использует двойной цикл, сначала вода затягивается, а потом выпускается через клапан, это обеспечивает потом примерно 160 кубиков в минуту при давлении порядка 3 бар. Насос имеет встроенную электронику для контроля цикла.
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. В турбированных же автомобилях выбор шире:
• до коспрессора
• после компрессора, но до интеркулера
• после интеркулера
Мы рекомендуем для атмосферных автомобилей установливать форсунку до дроссельной заслонки, 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 насосом
Этот вид системы подходит как для турбированных, так и для атмосферных двигателей. Можно даже использовать насос от сельскохозяйственных систем для орошения. Наиболее простой способ включения - это установка датчика на впускной коллектор, который будет обеспечивать включение системы, когда двигатель вышел на заданное давление. Или же можно использовать микропереключатель под педалью газа. Встречаются и системы, которые замеряют ускорение автомобиля и в зависимости от этого опредяляют момент включения системы.
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 переодически заправлять. Кроме того, такая система снижает выброс вредных веществ в атмосферу. Ну а еще ее можно использовать для впрыска "увеличителя октанового числа бензина". Эффективность впрыска воды зависит от погоды, при сильно влажном воздухе эффекта практически не будет.