Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из системы впрыска воды (двигатели) )
Перейти к навигации Перейти к поиску

В двигателях внутреннего сгорания , впрыска воды , также известный как анти-detonant инъекции (ADI), может распылять воду в поступающий воздух или топливо - воздушной смеси, или непосредственно в цилиндр , чтобы охладить некоторые части индукционной системы , где «горячие точки» может 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, такие как 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 большую степень сжатия за счет уменьшения детонации (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 , турбонагнетателем или модификациями, такими как агрессивная синхронизация зажигания .

В зависимости от двигателя, улучшения мощности и топливной экономичности также можно достичь исключительно за счет впрыска воды. [1] Закачка воды также может использоваться для снижения выбросов NOx или оксида углерода . [1]

Впрыск воды также используется в некоторых газотурбинных двигателях и некоторых турбовальных двигателях, как правило, когда требуется мгновенная установка большой тяги для увеличения мощности и топливной экономичности.

Теория [ править ]

Вода имеет очень высокую теплоту испарения . Когда вода с температурой окружающей среды впрыскивается в двигатель, тепло передается от горячей головки блока 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, чем в двигателях без наддува, поэтому это может помочь предотвратить его. В электронных системах зажигания угол опережения зажигания обычно замедляется, чтобы предотвратить возникновение детонации, но с впрыском воды он может быть увеличен ближе к моменту максимального тормозного момента (MBT) для дополнительной мощности.

Состав жидкости [ править ]

Во многих системах впрыска воды используется смесь воды и спирта (часто около 50/50) со следовыми количествами водорастворимого масла. Вода обеспечивает первичный охлаждающий эффект за счет большой плотности и высоких теплопоглощающих свойств. Спирт горючий, а также служит антифризом для воды. Основное назначение масла - предотвращение коррозии компонентов системы впрыска воды и топливной системы; [2] он также может способствовать смазке двигателя при работе в режиме высокой мощности. [ необходима цитата ] Поскольку спирт, примешанный к раствору для инъекций, часто представляет собой метанол (CH 3OH), система известна как закачка метанола в воду или MW50 . В высокоэффективных автомобильных приложениях использование 100% метанола, противоречащего смеси вода-метанол, называется просто впрыском метанола. Из соображений безопасности и долговечности деталей этот вариант остается спорным. [ согласно кому? ] В Соединенных Штатах эту систему также обычно называют впрыском антидетонанта или ADI.

Эффекты [ править ]

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 небольших каплях жидкости) может поглощать тепло (и понижать давление) при сжатии заряда, тем самым уменьшая работу сжатия. [1] Дополнительный эффект возникает позже во время сгорания, когда вода поглощает большое количество тепла при испарении, снижая пиковую температуру и, как следствие, 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 . Конечный результат - это 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 преимуществ от использования впрыска воды. Типичные импульсные реактивные двигатели имеют крайне низкую топливную экономичность, 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 уменьшает загрязнение. Впрыск воды и другие средства усиления могут быть в состоянии преобразовать струю импульса от шумного, неэффективное трубки к сжиганию пылесоса и достаточно мощный двигатель , который может быть полезен в легком самолете [ править ] .

Экономию топлива можно улучшить с помощью впрыска воды. В зависимости от двигателя эффект впрыска воды без каких-либо других модификаций, таких как обеднение смеси, может быть весьма значительным. [1] 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 переходят с образованием CO.
2и H 2 . [1] Однако вода может также увеличить выбросы углеводородов, возможно, из-за увеличения толщины закалочного слоя.

Контроль над закачкой воды очень важен. Он должен вводиться только тогда, когда 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 быть сделано 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.

Ограничения [ править ]

Большинство современных двигателей потребительских транспортных средств заранее запрограммированы на определенные отношения топлива к воздуху, поэтому введение воды без перепрограммирования компьютера автомобиля или иного изменения этих соотношений, скорее всего, не принесет никакой пользы и, вероятно, может снизить производительность или повредить двигатель [ цитата необходима ]. Кроме того, большинство современных топливных систем не могут определить добавление воды в какой-либо форме, 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 приводит к потере 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 быть поврежден, 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 гидрозатвором , когда объем жидкости в двигателе близок или превышает объем между поршнем и головкой (или между поршнями в оппозитно-поршневом двигателе) двигателя в верхней мертвой точке, что приводит к чрезвычайно высокому давлению в цилиндре, которое может вызвать взорвавшуюся головку , разрушение поршня, шатунов 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, как правило, он 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 управляются только на очень короткие дистанции. В большинстве форм закачки воды вода смешивается с горючим топливом, а не используется изолированно.

Многие мошенники продукта существует [ править ] рекламировал , что вставив трубку запотевания спрейте во впускном коллекторе увеличивается пробег или лошадиных силы. Однако, если пользователь не перепрограммирует ЭБУ автомобиля или не внесет существенные изменения в двигатель, в конечном итоге может произойти потеря мощности и повреждение.

Использование в самолетах [ править ]

«Мокрый» взлет KC-135 с двигателями J57

Впрыск воды используется как в поршневых, так и в газотурбинных двигателях самолетов . 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. [3]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.

Военные самолеты с поршневым бензиновым двигателем до Второй мировой войны использовали технологию впрыска воды 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 вражеских бомбардировщиков . Некоторые истребители также использовали впрыск воды для ускорения короткими очередями во время воздушных боев.

Как правило, топливная смесь в авиационном двигателе устанавливается на полную обогащенную при работе с высокими настройками мощности (например, во время взлета). Лишнее топливо не горит; его единственная цель - испариться, чтобы поглотить тепло . Это быстрее расходует топливо, а также снижает эффективность процесса сгорания. Благодаря впрыску воды охлаждающий эффект воды позволяет топливной смеси работать более бедной при максимальной настройке мощности. Многие военные авиационные двигатели 1940-х годов использовали карбюратор высокого давления , тип системы дозирования топлива, подобный системе впрыска дроссельной заслонки . В двигателе с впрыском воды напорный карбюратор оснащен механическим клапаном разгрузки.это делает систему почти автоматической. Когда пилот включает насос впрыска воды, давление воды перемещает клапан разрушения, чтобы ограничить поток топлива для обеднения смеси, одновременно подмешивая жидкость вода / метанол в систему. Когда в системе заканчивается жидкость, клапан разграничения закрывается и отключает систему впрыска воды, одновременно обогащая топливную смесь, чтобы обеспечить охлаждение для предотвращения внезапной детонации.

Благодаря охлаждающему эффекту воды авиационные двигатели с циклом Отто с впрыском воды могут быть созданы для выработки большей мощности за счет более высоких плотностей заряда во время сгорания. Дополнительная плотность заряда обычно достигается за счет повышения давления в коллекторе перед началом детонации . Обычно это делается путем добавления или увеличения количества 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 стремятся развить огромную мощность за короткое время. В этом случае недостатки системы впрыска воды менее важны.

Использование впрыска воды в газотурбинных двигателях было ограничено, опять же, в основном военными самолетами. Имеется множество фотографий взлета Boeing B-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 была решена за счет использования более мощных двигателей, которые ранее не были доступны.

Ранние версии Boeing 707, оснащенные турбореактивными двигателями Pratt & Whitney JT3C, использовали впрыск воды для дополнительной взлетной мощности, как и самолеты Boeing 747-100 и 200, оснащенные турбовентиляторными двигателями Pratt & Whitney JT9D -3AW и -7AW; [4] эта система не была включена в более поздние версии, оснащенные более мощными двигателями. На авиалайнере BAC One-Eleven также использовался впрыск воды для турбовентиляторных двигателей Rolls-Royce Spey . Заполнение баков авиакеросином вместо воды привело к катастрофе рейса 112 компании Paninternational. [5]

Использование в автомобилях [ править ]

Ограниченное количество дорожных транспортных средств с двигателями с принудительным впуском от таких производителей, как Chrysler, имеет впрыск воды. 1962 Oldsmobile F85 был доставлен с Fluid-инъекций Jetfire [6] двигатель, который, кстати, разделяет звание «первый в мире турбированный дороге автомобиль» с Corvair Spyder. Oldsmobile называл водно-спиртовую смесь «турбо-ракетной жидкостью». Saab предложил впрыск воды для Saab 99 Turbo. С введением промежуточного охладителя интерес к впрыску воды для предотвращения детонации почти исчез, но в последнее время интерес также вызывает впрыск воды, поскольку он потенциально может снизитьвыбросы оксида азота (NO) и оксида углерода (CO) в выхлопных газах . Однако наиболее распространенное использование впрыска воды сегодня - в автомобилях с высокопроизводительными вторичными системами принудительной индукции (такими как турбокомпрессоры или нагнетатели); такие двигатели обычно настраиваются с более узким запасом защиты от детонации и, следовательно, сильно выигрывают от охлаждающего эффекта испаренной воды. [ необходима цитата ]

В 2015 году BMW представила версию своего высокопроизводительного купе M4 , M4 GTS, в которой впрыск воды сочетается с промежуточным охлаждением. Автомобиль был представлен в сезоне MotoGP 2015 года как официальный автомобиль безопасности для серии и был выпущен на коммерческий рынок в 2016 году. [7] Согласно примеру BMW , текущие разработки двигателей с впрыском воды, похоже, сосредоточены на эффекте «Производительность». Улучшение". Но к середине 2020-х годов при разработке двигателей основное внимание будет уделяться снижению расхода топлива из-за давления на CO.2сокращение выбросов и соответствующие правила. [8] [9]

Компания Bosch , разработавшая эту технологию совместно с BMW , предлагает другим производителям систему впрыска воды под названием WaterBoost. Компания заявляет о повышении производительности двигателя до 5%, снижении выбросов CO до 4%.
2выбросы и снижение расхода топлива до 13%. [10] Аналогичные результаты [11] были опубликованы FEV, показывающие повышение эффективности использования топлива до 5,3% для 2,0-литрового бензинового двигателя и даже более чем на 7% в сочетании с охлажденной рециркуляцией выхлопных газов , в зависимости от ездового цикла. считается.

Впрыск воды и рециркуляция охлаждаемых выхлопных газов (EGR) можно рассматривать как конкурентные технологии: было продемонстрировано, что при средней нагрузке соотношение воды к топливу (WFR) 40-50% с впрыском воды в порт (PWI) имеет тот же эффект. коэффициент рециркуляции отработавших газов составляет 10%, что считается относительно ограниченным даже для бензиновых двигателей. [12] Тем не менее, 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 системой рециркуляции отработавших газов). Кроме того, он существенно не ухудшает стабильность горения. Задержка сгорания, связанная с разбавлением системы рециркуляции отработавших газов, и необходимая адаптация массового расхода рециркулируемого газа к максимальным характеристикам турбонагнетателя обычно являются двумя ограничивающими параметрами макс. приемлемая скорость EGR. Следовательно, можно добиться некоторого синергизма при использовании впрыска воды в области карты двигателя, где рециркуляция отработавших газов обычно невозможна (высокая нагрузка / высокая скорость).

Бортовая генерация воды [ править ]

Опросы клиентов об их готовности регулярно доливать дополнительную рабочую жидкость показали, что уровень приемлемости ограничен. [9] Таким образом, необходимость повторного заполнения считается одним из основных препятствий для массового внедрения системы закачки воды. Ключевым фактором является разработка бортовой системы выработки воды для работы в системе с замкнутым контуром, особенно для того, чтобы гарантировать стабильно низкий уровень выбросов ( CO в двигателе
2выбросы увеличиваются при работе без водоснабжения). Можно исследовать три основных источника:

  • Сбор влажности воздуха из окружающей среды (например, конденсатом кондиционера)
  • Поверхностная вода (например, дождевая вода, собранная с кузова автомобиля)
  • Конденсат выхлопных газов

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 выхлопных газах 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 оборудованию Hanon Systems под названием «Water Harvesting System». [13]Полностью укомплектованная система смогла в самых критических случаях протестировать конденсат более чем в 2 раза по сравнению с потребляемой водой. Качество водяного конденсата было представлено как достаточно хорошее, чтобы избежать проблем с форсунками, а потенциальные проблемы с коррозией не были обнаружены во время обширных тестовых поездок. конденсаты были прозрачными, без резкого запаха и цвета.

Использование в дизельном топливе [ править ]

Исследование 2016 года сочетало впрыск воды с рециркуляцией выхлопных газов . Вода впрыскивалась в выпускной коллектор дизельного двигателя, и, открывая выпускной клапан во время такта впуска, впрыскиваемая вода и часть отработавшего газа возвращались в цилиндр. В результате выбросы NOx сократились на 85%, но за счет увеличения выбросов сажи. [14]

См. Также [ править ]

  • Crower 6-тактный
  • МВт 50

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e Уилсон, Дж. Парли. Эффекты впрыска воды и повышенная степень сжатия в бензиновом двигателе с искровым зажиганием. Уилсон, Диссертация, Университет Айдахо, 2011 г.
  2. ^ Kroes, M; Уайлд, Т. (1995). Силовые установки самолетов (7-е изд.). Гленко. п. 143.
  3. ^ Kroes, Aircraft Силовые , стр. 285-286
  4. ^ Даггетт, Д.Л., Ortanderl, С., Эймс, Д., Berton, JJ, и Снайдер, CA (2004). Возвращаясь к закачке воды для коммерческих самолетов. Серия технических документов SAE 2004-01-3108. https://doi.org/10.4271/2004-01-3108
  5. ^ Описание от несчастных случаев на Paninternational крушение Hamburg-Фульсбюттель в сети по безопасности полетов
  6. ^ Olds FAQ - Jetfire
  7. ^ BMW M Power - Инновационная система впрыска воды
  8. ^ DURST, B .; UNTERWEGER, G .; REULEIN, C. et al., 2015. Leistungssteigerung von Ottomotoren durch verschiedene Wassereinspritzungskonzepte. В: MTZ-Fachtagung Ladungswechsel im Verbrennungsmotor. 8
  9. ^ a b [1] PAUER, T .; FROHNMAIER, M .; WALTHER, J .; SCHENK, P .; HETTINGER, A .; КАМПМАНН, С., 2016. Optimierung von Ottomotoren durch Wassereinspritzung. В: 37. Internationales Wiener Motorensymposium.
  10. ^ Bosch WaterBoost - Мобильные решения Bosch
  11. ^ [1] THEWES, M .; BAUMGARTEN, H .; SCHARF, J .; BIRMES, G .; БАЛАЗС, А. и др. alt., 2016 Впрыск воды - высокая мощность и высокая эффективность в сочетании: 25. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik
  12. ^ CONWAY, Graham, 2019. Закачка альтернативных жидкостей для смягчения ударов. В: SAE, «Международное совещание по силовым агрегатам, топливу и смазочным материалам», Сан-Антонио, Техас, 22–24 января 2019 г.
  13. ^ Эбер, Гийом; Базала, Иржи; Фишер, Оливер; Нотбаум, Юрген; Тьюис, Матиас; Фосхалл, Тобиас; Диль, Питер (2019). Конденсат выхлопных газов как вспомогательное средство для автономных систем закачки воды . 28-й Ахенский коллоквиум по автомобильным и моторным технологиям.
  14. ^ Нур, М; Kosaka, H; Абдель-Рахман, Али К.; Бады, М (2016). «Влияние впрыска воды в выпускной коллектор на сгорание и выбросы дизельного двигателя» . Энергетические процедуры . 100 : 178–187. DOI : 10.1016 / j.egypro.2016.10.162 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Отчет о меморандуме NACA военного времени E5H12 08/1945
  • "Boosting Gas Turbines" , статья Билла Ганстона о полете в 1952 году.