Фото с сайта
Еще во время учебы в институте меня захватила идея подачи воды в цилиндры двигателя, но я напрочь забыл об этом, пока не прочитал на днях о последней разработке BMW в этом направлении: полуторалитровом 215-сильном турбомоторе для 1-серии, оснащенном впрыском воды. Я не удивлюсь, если идея приживется, а на АЗС дистиллированная вода будет таким же ходовым товаром, как сам бензин.
Впрыск воды сулит массу полезных эффектов. Я, например, планировал использовать его для повышения КПД двигателя. Отработавшие газы имеют температуру порядка 600-800 градусов, иногда и выше, и с их теплом уносится мощность, сравнимая с мощностью самого мотора. Что мешает превратить это тепло в дополнительную механическую энергию? Его низкая потенция. В термодинамике с этим строго: чем ниже температура цикла, тем ниже КПД процесса. Внутри цилиндра температура достигает этак 2500-2700 градусов, так что 600-800 градусов на выходе уже недостаточно, чтобы превратить данное тепло в работу, например, в паровой машине. То есть превратить-то можно, но габариты и КПД дополнительного двигателя будут таковы, что овчинка не стоит выделки.
Моя идея была в следующем: сжать воду до высокого давления, нагреть ее от отработавших газов, а затем впрыснуть внутрь цилиндра на такте расширения. Перегретая вода, испаряясь внутри цилиндра, повысит давление и совершит дополнительную работу. Эта работа не будет слишком большой, но поскольку процесс не требует дополнительной тепловой машины и все реализуется в рамках самого ДВС, процесс можно считать вполне оправданным.
Главная проблема моей идеи – большой расход воды. Тем более, для использования в двигателе не подойдет вода из-под крана, насыщенная примесями, которые будут откладываться на деталях мотора. А дистиллированная вода не так и дешева.
BMW использует другую идею, впрыскивая воду либо во впускной коллектор, либо прямо в цилиндр. Вода обладает прекрасными «холодильными» свойствами, за счет чего снижается температура воздуха на впуске.
Идея опять же не нова, и в начале 80-х та же BMW и еще ряд компаний использовали впрыск воды в моторах «Формулы 1», когда с 1,5 литров рабочего объема снимали по 1200-1500 л.с. Изначально же принцип пришел из авиации, а в массовом автопроме использовался, например, компанией Saab для охлаждения турбомоторов.
Что дает водяное охлаждение впускного заряда? На самом деле, массу положительных следствий. Во-первых, чем ниже температура воздуха в начале сжатия, тем эффективнее цикл тепловой машины. Во-вторых, существенно снижается склонность двигателя к детонации и перегреву, что позволяет увеличить углы опережения зажигания и степень сжатия: у обсуждаемого двигателя «копейки» BMW, например, за счет впрыска воды последнюю удалось поднять с 9,5 до 11 единиц. Ну и наконец, падают выбросы токсичных окислов азота, которые в том числе ограничивают степень форсировки современных моторов. Таким образом, впрыск воды сулит одновременное решение взаимоисключающих задач: повышение мощности и экологичности мотора.
Отчасти ту же функцию выполняет интеркулер, охлаждающий воздух после его сжатия в турбокомпрессоре. Однако возможности интеркулера не безграничны, и он даже теоретически не способен охладить воздух ниже температуры окружающей среды. Тем более, воздушный заряд существенно разогревается за счет внутреннего трения и контакта с горячими деталями, поэтому дополнительное водяное охлаждение имеет хорошие перспективы.
BMW придумала две концепции впрыска. Первая реализована на купе BMW M4, которая используется в качестве пейс-кара на мотогонках. Здесь впрыск воды происходит во впускной коллектор тремя форсунками, а поступает она из пятилитрового бачка. Этого запаса, по словам создателей, достаточно на 4-5 заправок двигателя топливом. При этом полное израсходование воды не приводит к драматическим последствиям, кроме некоторого снижения пиковой мощности и экономичности мотора.
Между тем, необходимость доливать дистиллированную воду понравится не всем, поэтому у BMW 1-серии использована еще более остроумная система: запас воды пополняется конденсатом, образующимся при работе климатической остановки. Обращали внимание на лужи воды под автомобилем в жаркий день? Это он и есть. По расчетам баварцев, сбор конденсата в некоторых случаях может исключить потребность в доливе воды. Правда, если говорить о России, система будет работать преимущественно в летнее время, тогда как зимой воздух суше, и при работе климатической установки конденсата образуется мало.
Кроме того, у 1-серии впрыск воды может осуществляться как во впускной коллектор, так и прямо в цилиндры: предварительно вода смешивается с топливом, и полученная эмульсия мелко-мелко распыляется внутри камеры сгорания.
На мой взгляд, у впрыска воды есть будущее, и я не удивлюсь, если скоро он станет таким же привычным явлением, как сам турбонаддув. Это во много раз проще и дешевле, чем, например, создание гибридных моторов и электромобилей, а потенциал велик. Думаю, BMW пока находится лишь в начале пути, и со временем удастся поднять степень сжатия и удельную форсировку еще сильнее.
Почему впрыск воды не прижился на мотора до сих пор? Собственно, для атмосферного мотора или турбодизеля идея несет меньше плюсов. Бензиновые турбомоторы XX века были заточены на получение высокой мощности, и для этих целей охладителя наддувочного воздуха было достаточно. Экономичность старых «Субарей», «Саабов» и «Лансеров Эво» вообще не была приоритетом, потому с водой экспериментировали лишь в отдельных случаях (Saab 900 как пример).
В начале XXI века бензиновые турбо вообще подзабыли, и вспомнили относительно недавно с развитием моторов-маломерок, в которых высокие удельные показатели достигаются за счет наддува низкого давления. Но сейчас форсировка моторов растет все сильнее, а требования по экологии крепчают, и впрыск воды снова становится привлекательным способом разрубить клубок противоречий.
Не исключено, что с развитием технологии появится возможность заливать в двигатель любую воду, а не только дистиллированную или, как в случае с BMW, вообще сделать цикл замкнутым. Остается неясным и вопрос зимней эксплуатации, впрочем, большой проблемой это не будет: пока двигатель холодный, впрыск воды и не требуется, а едва мотор прогреется до 50-60 градусов, растопить воду в бачке можно за счет небольшого радиатора, соединенного с системой охлаждения.
Полагаю, главным препятствием для развития впрыска воды станет психология потребителей. Слишком уж зловещей кажется «вода в топливе». Впрочем, британские журналисты протестировали BMW 1-серии с новым двигателем, и восторг перевесил скепсис насчет регулярной доливки воды под капот. В конце концов, необходимость раз в месяц пополнить бачок для омывайки никого не смущает.
|
