Уже более века автомобильные инженеры работают над повышением производительности двигателей. Вначале все было просто: больше литров, больше цилиндров, больше мощности! Но довольно скоро стало очевидно, что рабочий объем все равно нужно увеличивать: в ход пошли компрессоры, турбины, усложнение привода клапанов за счет многоклапанной конструкции и регулирования фаз газораспределения, диффузный и непосредственный впрыск, облегчение поршневой группы…. Теперь, когда к двигателям начали добавлять электромоторы со все более высокими частотами, кажется, что предел того, что может заставить обычный двигатель, достигнут. Но нет — вы забыли о закачке воды! Давайте разберемся, почему это так и почему до сих пор он не использовался в массовой автомобилизации.
ОПри упоминании о системе впрыска воды в цилиндр можно скептически фыркнуть: если в автомобильный двигатель попадет гидроблок, ничего хорошего из этого не выйдет. Но совсем другое дело, если во время движения по глубокой луже в двигатель через впускной канал попадает большое количество воды, и поршень пытается ее сжать — разрушая шатун и поршневую группу….. Совсем другое дело — впрыск специальной смеси в камеру сгорания.
Как это работает?
Впрыск воды чаще всего используется на двигателях с большим наддувом для улучшения их характеристик. Откуда берется дополнительная мощность? Существует несколько вариантов этой системы, отличающихся только точками крепления. Для этого во впускном коллекторе устанавливается специальная форсунка, которая впрыскивает водно-метаноловую смесь во впускной коллектор и смешивает ее с топливной смесью, подаваемой в камеру сгорания.
Почему смесь воды и метанола? Во-первых, жидкость замерзает при более низких температурах, а во-вторых, вода и спирт лучше диспергируются, что приводит к более равномерной смеси и более низкой температуре впускного коллектора. Мелкодисперсные капли охлаждают смесь, что улучшает степень сжатия, а также снижает скорость сгорания смеси в цилиндрах, что уменьшает вероятность детонации. Кроме того, снижение температуры горения топливно-водяной смеси влияет на химические процессы в камере сгорания, что приводит к снижению концентрации вредных выбросов азота и углекислого газа.
Эксперименты российских конструкторов на дизельных двигателях с экспериментальными системами показали трех-четырехкратное снижение выбросов оксидов азота и 1,2-кратное снижение выбросов CO2.
Казалось бы, все это позитивно! Но, как и все в этом мире, идеального не бывает. В выхлопных газах повышена концентрация несгоревших углеводородов, что несколько увеличивает расход топлива автомобиля. На низкой скорости или при полностью открытой дроссельной заслонке двигатель может работать неустойчиво.
Одной из основных причин этого является неравномерное распределение жидкости по цилиндрам — в некоторых цилиндрах неизбежно образуется бедная смесь. Обычно эту проблему можно решить, установив систему с индивидуальными форсунками для каждого цилиндра, управляемую компьютером.
Кроме того, пользователи часто забывают, что систему нужно заполнять только дистиллированной водой. На самом деле, соли, растворенные в обычной воде, могут привести к заклиниванию камер сгорания и, как следствие, сократить срок службы двигателя. Посмотрите на накипь в чайнике — вы же не хотите, чтобы такая гадость оказалась внутри цилиндра?
С чего все началось?
Впервые в мировой практике впрыск воды в цилиндры двигателя был применен в начале 20 века венгерским инженером Бцнки. Несколько лет спустя профессор Хопкинсон из Англии успешно применил экспериментальную систему впрыска воды для улучшения характеристик промышленных двигателей. А самый большой вклад внес Гарри Рикардо, создатель одноименного бренда автомобильных запчастей. Ему приписывают многочисленные исследования, несколько патентов и даже монографию «Высокоскоростной двигатель внутреннего сгорания», в которой подробно описаны методы и испытания двигателей с водяным впрыском.
В результате всех этих испытаний Ricardo представила двигатель, оснащенный системой впрыска водно-метаноловой смеси, которая позволила увеличить мощность двигателя почти в два раза! Водно-метаноловые смеси широко использовались во время Второй мировой войны. Первую скрипку играли авиаторы, которые в погоне за скоростью и высотой искали любые уловки, чтобы выжать максимум мощности из поршневых двигателей, которые к концу войны все равно были заменены реактивными самолетами.
В 1942 году на вооружение поступил истребитель Focke-Wulf 190 D-9 с системой впрыска воды с метанолом при форсаже. Он был не единственным в своем роде в Люфтваффе. Подобная система впрыска использовалась в двигателях Daimler-Benz 605 и BMW 801D для самолетов Messerschmidt Bf-109, а также Junkers Jumo 213A-1. Стоит отметить, что авиационные двигатели того времени уже имели системы турбонаддува, и впрыск воды, по сути, выполнял роль промежуточного охладителя. Водно-метаноловая смесь MW-50 впрыскивалась во впускной коллектор авиационного двигателя, где она смешивалась с топливной смесью и устремлялась в камеру сгорания. В результате контакта с нагретыми стенками цилиндра вода превращалась в пар, который расширялся, создавая положительное давление в цилиндре, а предварительное охлаждение топливной смеси на впуске способствовало увеличению ее объема в цилиндре и повышению эффективности сгорания топлива. В результате мощность немецких двигателей кратковременно увеличилась на 20-30%, что дало последним преимущество в наборе высоты и максимальной скорости.
Союзники также разработали свои собственные системы закачки воды. Например, американская компания Pratt & Whitney установила подобную систему в свой двигатель J57 для бомбардировщика B-29 для улучшения характеристик двигателя на малых и средних высотах. Подобная система была успешно использована на истребителях. В 1943 году по заданию НКАП моторный завод №45 должен был разработать документацию на советскую систему впрыска воды для двигателей АМ-38Ф. Опытная партия из пяти самолетов Ил-2 с двигателем с водяным впрыском была построена на заводе № 18, но после испытаний система оказалась слишком дорогой и сложной в настройке.
На каких автомобилях применялся впрыск воды
С разработкой реактивных двигателей в конце войны усилия по увеличению мощности поршневых агрегатов были практически свернуты, а богатый опыт увеличения мощности отошел на второй план. Однако эти системы были постепенно сняты с производства автомобильными компаниями. Первыми, кто применил водяной впрыск метанола в серийном автомобиле, были американцы из General Motors, которым такая система была необходима для повышения детонационной стойкости турбодвигателя Oldsmobile F-85 Jetfire. Мы уже рассказывали вам, как это получилось.
Еще одним производителем, вспомнившим о полезных свойствах водяного впрыска метанола, стала шведская компания Saab, где система впрыска воды устанавливалась на Saab 99 Turbo S до начала 1980-х годов. Однако с появлением интеркулеров, которые охлаждают воздух во впускном канале, такие системы на серийных автомобилях постепенно ушли в прошлое, но они не были забыты в автоспорте.
В 1983 году команды Renault и Ferrari установили на свои болиды системы впрыска воды, что позволило итальянцам в итоге занять первое место в Кубке производителей. Автомобили были оснащены 12-литровыми баками со смесью спирта и воды, регулятором давления и водяным насосом, но с тех пор такие системы были запрещены правилами.
Аналогичные системы пытались использовать в середине 1990-х годов в WRC, но через некоторое время они были запрещены, как и на спортпрототипах Ле-Мана. Баки для воды были очень распространены на американских ¼-мильных гонщиках. Мощные американские восьмерки dragster, оснащенные механическими нагнетателями, требовали серьезного охлаждения, а интеркулеры еще не были широко распространены. Именно тогда некоторые просвещенные умы вспомнили о полезных свойствах водно-спиртовой смеси, подаваемой в двигатель. И вот суперкар Porsche 911, доработанный компанией 9ff в 2005 году, установил рекордную скорость 388 км/ч для автомобилей, официально допущенных на дороги общего пользования. Его оппозитная «шестерка» с двумя турбокомпрессорами в паре с обычными интеркулерами была также оснащена впрыском воды.
Впрыск воды в цилиндры двигателя, наши дни
На какое-то время интерес к системам со стороны производителей замер, но в 2015 году водители BMW вспомнили о технологии, когда решили использовать впрыск воды не для увеличения мощности, а для снижения расхода бензина. Первым автомобилем, в котором был применен водяной впрыск метанола, стал пейс-кар BMW M4, участвовавший в гонках MotoGP. Но если прототип имел обычную форсунку, подающую смесь во впускной коллектор, то 1,5-литровый трехцилиндровый турбодвигатель оснащен более сложной системой.
Вода смешивается с топливной смесью с помощью топливного насоса высокого давления Bosch, который включается только при оборотах двигателя выше 4 000. Водотопливная смесь впрыскивается через форсунку в саму камеру сгорания. Результатом стало увеличение мощности на 14 л.с. для 201-сильного двигателя, улучшенная детонационная стойкость и степень сжатия с 9,5:1 до 11,0:1, все это улучшает производительность на низких и средних оборотах. Емкость бака для подогретой воды составляет 7 литров, в то время как автомобиль обычно расходует около 1,5 литра воды на 100 км, что означает необходимость долива воды почти каждые 500 км.
Однако инженеры BMW предусмотрели и другие способы получения воды: при работающем кондиционере конденсат из системы автоматически сливается в резервуар. Все эти ухищрения позволяют экономить почти 8 процентов топлива на 100 км в комбинированном цикле, и система может работать особенно эффективно с гибридной силовой установкой. Правда, BMW пока ничего не говорит о таких гибридах.
Двигатели с системой впрыска метанола в воду должны поступить в серийное производство в конце этого года, и такие BMW также будут поставляться в Россию. К счастью, благодаря повышенной устойчивости к детонации, эти автомобили менее требовательны к октановому числу — их можно заправлять обычным Аи-95.
Можно ли поставить впрыск воды себе на машину?
Если вы действительно хотите, вы можете. Для тех, кто много читал в интернете, умельцы делают собственные системы, используя в качестве компонентов капельницы, медицинские шприцы и другие предметы, и монтируют их во впускной коллектор за дроссельной заслонкой и….. такие системы работают.
Однако все преимущества, связанные с увеличением мощности или крутящего момента, перечеркиваются одним жирным минусом. Фактически, такая самодельная система просто заливает большое количество воды в коллектор без распыления, в результате чего водная взвесь поступает во все цилиндры неравномерно. О последствиях мы упоминали выше — в одних цилиндрах воды больше, чем в других, что приводит к обеднению смеси в некоторых цилиндрах и неравномерной работе двигателя. В худшем случае количество воды, поступающей в цилиндр, настолько велико, что это приводит к возможности возникновения пресловутого гидроудара.
Для тех, у кого есть немного больше денег, продавцы аксессуаров для тюнинга предлагают комплект с насосом высокого давления (около 5-10 бар), электронным контроллером насоса, форсунками для впрыска смеси и, конечно, баком для воды. В самых дорогих системах используется клапан, который регулирует давление и количество воды.
Принцип работы этой системы прост: блок управления, подключенный к датчику воздушного потока двигателя, анализирует полученную информацию и рассчитывает расход воды, подавая команду на насос.
Несмотря на кажущуюся простоту, существуют некоторые сложности. Впрыск воды происходит только при определенных оборотах двигателя, и обычно такие системы работают при оборотах двигателя выше 3 000 об/мин. Кроме того, система практически не контролирует состав смеси и подает только команду на включение/выключение насоса. Только производительность самого инжектора становится основным ограничением на количество закачиваемой воды.
Кстати, пока блок выдает команду на запуск насоса, пока насос включается и начинает качать воду, происходит задержка между подачей команд на впрыск топлива и впрыск воды, что неизбежно снижает эффективность всей системы.
Главными специалистами по системам впрыска воды в автомобильные двигатели считались строители из британской компании Aquamist, которые поставляли комплекты для автомобилей WRC в 1990-х годах, пока их не запретили. А цены на тюнинг-комплекты колебались в районе $3 000. В целом, закачиваемая вода остается довольно экзотическим, недорогим и, откровенно говоря, не очень эффективным средством вымогательства.
