Вода-метанол, детальное изучение.
Цель этой статьи – разобраться для чего используется система впрыска воды, какие виды бывают, что лучше лить (вода, вода/метанол, водка – русский вариант), на каких двигателях лучше всего использовать (бензиновый, LPG — газ, дизельный).
Многих наверное может насторожить само понятие – лить воду в мотор. Не надо этого боятся. Не важно, какой вид топлива – бензин, газ, дизель, этанол или метанол – все это углеводороды. Для лучшего понимания давайте разберемся, что такое идеально сгорание и что получается на выходе.
Воздух состоит из 78.09% азота, 20.95% кислорода и 0.96% других газов. В двигатель мы подаем воздух и топливо, сжимаем и зажигаем. Когда смесь горит, атомы водорода и углерода отдельно друг от друга начинают искать атомы кислорода, чтобы с ними соединиться “пожать им руки”. 2 атома водорода находят 1 атом кислорода и образуют воду 2Н + 1О= Н2О. Один атом углерода начинает дружить с двумя атомами кислорода — 1С +2О = СО2 и образуется углекислый газ.
В идеальном случае азот не вступает в реакцию с другими атомами и выходит из выхлопной трубы в виде N2. Идеальное сгорание смеси образует только СО2 и Н2О, но в реальности воздух и топливо смешиваются не совсем равномерно (но это не относится к нашей теме). Главное это то, что вода является продуктом распада и не надо ее боятся, она всегда есть и будет в ДВС при использовании углеводородного топлива.
Теперь пришло время рассмотреть каким же образом установка системы впрыска воды или вода/метанола может улучшить характеристики двигателя (повысит его мощность, снизит расход топлива). Не буду сильно Вас нагружать формулами из раздела физики о термодинамики, но принцип понять необходимо. Давайте представим, что вы находитесь летом на пляже под лучами палящего солнца и вдруг на вашу кожу попадают маленькие капельки воды. Вы сразу почувствуете резкий холод, но это не из-за того что вода холодная, а по причине того, что когда жидкость переходит в газообразное состояние она в этот момент поглощает большое количество тепла.
Разные жидкости поглощают различное количества тепла, как много ответ найдём в ниже приведенной таблице.
Вообще эта таблица из учебника “Internal Combustion Engine Fundamentals” очень полезная. В ней указаны основные характеристики различных углеводородных видов топлива. В Данный момент нас интересует столбец под названием Heat of Vaporization (kJ/kg) — Удельная теплота парообразования.
Для примера – у бензина (gasoline) теплота парообразования 307 kJ/kg, а у метанола 1147 kJ/kg – в 3.74 раза больше. Так как вода не является топливом, поэтому ее и нет в этой таблице. Для информации у воды удельная теплота парообразования – 2350 kJ/kg, в 7,65 раз больше чем у бензина и более чем в 2 раза выше удельной теплоты парообразования метанола.
Из выше сказанного следует, что вода в разы имеет лучшие показатели в плане охлаждения.
Установка системы впрыска воды отлично работает на всех видах двигателях, но выполняет различные задачи в зависимости от типа двигателя (Отто или Дизель) и конечно от вида подачи топлива.
Для начала давайте рассмотрим самый популярный пример (для России) – бензиновый (Отто) турбо двигатель. Чем больше массы воздуха поступает в ДВС тем больше мощность на выходе. Чем холоднее поступающий воздух, тем выше плотность и соответственно масса воздуха и количество молекул кислорода. Пока не будем рассматривать вопрос детонации (меньше температура – меньше шансов для возникновения детонации), а просто давайте рассчитаем степень понижения температуры при испарении.
В качестве примера рассмотрим что-то посерьезней. Возьмем реальный компрессорный двигатель с самолета, который имеет 900 Киловатт при 3600 об/мин. В качестве основного компонента топлива (углеводорода) используется изооктан С8Н18. Рассчитаем, как сильно понизится температура при испарении топлива
Qevap = Nf*Mf*Hfg = Na*Ma*Cp*deltaT
Qevap – теплопередача (heat transfer), в данном случае при охлаждении испарением (Evaporative cooling from C8H18)
Nf – количество молекул топлива
Mf – масса молекул топлива
Hfg – коэффициент теплопередачи (heat transfer coefficient). В данном случае имеется ввиду теплота парообразования (heat of vaporization) – для изооктана 290 KJ/Kg смотри таб. Выше.
Na – количество молекул воздуха
Ma – масса молекул воздуха
Cp – теплоемкость газа при постоянном давлении – 1005 КJ/Kg – K (таблица в предыдущем посте)
Q= масса молекул топлива * Hfg
Delta T = Q / масса молекул воздуха * Ср
С8Н18 – для идеального сгорания топлива необходимо 25 атомов кислорода и 94 атома азота
Теперь найдем массу молекул топлива и воздуха. Напоминаю: H -1 gr, C – 12 gr, N–14 gr, O–16 грамм.
Масса топлива = (8*12) + 18*1 – 114, следовательно Q = 114 *290 = 34996
Масса воздуха = 25 * 16 + 94 * 14 = 1717
Делта Т = 34996/1717*1.005 = 20.38 градусов.
При испарении топлива температура понизится на 20 градусов.
Данные типы самолетных двигателей используют систему впрыска воды для охлаждения смеси в количестве 25% от массы топлива. Предлагаю рассчитать дельту Т для воды:
Hfg — heat transfer coefficient. В данном случае имеется ввиду- heat of vaporization – для воды 2350 KJ/Kg, обратите внимание насколько больше чем у изооктана (290)
Масса топлива осталась неизменна -114
Масса воду = (0.25) * (114) = 28.5
Qevap – heat transfer, в данном случае Evaporative cooling from H2O
Q = масса молекул воды * 2350 = 114 *2350 = 66975
Дельта Т = Q / массу молекул воздуха * Ср= 66975 / 1717 * 1.005 = 40 градусов
А это уже не плохо. Переведем в прирост мощности. Как было показано в предыдущих постах, уменьшение температуры увеличивает плотность воздушного заряда. Соответственно, увеличивается количество молекул воздуха и, конечно же, кислорода. В свою очередь это способствует увеличению мощности двигателя.
Допустим, что температура на впуске была 60 градусов Цельсия:
Wwith = Wwithout * (Twithout/Twith) = 900 Kw * (338 K / 297 K ) = 1024 Kw
Прирост составил 124 киловатт или 124 * 1.36 = 168 л/сил. Неплохо.
Хочу заметить, это реальный расчет для системы впрыска воды, которая применяется в самолетном двигателе. Раньше уже писал, что эта система с успехом использовалась еще во времена второй мировой войны. Если обратится к примерам использования впрыска воды на серийных автомобилях, так этим занималась компания SAAB (кстати, если кто не знает, имя и репутацию эта компания заработала как производитель самолетов). Цель была повысить экономичность на высоких скоростях и при акселерации. Результаты были не плохи – 20- 30% экономии топлива.
Данный пример хорошо показывает, на сколько поднимется мощность двигателя за счет охлаждения топливно-воздушной смеси при использовании системы впрыска воды на двигателях с распределенным впрыском топлива. Но сейчас наступила эра двигателей с непосредственным, прямым впрыском топлива (Gasoline Direct Injection GDI) где топливо подается непосредственно в камеру сгорания в момент, когда воздух уже сжат и фаза охлаждения воздушного заряда во впускном тракте отсутствует. Следовательно, использование системы впрыска воды на таких двигателях будет еще более эффективна.
Тот факт, что бензин при испарении забирает тепло и охлаждает, используется на турбо двигателях для борьбы с самовозгоранием смеси при сжатии, калильным зажиганием и детонаций. Стоит отметить, что на двигателях Gasoline Direct Injection GDI самовозгорание смеси при сжатии и калильное зажигание физически просто невозможно. Поэтому такие ДВС имеют более высокую степень сжатия и работают на более высоком бусте и очень бедных смесях.
Большая ошибка многих специалистов по установке газового оборудования на бензиновые двигателя использовать принцип настройки, как на классическим топливе чем богаче смесь, тем безопаснее. Нет, это в корни не правильно – чем беднее, тем безопаснее т.к. топливо подается уже в виде газа и при смешивании с воздухом смесь не охлаждается. И вот здесь использование системы впрыска воды (особенно на турбо моторах) будет очень полезно.
Один из самых эффективных способов безопасного увеличение мощности на дизельных моторах – установка системы впрыска воды, но в отличие от бензиновых двигателей обязательна перенастройка ЭБУ. Дизельные двигателя работают на очень бедных смесях более 20/1 – поэтому и экономичны. Поднять мощность на них проще простого – добавить топлива, обогатить смесь и все, главное вовремя остановится, пока не взорвался двигатель или не будет проблем с турбиной из-за высокого ЕГТ. Если на дизельном моторе вы просто поднимете буст то мощность понизится т.к. смесь станет еще беднее и как следствие упадет температура в КС и ЕГТ. Поэтому увеличение наддува, и всех модернизаций в системе впуска по улучшению подачи воздуха используется при тюнинге дизельных двигателей – для охлаждения двигателя. Получается ситуация обратная бензиновому двигателю, где топливом охлаждают.
Современный дизельный двигатель имеет степень сжатия 17 — 19 и работает на избыточном давлении более 1.5 бар и к тому же используют турбо нагнетатель с изменяемой геометрией – который очень не любить высокую температуру выхлопных газов ЕГТ. Использование впрыска воды позволяет значительно понизить ЕГТ и как следствие безопасно увеличить подачу топлива для повышения мощности.
Эффект использования системы впрыска воды или смеси вода/метанол (в дальнейшем буду использовать только выражение впрыск воды) вызван тем, что когда жидкость переходит в газообразное состояние она в этот момент поглощает большое количество тепла. И вот здесь, главным является добиться очень хорошего распыления. Это же очевидно, что чем меньше размер капель, тем легче молекулы воды при встрече с молекулами воздуха (стенок системы впуска, впускных клапанов, камеры сгорания, поршней) перейдут в газообразное состояние и поглотят тепло. За счет чего получается такое распыление (лучше, чем распыление скажем у тех же топливных форсунок) рассмотрим немного позже, а пока предлагаю взглянуть на принципиальную схему.
Для достижения качественного распыления необходимо создать в системе высокое давление. Для этого используются водяные насосы поддерживающие давление от 8 до 13.8 БАР в системе. Все основные производители систем впрыска воды, такие как Coolingmist, Devils Own, AEM и т.д. используют одни и те же водяные насосы фирмы Aquatec , если быть более точным, то вот этот, из серии 5800 (PDP5843-2S0D-B744)
В данном насосе встроен регулируемый перепускной клапан (BYPASS), который вы можете настроить на необходимое вам давление (но не более 200 PSI или 13.8 Bar). В большинстве случаев производители систем впрыска воды используют насосы, настроенные на максимальное давление 200 PSI (чем выше давление, тем конечно лучше распыление). Но есть и исключение, к примеру, всем хорошо знакомый производитель Aquamist использует давление 160 PSI, правда у них есть на то причина (об этом поговорим позже).
Те, кто желает сэкономить пару долларов, покупают насос фирмы Shurflo (P/N — ¬8009-543-236) можно купить на ebay, но я бы лично не делал этого т.к. максимальное давление данного насоса всего 60 PSI.
С насосом определились, не так важно где вы его купите, все они делаются на одном заводе в Америке (если речь идет о производителе Aquatec) . Следующим элементом системы впрыска воды, отвечающим за распыление является сопло или форсунка.
Самый дешевый источник приобретения (который мне известен) является McMaster.com .
Маленькое сопло — P/N 3178K62 подойдет для атмо мотора,
Среднее сопло (мощность 150 – 300 л/с) — P/N 3178K75.
200-400 л/с — P/N 3178K76.
А для большого буста можно использовать форсунку P/N 3178K76 или 3178K77
Цена за каждую в пределах 4-4.5 доллара.
Если вы приобретете форсунки отдельно, то Вам необходимо позаботится и о том, что бы система не протекала и во избежание возможного в таком случае гидроудара – необходимо установить в систему водяной соленоид
Он работает в режиме Вкл/Выкл. Включается вместе с насосом и выключается (смотри схему подключения). Приобрести можно на Ebay или в том же McMaster.com — P/N 7876K12 – цена около 40 долларов.
Также возможно подобрать подходящий обратный клапан, выполняющий данную защитную функцию
После этого сопло устанавливается перед дроссельной заслонкой, часто приходится изготавливать переходник, если нет возможности монтажа в сток систему.
Если нет времени, желания в покупке форсунок, обратного клапана и соленоида по отдельности, в таком случае есть возможность покупки комплектов у основных производителей систем впрыска воды. Многие из них продают сразу держатель, фильтр, обратный клапан и несколько сопл в комплекте. Выглядит это так. По мне так это отличное решение
Теперь предлагаю вернутся к разбору основной схемы простейшей системы впрыска воды. Там есть реле (можно купить в любом авто магазине). Контакт 86 идет к замку зажигания, 85 – главный выключатель (устанавливается в салоне автомобиля), и он же подключается к реле давления. Чтобы система заработала необходимо включить зажигание, основной выключатель, а также последнее условие – достижение заранее выставленного давления (буст) при котором начнет работать насос и откроется соленоид.
Принцип работы реле давления показан на схеме
Одним из самых популярных и не дорогих настраивающихся на определенное давление реле — является продукция фирмы NASON
Цена в пределах 20 баксов и широкий выбор
К примеру, мы запланировали, что впрыск воды будет включатся при достижении избыточного давления 1 бар (14,5 PSI) покупаем реле SQ-2, настраиваем на 14.5 PSI и при достижении данного давления реле давления выполняет последнее условие, для основного реле (Электра цепь замыкается).
Ну и последнее, что бы я добавил для простейшей системы впрыска воды – защиту, на случай если закончится вода в баке. Для этого можно установить свич в бак, который замыкается при малом количестве жидкости
Далее в зависимости от ваших пожеланий можно вывести лампочку, в салон автомобиля сигнализирующую о том, что бак уже пустой. Или как вариант, через дополнительное реле отключить соленоид, управляющий актуатор вестгейта турбины и тем самым автоматически будет убираться буст при недостатке воды в баке системы впрыска воды. Начало темы Впрыск вода, метанол
Источник
