Впорскування води в двигун автомобіля

Потужність мотора - найпоширеніша тема в колах автолюбителів. Майже кожен автомобіліст хоча б раз замислювався над тим, як підвищити продуктивність силового агрегату. Одні встановлюють турбіни, інші рассверливают циліндри і т.д. (Про інші методи підвищення потужності розповідається в інший статє). Багатьом, кого цікавить автомобільний тюнінг, відомо про системи, які подають невелику кількість води або її суміші з метанолом.

Більшості автомобілістів знайоме таке поняття, як гідроудар двигуна (про нього теж є окремий огляд). Як же вода, яка провокує руйнування ДВС, в той же час здатна підвищити його продуктивність? Спробуємо розібратися з цим питанням, а також розглянемо переваги і недоліки, які має система уприскування водометанола в силовий агрегат.

Що таке система упорскування води?

Якщо сказати коротко, то дана система є бачок, в який заливається вода, але частіше суміш метанолу і води в пропорції 50/50. У ньому встановлений електричний двигун, наприклад, від омивача лобового скла. Система з'єднана еластичними трубками (в самому бюджетному виконанні беруться шлангочкі від крапельниці), на кінці яких встановлюється окрема форсунка. Залежно від виконання системи упорскування здійснюється через один розпилювач або через кілька. Подача води здійснюється, коли в циліндр всмоктується повітря.

Якщо брати заводський варіант, то установка буде мати спеціальний насос, який управляється електронікою. В системі буде присутній один або кілька датчиків, які допомагають визначити момент і кількість розпилюється води.

З одного боку, здається, що вода і мотор - поняття несумісні. У циліндрі відбувається згорання повітряно-паливної суміші, а, як всім з дитинства відомо, полум'я (якщо це горять не хімічні речовини) гаситься саме водою. Ті, хто «познайомився» з гідроударів мотора, на власному досвіді переконався, що вода - найостанніша речовина, яке повинно потрапляти в двигун.

Однак ідея упорскування води - не плід підліткового уяви. Насправді цієї ідеї майже сто років. У 1930-х роках для військових потреб Гаррі Рікардо удосконалив авіаційний двигун Rolls-Royce Merlin, а також розробив синтетичний бензин з високим октановим числом (детально про це поняття розповідається тут) Для авіаційних ДВС. Недолік такого палива - високий ризик виникнення детонації в моторі. Чим небезпечний цей процес, розказано окремо, Але якщо коротко, то повітряно-паливна суміш повинна згоряти рівномірно, а в цьому випадку вона буквально вибухає. Через це деталі агрегату відчувають надмірне навантаження і швидко виходять з ладу.

Щоб боротися з подібним ефектом, Г.Рікардо провів ряд досліджень, в результаті чого зміг домогтися придушення детонації за рахунок упорскування води. На підставі його розробок німецьким інженерам вдалося реалізувати підвищення потужності агрегатів в своїх літаках майже вдвічі. Для цього використовувався склад MW50 (methanol wasser). Наприклад, таки мотором був оснащений винищувач Focke-Wulf 190D-9. Його пікова віддача становила 1776 кінських сил, але при короткочасному форсажі (в циліндри подавалася згадана вище суміш) ця планка піднімалася до 2240 «коней».

Дана розробка використовувалася не тільки в цій моделі літаків. В арсеналі німецької та американської авіації було кілька модифікацій силових агрегатів.

Якщо говорити про серійних автомобілях, то модель Oldsmobile F85 Jetfire, що зійшла з конвеєра в 62-му році минулого століття, отримала заводську установку упорскування води. Ще один серійний автомобіль з форсировкой мотора подібним чином - Saab 99 Turbo, випущений в 1967-му році.

Oldsmobile F85 Jetfire

Отримає 99 Turbo

Популярність дана система набрала обертів за рахунок застосування в 1980-90гг. в спортивних автомобілях. Так, в 1983-му році компанія Renault оснащує свої боліди Formula1 12-літровим баком, в якому встановлювався електронасос, контролер тиску і потрібну кількість форсунок. ДО 1986-му році інженерам команди вдалося домогтися підвищення крутного моменту і віддачі силового агрегату з 600 до 870 кінських сил.

У гоночної війні автовиробників компанія Ferrari теж не хотіла «пасти задніх», і вирішила використовувати в деяких своїх спорткарах дану систему. Завдяки такій модернізації бренду вдалося завоювати провідну позицію серед конструкторів. Ту ж концепцію розвивав бренд Porsche.

Подібні модернізації проводилися з автомобілями, які брали участь в заїздах з серії WRC. Однак на початку 90-х організатори подібних змагань (в тому числі і F-1) внесли поправки в регламент, і заборонили використовувати дану систему в болідах.

Ще один прорив в світі автоспорту зробила подібна розробка на змаганнях з драг-рейсинг в 2004-му році. Світовий рекорд в заїзді на ¼ милі був побитий двома різними автомобілями, незважаючи на спроби взяти цей рубіж за допомогою різних модифікацій силових агрегатів. Ці авто з дизельними моторами були оснащені подачею у впускний колектор води.

Згодом автомобілі стали отримувати інтеркулери, які дозволяють знижувати температуру потоку повітря перед тим, як він надійде у впускний колектор. Завдяки цьому інженерам вдалося знизити ризик виникнення детонації, і в системі уприскування відпала необхідність. А різке підвищення потужності став можливим завдяки впровадженню системи подачі закису азоту (офіційно з'явилася в 2011-му році).

У 2015-му році про уприскуванні води знову стали з'являтися новини. Так, новий автомобіль безпеки для змагань MotoGP, розроблений компанією BMW, отримав класичний комплект, що забезпечує розпилення води. На офіційній презентації лімітованої серії авто представник баварського автовиробника зробив, що в майбутньому планується випустити лінійку цивільних моделей з подібною системою.

Що дає впорскування води або водометанола двигуну?

Отже, перейдемо від історії до практики. Навіщо ж мотору потрібно впорскування води? Коли у впускний колектор потрапляє строго обмежена кількість рідини (розпорошується крапля не більше 0.1 мм), при контакті з розпеченої середовищем вона відразу ж переходить в газоподібний стан з високим вмістом кисню.

Охолоджена ВТС набагато легше стискується, завдяки чому коленвалу потрібно задіяти трохи менше зусиль на виконання такту стиснення. Таким чином, установка дозволяє відразу вирішити декілька проблем.

По-перше, у гарячого повітря, менше щільність (заради експерименту можна винести порожню пластикову пляшку з теплого будинку на мороз - вона пристойно стиснеться), тому в циліндр буде надходити менше кисню, а це значить, що бензин або солярка буде гірше згоряти. Щоб усунути цей ефект, багато двигуни оснащуються турбонагнітачами. Але і в цьому випадку температура повітря не знижується, так як класичні турбіни працюють від розпеченого вихлопу, що йде по випускного колектора. Розпилення води дозволяє подавати в циліндри більше кисню, щоб підвищити ефективність згоряння палива. У свою чергу це позитивно позначиться на каталізаторі (детально про цю деталь читайте в окремому огляді).

По-друге, впорскування води дозволяє підвищувати потужність силового агрегату, не змінюючи його робочий об'єм і не змінюючи його конструкцію. Причина в тому, що в пароподібному стані волога займає набагато більше обсягу (за деякими підрахунками обсяг збільшується в 1700 разів). Коли в замкнутому просторі вода випаровується, створюється додатковий тиск. Як відомо, компресія має велике значення для крутного моменту. Без втручання в конструкцію силового агрегату і потужної турбіни цей параметр неможливо збільшити. А раз пар різко розширюється, від згоряння ВТС вивільняється більше енергії.

По-третє, завдяки розпорошення води паливо не перегрівається, і в моторі не утворюється детонація. Це дозволяє використовувати більш дешевий бензин з меншим октановим числом.

По-четверте, завдяки факторам, перерахованим вище, водій може не так активно тиснути на педаль газу, щоб машина була більш динамічною. Це забезпечується розпиленням рідини в ДВС. Незважаючи на підвищення потужності, витрата палива при цьому не підвищується. У деяких випадках при ідентичному режимі їзди ненажерливість мотора знижується до 20 відсотків.

По правді кажучи, у даної розробки є і противники. Ось найпоширеніші хибні уявлення щодо упорскування води:

1. Як же гідроудар? Не можна заперечувати, що при попаданні води в циліндри мотор відчуває гідроудар. Так як вода має пристойну щільність, коли поршень виконує такт стиснення, він не може досягти верхньої мертвої точки (це залежить від кількості води), але колінвал продовжує обертатися. Через це процесу можуть зігнутися шатуни, зірватися шпонки і т.д. Насправді впорскування води настільки незначний, що на такт стиснення не впливає.
2. Метал при контакті з водою з часом іржавіє. З даною системою такого не станеться, тому що температура в циліндрах працюючого мотора перевищує 1000 градусів. У пароподібний стан вода переходить при 100 градусах. Так що в процесі роботи системи в двигуні води немає, а тільки перегрітий пар. До речі, коли паливо згорає, в вихлопних газах теж присутня незначна кількість пара. Частковим підтвердженням тому є вода, що виливається з вихлопної труби (про інші причини її появи розповідається тут).
3. Коли в маслі з'являється вода, мастило перетворюється в емульсію. Знову ж, кількість розпилюється води настільки незначне, що в картер двигуна вона просто не може потрапити. Вона відразу ж стає газом, який видаляється разом з вихлопом.
4. Гарячий пар руйнує масляну плівку, через що силовий агрегат зловить клин. Насправді пар або вода не розчиняють масло. Справжнісіньким розчинником є ​​якраз бензин, але при цьому масляна плівка зберігається протягом сотень тисяч кілометрів пробігу.

Подивимося, як працює пристрій розпилення води в мотор.

Як працює система упорскування води

В сучасних силових агрегатах, що оснащуються даною системою, може встановлюватися різний тип комплектів. В одному випадку використовується одна форсунка, розміщена на патрубку впускного колектора перед розгалуженням. В іншій модифікації використовується кілька форсунок за типом розподіленого уприскування.

Найпростіший спосіб змонтувати подібну систему - встановити окремий резервуар для води, в якому буде розміщений електронасос. До нього підключається трубка, по якій рідина буде подаватися на розпилювач. Коли мотор вийде на потрібну температуру (про робочій температурі ДВС розповідається в іншій статті), Водій включає розпорошення, завдяки чому у впускному колекторі забезпечується створення вологого туману.

Найпростіша установка може встановлюватися навіть на карбюраторний мотор. Але при цьому не обійтися без певної модернізації впускного тракту. Управління системою в такому випадку забезпечується з салону водієм.

У більш просунутих модифікаціях, які можна знайти в магазинах для автотюнингу, настройка режиму розпилення забезпечується або окремим мікропроцесором, або його робота пов'язана з сигналами, що виходять із ЕБУ. В цьому випадку для установки системи потрібно скористатися послугами автоелектрика.

У пристрій сучасних систем розпилення входять такі елементи:

• Електронасос, що забезпечує тиск до 10 бар;
• Одна або кілька форсунок для розпилення води (їх кількість залежить від устрою всієї системи і принципу розподілу вологого потоку по циліндрах);
• Контролер - мікропроцесор, який управляє моментом і кількістю вприскування води. До нього підключається насос. Завдяки цьому елементу забезпечується постійна високоточна дозування. Алгоритми, прошиті в деяких мікропроцесорах, дозволяють системі автоматично підлаштовуватися під різні режими роботи силового агрегату;
• Бачок для рідини, яку потрібно розпорошувати в колектор;
• Датчик рівня, розміщений в цьому резервуарі;
• Шланги потрібної довжини і відповідні кріплення.

Система працює за таким принципом. На контролер упорскування надходять сигнали від датчика витрати повітря (детальніше про його роботі і несправності читайте тут). Відповідно до цих даних за допомогою відповідних алгоритмів мікропроцесор розраховує час і кількість розпилюється рідини. Залежно від модифікації системи форсунка може бути виконана просто у вигляді втулки з дуже тонким розпилювачем.

Більшість сучасних систем просто подають сигнал на включення / вимикання насоса. У більш дорогих комплектах є спеціальний клапан, який змінює дозування, але в більшості випадків він не функціонує належним чином. В основному контролер спрацьовує, коли мотор виходить на 3000 об / хв. і більше. Перш, ніж встановлювати подібну установку на своє авто, потрібно врахувати, що більшість виробників попереджають про некоректну роботу системи на деяких автомобілях. Докладного списку ніхто не надасть, тому що все залежить від індивідуальних параметрів силового агрегату.

Хоча основною функцією упорскування води є підвищення потужності мотора, в основному його використовують тільки в якості інтеркулера для охолодження потоку повітря, що йде від розпеченої турбіни.

Крім підвищення віддачі мотора багато хто впевнений, що робота уприскування також забезпечує очищення робочої порожнини циліндра і випускного тракту. Деякі впевнені, що наявність пара в вихлопі створює хімічну реакцію, яка нейтралізує кілька токсичних речовин, але в такому випадку машині не потрібен буде такий елемент, як автомобільний каталізатор або складна система AdBlue, про яку можна прочитати тут.

Підкачка води має ефект тільки на високих оборотах мотора (він повинен бути добре розігрітим і потік повітря повинен бути стрімким, щоб волога відразу потрапляла в циліндри), а в більшій мірі в турбированних силових агрегатах. Цей процес забезпечує створення додаткового крутного моменту і невеликий приріст потужності.

Якщо двигун атмосферне, то він не стане відчутно могутніше, але від детонації він точно не буде страждати. У турбированного ДВС встановлений перед нагнітачем впорскування води забезпечить підвищення ККД за рахунок зниження температури повітря, що поступає. А для ще більшого ефекту в такій системі використовується згадана раніше суміш води і метанолу в пропорції 50х50.

Переваги і недоліки

Отже, система упорскування води дозволяє:

• Температуру повітря, що поступає;
• Забезпечити додаткове охолодження елементів камери згоряння;
• Якщо використовується неякісний (низькооктановий) бензин, розпорошення води підвищує детонационную стійкість мотора;
• Використання того ж режиму їзди знижує споживання палива. Це означає, що при тій же динаміці автомобіль викидає меншу кількість забруднюючих речовин (звичайно, це не настільки ефективно, що машина може обійтися без каталізатора і інших систем нейтралізації токсичних газів);
• Не тільки підвищити потужність, але і змушує мотор крутити зі збільшеним на 25-30 відсотків моментом;
• В деякій мірі очищати елементи впускної і випускної системи двигуна;
• Поліпшити прийомистість мотора і відгук на натиснення педалі;
• Вивести турбіну на робочий тиск при менших оборотах ДВС.

Незважаючи на таку кількість корисних функцій, впорскування води небажаний для звичайних автомобілів, і є кілька серйозних причин, чому автовиробники не впроваджують його в серійні моделі авто. Більшість з них пов'язано з тим, що система має спортивне походження. У світі автоспорту економії палива взагалі не приділяється увага. Часом витрата у болідів досягає 20 літрів на сотню. Це пов'язано з тим, що двигун часто виводиться на максимальні оберти, а водій майже постійно тисне на газ до упору. Тільки в цьому режимі відчутний ефект від уприскування.

Отже, ось основні мінуси системи:

• Так як установка в першу чергу призначалася для підвищення продуктивності спорткарів, то ця розробка ефективна тільки на максимальній потужності. Як тільки мотор виходить на цей рівень, контролер фіксує цей момент, і здійснює уприскування води. З цієї причини для ефективної роботи установки автомобіль повинен експлуатуватися в спортивному режимі. При низьких оборотах мотор може бути більш «задумливим».
• Впорскування води здійснюється з деякою затримкою. Спочатку мотор виходить на режим потужності, в процесорі активується відповідний алгоритм, на насос йде сигнал про включення. Електронасос починає накачувати рідина в магістраль, і тільки після цього форсунка починає розпорошувати її. Залежно від модифікації системи на все це вона може зажадати близько однієї мілісекунди. Якщо машина їде в спокійному режимі, то від розпилення взагалі не буде ніякого ефекту.
• У модифікаціях з одною форсункою неможливо проконтролювати, скільки вологи потрапить в конкретний циліндр. З цієї причини, незважаючи на хорошу теорію, практика часто показує нестабільну роботу мотора, навіть при повністю відкритому дроселі. Це обумовлено різним температурним режимом в окремих «казанках».
• У зимовий період система потребує заправці не просто водою, а водометанолом. Тільки в цьому випадку навіть на морозі рідина буде безперешкодно подаватися в колектор.
• Для безпеки мотора впорскується воду потрібно дистильованої, а це додаткові витрати. Якщо використовувати звичайну водопровідну воду, зовсім скоро на стінках контактних поверхонь скопляться вапняні відкладення (як накип в чайнику). Присутність сторонніх твердих частинок в моторі загрожує швидкої поломкою агрегату. З цієї причини слід використовувати саме дистилят. У порівнянні з незначною економією палива (звичайний автомобіль не призначений для постійної роботи в спортивному режимі, та й законодавство забороняє це на дорогах громадського користування), сама установка, її обслуговування і використання дистиляту (а в зимовий період - суміші води та метанолу) економічно невиправдана .

По правді, деякі недоліки можна усунути. Наприклад, щоб силовий агрегат працював стабільно на високих оборотах або при максимальному навантаженні з низькими оборотами, можна встановити систему розподіленого упорскування води. В цьому випадку форсунки будуть встановлені по одній на кожен патрубок впускного колектора, як в ідентичній паливній системі.

Однак ціна такої установки в рази збільшується і не тільки через додаткових елементів. Справа в тому, що уприскування вологи має сенс тільки в разі рухомого потоку повітря. Коли впускний клапан (або декілька в разі деяких модифікацій моторів) закритий, а це відбувається протягом трьох тактів, повітря в патрубку нерухомий.

Щоб вода даремно не лилася в колектор (система не передбачає відведення зайвої вологи, що скупчується на стінках колектора), контролер повинен визначати, в який момент, і яка конкретно форсунка повинна вступити в роботу. Така складна настройка вимагає дорогого устаткування. У порівнянні з незначним для стандартного автомобіля приростом потужності такі витрати невиправдані.

Звичайно, ставити таку систему на свій автомобіль чи ні, це справа кожного. Ми розглянули як гідності, так і недоліки подібної розробки. На додаток пропонуємо подивитися детальну відеолекцію про те, як працює впорскування води:

Теорія ДВС: Уприскування води у впускний тракт

Питання та відповіді:

Що таке упорскування Водометанолу? Це впорскування незначної кількості води або водометанолу у працюючий мотор. При цьому підвищується детонаційна стійкість поганого палива, знижується викид шкідливих речовин, підвищується момент, що крутить, і потужність ДВЗ.

Навіщо потрібен упорскування води метанолу? Упорскування водометанолу охолоджує повітря, що всмоктується мотором, і знижує ймовірність детонації двигуна. При цьому збільшується ефективність роботи двигуна за рахунок великої теплоємності води.

Як працює система Водометанолу? Це від модифікації системи. Найефективніша синхронізується з паливними форсунками. Залежно від їх завантаження відбувається упорскування водометанолу.

Навіщо використовують Водометанол? Ця речовина використовувалася в Радянському союзі в авіаційних двигунах до появи реактивних двигунів. Водометанол знижував детонацію в ДВЗ та робив згоряння ВТС плавним.