Впрыск воды и другие альтернативные решения

Обычно пользователи нашего сайта находят эту страницу по следующим запросам:
система впрыска топлива, система питания, электронная система впрыска, системы впрыска бензиновых двигателей, система непосредственного впрыска, работа системы впрыска, устройство систем впрыска, система распределенного впрыска, неисправность системы впрыска, схема системы впрыска, форсунка системы впрыска

Впрыск воды и другие альтернативные решения

Впервые использование впрыска воды было зарегистрировано около 100 лет назад. Первопроходцем стал инженер из Венгрии по имени Бенки. Через 10 лет в Англии профессор Хопкинсон провел несколько испытаний на больших промышленных двигателях, а в 1920-х годах многие сельскохозяйственные тракторы уже были оснащены двигателями с системой впрыска воды. Однако именно сэр Гарри Риккардо всерьез занялся изучением воздействия впрыска воды на процесс горения и его преимуществ и документально зафиксировал все результаты исследований в своей книге High-Speed Internal Combustion. Это было в начале 1930-х годов, а к 1936 году Риккардо получил несколько патентов на системы впрыска топлива, предотвращающие детонацию. Авиационные инженеры, стремившиеся установить рекорды высоты и скорости полета, быстро переняли его идеи. После начала Второй мировой войны высокотехнологичные системы впрыска воды использовались во многих военных самолетах сцелью обеднения топливной смеси при давлении наддува, что обеспечивало дополнительную мощность и препятствовало возникновению детонации.

Подробнее о процессе горения мы поговорим в главе 17, а на данном этапе необходимо понять, что, когда скорость, с которой сгорает топливо, или скорость, с которой поднимается давление в цилиндре, выходит из-под контроля, топливовоздушная смесь взрывается. Это детонация. Мягкая детонация станет причиной повреждения прокладки головки блока цилиндров. При жесткой детонации могут быть повреждены поршни, поршневые кольца и стенки цилиндров, не говоря уже о повреждении подшипников, шатунов и коленвала. Следовательно, детонации нужно стараться избежать, но проблема состоит в том, что все меры, которые мы предпринимаем для увеличения мощности или снижения расхода топлива, неизменно приближают нас к возникновению детонации. На самом деле лишь тонкая грань отделяет быстрое контролируемое горение от детонации, и именно в этом диапазоне мощность будет максимальной, а расход топлива минимальным (в зависимости от того, с какой целью проводились модификации – для снижения расхода топлива или увеличения мощности).

Поэтому, чтобы избежать детонации, надо «затормозить» скорость горения и увеличения давления, но это должно быть «легкое нажатие на педаль», чтобы не сократить показатели мощности на выходе и расхода топлива. Этого можно добиться одним способом – увеличив сопротивление детонации, то есть октановое число топлива. Но тут тоже не обязательно все пойдет как по маслу. Например, использование топлива с высоким октановым числом будет обходиться дорого, а учитывая, что, возможно, двигатель нуждается в топливе с высоким октановым числом всего на протяжении 5% (а чаще 2–3%) времени движения, в этом нет смысла. К тому же появляется проблема покупки топлива свысоким октановым числом при перемещении по периферии. Если говорить о гоночных автомобилях, стоимость может не играть роли, если вы можете использовать топливо Avgas или этилированное топливо для гонок, однако чаще спецификации для неэтилированного гоночного топлива не указываются. Неэтилированное топливо с высоким октановым числом может стоить в 10 раз дороже, чем топливо Avgas, поэтому, чтобы сократить расходы и предотвратить загрязнение окружающей среды, часто правилами гонок вводятся ограничения: разрешено использовать топливо с октановым числом не более 98 по исследовательскому методу, а это вряд ли поможет избежать детонации.

Интенсивность впрыска воды

Этот контроллер Edelbrock, который использовался одним из первых, позволял в некоторой мере контролировать интенсивность потока воды в зависимости от нагрузки двигателя и частоты вращения.

Нам остается только впрыск воды, а также еще несколько альтернативных решений, о которых мы поговорим позже. Прежде всего нужно понять, что вода не горит. Техническим языком ее можно назвать антипиреном, в течение многих лет воду использовали для тушения пожаров. А это означает, что вода может потушить и пламя в двигателе! Однако, не говоря уже о том, что двигатель может заглохнуть, наличие воды во время горения может негативно сказаться на его мощности. Следовательно, впрыск воды – это не просто подача воды в двигатель. Если мощность является важным фактором, поток воды и атомизация должны точно контролироваться, чтобы поставлять в цилиндры строго определенное количество воды, необходимое для устранения детонации.

К счастью для тех, кто занимается производством кустарных систем впрыска воды, диапазон, в котором двигатель продолжает работать удовлетворительно, достаточно широк. Соответственно, так как двигатель может выдержать степень сжатия от 11:1 до 17:1, то же верно и для впрыска воды. Однако мы также знаем, как точные системы впрыска топлива влияют на двигатели, работавшие раньше на карбюраторах. Улучшения будут значительными, особенно в плане мощности на среднем диапазоне частоты вращения, при этом реакция дроссельной заслонки также изменится в лучшую сторону. Все это происходит потому, что в двигатель подается точно дозированное количество топлива.

В атмосферных двигателях эти значения могут варьироваться в зависимости от нагрузки на двигатель и частоты вращения, в большинстве случаев при полностью открытой дроссельной заслонке мощность будет наиболее высокой в верхнем диапазоне с соотношением компонентов топливовоздушной смеси от 13:1 до 13,2:1. В турбированных двигателях можно добиться пиковой мощности при более обогащенной топливовоздушной смеси в зависимости от температуры окружающей среды и температуры впускного заряда. Если температура окружающей среды будет низкой, а промежуточный охладитель будет работать достаточно эффективно, значение не будет намного выше 13:1, но по мере увеличения температуры окружающей среды и впускного заряда внутреннее охлаждение и снижение скорости горения, производимые обогащенной топливовоздушной смесью (отношение снизится примерно до 12,3:1), могут привести к увеличению мощности, однако при этом расход топлива увеличится, как и количество вредных выбросов в атмосферу.

Если связать это с системами впрыска воды, станет понятно, почему система на основании насоса омывателя и распылителей, даже если она будет активироваться посредством датчика давления (в некоторых случаях предпочитают использовать что-то вроде датчиков давления масла), в лучшем случае поможет только предотвратить детонацию. В действительности это не увеличит мощность и не улучшит реакцию дроссельной заслонки. Напротив, скорее всего, подобная система негативно повлияет на эти параметры, а также увеличит износ цилиндров и поршневых колец, загрязняя масло, которое используется для смазки стенок цилиндров.

Простейшие системы, которые действительно могут принести пользу, должны быть оснащены по крайней мере насосом с различными скоростными режимами, контролируемым электронным модулем на основании сигналов относительно частоты вращения двигателя и давления наддува. Подобный комплект конструктивно можно сравнить с карбюратором, так как вы сможете осуществлять довольно неточный контроль интенсивности потока воды. Однако, если вы потратите время и настроите электронный модуль управления с учетом мощности на выходе, измеренной при помощи динамометрического стенда, вы можете добиться неплохих результатов.

Запомните: вашей целью должно быть ограничение интенсивности потока воды, который при этом должен обеспечивать защиту от детонации. Чтобы создать подобную конструкцию, следует отключить датчик детонации, чтобы он не смещал угол опережения зажигания в сторону отставания, не снижал давление наддува и не увеличивал количество впрыскиваемого топлива. Лучше подсоедините большой сигнальный индикатор, который будет предупреждать вас о том, что в двигателе началась детонация. В таком случае вы сможете принять меры и увеличить интенсивность потока воды. Датчик интенсивности потока будет очень полезным как в системе питания, так и в системе впрыска воды, поскольку при максимальной нагрузке при пиковом значении крутящего момента до пикового значения мощности в худшем случае оптимальная мощность будет достигаться, когда интенсивность потока воды по весу будет составлять примерно 35% от интенсивности потока топлива. В объемном соотношении это примерно 28% в зависимости от удельной плотности топлива. В общем, для двигателей с более высокой температурой впускного заряда и/или меньшим октановым числом топлива воды потребуется больше, а в двигателях с низкой температурой впускного заряда и/или более высоким октановым числом топлива воду можно будет использовать в меньших количествах, при этом интенсивность потока будет составлять примерно 10–15% в объемном отношении от интенсивности потока топлива.

На среднестатистическом двигателе при относительно низком октановом числе топлива и температуре впускного заряда около 70°С Интенсивность впрыска воды составит примерно 5%, а температура впускного заряда снизится примерно на 15–20°С при использовании соответствующей системы впрыска воды. Конечно же, при более низком октановом числе и температуре впускного заряда, достигающей 100°С, результаты будут намного скромнее.

Высокотехнологичные системы впрыска воды

Электронный блок управления Delco 808 можно перепрограммировать, чтобы обеспечить точный контроль интенсивности потока в системе впрыска воды, при этом стоимость подобных модификаций будет минимальной.

Это не похоже на значительное Высокотехнологичные системы впрыска воды даже при условии, что риск детонации сокращается, именно поэтому я не могу считать оправданной установку высокотехнологичных систем впрыска воды, которые стоят примерно так же, как качественный комплект системы впрыска. В подобных комплектах имеются специальные распылители в каждом впускном канале и насос высокого давления, подающий воду под давлением до 6,2 бар, чтобы сделать распыление топлива максимально эффективным. Чтобы обеспечить точную подачу топлива, система оснащена программируемым процессором, который позволяет изменять параметры в соответствии с нагрузкой на двигатель и частотой вращения, температурой на выходе из компрессора, температурой двигателя, турбокомпрессора и давлением наддува.

В гоночных автомобилях, где допустимое октановое число неэтилированного топлива ограничено правилами соревнований, или во время испытаний на прочность, когда расход топлива очень важен, а вода не входит в допустимый вес топлива, стоит использовать наиболее качественную систему впрыска воды независимо от ее стоимости. Однако использование в условиях городского движения подобного дорогостоящего оборудования, скорее всего, не будет оправданным, так как можно впрыскивать другие вещества, как вы поймете позже, при этом получая более впечатляющие результаты.

Но, прежде чем мы поговорим об этом, стоит рассмотреть еще несколько моментов, связанных с системой впрыска топлива. Когда мы впрыскиваем воду, преимуществ может быть несколько в зависимости от того, какие недостатки имеет наш двигатель с наддувом. Пока мы выяснили только то, что вода может стать выходом, если октановое число топлива низкое, за счет того, что во время горения вода превращается впар. Это изменение состояния понижает температуру горения, замедляя скорость увеличения давления в камере сгорания. К тому же частицы пара попадают между частицами кислорода и топлива, что опять же замедляет процесс горения и скорость увеличения давления. Пока все это происходит, поршень продолжает перемещаться в верхнюю мертвую точку, сжимая газы все больше и больше, но при этом температура в камере сгорания ниже, а давление повышается не так быстро, поэтому детонации удается избежать. Затем, по мере того как поршень начинает медленно опускаться, продолжается контролируемое горение, но пламя при горении теперь должно обходить молекулы пара и увеличивающееся количество молекул выхлопных газов, чтобы добраться к молекулам топлива и кислорода. Поэтому максимального значения давление в цилиндре достигает примерно на 15° после верхней мертвой точки. Если это будет происходить в положении 18–20°, мощность может уменьшиться, а если вположении 12–14°, возникнет детонация.