Впрыск водометанола. Очень познавательно.
Большая часть тюнинг-технологий, применяемых сегодня, известны уже чуть ли не сто лет (это наддув, впрыск азота и многое другое), а восемьдесят процентов процессов, происходящих в цилиндре, не изучены до конца и по сей день. Неплохой потенциал, правда? Но это все – вода. Кстати, о воде и пойдет речь сегодня.
• Впрыск воды: гидроподхват?
— Вообще, нормальный автолюбитель как огня боится воды (то есть гидроудара), и понятие «впрыск воды в цилиндры» звучит для него абсурдно. Одна только мысль о наличии в цилиндре хотя бы капли самого распространенного на нашей планете соединения может довести до сердечного приступа. Но «нормальные автомобилисты» тем и отличаются, что читают «Приусадебное хозяйство», так что за твое здоровье мы спокойны.
— Как было уже замечено, большая часть технологий далеко не нова, и первые опыты с впрыском воды в двигатель начались еще в 30-х годах. А первый патент на такую систему выдан в СССР в 1934 году! В те далекие времена никто еще и не помышлял об использовании этой технологии для получения добавочной мощности – опыты ставились с целью избежать явления детонации в цилиндрах (взрыва топливно-воздушной смеси в цилиндре вместо прогрессивного горения).
• Непосредственно для увеличения мощности впрыск воды, наряду с впрыском закиси, был впервые использован во время Второй мировой войны в самолетных двигателях. В Германии «на воде» летали знаменитые «Мессеры», в СССР – Илы и МиГи. Однако новые реактивные двигатели, как ты уже знаешь, убили все перспективные разработки по поршневым моторам.
— Так бы и остался впрыск воды забытым, если бы не бедственное положение народного хозяйства в послевоенные годы. Система вновь начала применяться, позволяя использовать бензин с более низким октановым числом без ущерба для двигателя.
• Перейдем к теории:
• Хотя мы и говорим «впрыск воды», только H2O позволяет, в основном, снизить детонацию (плюс, действуя как антиоксидант, препятствует отложению соединений углерода), на деле же применяется смесь воды и метанола в соотношении 50:50. И сейчас объясним, почему.
• Вода имеет очень высокую теплоемкость (именно поэтому вблизи моря изменение температуры происходит более плавно), что способствует снижению температуры поступающего воздуха, а мы знаем из школьного курса физики, что для сжатия более холодного воздуха требуется затратить меньше энергии. То есть, грубо говоря, вода играет роль интеркулера.
• Однако что же получается? С одной стороны, теперь мы можем «загнать» в цилиндр больше кислорода, но, с другой, вода испаряется, оставляя меньше места для кислорода. Получается, что оба фактора нейтрализуют друг друга! Если бы не одно приятное «но» — вода, испаряясь, увеличивается в объеме, а значит, увеличивается и давление внутри цилиндра, следовательно, наблюдается и прирост мощности – около 10%.
• Кроме того, вода при впрыске становится мелкодисперсной средой с размером частиц – капель – около 0,01 мм, и бензин эти капли сразу обволакивает – примерно так же, как он растекается по поверхности лужи. Камера сгорания, таким образом, получается заполненной более равномерно (более гомогенизированная смесь). Это увеличивает КПД и, опять же, снижает риск детонации.
• Не лишним будет напомнить, что ни одна система не может полноценно использоваться без соответствующей настройки двигателя – это или забеднение смеси, или увеличение давления, или более раннее зажигание. «Заточенные» самолетные двигатели времен Люфтваффе имели устройства для автоматического обеднения смеси во время впрыска воды. Если говорить про сегодняшний день, то Saab не так давно стал применять на турбированных двигателях впрыск воды в сочетании с бедной смесью, но здесь это сделано с целью экономии топлива и снижения вредного выброса в атмосферу.
• А теперь про метанол. Этот спирт горит гораздо медленнее, нежели бензин, благодаря чему давление в цилиндрах нарастает более плавно и его пик возникает позже. Что происходит? Увеличивается момент, а следовательно, и мощность, которая напрямую зависит от соотношения момента и числа оборотов.
• Но самое «вкусное» – правильно установленная и настроенная система совершенно безопасна для двигателя! Более того, как уже было сказано, вода препятствует отложению соединений углерода! Словом, когда сгниет все железо, мотор еще твоим внукам достанется. А гидроудара бояться не стоит – для того чтобы повредить мотор, надо просто утонуть в броде с работающим мотором, а разумные количества воды для движка не страшны.
• Теперь поговори о железе:
— От теории перейдем к области практического применения. Чтобы система была эффективной и безопасной, она должна соответствовать следующим требованиям: равномерно распределять поток между цилиндрами и менять расход воды в зависимости от объема воздушного потока. Идеальный вариант – когда максимальное количество воды поступает на пике момента. Правильное соотношение вода/воздух – 1:10…1:14 (если недолить – двигатель будет детонировать, первый признак – сильная вибрация; если перелить – топливно-воздушная смесь будет сгорать не полностью, первый признак – стрельба из глушителя). Вода обязательно должна быть дистиллированной. Посмотри на отложения солей в чайнике – ты же не хочешь, чтобы в цилиндрах была такая же гадость!
• Между строк можно заметить, что купить сегодня такую систему особых проблем нет, а вот правильно настроить… таких специалистов по всей России можно по пальцам одной руки пересчитать.
• Вода должна подаваться в мелкодисперсном виде – у множества маленьких капель больше площадь теплообмена, соответственно, эффективнее испарение (именно поэтому в блюдце чай стынет быстрее, чем в стакане). Как этого добиться? При помощи достаточно мощного насоса и правильного (!) сопла форсунки. В самодельных системах обычно используется насос от оросительной системы и игла от одноразового шприца. Надежность и эффективность такой конструкции под большим вопросом.
• В атмосферных двигателях форсунка устанавливается во впускном коллекторе, рядом с дроссельной заслонкой. Владельцам турбовых моторов повезло еще раз – здесь целых три варианта установки: перед компрессом, между компрессором и интеркулером, после интеркулера. В первом случае вместо насоса используется давление наддува, но требования к форсунке очень высоки и компрессор живет достаточно недолго – на крыльчатке появляются отложения солей. Второй случай – из опыта применения в авиации, где форсунки (порой их было больше десятка) устанавливались непосредственно у выхода из турбины. И наконец, третий вариант хорош тем, что вода играет роль дополнительного интеркулера, снижая температуру воздуха в цилиндре примерно на 500 градусов.
— Сегодня одним из самых именитых производителей систем впрыска воды является британская фирма Aquamist, именно ее продукция стоит на большинстве раллийных автомобилей. Да-да, машины WRC еще пару лет назад ездили «на воде», пока FIA не ввела запрет, но в некоторых других сериях впрыск воды остался!
��А вот что касается гражданских автомобилей, то для них фирмой продано всего около двухсот комплектов!
��Сегодня такая система стоит от $200 до $3000, и купить ее вполне реально. Вполне реально даже установить. Сложнее – настроить, еще сложнее – правильно настроить. В любом случае, впрыском закиси азота удивить кого-либо сложно, а впрыск воды, судя по всему, еще долго будет оставаться экзотикой.
Экзотический тюнинг — впрыск водометанола. Правда или миф?
Сказать, что подобный вид тюнинга экзотичный — ничего не сказать. Однако, он не стоит в одном ряду с тюнингом, который появился в последнее десятилетие, его истоки идут аж с 30-х годов прошлого столетия. Именно тогда был выдан первый патент на производство водометанольного двигателя. А теперь гордитесь, выдан патент был в СССР.
Особенность двигателя в том, что в камеру сгорания подается вода. И в этот момент среднестатистического водителя должно разорвать от возмущения и негодования. Как же так, вода в двигатель, это же гидроудар и поршневая, блок цилиндров с головкой под замену? А вот и нет. Что бы в этом разобраться необходимо изучить данный вариант ДВС, где он применялся и какие положительные стороны использования он имел.
История создания ДВС на водометаноле
Принципы работы ДВС на водометаноле
Самое интересное в том, что в момент впрыска вода принимает мелкодисперсную структуру (капельки). Эти частицы, бензин мгновенно обволакивает, подобно бензиновому пятну в луже, что делает смесь более гомогенизированной (однородной) и нейтрализующей взрывную среду. Такая субстанция равномерно заполняет камеру сгорания, что увеличивает КПД в каждом отдельном цикле.
Беда подобных конструкций не дороговизне, дефиците или отсутствия специального топлива, а в настройках системы. Ибо, максимально эффективно будет работать тот двигатель, который лучше всего настроен. А в нынешнее время специалистов по настройке водометанольного ДВС в нашей стране меньше чем пальцев на одной руке. Мастера для правильной настройки используют обеднение смеси, раннее зажигание или увеличение давления. В немецких самолетах времен второй мировой использовалась автоматическая система забеднения топливной смеси. В современное время шведский Сааб стал ставить водометанол на свои турбированные двигатели. Для того, чтобы можно было обеднять смесь, и тем самым минимизировать выбросы продуктов горения в окружающую среду.
Второй компонент — метанол, а по сути дела спирт. Скорость горения, которого меньше чем у бензина, что позволяет нарастать давлению в камере сгорания медленнее и равномернее. Отсюда выше момент, а значит и мощность, ибо она зависит от момента и числа оборотов.
И самое главное, при правильной настройке ДВС ни чего не угрожает, ни гидроудар не прочие «бяки». При этом еще и увеличится ресурс двигателя. Машины уже не будет, а мотор будет живой, благодаря отсутствию отложений углеродных соединений. И к слову, гидроудар мотор получает, только если его полностью залить водой, а небольшие дозы ему не повредят.
Особенности системы и ее цена
Цена системы варьируется от 200 до 3000$. Но опять же повторюсь, не в цене загвоздка, а в настройке. Одна английская компания поставляла такие системы на раллийные автомобили. Смешно сказать, что машины класса WRS ездили на воде. На так было недолго, так как по каким-то причинам федерация запретила их использовать и они остались только на некоторых классах гоночных авто.
Как установить систему?
По сути сам принцип мало отличим от закиси азота. Разница в использовании и наращиванию мощности в определенный промежуток времени. Использование закиси носит мгновенный характер, а водометанола постоянный. Однако, закисью вы сейчас ни кого не удивите, а вот водой в цилиндрах, пожалуй, многих.
Системы впрыска водо-метанола, азота на ST/RS
Системы впрыска водо-метанола — это системы предназначенные для впрыска смеси дистилированной воды и метилового спирта во впускную систему (впускной тракт) двигателя (обычно в соотношении 50 на 50%, иногда вместо метилового спирта используют этиловый (водка), но метиловый работает лучше).
Примечание: Метиловый спирт имеет октановое число порядка 140, этиловый 105 -110 на сколько я помню.. цифры неточные но находятся где то в этом диапазоне.
Итак, зачем нужна такая система и как она работает. Работает система очень просто, ее основными компонентами является насос выского давление 10-15 атм и форсунка распыления смеси + элементы управления этой системой и разная мелочевка для установки все этого дела. Метанол имеет довольно плохую текучесть в отличии от безнинов, и поэтому очень плохо распыляется при низких давлениях, поэтому насос должен создавать высокое давления для полноценного распыления смеси. Под высокими давлением насоса, форсунка атомизирует смесь водо-метанола, при это молекулы воды и метилового спирта соединяются с молекулами воздуха (который идет во впускной коллектор двигателя, обычно форсунку распыления размещают неподалеку от дроссельной заслонки), таким образом соединяясь молекулы воды с воздухом — поглощают тепло воздуха и тем самым охлаждают воздух, молекул метилового спирта же соединяются с воздухом и дальше с молекулами бензина и тем самым очень повышают октановое число топливо-воздушной смеси которая сгорает в цилиндрах двигателя.
Другим позитивным качеством работы этой системы есть то что метиловый спирт растворяет и удаляет нагар из цилиндров.
Если говорить коротко, благодаря этому впрыску вы получаете более холодный воздух + более высокое октановое число топлива! Эти 2 основных фактора ведут к значительно более высокой стойкости смеси к возникновению детонации, если говорить об эфекте, то заливая обычный 95 с этой системой, у вас будет такое впечатление что вы ездите на 115м бензине.
Как следствие, благодаря высокой стойкости смеси к детонации, у вас появляется возможность настроить топливно воздушную смесь более бедно, и в тоже время настроить углы зажигания более резкие — эти 2 фактора очень сильно влияют на мощность двигателя — и позволяют значительно ее увеличить.
Системы впрыска водометанола бывают разных видов, базовые — Stage 1, прогрессивные — Stage 2, и Stage 3 — Прогрессивные 3D Системы.
Отличаются все они лишь методом управления системой впрыска водометанола, стейдж 1 — идет механическое управления — буст свитч — активация системы на 100% при достижении определенной точки наддува турбины (то есть скажем включение впрыска на 100% при наддуве 0.6 атм)
стейдж 2 — идет электронное управление системой впрыска, тут у вас уже есть возможность регулировать мощность впрыска (скажем можно настроить начало впрыска на 0.5 атм с мощностью 20% и пропорционально с наддувом увеличивать мощность до 100% скажем к 1.5 атм наддува)
стейдж 3 — идет электронное управление впрыска, причем дозировка водо-метанольной смеси идет в зависимости от Дьюти цикла ваших топливных форсунок, другими словами контроллер смотрит сколько бензина было влито — и пропорционально дозирует водо-метанола в заданном соотношении.
Системы универсальные и могут устанавливаться на автомобили любого производителя. Системы делятся на системы для Атмосферных и Турбированных двигателей, в том числе и для дизельных. Системы очень просты в установке, абсолютно безопасны в работе, стоят относительно недорого и имеют очень значительный эффект при настройке двигателя!
Установка системы впрыска водометанола
Впрыск воды и метанола в двигатели внутреннего сгорания с наддувом (с турбонаддувом или компрессором) — это проверенный способ эффективного снижения температуры топливно-воздушной смеси и подавления опасной детонации. Позволяет увеличивать наддув без откатов углов зажигания без использования высокооктанового гоночного топлива, с увеличением мощности до 20%.
Тюнинг-ателье ALTECHNO грамотно установит систему впрыска водометанола на ваш автомобиль с учетом всех необходимых тонкостей.
Выходная мощность напрямую зависит от количества сжигаемой топливно-воздушной смеси в единицу времени (чем больший объем ТВС сжигается, тем больше мощность). Но возникает ограничение — температура воздуха на впуске. Требуется его дополнительное охлаждение. Для этих целей используется интеркулер, система впрыска водометанола.
Показательным примером применения системы впрыска воды является BMW, выпустившая в 2015 году модель BMW 4m gts с серийным впрыском воды.
Вкупе с интеркулером она способна охладить нагнетаемый воздух до 45 градусов.
Как следствие — воздух становится плотнее, а значит в цилиндры можно подать больше ТВС (топливно-воздушной смеси).
В результате увеличивается КПД мотора, и 3-литровый битурбо с системой водяного впрыска выдает не 430 лс и 550 Нм крутящего момента, а 500 лс и 600 Нм.
Распылённая вода попадая в двигатель в нужный момент охлаждает ТВС и горячие точки, вызывающие детонацию. Купировав детонацию можно увеличить степень сжатия, понизив температуру топливно-воздушной смеси можно увеличить её количество и как результат выходную мощность. Но использовать чистую воду нельзя — при низких температурах она замерзает. Поэтому используют раствор воды и метанола. Вода охлаждает, а метанол работает как антифриз. Кроме непосредственно охлаждения ТВС с помощью воды и метанола повышаем её качество, увеличиваем октановое число, что сказывается на работе мотора, и позволяет применить более агрессивные настройки для получения большей мощности.
На рынке существуют предложения различных производителей. Наиболее распространенной является продукция американской фирмы АЕМ. Рассмотри все детали и тонкости на её примере.
Пластиковый бак, объем 1 галлон (около 4 литров) со встроенным токопроводящим индикатором низкого уровня жидкости и противоотливной пластиной. В этом баке находится водометанол
Резервуар устанавливается в багажнике автомобиля, откуда по трубкам, водометанол насосом подается в сторону двигателя.
Диаметр трубок — 1\4 дюйма. Важно использовать оригинальные трубки
Силиконовый шланг подключается на впускной коллектор и контроллер определяет избыточное давление в коллекторе.
В этом контроллере присутствуют два триммера. Первый триммер регулирует давление, на котором включается система, то есть начинается подача водометанола, а второй триммер устанавливает на каком давлении система выходит на максимальный объем, выдает максимальное количество водометанола. Также присутствует светодиодный индикатор состояния и тестирования. Система может работать до 35 psi (2,7 атмосфер) избыточного давления.
ВАЖНО! Обратите внимание, на то, что система измерений на шкале не метрическая!
Неотъемлемой частью любой системы впрыска воды и метанола является насос, перекачивающий водометанол из багажника под капот. Сверхмощный впрыскивающий насос высокого давления AEM с внутренним байпасом обеспечивает тихую и плавную работу. Имеет надежную конструкцию, включая встроенные шланговые фитинги, уплотнения из EPDM и диафрагму из сантопрена, обеспечивает стабильную и надежную подачу жидкости. Обеспечивает давление до 200 psi (13,6 атмосфер), при этом его производительность достигает 3,87 л\мин.
Благодаря этому насосу водометанол поступает к форсунке (одной или нескольким), установленной в подкапотном пространство перед дроссельной заслонкой (хотя возможны варианты).
Форсунки бывают различной производительности, в зависимости от установленного жиклёра (у AEM их три), с их помощью можно регулировать диаметр сопла форсунки.
Чем больше воздуха необходимо двигателю для работы, тем больше водометанола нужно подавать для его охлаждения, тем больший диаметр должен быть у жиклёра. Также, форсунка должна обеспечивать качественный распыл. Без нормального распыла водометанола (как и у топливно-воздушной смеси) система не будет работать адекватно.
Диаметр форсунки очень маленький и даже малейшие песчинки могут его забить. Для предотвращения внедряют специальный фильтр (фильтрующий элемент — сетка 100 мкр), не пропускающий песчинки к форсунке и обеспечивающий её производительность.
Установка впрыска водометанола позволяет агрессивно настроить двигатель, увеличить угол опережения зажигания, добавить буста и достать все «соки», всю мощность. Но что случится, если в какой-то момент прекратится подача водометанола? (например, по банальной причине — закончилась жидкость).
— — На помощь придет датчик, учитывающий объём жидкости, проходящий через него и отправляющий сигнал на отказоустойчивый контроллер AEM Water/Methanol Failsafe Device. Он активно отслеживает ВСЮ кривую потока, чтобы компенсировать отказ при ЛЮБОЙ ситуации.
В случае, если происходит отклонение от нормальных показателей, зашитых в контроллер, он отправляет сигнал на буст-контроллер, либо на соленоид управления бустом, либо на блок управления двигателем. И либо включается резервная карта (если речь идет о спортивной автомобиле и у него есть разные карты для режима работы без водометанола и с водометанолом), либо идет откат по бусту до аварийной величины (например с 2 атмосфер до 0,5) и таким образом сохраняется в целости двигатель.
Установка подачи водометанола без подобного датчика безопасности очень опасна для автомобиля.
В процессе многолетней эксплуатации впрыска водометанола выяснилась еще одна интересная особенность. Если автомобиль едет продолжительное время под горку, либо на стенде, когда задняя часть (где расположены резервуар и насос) находится достаточно долго под углом, то водометанол будет самотёком течь вниз к форсунке, и МОЖЕТ просочиться во впуск.
Чтобы это предотвратить используются механические клапаны, блокирующие поступление водометанола, если давление жидкости МЕНЬШЕ 1 атм. Работающий насос свободно через него продавливает, а самотёком идущий водометанол не может преодолеть препятствие.
Когда впрыск водометанола в камеру сгорания не нужен — наш насос не работает. Но в момент включения может возникать определённая задержка во времени. Для того, чтобы её избежать применяется электронный управляющий клапан (производители рекомендуют устанавливать его максимально близко к форсунке), он во-первых препятствует перетеканию водометанола самотёком, а во-вторых заставляет насос работать все время, и в тот момент, когда необходима подача водометанола этот клапан открывается и впрыск происходит без задержки.
В багажник устанавливается резурвуар и насос (крепить обязательно нужно через резиновые втулки).
В салоне расположен управляющий блок и контроллер, который обезопасит автомобиль, если подача водометанола вдруг прекратится.
Под капотом — устанавливается датчик, регистрирующий кол-во водометанола, проходящее через него в единицу времени.
И форсунка, установленная перед дроссельной заслонкой во впускном пайпе .
Стоимость установки комплекта для впрыска водометанола от AEM вариируется от 15 до 20 тыс. ₽
Кроме AEM существуют и другие производители оборудования для впрыска водометанола. Например Аквамист (Aquamist), производство Великобритания). С точки зрения управления это очень продвинутый продукт. В принципе это полноценный компьютер, который может очень гибко настраиваться. Блок управления Аквамист (Aquamist) кроме вышеперечисленных возможностей может работать с двигателями с непосредственным впрыском топлива. Аквамист умеет управлять впрыском водометанола через давление в топливной рампе, там где нет возможности посмотреть загрузку форсунок, или нет возможности определять объем воздуха.
Установка Аквамист — это уже совсем другой уровень. С одной форсункой её устанавливать и смысла нет. Инсталяцие Аквамиста в авто даже может потребовать снятия мотора и будет стоить 100+ тыс. ₽.
С Aquamist производится direct(прямой) впрыск водометанола, когда форсунки устанавливаются непосредственно во впускной коллектор в количестве равном кол-ву цилиндров и брызгают прямо в цилиндры. Такое решение позволяет добиться максимальных показателей.
На фото коллекторы из никелированной латуни для многоточечного, прямого впрыска. Все коллекторы поставляются с 4-миллиметровым компрессионным фитингом на впуске и заглушкой 1 / 8BSP на другом конце.