Система впрыска воды в двигатель

Методы прямого впрыска воды в рабочее пространство двигателя

Вода может быть введена в камеру сгорания через отдельные сопла, смонтированные в одной форсунке, через отдельную форсунку, установленную в крышку цилиндра, или расслоенным впрыском воды и топлива через сопла одной форсунки.

Фирма Wärtsilä в своих разработках пошла по пути непосредственного впрыска воды в камеру сгорания серийных двигателей. Объем подаваемой воды составляет 15. 70% от цикловой подачи топлива. Для впрыска воды была разработана форсунка с двумя сопловыми наконечниками (рис. 6.3) для раздельного подвода топлива и воды, а также система подачи воды к форсунке (рис. 6.4). Для впрыска воды использовался топливный насос высокого давления, выполняющий роль генератора импульсов для поршневого разделителя, который и осуществляет подачу воды к форсунке под давлением 21 МПа.

Электронная система управления позволяет изменять подачу воды в зависимости от режима работы двигателя в широких пределах и обеспечить аварийное отключение ее подачи в случае зависания иглы распылителя. Испытания системы показали, что ее использование дает возможность снизить выбросы NO_x на 50. 60% без заметного снижения мощности.

Данная система сегодня предлагается фирмой Wärtsilä как дополнительная опция для новых двигателей и для модернизации двигателей, уже находящихся в эксплуатации, которые оснащены топливными системами с одной центральной форсункой.

Для модификаций двигателей, оснащенных двумя форсунками (рис. 5.29), была разработана аккумуляторная система раздельного впрыска воды и топлива с электронным управлением подачи воды. Схема расположения основных элементов данной системы представлена на рисунке 6.5. Для впрыска воды использовалась форсунка, установленная периферийно в крышке рабочего цилиндра. Впрыск жидкого топлива осуществлялся штатной топливной системой двигателя через форсунку, установленную вдоль оси цилиндра.

В 1999 г. фирма оснастила системами раздельного впрыска воды семь судов типа ро-ро для компании Transfennica. Суда дейдветом 7100. 7250 т были построены на немецкой верфи J. J. Sietas и оборудованы 12- и 16-цилиндровыми двигателями 46-й серии фирмы Wärtsilä.

Более чем десятилетняя эксплуатация судов показала, что данная технология позволила сократить выбросы NO_x на 50. 60%, а потеря экономичности при этом не превышала 2. 3 г/(кВт-ч). Характер протекания рабочего процесса двигателя с впрыском воды представлен на рисунке 6.6.

Как видно из рисунка 6.6, впрыск воды начинается за 45° до ВМТ и заканчивается непосредственно перед началом впрыска топлива за 10° до ВМТ.

Испарение водяного аэрозоля сопровождается снижением температуры в камере сгорания, а наличие большого количества водяного пара в заряде приводит к повышению его теплоемкости. Совместное действие этих двух факторов ведет к снижению температур в локальных очагах горения и сокращению образования оксидов азота.

Прямой впрыск воды обеспечивал оптимальную комбинацию хорошей экономичности и снижение вредных выбросов с выхлопными газами. Это достигнуто одноразовой, относительно невысокой инвестицией и незначительным увеличением эксплуатационных затрат без снижения надежности и фактически без дополнительных требований по размещению оборудования.

Фирма Mitsubishi Heavy Industries исследовала расслоенный впрыск топлива и воды (SFWI) через один распылитель, оборудованный специальным клапанным устройством, позволяющим в периоды между впрысками заполнять водой часть внутренней полости трубопровода высокого давления (рис. 6.7а). Таким образом, в потоке топлива, подводимого к форсунке, формировались четко выраженные зоны чередования воды и топлива. При впрыске последовательно вытеснялись топливо, вода и снова топливо, формируя в факеле распыливания четко выраженные слои (рис. 6.7б). Устройство обеспечивало стабильную работу малооборотного двигателя Mitsubishi UEC 52/ 105 на всех режимах работы. Отмечавшееся сокращение выбросов NO_x было прямо пропорционально количеству введенной воды.

Для высокооборотных двигателей в качестве перспективных рассматриваются системы расслоенного впрыска топлива и воды через один распылитель, оборудованный специальным золотниковым устройством, позволяющим в периоды между впрысками заполнять водой часть внутренней полости, прилегающей к игле форсунки. Схема такого распылителя показана на рисунке 6.8.

При закрытом игольчатом клапане канал подвода воды в корпусе распылителя совпадает с каналом в теле игольчатого клапана. Давление подводимой воды несколько выше, чем остаточное давление в топливной магистрали, поэтому часть воды попадает в надыголочное пространство, вытесняя топливо и формируя водяную прослойку в надыголочной камере. При нагнетании топлива ТНВД канал подвода воды перекрывается обратным клапаном, а при поднятии игольчатого клапана происходит дополнительное разъединение водяной и топливной полостей за счет перекрытия канала подвода воды в корпусе распылителя образующей игольчатого клапана.

В результате в факеле распыливания, формируемого форсункой, образуются четко выделенные зоны топлива и воды.

Как впрыск воды повышает мощность мотора

Уже более ста лет автомобильные инженеры работают над повышением отдачи мотора. Поначалу все было просто: больше литраж, больше цилиндров, больше мощности! Но довольно быстро стало понятно, что replacement for displacement все-таки необходим: в ход пошли компрессоры, турбины, усложнение ГРМ с многоклапанными конструкциями и регулируемыми фазами, распределенный и непосредственный впрыск, облегчение поршневой группы. Теперь, когда к ДВС все чаще в компанию стали добавлять электромоторы, кажется, что предел форсирования обычного мотора достигнут. Но нет — вы забыли про впрыск воды! Разберемся, зачем это делается и почему до сих пор не применяется в массовом автомобилестроении.

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.

Как это работает?

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.

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.

Немного о впрыске воды. Водка, метанол, вода?

Коэффициентом наполнения называется отношение количества свежего заряда, по массе, действительно поступившего в цилиндр, к количеству свежего заряда, также по массе, которое могло бы заполнить рабочий объем цилиндра при давлении и температуре в исходном состоянии на впуске в двигатель

Или проще – чем выше значения коэффициента наполнения VE, тем больше воздуха поступит в двигатель, а значит и будет возможность больше сжечь топлива. Нет воздуха, нет кислорода и не возможен процесс горения при котором выделяется тепло.

Что скрывается под рекламой производителей систем впрыска Вода / Метанол

Сегодня пост будет интересный, но для многих, скучный (много формул). Я постараюсь его написать так, что бы, для тех, кому не понятны формулы, дошла сама суть (Вы можете просто их пропускать и читать мои комментарии). Не переживайте, есть читатели моего блога, которые проверят все расчеты.

Так в чем подвох, давайте разберемся. Все производители систем впрыска В/М (вода/метанол) заявляют, что при установке из продукции, у Вас будет падение температуры 50-200 градусов на впуске.

Примерно эти заявления выглядит так (они у всех, как под копирку, одно и то же)

Впрыск воды в дизель

Прежде чем перейти непосредственно к теме самой статьи хотел напомнить, что это уже 4 часть и без прочтения предыдущих 3-х, будет не совсем все понятно.

· С учетом того, что речь идет о тюнинге дизельных двигателей, где принцип поднятия момента и мощности отличается от бензиновых моторов, не лишним будет прочитать ранее написанные посты, посвящённые базовым принципам повышения мощности на дизельных двигателях –Дизельный двигатель, пути повышения мощности; Увеличение мощности дизельного двигателя, топливные карты.

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.

Мощность нужна не только на графике полученная при идеальных условиях, но и в более тяжелых. К примеру, в жаркий летний день. Предлагаю посмотреть на результат замера

Замер на 4-й передаче, температура 32 градуса и в итоге 220 л/с, момент 528 НМ. Главное, как вы помните из постов о дизелях – это температура выпускных газов ЕГТ. В стоке, на этом моторе она достигает 730 градусом (см. на график). Поднять момент на этой машине безопасно это не проблема, а вот удержать его после 2800 оборотов и при этом не перегреть мотор, это программно не решить. Как вы можете заметить на графике, в точке 3000 оборотов, мощность с колес равняется 165 силам. Предлагаю посмотреть в живую, как меняется мощность в этой точке при удержании всего лишь 15 секунд,

Мощность со 185 сил падает до 160 л/с, температура двигателя достигает 112 градусов, ЕГТ более 700. Программа управлением двигателя очень умная, она не даст так просто мотору умереть, но в результате будет очень и очень сильно обрезана мощность. Пардон – это сток, можете представить, что будет при тюнинговой “прошивке”.

И так, проблема обозначена, самое время переходить к простым способам решения. Для этого была установлена система впрыска воды. В первом тесте прогрессивно подавалась вода с максимальным значением 100 грамм/минута. Всего 100 миллилитров в минуту обыкновенной воды H2O. Смотрим на результат

232 л/с, момент 531 Нм, максимальное значение ЕГТ составило 685 градусов. Да, вот теперь есть большой резерв и для увеличения мощности в безопасном режиме.

Идем дальше, тест 2 — увеличили подачу воды до 240 миллилитром в минуту ( 2 рюмки воды в минуту при полном газе на максимальной мощности). Смотрим на результат.

Результат сам говорит за себя – 242 л/с и момент 544 Нм. Температура ЕГТ в пике составила 704 градуса.

Небольшое теоретическое отступление. Подача воды, кроме охлаждения поступающего воздуха, значительно понижает температуру в камере сгорания и ЕГТ. В тесте 2 температура ЕГТ хоть и значительно ниже, чем в сток варианте, но при этом выше, чем в тест 1, где подача воды была всего 100 мл/мин. Причина заключается в том, что ЭБУ двигателя распознал, что температуры охлаждающей жидкости, мотора, катализатора и т.д. не так уж и велики и сам добавил топлива. Или точнее, перестал делать защитные корректировки.

Как вы помните, увеличить мощность на дизельном моторе очень просто, достаточно добавить топлива. Ну и конечно, еще легче в таком варианте, сократить жизнь дизельного мотора и турбины. Чтобы не было проблем, необходимо всегда находить баланс между мощностью и температурами ДВС и ЕГТ.

Предлагаю посмотреть опять в живую, тест при 3000 об/мин, но уже с впрыском воды

Как видно из видео, мощность не только подросла до 195 л/с с колес, но и держалась дольше и в конце понизилась до 172 л/с, а не как в сток варианте до 160. Максимально значение ЕГТ при этом составило 680 градусов. Температура мотора, также в пике была на 10 градусов ниже (102*С).

Переходим к тесту 3. Теперь мы использовали не воду, а 50/50 вода/метанол. Смотрим на результат

Метанол – это уже топливо, и естественно содержит энергию, в отличие от просто воды. Соответственно подросла не только мощность до 248 л/с и момент составил 568 Нм, но и значительно поднялась температура ЕГТ (740*С).

Использование метанола, как средство для повышения мощности в дизельных двигателях, мне кажется, не является правильным направлением. Добавляя более 50% метанола, может привести к детонации, да и вообще зачем, а не проще ли просто увеличить подачу родного топлива путем классического “чип тюнинга “. А вот впрыск воды открывает новые возможности и сильно расширяет лимиты, ограничивающие безопасное увеличение момента и максимальной мощности. Исключение составляет зимнее время, когда просто необходимо добавлять, как минимум 20% метанола, для решения проблемы с замерзанием воды.
Внедорожники, которые лазят по горам, в грязи и т.д. испытывают серьезную нагрузку на двигатель из-за проблем с охлаждением. Использование впрыска воды кардинальным образом решает эту проблему.

Если будет интерес, то в следующем посте, я покажу вам на примере этой же BMW, прямо онлайн процесс увеличения мощности и как сильно упрощается эта задача с впрыском малого количества воды. Задача состоит не построить гоночный дизельный болид, а безопасно, значительно улучшить характеристики сток дизельного мотора и при этом, заправку маленького бочка для воды, производить не чаше, чем стандартная заправка топливом при очень активной езде.

Также предлагаю сравнительный график, со всеми выше приведенными замерами

И последнее, что бы хотел сказать положительного о системах впрыска воды (вода/метанол). Масло, у него много функций и одна из них – очищение ДВС от различных отложений. Впрыск вода/метанол великолепно выполняет эту функцию, а значит и ваше масло, будет дольше служить. Окисление масла является главной причиной того, что при работе двигателя его детали и система смазки загрязняются различного рода углеродистыми отложениями, Понижение температуры двигателя, также очень положительно влияет на процесс окисления моторного масла.

Кроме всего прочего нагар, отложения (carbon deposit) в двигателе значительно ухудшают характеристики мотора. Привожу пример – после всех замеров, испытаний на BMW с впрыском воды и вода/метанол, а их было достаточно много, мы произвели в конце последний замер, опять сток. Предлагаю посмотреть на результат

Условия остались прежними. Как говорится — “думайте сами, решайте сами”.

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.