В двигателях внутреннего сгорания впрыск воды , также известный как антидетонирующий впрыск (ADI), может распылять воду в поступающий воздух или топливно - воздушную смесь или непосредственно в камеру сгорания для охлаждения определенных частей системы впуска, где «горячие точки» " может привести к преждевременному возгоранию. В реактивных двигателях — особенно ранних турбореактивных двигателях или двигателях, в которых непрактично или нежелательно иметь форсажную камеру — впрыск воды может использоваться для увеличения тяги двигателя , особенно на малых высотах и при взлете.
Впрыск воды исторически использовался для увеличения выходной мощности двигателей военной авиации на короткие промежутки времени, например, во время воздушного боя или взлета . Однако он также использовался в автоспорте и особенно в дрэг-рейсинге . В двигателях с циклом Отто охлаждающий эффект впрыска воды также обеспечивает большую степень сжатия за счет уменьшения детонации двигателя . В качестве альтернативы, это снижение детонации в двигателях с циклом Отто означает, что некоторые приложения получают значительную производительность, когда впрыск воды используется в сочетании с нагнетателем , турбонагнетателем или такими модификациями, как агрессивное опережение зажигания .
В зависимости от двигателя повышение мощности и топливной экономичности также может быть достигнуто исключительно за счет впрыска воды. [1] Впрыск воды также может использоваться для снижения выбросов NOx или угарного газа . [1]
Во многих системах впрыска воды используется смесь воды и спирта (часто около 50/50) со следами водорастворимого масла. Вода обеспечивает основной охлаждающий эффект благодаря своей большой плотности и высоким свойствам поглощения тепла. Спирт горюч, а также служит антифризом для воды. Основное назначение масла – предотвращение коррозии компонентов водяного впрыска и топливной системы. [2]
Впрыск воды использовался как в поршневых, так и в турбинных авиационных двигателях .
В поршневом двигателе впрыск воды, также называемый антидетонационным впрыском или ADI, используется для предотвращения детонации двигателя , также известной как «детонация». [3] Обычно встречается на больших радиальных двигателях с карбюраторами под давлением . Это смесь воды и спирта, впрыскиваемая в карбюратор при высоких настройках мощности. При использовании богатой смеси двигатель работает холоднее, но не может достичь максимальной мощности, а обедненная смесь означает вероятность детонации. При использовании ADI впрыскиваемая вода и спирт (который смешивается с водой, чтобы предотвратить ее превращение в лед) поглощают избыточное тепло, чтобы предотвратить детонацию, сохраняя при этом более обедненную и более мощную смесь. [3]
При использовании в газотурбинном двигателе эффект аналогичен, за исключением того, что обычно предотвращение детонации не является основной целью. Вода обычно впрыскивается либо на входе в компрессор, либо в диффузор непосредственно перед камерами сгорания. Добавление воды увеличивает ускоряемую массу двигателя, увеличивая тягу, а также служит для охлаждения турбин. Поскольку температура обычно является ограничивающим фактором производительности газотурбинного двигателя на малых высотах, эффект охлаждения позволяет двигателю работать на более высоких оборотах с большим количеством впрыскиваемого топлива и большей тягой, создаваемой без перегрева. [4]
До широкого распространения двигателей с дожиганием некоторые реактивные истребители первого поколения использовали впрыск воды для обеспечения умеренного повышения производительности. Например, в последней модели Lockheed F-80 Shooting Star , F-80C, в двигателе Allison J33-A-35 использовался впрыск воды . Закачка воды увеличила тягу с 20,5 до 24,0 кН (от 4600 до 5400 фунтов силы), что означает увеличение тяги на 17% (на уровне моря). [5]
Ранние версии Boeing 707 , оснащенные турбореактивными двигателями Pratt & Whitney JT3C , использовали впрыск воды для увеличения взлетной мощности, как и самолеты Boeing 747 -100 и 200, оснащенные турбовентиляторными двигателями Pratt & Whitney JT9D -3AW и -7AW; [6] эта система не была включена в более поздние версии, оснащенные более мощными двигателями. В авиалайнере BAC One-Eleven также использовался впрыск воды для турбовентиляторных двигателей Rolls-Royce Spey . Заполнение баков авиатопливом вместо воды привело к крушению рейса 112 компании Paninternational . [7]
В 1978 году рейс 411 Olympic Airways был вынужден прервать полет и вернуться в аэропорт взлета из-за отказа системы впрыска воды или ее процессов. [8]
Ограниченное количество дорожных транспортных средств с двигателями с наддувом от таких производителей, как Chrysler , оснащено системой впрыска воды. Oldsmobile Jetfire 1962 года поставлялся с двигателем Turbo Jetfire . [9]
В 2015 году BMW представила версию своего высокопроизводительного купе M4 , M4 GTS, в которой сочетается впрыск воды с промежуточным охлаждением. Автомобиль был представлен в сезоне MotoGP 2015 года в качестве официального автомобиля безопасности этой серии и был выпущен на коммерческий рынок в 2016 году. [10] Согласно примеру BMW , текущие разработки двигателей с впрыском воды, по-видимому, концентрируются на эффекте Улучшение". Но к середине 2020-х годов при разработке двигателей основное внимание будет также сосредоточено на улучшении расхода топлива из-за давления на сокращение выбросов CO 2 и связанных с этим правил. [11] [12]
Bosch , которая разработала эту технологию совместно с BMW , предлагает систему впрыска воды под названием WaterBoost для других производителей. Компания заявляет об увеличении производительности двигателя до 5%, снижении выбросов CO 2 до 4% и улучшении экономии топлива до 13%. [13] Аналогичные результаты были получены в статье «Закачка воды – сочетание высокой мощности и высокой эффективности» [14]
Впрыск воды и рециркуляция охлажденных выхлопных газов (EGR) могут рассматриваться как конкурентоспособные технологии: было продемонстрировано, что при средней нагрузке соотношение воды к топливу (WFR) 40–50 % с впрыском воды в порт (PWI) дает тот же эффект. как уровень EGR в 10%, который считается относительно ограниченным даже для бензиновых двигателей. [15]
Опросы клиентов об их готовности регулярно заливать дополнительную рабочую жидкость показали, что уровень приемлемости ограничен. [12] Таким образом, необходимость дозаправки считается одним из основных препятствий для массового внедрения закачки воды. Ключевым фактором является разработка бортовой системы производства воды, работающей по замкнутому контуру, особенно для того, чтобы гарантировать стабильно низкий уровень выбросов (выбросы CO 2 двигателя будут увеличиваться, если запасы воды исчерпаны). Можно исследовать три основных источника:
Первые два варианта сильно зависят от погодных условий окружающей среды с достаточно высоким уровнем влажности или привычек водителя (включение кондиционера не требуется). Следовательно, обеспечить достаточную подачу воды невозможно. Напротив, конденсация водяного пара, образующегося при сгорании бензина, является надежным источником воды: на каждый литр израсходованного бензинового топлива в выхлопных газах содержится примерно 1 л водяного пара. В октябре 2019 года Hanon Systems совместно с FEV представили демонстрационный образец Audi TT Sport, оснащенный системой впрыска воды, работающей как закрытая система благодаря «системе сбора воды» Hanon Systems. [16]
Исследование 2016 года сочетало впрыск воды с рециркуляцией выхлопных газов . Вода впрыскивалась в выпускной коллектор дизельного двигателя , и при открытии выпускного клапана во время такта впуска впрыскиваемая вода и часть выхлопных газов втягивались обратно в цилиндр. Результатом стало сокращение выбросов NOx на 85% , но за счет увеличения выбросов сажи. [17]