Впрыск воды в двигатель автомобиля

Мощность мотора – самая распространенная тема в кругах автолюбителей. Почти каждый автомобилист хотя бы раз задумывался над тем, как повысить производительность силового агрегата. Одни устанавливают турбины, другие рассверливают цилиндры и т.д. (о других методах повышения мощности рассказывается в другой статье). Многим, кого интересует автомобильный тюнинг, известно о системах, которые подают небольшое количество воды или ее смеси с метанолом.

Большинству автомобилистов знакомо такое понятие, как гидроудар мотора (о нем тоже имеется отдельный обзор). Как же вода, которая провоцирует разрушение ДВС, в то же время способна повысить его производительность? Попробуем разобраться с этим вопросом, а также рассмотрим достоинства и недостатки, которые имеет система впрыска водометанола в силовой агрегат.

Что такое система впрыска воды?

Если сказать коротко, то данная система представляет собой бачок, в который заливается вода, но чаще смесь метанола и воды в пропорции 50/50. В нем установлен электрический двигатель, например, от омывателя лобового стекла. Система соединена эластичными трубками (в самом бюджетном исполнении берутся шлангочки от капельницы), на конце которых устанавливается отдельная форсунка. В зависимости от исполнения системы впрыск осуществляется через один распылитель или через несколько. Подача воды осуществляется, когда в цилиндр всасывается воздух.

Если брать заводской вариант, то установка будет иметь специальный насос, который управляется электроникой. В системе будет присутствовать один или несколько датчиков, помогающих определить момент и количество распыляемой воды.

С одной стороны, кажется, что вода и мотор – понятия несовместимы. В цилиндре происходит сгорание воздушно-топливной смеси, а, как всем с детства известно, пламя (если это горят не химические вещества) гасится именно водой. Те, кто «познакомился» с гидроударом мотора, на собственном опыте убедился, что вода – самое последнее вещество, которое должно попадать в двигатель.

Однако идея впрыска воды – не плод подросткового воображения. На самом деле этой идее почти сто лет. В 1930-х годах для военных нужд Гарри Рикардо усовершенствовал авиационный двигатель Rolls-Royce Merlin, а также разработал синтетический бензин с высоким октановым числом (подробно об этом понятии рассказывается здесь) для авиационных ДВС. Недостаток такого топлива – высокий риск возникновения детонации в моторе. Чем опасен этот процесс, рассказано отдельно, но если коротко, то воздушно-топливная смесь должна сгорать равномерно, а в этом случае она буквально взрывается. Из-за этого детали агрегата испытывают чрезмерную нагрузку и быстро выходят из строя.

Чтобы бороться с подобным эффектом, Г.Рикардо провел ряд исследований, в результате чего смог добиться подавления детонации за счет впрыска воды. На основании его разработок немецким инженерам удалось реализовать повышение мощности агрегатов в своих самолетах почти вдвое. Для этого использовался состав MW50 (methanol wasser). Например, таки мотором был оснащен истребитель Focke-Wulf 190D-9. Его пиковая отдача составляла 1776 лошадиных сил, но при кратковременном форсаже (в цилиндры подавалась упомянутая выше смесь) эта планка поднималась до 2240 «лошадей».

Данная разработка использовалась не только в этой модели самолетов. В арсенале немецкой и американской авиации имелось несколько модификаций силовых агрегатов.

Если говорить о серийных автомобилях, то модель Oldsmobile F85 Jetfire, сошедшая с конвейера в 62-м году прошлого века, получила заводскую установку впрыска воды. Еще один серийный автомобиль с форсировкой мотора подобным образом – Saab 99 Turbo, выпущенный в 1967-м году.

Oldsmobile F85 Jetfire

Saab 99 Turbo

Популярность данная система набрала обороты за счет применения в 1980-90гг. в спортивных автомобилях. Так, в 1983-м году компания Renault оснащает свои болиды Formula1 12-литровым баком, в котором устанавливался электронасос, контроллер давления и нужное количество форсунок. К 1986-му году инженерам команды удалось добиться повышения крутящего момента и отдачи силового агрегата с 600 до 870 лошадиных сил.

В гоночной войне автопроизводителей компания Ferrari тоже не хотела «пасти задних», и решила использовать в некоторых своих спорткарах данную систему. Благодаря такой модернизации бренду удалось завоевать ведущую позицию среди конструкторов. Ту же концепцию развивал бренд Porsche.

Подобные модернизации проводились с автомобилями, участвовавшими в заездах из серии WRC. Однако в начале 90-х организаторы подобных соревнований (в том числе и F-1) внесли поправки в регламент, и запретили использовать данную систему в болидах.

Еще один прорыв в мире автоспорта совершила подобная разработка на соревнованиях по драг-рэйсингу в 2004-м году. Мировой рекорд в заезде на ¼ мили был побит двумя разными автомобилями, несмотря на попытки взять этот рубеж при помощи разных модификаций силовых агрегатов. Эти авто с дизельными моторами были оснащены подачей во впускной коллектор воды.

Со временем автомобили стали получать интеркулеры, которые позволяют снижать температуру потока воздуха перед тем, как он поступит во впускной коллектор. Благодаря этому инженерам удалось снизить риск возникновения детонации, и в системе впрыска отпала необходимость. А резкое повышение мощности стал возможным благодаря внедрению системы подачи закиси азота (официально появилась в 2011-м году).

В 2015-м году о впрыске воды снова стали появляться новости. Так, новый автомобиль безопасности для соревнований MotoGP, разработанный компанией BMW, получил классический комплект, обеспечивающий распыление воды. На официальной презентации лимитированной серии авто представитель баварского автопроизводителя сделал, что в будущем планируется выпустить линейку гражданских моделей с подобной системой.

Что дает впрыск воды или водометанола двигателю?

Итак, перейдем от истории к практике. Зачем же мотору потребуется впрыск воды? Когда во впускной коллектор попадает строго ограниченное количество жидкости (распыляется капля не более 0.1мм), при контакте с раскаленной средой она сразу же переходит в газообразное состояние с высоким содержанием кислорода.

Охлажденная ВТС намного легче сжимается, благодаря чему коленвалу нужно задействовать немного меньше усилий на выполнение такта сжатия. Таким образом, установка позволяет сразу решить несколько проблем.

Во-первых, у горячего воздуха, меньше плотность (ради эксперимента можно вынести пустую пластиковую бутылку из теплого дома на мороз – она прилично сожмется), поэтому в цилиндр будет поступать меньше кислорода, а это значит, что бензин или солярка будет хуже сгорать. Чтобы устранить этот эффект, многие двигатели оснащаются турбонагнетателями. Но и в этом случае температура воздуха не понижается, так как классические турбины работают от раскаленного выхлопа, идущего по выпускному коллектору. Распыление воды позволяет подавать в цилиндры больше кислорода, чтобы повысить эффективность сгорания топлива. В свою очередь это положительно скажется на катализаторе (подробно об этой детали читайте в отдельном обзоре).

Во-вторых, впрыск воды позволяет повышать мощность силового агрегата, не меняя его рабочий объем и не изменяя его конструкцию. Причина в том, что в парообразном состоянии влага занимает намного больше объема (согласно некоторым подсчетам объем увеличивается в 1700 раз). Когда в замкнутом пространстве вода испаряется, создается дополнительное давление. Как известно, компрессия имеет большое значение для крутящего момента. Без вмешательства в конструкцию силового агрегата и мощной турбины этот параметр невозможно увеличить. А раз пар резко расширяется, от сгорания ВТС высвобождается больше энергии.

В-третьих, благодаря распылению воды топливо не перегревается, и в моторе не образуется детонация. Это позволяет использовать более дешевый бензин с меньшим октановым числом.

В-четвертых, благодаря факторам, перечисленным выше, водитель может не так активно жать на педаль газа, чтобы машина была более динамичной. Это обеспечивается распылением жидкости в ДВС. Несмотря на повышение мощности, расход топлива при этом не повышается. В некоторых случаях при идентичном режиме езды прожорливость мотора снижается до 20 процентов.

По правде говоря, у данной разработки есть и противники. Вот самые распространенные ошибочные представления относительно впрыска воды:

1. Как же гидроудар? Нельзя отрицать, что при попадании воды в цилиндры мотор испытывает гидроудар. Так как вода имеет приличную плотность, когда поршень выполняет такт сжатия, он не может достичь верхней мертвой точки (это зависит от количества воды), но коленвал продолжает вращаться. Из-за этого процесса могут согнуться шатуны, сорваться шпонки и т.д. На самом деле впрыск воды настолько незначителен, что на такт сжатия не влияет.
2. Металл при контакте с водой со временем ржавеет. С данной системой такого не произойдет, потому что температура в цилиндрах работающего мотора превышает 1000 градусов. В парообразное состояние вода переходит при 100 градусах. Так что в процессе работы системы в двигателе воды нет, а только перегретый пар. Кстати, когда топливо сгорает, в выхлопных газах тоже присутствует незначительное количество пара. Частичным доказательством тому является вода, выливающаяся из выхлопной трубы (о других причинах ее появления рассказывается здесь).
3. Когда в масле появляется вода, смазка превращается в эмульсию. Опять же, количество распыляемой воды настолько незначительное, что в картер двигателя она попросту не может попасть. Она сразу же становится газом, который удаляется вместе с выхлопом.
4. Горячий пар разрушает масляную пленку, из-за чего силовой агрегат поймает клин. На самом деле пар или вода не растворяют масло. Самым настоящим растворителем является как раз бензин, но при этом масляная пленка сохраняется на протяжении сотен тысяч километров пробега.

Посмотрим, как работает устройство распыления воды в мотор.

Как работает система впрыска воды

В современных силовых агрегатах, оснащаемых данной системой, может устанавливаться разный тип комплектов. В одном случае используется одна форсунка, размещенная на патрубке впускного коллектора перед разветвлением. В другой модификации используется несколько форсунок по типу распределенного впрыска.

Самый простой способ смонтировать подобную систему – установить отдельный резервуар для воды, в котором будет размещен электронасос. К нему подключается трубка, по которой жидкость будет подаваться на распылитель. Когда мотор выйдет на нужную температуру (о рабочей температуре ДВС рассказывается в другой статье), водитель включает распыление, благодаря чему во впускном коллекторе обеспечивается создание влажного тумана.

Простейшая установка может устанавливаться даже на карбюраторный мотор. Но при этом не обойтись без некоторой модернизации впускного тракта. Управление системой в таком случае обеспечивается из салона водителем.

В более продвинутых модификациях, которые можно найти в магазинах для автотюнинга, настройка режима распыления обеспечивается либо отдельным микропроцессором, либо его работа связана с сигналами, исходящими из ЭБУ. В этом случае для установки системы потребуется воспользоваться услугами автоэлектрика.

В устройство современных систем распыления входят такие элементы:

• Электронасос, обеспечивающий давление до 10 бар;
• Одна или несколько форсунок для распыления воды (их количество зависит от устройства всей системы и принципа распределения влажного потока по цилиндрам);
• Контроллер – микропроцессор, который управляет моментом и количеством впрыска воды. К нему подключается насос. Благодаря этому элементу обеспечивается постоянная высокоточная дозировка. Алгоритмы, прошитые в некоторых микропроцессорах, позволяют системе автоматически подстраиваться под разные режимы работы силового агрегата;
• Бачок для жидкости, которую нужно распылять в коллектор;
• Датчик уровня, размещенный в этом резервуаре;
• Шланги нужной длины и соответствующие крепления.

Система работает по такому принципу. На контроллер впрыска поступают сигналы от датчика расхода воздуха (подробней о его работе и неисправностях читайте здесь). В соответствии с этими данными при помощи соответствующих алгоритмов микропроцессор рассчитывает время и количество распыляемой жидкости. В зависимости от модификации системы форсунка может быть выполнена просто в виде втулки с очень тонким распылителем.

Большинство современных систем просто подают сигнал на включение/выключение насоса. В более дорогих комплектах имеется специальный клапан, который изменяет дозировку, но в большинстве случаев он работает некорректно. В основном контроллер срабатывает, когда мотор выходит на 3000 об/мин. и более. Прежде, чем устанавливать подобную установку на свое авто, нужно учесть, что большинство производителей предупреждают о некорректной работе системы на некоторых автомобилях. Подробного списка никто не предоставит, так как все зависит от индивидуальных параметров силового агрегата.

Хотя основной функцией впрыска воды является повышение мощности мотора, в основном его используют только в качестве интеркулера для охлаждения потока воздуха, идущего от раскаленной турбины.

Помимо повышения отдачи мотора многие уверены, что работа впрыска также обеспечивает очищение рабочей полости цилиндра и выпускного тракта. Некоторые уверены, что наличие пара в выхлопе создает химическую реакцию, которая нейтрализует некоторое количество токсичных веществ, но в таком случае машине не нужен будет такой элемент, как автомобильный катализатор или сложная система AdBlue, о которой можно прочитать здесь.

Подкачка воды имеет эффект только на высоких оборотах мотора (он должен быть хорошо разогретым и поток воздуха должен быть стремительным, чтобы влага сразу попадала в цилиндры), а в большей степени в турбированных силовых агрегатах. Этот процесс обеспечивает создание дополнительного крутящего момента и небольшой прирост мощности.

Если двигатель атмосферный, то он не станет ощутимо мощнее, но от детонации он точно не будет страдать. У турбированного ДВС установленный перед нагнетателем впрыск воды обеспечит повышение КПД за счет снижения температуры поступающего воздуха. А для еще большего эффекта в такой системе используется упомянутая раньше смесь воды и метанола в пропорции 50х50.

Преимущества и недостатки

Итак, система впрыска воды позволяет:

• Температуру поступающего воздуха;
• Обеспечить дополнительное охлаждение элементов камеры сгорания;
• Если используется некачественный (низкооктановый) бензин, распыление воды повышает детонационную устойчивость мотора;
• Использование того же режима езды снижает потребление топлива. Это значит, что при той же динамике автомобиль выбрасывает меньшее количество загрязняющих веществ (конечно, это не настолько эффективно, что машина может обойтись без катализатора и других систем нейтрализации токсичных газов);
• Не только повысить мощность, но и заставляет мотор крутить с увеличенным на 25-30 процентов моментом;
• В некоторой степени очищать элементы впускной и выпускной системы мотора;
• Улучшить приемистость мотора и отклик на нажатие педали;
• Вывести турбину на рабочее давление при меньших оборотах ДВС.

Несмотря на такое количество полезных функций, впрыск воды нежелателен для обычных автомобилей, и есть несколько серьезных причин, почему автопроизводители не внедряют его в серийные модели авто. Большинство из них связано с тем, что система имеет спортивное происхождение. В мире автоспорта экономии топлива вообще не уделяется внимание. Порой расход у болидов достигает 20 литров на сотню. Это связано с тем, что двигатель часто выводится на максимальные обороты, а водитель почти постоянно давит на газ до упора. Только в этом режиме ощутим эффект от впрыска.

Итак, вот основные минусы системы:

• Так как установка в первую очередь предназначалась для повышения производительности спорткаров, то эта разработка эффективна только на максимальной мощности. Как только мотор выходит на этот уровень, контроллер фиксирует этот момент, и осуществляет впрыск воды. По этой причине для эффективной работы установки автомобиль должен эксплуатироваться в спортивном режиме. При низких оборотах мотор может быть более «задумчивым».
• Впрыск воды осуществляется с некоторой задержкой. Вначале мотор выходит на мощностной режим, в микропроцессоре активируется соответствующий алгоритм, на насос идет сигнал о включении. Электронасос начинает накачивать жидкость в магистраль, и только после этого форсунка начинает распылять ее. В зависимости от модификации системы на все это она может потребовать около одной миллисекунды. Если машина едет в спокойном режиме, то от распыления вообще не будет никакого эффекта.
• В модификациях с одной форсункой невозможно проконтролировать, какое количество влаги попадет в конкретный цилиндр. По этой причине, несмотря на хорошую теорию, практика часто показывает нестабильную работу мотора, даже при полностью открытом дросселе. Это обусловлено разным температурным режимом в отдельных «котелках».
• В зимний период система нуждается в заправке не просто водой, а водометанолом. Только в этом случае даже на морозе жидкость будет беспрепятственно подаваться в коллектор.
• Для безопасности мотора впрыскиваемую воду нужно дистиллировать, а это дополнительные растраты. Если использовать обычную водопроводную воду, совсем скоро на стенках контактных поверхностей скопятся известковые отложения (как накипь в чайнике). Присутствие посторонних твердых частиц в моторе чревато скорой поломкой агрегата. По этой причине следует использовать именно дистиллят. По сравнению с незначительной экономией топлива (обычный автомобиль не предназначен для постоянной работы в спортивном режиме, да и законодательство запрещает это на дорогах общественного пользования), сама установка, ее обслуживание и использование дистиллята (а в зимний период – смеси воды и метанола) экономически неоправданна.

По правде, некоторые недостатки можно устранить. Например, чтобы силовой агрегат работал стабильно на высоких оборотах или при максимальной нагрузке с низкими оборотами, можно установить систему распределенного впрыска воды. В этом случае форсунки будут установлены по одной на каждый патрубок впускного коллектора, как в идентичной топливной системе.

Однако цена такой установки в разы увеличивается и не только из-за дополнительных элементов. Дело в том, что впрыск влаги имеет смысл только в случае движущегося потока воздуха. Когда впускной клапан (или несколько в случае некоторых модификаций моторов) закрыт, а это происходит на протяжении трех тактов, воздух в патрубке недвижим.

Чтобы вода понапрасну не лилась в коллектор (система не предусматривает отвод излишней влаги, скапливающейся на стенках коллектора), контроллер должен определять, в какой момент, и какая конкретно форсунка должна вступить в работу. Такая сложная настройка требует дорогостоящего оборудования. По сравнению с незначительным для стандартного автомобиля приростом мощности такие затраты неоправданны.

Конечно, ставить такую систему на свой автомобиль или нет, это дело каждого. Мы рассмотрели как достоинства, так и недостатки подобной разработки. В дополнение предлагаем посмотреть подробную видеолекцию о том, как работает впрыск воды:

Теория ДВС: Впрыск воды во впускной тракт

Вопросы и ответы:

Что такое впрыск Водометанола? Это впрыск незначительного количества воды или водометанола в работающий мотор. При этом повышается детонационная стойкость плохого топлива, снижается выброс вредных веществ, повышается крутящий момент и мощность ДВС.

Для чего нужен впрыск воды метанола? Впрыск водометанола охлаждает всасываемый мотором воздух и снижает вероятность детонации двигателя. При этом увеличивается эффективность работы мотора за счет большой теплоемкости воды.

Как работает система Водометанола? Это зависит от модификации системы. Самая эффективная синхронизируется с топливными форсунками. В зависимости от их загрузки происходит впрыск водометанола.

Для чего используют Водометанол? Это вещество использовалось в Советском союзе в авиационных моторах до появления реактивных моторов. Водометанол снижал детонацию в ДВС и делал сгорание ВТС плавным.