Впрыск воды в дизельный двигатель

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”.

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.

О быватель 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.

В результате всех испытаний Рикардо представил двигатель, оснащенный системой впрыска смеси воды с метанолом, благодаря которой удалось добиться увеличения характеристик мотора почти что двукратно! Широкое применение водометанольные смеси нашли во время Второй мировой войны. Первую скрипку сыграли авиаторы, которые в погоне за скоростями и высотой искали любые ухищрения, чтобы выжать максимум мощности из поршневых двигателей, которых к концу войны все равно заменили реактивной авиацией.

В 1942 году на вооружение ВВС Германии поступил иcтребитель Focke-Wulf 190 D-9, оснащенный системой впрыска водометанольной смеси во время форсажа. Причем он был не единственным в своем роде в Люфтваффе. Похожей системой впрыска оснащались двигатели Daimler-Benz 605 и BMW 801D для Messerschmidt Bf-109, а также Junkers Jumo 213A-1. Стоит отметить, что авиационные двигатели того времени уже имели системы турбонаддува, и впрыск воды, по сути, играл роль интеркулера. Водометанольная смесь MW-50 впрыскивалась во впускной тракт авиационного двигателя, где смешивалась с топливной смесью, устремляясь в камеру сгорания. В результате контакта с раскаленными стенками цилиндров вода превращалась в пар, который, расширяясь, создавал в цилиндре избыточное давление, а предварительное охлаждение топливной смеси на впуске способствовало увеличению ее объема в цилиндре и улучшало эффективность сгорания топлива. В результате мощность немецких моторов кратковременно увеличивалась на 20-30 процентов, что давало последним преимущества по набору высоты и максимальной скорости.

На фото: Messerschmitt Bf-109

Собственные системы впрыска воды разработали и союзники. Так, американская компания Pratt & Whitney в своем двигателе J57 для бомбардировщика В-29 установила похожую систему для повышения характеристик двигателя на малых и средних высотах. Похожую систему с успехом применяли и на истребителях. В 1943 году по приказу НКАП моторный завод №45 должен был разработать документацию на советскую систему впрыска воды для двигателей АМ-38Ф. Опытная партия из пяти самолетов Ил-2, оснащенных двигателем с впрыском воды, была построена на заводе №18, однако после испытаний система была признана слишком дорогой и сложной в настройке.

На каких автомобилях применялось?

С развитием в конце войны реактивных двигателей работы по увеличению мощности поршневых агрегатов были практически свернуты, и богатый опыт форсировки отошел на задний план. Но о системах вспомнили автомобильные компании. Первым впрыск водометанольной смеси на серийном автомобиле стали применять американцы из General Motors, которым такая система оказалась нужна для повышения детонационной стойкости турбомотора Oldsmobile F-85 Jetfire. Что из этого получилось, мы уже рассказывали вам ранее.

На фото: Oldsmobile F-85 Jetfire Hardtop Coupe 1963

Еще одним производителем, вспомнившем о полезных свойствах водометанольной смеси, стал шведский Saab, где до начала 1980-х годов устанавливали систему впрыска воды на Saab 99 Turbo S. Правда, с появлением интеркулеров, охлаждающих воздух во впускном тракте, такие системы на серийных автомобилях плавно сошли на нет, но не были забыты в автоспорте.

В 1983 году команды Формулы-1 Renault и Ferrari установили на свои болиды системы впрыска воды, позволившие итальянцам в итоге занять первое место в кубке конструкторов. На машинах были установлены баки объемом 12 литров для хранения смеси спирта и воды, регулятор давления и водяной насос, однако впоследствии подобные системы были запрещены регламентом.

На фото: Renault RE40 ‘1983

Похожие системы пытались внедрить в середине 1990-х в WRC, но и там они получили запрет через недолгое время, как и на ле-мановских спортпротипах. Очень широкое распространение баки с водой получили у американских гонщиков на ¼ мили. Могучие американские «восьмерки» дрегстеров, снабженные механическими нагнетателями, требовали серьезного охлаждения, а интеркулеры еще не получили широкое распространение. Тогда некоторые светлые головы и вспомнили о полезных свойствах водно-спиртовой смеси, подаваемой в двигатель. Так, суперкар Porsche 911, доработанный фирмой 9ff, в 2005 году установил рекорд скорости 388 км/ч для автомобилей, официально сертифицированных для дорог общего пользования. Его оппозитная «шестерка» с двумя турбокомпрессорами на пару с обычными интеркулерами была также оснащена системой впрыска воды.

Впрыск воды, наши дни

На некоторое время интерес к системам от производителей угас, но в 2015 году про технологии вспомнили мотористы BMW, решившие применить впрыск воды уже не для повышения мощности, а для снижения расхода бензина. Первым автомобилем, опробовавшем систему впрыска воды с метанолом, стал пейс-кар BMW M4, участвующий в гонках MotoGP. Но если там была установлена обычная форсунка, подающая смесь во впускной коллектор, то на опытном трехцилиндровом турбомоторе рабочим объемом 1,5 литра система стала более продвинутой.

Вода смешивается с топливной смесью с помощью топливного насоса высокого давления Bosch, срабатывающему только на оборотах мотора свыше 4 000. Водно-топливная смесь через форсунку впрыскивается в саму камеру сгорания. В результате мощность 201-сильного двигателя увеличилась на 14 л. с., возросла детонационная стойкость двигателя, что позволило поднять степень сжатия с 9.5:1 до 11,0:1 и в целом улучшить отдачу мотора на низких и средних оборотах. Объем водяного бака с подогревом – 7 литров, а в обычных условиях автомобиль расходует около 1,5 литра воды на 100 км пути, что означает необходимость пополнения системы почти каждые 500 километров.

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

Однако инженеры BMW предусмотрели и другие способы добычи воды: при работе кондиционера конденсат из системы автоматически сливается в бак. Все эти ухищрения позволяют экономить почти 8% топлива на 100 км пути в смешанном цикле, а особенно эффективно система может работать в паре с гибридным приводом. Правда, о таких гибридах в БМВ пока молчат.

Серийный выпуск двигателей с водометанольной системой впрыска по планам должен начаться уже в конце этого года, причем поставляться такие БМВ будут и в Россию. На наше счастье, из-за повышенной стойкости к детонации эти машины будут менее требовательны к октановому числу – заправляться можно будет обычным Аи-95.

Можно ли поставить такую систему себе на машину?

Если очень хочется, то можно. Начитавшись интернета, умельцы делают самодельные системы, используя в качестве элементов капельницы, медицинские шприцы и прочие изделия, устанавливают во впускном коллекторе за дроссельной заслонкой и. такие системы работают.

Впрочем, все плюсы от повышенной мощности или крутящего момента перечеркиваются одним жирным минусом. Ведь по сути такой самопал просто льет огромное количество воды в коллектор, не распыляя ее, в результате чего водяная взвесь поступает во все цилиндры неравномерно. О последствиях мы уже говорили выше – в некоторых цилиндрах воды больше, чем в остальных, что приводит к обеднению смеси в отдельных цилиндрах и неравномерную работу мотора. В худшем случае количество воды, поступаемой в цилиндр, так велико, что приводит к шансу получить тот самый пресловутый гидроудар.

Для тех, у кого есть чуть больше денег, продавцы тюнинг-аксессуаров предлагают комплект из насоса высокого (около 5-10 бар) давления, электронного блока управления насосом, форсунок для впрыска смеси и, естественно, бачка для воды. В самых дорогих системах применяется клапан, регулирующий давление и количество поступаемой воды.

Принцип работы такой системы прост: блок управления, подключенный к датчику расхода воздуха двигателя, анализирует полученную информацию и рассчитывает подачу воды, дав команду насосу.

Несмотря на кажущуюся простоту, и здесь возникают определенные сложности. Впрыск воды происходит только на определенных режимах работы двигателя, обычно подобные системы работают при оборотах двигателя свыше 3 000 об/мин. К тому же система почти не контролирует подачу смеси, а только подает команду на включение/выключение насоса. Основным ограничением на количество впрыскиваемой воды становится только производительность самой форсунки.

Кстати, пока блок даст команду насосу на запуск, пока насос включается и начинает перекачивать воду, происходит задержка между отправкой команд на впрыск топлива и впрыск воды, что неминуемо снижает эффективность всей системы.

Главными спецами по системам впрыска воды для автомобильных двигателей были признаны конструкторы британской фирмы Aquamist, в 1990-е поставлявшие комплекты для болидов WRC, пока их не запретили. И цена на тюнинг-киты колеблется в районе 3 000 долларов. В общем, пока впрыск воды остается довольно экзотическим, недешевым и, положа руку на сердце, не таким уж эффективным средством форсировки.

Вторник, 25 сентября 2018 г. Рубрика: Наука Метки: дизель Автор статьи: keeplis

Отрицательной стороной описанных способов добавок воды является снижение надежности ДВС, вызванной дополнительной системой, необходимость применения дополнительных устройств для подогрева воды в зимних условиях. Однако эти недостатки могут быть компенсированы указанными эффектами.

Эмульсии. Как известно, вода и углеводородные топлива, будучи жидкостями различной полярности, не могут образовывать стойких растворов. С точки зрения коллоидной химии эмульсия-это микро-гетерогенная система, включающая дисперсионную среду и жидкую дисперсную фазу. В водных эмульсиях дисперсной фазой является вода. Эмульсии нередко получают ультразвуковым дроблением одной жидкости в другой в присутствии нужного эмульгатора, природа которого определяет тип и свойства эмульсии. Эмульгатор является поверхностно-активным веществом и снижает межфазное натяжение, благодаря чему обеспечивается стабильность эмульсии относительно расслаивания при различных сроках хранения и условиях эксплуатации.

Исследования по созданию стойких эмульсий и их применению в бензиновых и дизельных ДВС проводили в 20-х годах. В ряде опытов было установлено, что подача в бензиновый ДВС воды в виде эмульсии оказывает в несколько раз больший эффект, чем вода, впрыскиваемая в цилиндр ДВС.

Проводят исследования по применению эмульсий в автомобильных, тракторных, тепловозных и судовых дизелях. Положительный эффект обусловливается улучшением смесеобразования-более тонкий распыл и более равномерное распределение капель по сечению факела. Несомненно сказывается и изменение скорости протекания химических реакций на отдельных стадиях рабочего процесса. Экономия топлива на отдельных режимах может составить 3-8%. По данным работы, удельный расход топлива уменьшается на 4-7% при содержании воды в эмульсии в количестве 15-17%. Целесообразность применения эмульсий устанавливают в зависимости от мощности и количества переводимых на новые топлива двигателей и других факторов. Для различных вариантов срок окупаемости находится в пределах 0,25-2,3 года.

В вопросах применения добавок воды еще много неясного и противоречивого. Проведенные различными авторами исследования не всегда согласуются, особенно в части выбора оптимальной концентрации воды. В ряде работ содержание воды рекомендуется доводить до 15-25% и выше. Между тем опытами НАМИ было установлено, что уже при 10% воды мощностные показатели бензинового ДВС ухудшаются и его работа становится неустойчивой. В части применения эмульсий нуждаются в более детальной проработке следующие вопросы: энергозатраты на производство эмульсии и ее составляющих-обработанной воды, ПАВ; в целом стоимость эмульсии; определение наиболее целесообразного места ее приготовления на автопредприятиях, топливных складах, на специальных заводах, на борту транспортного средства; стабильность эмульсии относительно расслаивания в стационарных условиях и в условиях знакопеременных нагрузок, имитирующих езду на дорогах, при температурах хранения + 50°С; в зависимости от времени хранения, в зависимости от концентрации воды и ПАВ; характер изменения вязкости в диапазоне температур +50°С; кородирующее действие эмульсии на топливную систему ДВС, ее влияние на эксплуатационные показатели транспортного средства.