Войти
В двигателях внутреннего сгорания, впрыск воды, также известный как впрыск антидетонатора (ADI), может распылять воду во входящий воздух или смесь топливо - воздух или непосредственно в цилиндр для охладить определенные части индукционной системы, где «горячие точки» могут вызвать преждевременное возгорание. В реактивных двигателях увеличивает тягу двигателя на малых оборотах и на взлете.
Впрыск воды исторически использовался для увеличения выходной мощности двигателей военной авиации на короткие промежутки времени, например, воздушные бои или взлет. Однако он также использовался в автоспорте и особенно в дрэг-рейсинге. В двигателях с циклом Отто охлаждающий эффект впрыска воды также обеспечивает более высокие степени сжатия за счет уменьшения детонации двигателя (детонации). В качестве альтернативы, это снижение детонации в двигателях с циклом Отто означает, что некоторые приложения получают значительную производительность, когда впрыск воды используется в сочетании с нагнетателем, турбокомпрессором или модификациями, такими как агрессивный угол опережения зажигания.
В зависимости от двигателя улучшение мощности и топливной экономичности может быть достигнуто исключительно за счет впрыска воды. Впрыск воды также может использоваться для уменьшения выбросов NOx или оксида углерода.
Впрыск воды также используется в некоторых газотурбинных двигателях и некоторых турбовальных двигателях, обычно когда мгновенная установка большой тяги необходима для увеличения мощности и топливной экономичности.
Вода имеет очень высокую теплоту испарения. Когда вода с температурой окружающей среды впрыскивается в двигатель, тепло передается от горячей головки цилиндров и всасываемого воздуха в воду. Это заставляет его испаряться, охлаждая всасываемый заряд. Более холодный всасываемый заряд означает, что он более плотный (более высокий объемный КПД), а также имеет меньшую склонность к детонации. Однако водяной пар вытесняет часть воздуха, сводя на нет некоторые преимущества более плотной заправки. Детонация, как правило, является более серьезной проблемой в двигателях с принудительным впуском, а не в двигателях без наддува, поэтому это может помочь предотвратить его. В электронных системах зажигания угол опережения зажигания обычно замедляется для предотвращения детонации, но при впрыске воды его можно увеличить ближе к моменту максимального тормозного момента (MBT) для дополнительной мощности.
Во многих системах закачки воды используется смесь воды и спирта (часто около 50/50) со следовыми количествами водорастворимого масла. Вода обеспечивает первичный охлаждающий эффект благодаря своей большой плотности и высоким свойствам поглощения тепла. Спирт горючий, а также служит в качестве антифриза для воды. Основное назначение масла - предотвращение коррозии компонентов системы впрыска воды и топливной системы; он также может помочь в смазке двигателя при работе в режиме высокой мощности. Поскольку спирт, примешанный к раствору для инъекции, часто представляет собой метанол (CH 3 OH), система известна как инъекция метанол-вода или MW50. В автомобилях с высокими эксплуатационными характеристиками использование 100% метанола вместо смеси вода-метанол называется просто впрыском метанола. Из соображений безопасности и долговечности деталей этот вариант остается спорным. В США система также обычно упоминается как инъекция антидетонанта или ADI.
В поршневом двигателе первоначальный впрыск воды значительно охлаждает топливно-воздушную смесь, что увеличивает ее плотность и, следовательно, количество смеси, поступающей в цилиндр. Вода (если она находится в виде небольших капель жидкости) может поглощать тепло (и понижать давление) при сжатии заряда, тем самым уменьшая работу сжатия. Дополнительный эффект наступает позже во время сгорания, когда вода поглощает большое количество тепла при испарении, снижая пиковую температуру и возникающее в результате образование NO x, а также уменьшая количество тепловой энергии, поглощаемой стенками цилиндра. Это также преобразует часть энергии сгорания из формы тепла в форму давления. Когда капли воды испаряются, поглощая тепло, они превращаются в пар под высоким давлением. Спирт в смеси горит, но он гораздо более устойчив к детонации, чем бензин. Конечным результатом является заряд с более высоким октановым числом , который поддерживает очень высокие степени сжатия или значительное давление принудительной индукции перед началом детонации.
Некоторые другие двигатели могут получить гораздо больше от использования впрыска воды. Типичные импульсные реактивные двигатели имеют крайне низкую топливную эффективность, удельный расход топлива и тягу. Доказано, что закачка воды использует отходящее тепло, которое заставляет импульсную струю раскаливаться докрасна и преобразовывать ее в тягу. Он охлаждает двигатель, втягивает больше воздуха и снижает загрязнение. Впрыск воды и другие средства наддува могут превратить импульсную струю из шумной, неэффективной трубы в более чистый и достаточно мощный двигатель, который может быть использован в легких самолетах.
Экономия топлива может быть улучшена за счет впрыска воды. В зависимости от двигателя эффект впрыска воды без каких-либо других модификаций, таких как обеднение смеси, может быть весьма значительным. В некоторых случаях вода может также снизить выбросы CO. Это может быть связано с реакцией конверсии водяного газа, в которой CO и H 2 O сдвигаются с образованием CO. 2 и H 2. Однако вода может также увеличить выбросы углеводородов, возможно, из-за увеличения толщины слоя закалки.
Важен контроль за закачкой воды. Его следует вводить только в том случае, если условия в двигателе в противном случае были бы достаточными, чтобы вызвать детонацию или другие нежелательные эффекты. Обычно это происходит, когда двигатель сильно нагружен и работает на полную мощность, однако может происходить в другое время в специализированных двигателях или приложениях. В противном случае впрыск воды излишне охлаждает процесс сгорания, что приводит к негативным эффектам, таким как снижение эффективности или мощности.
Прямая закачка воды возможна и, вероятно, выгодна. В поршневом двигателе это может происходить в любой точке цикла двигателя, в зависимости от желаемого эффекта, даже в конце рабочего такта или во время такта выпуска, когда используется только для снижения температуры двигателя.
Большинство современных двигателей потребительских транспортных средств предварительно запрограммированы на определенное соотношение топлива и воздуха, поэтому введение воды без перепрограммирования компьютера автомобиля или иного изменения этих соотношений, скорее всего, обеспечит никакой выгоды и, вероятно, может снизить производительность или повредить двигатель. Кроме того, большинство современных топливных систем не могут определить добавление воды в какой-либо форме, а также не могут определить новую степень сжатия или иным образом воспользоваться преимуществами более низких температур цилиндров. В большинстве случаев в предварительно запрограммированных автомобилях введение водяного пара с помощью метода непрямого впрыска воды вызывает потерю мощности, поскольку водяной пар заменяет воздух (и топливо в двигателях с карбюратором или одноточечным впрыском), который требуется для завершения процесс сгорания и выработка энергии. Как правило, выгоды видят только автомобили, переоборудованные для впрыска воды.
Двигатель может выйти из строя, если впрыскивается слишком много воды или если сам инжектор неисправен. Вода не сжимается, и слишком много воды в цилиндре до или во время цикла сжатия может вызвать состояние, называемое гидрозамок, когда объем жидкости в двигателе близок к объему или превышает его. между поршнем и головкой (или между поршнями в двигателе с противоположными поршнями ) двигателя в верхней мертвой точке, что приводит к чрезвычайно высокому давлению в цилиндре, которое может вызвать сдувание головок и разрушение поршня., шатуны или другое повреждение двигателя. Это повреждение обычно является фатальным для двигателя и обычно требует полного восстановления или замены двигателя.
Впрыск воды обычно используется в авиации и изначально не предназначался для использования в транспортных средствах потребительского класса. При использовании в автомобилях потребительского класса он обычно предназначен для использования на арене с чрезвычайно высокими характеристиками (1000 л.с. +), где автомобили имеют наддув или турбонаддув и выделяют чрезмерное тепло. Эти автомобили обычно управляются только в соревнованиях или контролируемых гонках и требуют чрезвычайно высокого уровня знаний для поддержания и используются только на очень короткие дистанции. В большинстве форм закачки воды вода смешивается с горючим топливом, а не используется изолированно.
Существует множество мошенников, рекламирующих продукцию, утверждающую, что установка трубки распылителя тумана во впускной коллектор увеличивает пробег или количество лошадиных сил. Однако, если пользователь не перепрограммирует ЭБУ автомобиля или не внесет существенные изменения в двигатель, в конечном итоге может произойти потеря мощности и повреждение.
«мокрый» взлет KC-135 с двигателями J57 Впрыск воды использовался как при возвратно-поступательном движении, так и турбина авиационные двигатели. При использовании в газотурбинном двигателе эффекты аналогичны, за исключением того, что обычно предотвращение детонации не является основной целью. Вода обычно впрыскивается либо на входе компрессора, либо в диффузор непосредственно перед камерами сгорания. Добавление воды увеличивает ускоряемую массу двигателя, увеличивает тягу, а также служит для охлаждения турбин. Поскольку температура обычно является ограничивающим фактором в работе газотурбинного двигателя на малых высотах, эффект охлаждения позволяет двигателю работать на более высоких оборотах с большим впрыском топлива и создаваемой большей тягой без перегрева. Недостатком системы является то, что впрыск воды несколько гасит пламя в камерах сгорания, поскольку невозможно охладить детали двигателя без охлаждения пламени. Это приводит к выходу несгоревшего топлива из выхлопной трубы и характерному следу черного дыма.
Бензиновые военные самолеты с поршневыми двигателями использовали технологию впрыска воды до Второй мировой войны для увеличения взлетной мощности. Это использовалось для того, чтобы тяжело загруженные истребители могли взлетать с более коротких взлетно-посадочных полос, быстрее набирать высоту и быстро достигать больших высот для перехвата группировок бомбардировщиков противника. Некоторые истребители также использовали впрыск воды для ускорения короткими очередями во время воздушных боев.
Как правило, топливная смесь устанавливается на полную обогащенную смесь на авиационном двигателе при работе с высокими настройками мощности (например, во время взлета). Лишнее топливо не горит; его единственная цель - испаряться для поглощения тепла. Это быстрее расходует топливо, а также снижает эффективность процесса сгорания. За счет впрыска воды охлаждающий эффект воды позволяет топливной смеси работать беднее при максимальной мощности. Многие военные авиационные двигатели 1940-х годов использовали карбюратор высокого давления, тип системы дозирования топлива, аналогичный системе впрыска в корпус дроссельной заслонки. В двигателе с впрыском воды нагнетательный карбюратор оснащен механическим клапаном разгрузки, который делает систему почти автоматической. Когда пилот включает насос впрыска воды, давление воды перемещает клапан разрушения, чтобы ограничить поток топлива, чтобы обедненная смесь, одновременно подмешивая жидкость воды / метанола в систему. Когда в системе заканчивается жидкость, клапан разграничения закрывается и отключает систему впрыска воды, одновременно обогащая топливную смесь, чтобы обеспечить охлаждение и гашение для предотвращения внезапной детонации.
Благодаря охлаждающему эффекту воды, можно заставить авиационные двигатели с циклом Отто с впрыском воды производить больше мощности за счет более высоких плотностей заряда во время сгорания. Дополнительная плотность заряда обычно достигается за счет обеспечения более высокого давления в коллекторе перед началом детонации. Обычно это делается путем добавления или увеличения величины принудительной индукции или дальнейшего открытия дроссельной заслонки. Однако аналогичный результат может быть достигнут за счет более высокого хода двигателя. Исторически это было основным применением систем впрыска воды в самолетах.
Дополнительный вес и сложность, добавленные системой впрыска воды, считались целесообразными для военных целей, в то время как обычно не считались целесообразными для гражданского использования. Единственное исключение - гоночные самолеты, которые сосредоточены на создании огромной мощности в течение короткого времени. В этом случае недостатки системы впрыска воды менее важны.
Использование впрыска воды в газотурбинных двигателях было ограничено, опять же, в основном военными самолетами. Имеется много фотографий взлета Боинга В-52, на которых отчетливо виден черный дым, исходящий от газотурбинных двигателей, работающих с впрыском воды. Для ранних B-52 закачка воды рассматривалась как жизненно важная часть процедуры взлета. Для более поздних версий B-52, а также более поздних бомбардировщиков с турбинными двигателями проблема взлета с тяжелыми грузами с коротких взлетно-посадочных полос решалась за счет использования более мощных двигателей, которые ранее не были доступны.
Ранние версии Boeing 707 с турбореактивными двигателями Pratt Whitney JT3C использовали впрыск воды для дополнительной взлетной мощности, как и Boeing 747 - 100 и 200 самолетов, оснащенных ТРДД Pratt Whitney JT9D -3AW и -7AW; эта система не была включена в более поздние версии, оснащенные более мощными двигателями. На авиалайнере BAC One-Eleven также использовался впрыск воды в турбовентиляторных двигателях Rolls-Royce Spey . Заполнение баков реактивным топливом вместо воды привело к крушению Paninternational Flight 112.
Ограниченное количество автотранспортных средств с двигателями с принудительным впуском от производителей такие как Chrysler включали впрыск воды. Oldsmobile F85 1962 года поставлялся с двигателем Fluid-Injection Jetfire, который, кстати, разделяет титул «первого в мире дорожного автомобиля с турбонаддувом», как и Corvair Spyder. Oldsmobile называл водно-спиртовую смесь «турбо-ракетной жидкостью». Saab предлагал впрыск воды для Saab 99 Turbo. С появлением промежуточного охладителя интерес к закачке воды для предотвращения детонации почти исчез, но недавно закачка воды также представляла интерес, потому что она потенциально может уменьшить оксид азота (NO) и выбросы окиси углерода (CO) в выхлопе. Однако наиболее распространенное использование впрыска воды сегодня - это автомобили с высокопроизводительными вторичными системами принудительной индукцией (такими как турбокомпрессоры или нагнетатели); такие двигатели обычно настраиваются с более узким запасом защиты от детонации и, следовательно, в значительной степени выигрывают от охлаждающего эффекта испаренной воды.
В 2015 BMW представила версию их высокоэффективных M4 купе, M4 GTS, сочетающее впрыск воды с промежуточным охлаждением. Автомобиль был представлен в сезоне 2015 MotoGP в качестве официального автомобиля безопасности для этой серии и был выпущен на коммерческий рынок в 2016 году. Согласно примеру BMW, текущие разработки двигателей с впрыском воды похоже, сконцентрированы на эффекте «Улучшение производительности». Но к середине 2020-х годов при разработке двигателей внимание будет также сосредоточено на улучшении расхода топлива из-за давления на сокращение выбросов CO. 2 и соответствующих нормативных требований.
Bosch, которая разработала эту технологию совместно с BMW, предлагает систему впрыска воды под названием WaterBoost для других производителей. Компания заявляет о повышении производительности двигателя до 5%, сокращении выбросов CO. 2 до 4% и улучшении экономии топлива до 13%. Аналогичные результаты были опубликованы в FEV, показав улучшение до 5,3% топливной экономичности для бензинового двигателя объемом 2,0 л и даже более 7% в сочетании с охлаждаемым Рециркуляция выхлопных газов в зависимости от рассматриваемого ездового цикла.
Впрыск воды и охлаждение рециркуляция выхлопных газов (EGR) можно рассматривать как конкурентоспособные технологии: было продемонстрировано, что при средней нагрузке отношение воды к топливу составляет 40-50% (WFR) с впрыском воды в порт (PWI) имеет тот же эффект, что и коэффициент EGR 10%, который считается относительно ограниченным даже для бензиновых двигателей. Однако впрыск воды имеет некоторые преимущества по сравнению с EGR, особенно лучшую управляемость, поскольку это не замкнутый цикл, как EGR, время впрыска не связано с другими параметрами, такими как противодавление турбонагнетателя, ограниченная инерция (время PWI не связано с работа двигателя) и задержка сгорания (как в случае с EGR). Кроме того, он существенно не ухудшает стабильность горения. Задержка сгорания, связанная с разбавлением системы рециркуляции выхлопных газов, и необходимая адаптация массового расхода рециркулируемого газа к максимальным характеристикам турбонагнетателя обычно являются двумя ограничивающими параметрами макс. приемлемая скорость EGR. Таким образом, можно добиться некоторого синергизма при использовании впрыска воды в области карты двигателя, где рециркуляция отработавших газов обычно невозможна (высокая нагрузка / высокая скорость).
Опросы клиентов об их готовности регулярно доливать дополнительную рабочую жидкость показали, что уровень приемлемости ограничен. Таким образом, необходимость повторного заполнения считается одним из основных препятствий для массового внедрения Water Injection. Ключевым фактором является разработка бортовой системы выработки воды для работы в замкнутом контуре, особенно для того, чтобы гарантировать стабильно низкий уровень выбросов (выбросы CO. 2 двигателя увеличиваются при работе без водоснабжения). Можно исследовать три основных источника:
Первые два варианта сильно зависят от погодных условий окружающей среды с достаточно высоким уровнем влажности или привычек водителя (работа кондиционера не требуется). Следовательно, не может быть обеспечено достаточное количество воды. Напротив, конденсация водяного пара, образующегося при сгорании бензина, является надежным источником воды: на каждый литр израсходованного бензинового топлива в выхлопе приходится примерно 1 л водяного пара. В октябре 2019 года Hanon Systems вместе с FEV представили демонстрационный образец Audi TT Sport, оснащенный портом Water Injection, работающим в закрытых системах благодаря Hanon. Системы оборудования под названием «Система сбора воды». Полностью укомплектованная система смогла в наиболее критических испытанных случаях конденсировать более чем в 2 раза больше воды. Качество водяного конденсата было представлено как достаточно хорошее, чтобы избежать проблем с форсунками, а потенциальные проблемы коррозии не были обнаружены во время обширных тестовых поездок. конденсаты были прозрачными, без резкого запаха и цвета.
Исследование 2016 года сочетало впрыск воды с рециркуляцией выхлопных газов. Вода впрыскивалась в выпускной коллектор дизельного двигателя, и при открытии выпускного клапана во время такта впуска впрыскиваемая вода и часть выхлопных газов втягивались обратно в цилиндр. Эффект заключался в сокращении выбросов NOx на 85%, но за счет увеличения выбросов сажи.
