Водовпрыск, впрыск воды в ДВС - почему, зачем, работает ли

Раньше интересовался этой темой, разные умельцы продавали много кустарных устройст для "экономии до 30% топлива".
начну с одной скопированной статьи.

BMW M4 GTS — невероятный автомобиль! Не просто быстрый, а незаконно быстрый, и S55 гораздо более агрессивен в GTS, чем в «обычном» M4. Частично это связано с использованием впрыска воды под высоким давлением во впускной коллектор при высокой нагрузке и оборотах. Это позволяет увеличить наддув с 17,2 фунтов на квадратный дюйм до 21,6 фунтов на квадратный дюйм — увеличение максимального давления наддува примерно на 26%.

Преимущества впрыска воды (или No Knock — Knock)

Но зачем заливать воду? Вода не сжимаема (но не автомобильным двигателем). Ключ к пониманию того, чем хороша вода, лежит в понимании того, что происходит внутри цилиндра при воспламенении топливно-воздушной смеси. В идеале воздух и топливо смешиваются внутри цилиндра во время такта впуска (вниз). Соотношение воздух/топливо в бензиновом двигателе в идеальных условиях должно составлять 14,7 частей воздуха на одну часть топлива, известное как «стехиометрическое». По мере увеличения нагрузки и оборотов смесь должна становиться богаче — иметь бОльшую часть топлива в смеси, чем стехиометрическое значение. И причина, по которой она должна становиться богаче, состоит в том, чтобы помочь предотвратить «стук» (детонацию).

Так что же такое «стук»? Детонация – это неконтролируемое/нежелательное воспламенение топливно-воздушной смеси раньше положенного времени. В нормальных условиях электрод свечи зажигания получает заряд высокого напряжения, который происходит немного раньше, чем поршень достигает верхней мертвой точки (ВМТ) в такте сжатия (движение поршня вверх). Завершается вспышка после того, как поршень минует ВМТ. В случае детонации смесь воспламеняется ещё в середине такта сжатия. Поршень испытывает сильное противодействие, в итоге пропадает мощность двигателя, значительно повышается расход топлива и появляется слышимый «стук».

Как это работает?

Если всё идет по плану, электрическая искра вызывает воспламенение воздушно-топливной смеси. Правильно выставленное зажигание позволяет топливно-воздушной смеси создавать «фронты пламени», в которых и сгорает топливо. Газы, образующиеся при сгорании топливно-воздушной смеси, расширяются и толкают поршень вниз – рабочий такт (после достижения поршнем ВМТ).

Когда что-то идет не по плану, давление (и температура) в камере сгорания позволяет воздушно-топливной смеси бесконтрольно воспламеняться. Это может произойти до воспламенения воздушно-топливной смеси или вопреки запланированному фронту воспламенения, и в этом случае компоненты поршневой группы подвергаются значительным вредным нагрузкам.

Это также означает, что выполняется меньше работы и, как следствие, снижается эффективность. Эти ненормальные явления происходят, когда давление и температура выходят за пределы возможностей систем по их эффективному контролю. Влияющими факторами являются степень сжатия, температура и октановое число используемого топлива.

И по мере увеличения числа оборотов увеличивается необходимость опережения зажигания (искра должна произойти намного раньше, чем ВМТ), и требуемое октановое число топлива увеличивается. Всё это усложняет правильное воспламенение воздушно-топливной смеси.

История закачки воды
В начале 1930-х годов Гарри Рикардо (Harry Ricardo) задумался о том, как контролировать детонацию в камере сгорания с наддувом. В книге Хью Макиннеса «Турбокомпрессоры» (Hugh MacInnes, “Turbochargers”, HP Books — © 1978) показаны методы для определения верхней границы обогащения смеси (добавления дополнительного топлива), за пределами которой детонация обязательно должна была произойти. Однако было обнаружено, что впрыск мелкодисперсного водяного тумана поглощает тепло и обеспечивает более высокое давление в камере сгорания. Отсюда полезность закачки воды. (Впрыск воды/метанола использовался в вариантах радиального авиационного двигателя BMW 801 во время Второй мировой войны.)

Что такое BMEP?

Существует измерение эффективности двигателя, называемое средним эффективным давлением или BMEP, которое является показателем эффективности двигателя. Одно дело производить мощные двигатели, но гораздо лучше, если двигатель мощный и эффективный.

BMEP рассчитывается путём умножения крутящего момента двигателя на константу 150,8 для четырёхтактных двигателей (что представляет выходной крутящий момент 1 фунт-фут на кубический дюйм), который затем делится на объем двигателя в кубических дюймах. Конечно, эту формулу можно выразить с помощью метрических эквивалентов.

BMEP представляет собой среднее давление каждого рабочего такта, обеспечивающее наблюдаемую выходную мощность в лошадиных силах; чем выше число, тем эффективнее двигатель. Например, малый блок GM LT1 без наддува, используемый в Camaro текущего поколения, развивает крутящий момент 455 фунт-фут при рабочем объеме 376 кубических дюймов. Его BMEP составляет примерно 186,5 фунтов на квадратный дюйм.

Вариант BMW N55 с крутящим моментом 322 фунт-фут и рабочим объемом 183 кубических дюйма имеет BMEP примерно 273,6 фунта на квадратный дюйм, S55 с крутящим моментом 406 фунт-фут имеет BMEP примерно 334,6 фунта на квадратный дюйм. S55, настроенный для M4 GTS, развивает крутящий момент 442 фунт-фут и имеет BMEP примерно 364,2 фунта на квадратный дюйм!


S55 M4 GTS имеет BMEP на 33% выше, чем у N55, за счёт увеличения общего наддува по сравнению с обычными N55 и S55. Отсюда необходимость впрыска воды на M4 GTS. Это все очень мощные и эффективные двигатели, но особенно S55, используемый в M4 GTS. (И, для справки, GM LT1 тоже не дурак — для двигателя Северной Америки BMEP LT1 довольно хорош.)

Реализация системы впрыска воды в M4 GTS
BMW добавила три точки впрыска воды на впускном коллекторе и бак в задней части автомобиля, который необходимо заполнить, чтобы использовать весь потенциал автомобиля. Помимо предотвращения проблем, автомобилю запрещено развивать максимальный наддув при температуре наружного воздуха ниже 5 градусов по Цельсию. Кроме того, насос для впрыска воды является реверсивным, чтобы полностью опорожнять линии к форсункам после использования.

В то время как впрыск воды (воды/метанола) десятилетиями использовался на рынке послепродажного обслуживания тюнеров, приятно видеть, что инженеры BMW действительно профессионально использовали этот трюк старого хот-роддера.

 

Я бы уточнил, что детонирует с ударом (как кувалдой по железу), и последующим вакуумированием, именно гремучая смесь, в воздухе водород просто горит. Такой же эффект дает простое разбавление гремучки воздухом, что было испробовано на нашем экспериментальном агрегате (видео "меч джедая"), вот его актуальные фото с хранения.
Справа от ресивера на раме установлнен воздушный компрессор, что нагнетает воздух в ресивер, и разбавляет ННО газ.
На авто получаем аналогичный эффект - ввиду сравнительно (против подаваемой гремучки) огромного расхода воздуха мотор практически "не ощущает" ни добавочного водорода, ни кислорода. Водород сгорает в камере, и всё.

 

Как "так"? Как есть, так и говорю