stringtranslate.com

Впрыск воды (двигатель)

В двигателях внутреннего сгорания впрыск воды , также известный как антидетонационный впрыск (ADI), может распылять воду во входящий воздух или топливовоздушную смесь , или непосредственно в камеру сгорания для охлаждения определенных частей индукционной системы, где «горячие точки» могут привести к преждевременному воспламенению. В реактивных двигателях — особенно ранних турбореактивных 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, в частности, в дрэг-рейсинге . В двигателях с циклом Отто охлаждающий эффект впрыска воды также обеспечивает большую степень сжатия за счет снижения стука двигателя (детонации). С другой стороны, это снижение стука двигателя в двигателях с циклом Отто означает, что некоторые приложения получают значительную производительность, когда впрыск воды используется в сочетании с нагнетателем , турбонагнетателем или модификациями, такими как агрессивный угол опережения зажигания .

В зависимости от двигателя, повышение мощности и топливной экономичности может быть достигнуто исключительно за счет впрыска воды. [1] Впрыск воды может также использоваться для снижения выбросов NOx или оксида углерода . [1]

Состав жидкости

Во многих системах впрыска воды используется смесь воды и спирта (часто близко к 50/50) с небольшим количеством водорастворимого масла. Вода обеспечивает основной охлаждающий эффект благодаря своей большой плотности и высоким теплопоглощающим свойствам. Спирт горюч, а также служит антифризом для воды. Основное назначение масла — предотвращение коррозии компонентов впрыска воды и топливной системы. [2]

Использование в самолетах

«Мокрый» взлет самолета KC-135 с двигателями J57

Впрыск воды применяется 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 в больших радиальных двигателях с карбюраторами высокого давления , 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 более бедная смесь означает вероятность детонации. При использовании ADI впрыскиваемая вода и спирт (который смешивается с водой, чтобы не дать ей превратиться в лед) поглощают избыточное тепло, чтобы предотвратить детонацию, при этом обеспечивая более бедную и мощную смесь. [3]

При использовании в газотурбинном двигателе эффекты схожи, за исключением того, что обычно предотвращение детонации не является основной целью. Вода обычно впрыскивается либо на входе в компрессор, либо в диффузоре непосредственно перед камерами сгорания. Добавление воды увеличивает массу, ускоряемую из двигателя, увеличивая тягу, а также служит для охлаждения турбин. Поскольку температура обычно является ограничивающим фактором в работе газотурбинного двигателя на малых высотах, охлаждающий эффект позволяет двигателю работать на более высоких оборотах с большим количеством впрыскиваемого топлива и большей тягой без перегрева. [4]

До широкого внедрения двигателей с форсажем некоторые реактивные истребители первого поколения использовали впрыск воды для обеспечения умеренного повышения производительности. Например, поздняя модель Lockheed F-80 Shooting Star , F-80C, использовала впрыск воды в своем двигателе Allison J33-A-35 . Впрыск воды увеличил тягу с 20,5 до 24,0 кН (с 4600 до 5400 фунтов силы), что на 17% больше (на уровне моря). [5]

Ранние версии Boeing 707 , оснащенные турбореактивными двигателями Pratt & Whitney JT3C, использовали впрыск воды для дополнительной 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. Авиалайнер BAC One-Eleven также использовал впрыск воды для своих турбовентиляторных двигателей Rolls-Royce Spey . Заполнение баков реактивным топливом вместо воды привело к крушению рейса Paninternational Flight 112. [7]

В 1978 году рейс 411 авиакомпании Olympic Airways был вынужден прерваться и вернуться в аэропорт вылета из-за отказа системы впрыска воды или ее процессов. [8]

Использование в автомобилях

Ограниченное количество дорожных транспортных средств с двигателями с принудительной индукцией от таких производителей, как Chrysler, включали впрыск воды. Oldsmobile Jetfire 1962 года выпуска поставлялся с двигателем Turbo Jetfire . [9]

В 2015 году BMW представила версию своего высокопроизводительного купе M4 , M4 GTS, которая сочетает впрыск воды с промежуточным охлаждением. Автомобиль был представлен в сезоне MotoGP 2015 года в качестве официального автомобиля безопасности для серии и был выпущен на коммерческий рынок в 2016 году. [10] Согласно примеру BMW , текущие разработки двигателей с впрыском воды, похоже, сосредоточены на эффекте «улучшения производительности». Но к середине 2020-х годов разработка двигателей также сместит фокус на улучшение расхода топлива из -за давления на сокращение выбросов CO2 и связанных с этим правил. [11] [12]

Bosch , которая совместно с BMW разработала технологию , предлагает систему впрыска воды WaterBoost для других производителей. Компания заявляет о повышении производительности двигателя до 5%, снижении выбросов CO2 до 4% и улучшении экономии топлива до 13%. [13] Аналогичные результаты были получены в "Впрыск воды - высокая мощность и высокая эффективность в сочетании" [14]

Впрыск воды и рециркуляция охлажденных выхлопных газов (EGR) можно рассматривать как конкурентоспособные технологии: было продемонстрировано, что при средней нагрузке соотношение воды к топливу (WFR) 40–50 % с впрыском воды во впускной коллектор (PWI) имеет тот же эффект, что и показатель EGR 10 %, который считается относительно ограниченным даже для бензиновых двигателей. [15]

Производство воды на борту

Опросы клиентов об их готовности регулярно заливать дополнительную рабочую жидкость показали, что уровень принятия ограничен. [12] Таким образом, необходимость в дозаправке считается одним из основных препятствий для массового внедрения впрыска воды. Ключевым фактором является разработка бортовой системы генерации воды для работы в замкнутом контуре, особенно для того, чтобы гарантировать постоянный низкий уровень выбросов (выбросы CO 2 двигателя возрастут, если запас воды будет исчерпан). Можно исследовать три основных источника:

Первые два варианта сильно зависят от погодных условий окружающей среды с достаточно высоким уровнем влажности или привычек водителя (нежелательно использование кондиционера). Следовательно, невозможно обеспечить достаточный запас воды. Напротив, конденсация водяного пара, образующегося при сгорании бензина, является надежным источником воды: на каждый литр потребляемого 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 впрыском воды, работающим как замкнутая система благодаря «системе сбора воды» Hanon Systems. [16]

Использование в дизельном топливе

Исследование 2016 года объединило впрыск воды с рециркуляцией выхлопных газов . Вода впрыскивалась в выпускной коллектор дизельного двигателя , и, открывая выпускной клапан во время такта впуска, впрыскиваемая вода и часть выхлопных газов втягивались обратно в цилиндр. Эффект составил до 85% снижения выбросов NOx , а также значительное снижение выбросов сажи. [17]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Wilson, J. Parley (февраль 2011 г.). Влияние впрыска воды и увеличения степени сжатия в бензиновом двигателе с искровым зажиганием (диссертация). Университет Айдахо.
  2. ^ Крус и Вильд 1995, стр. 143.
  3. ^ ab A&P Powerplant Textbook (3-е изд.). Jeppeson Company. 2011. ISBN 978-0884873389.
  4. ^ Крус и Уайлд 1995, стр. 285–286.
  5. ^ Ру, Элоди (2007). Турбовентиляторные и турбореактивные двигатели: Справочник по базам данных. стр. 213. ISBN 9782952938013.
  6. ^ Даггетт, DL; Ортандерл, S.; Имс, D.; Бертон, JJ; Снайдер, CA (2 ноября 2004 г.). «Пересмотр впрыска воды для коммерческих самолетов». SAE Mobilus . US. doi :10.4271/2004-01-3108.
  7. ↑ Описание катастрофы международного авиалайнера возле Гамбурга-Фульсбюттеля на сайте Aviation Safety Network
  8. Ссылки ες στον Αλιμο" [Рейс 411 олимпийской авиации: Когда во время взлета САМОЛЕТ задел жилые дома в Алимосе] (на греческом языке). 27 декабря 2020 г. . Получено 17 февраля 2022 г.
  9. ^ "Jetfire". Oldsmobile Mail List Server Community . Архивировано из оригинала 25 февраля 1999 года.
  10. ^ "Новая система впрыска воды BMW M". BMW M Power . BMW. 7 октября 2015 г. Получено 14 ноября 2021 г.
  11. ^ Дерст, Б.; Унтервегер, Г.; Ройлейн, К.; Руперт, К.; Линсе, Д; Керкн, В. (2015). «Leistungssteigerung von Ottomotoren durch verschiedene Wassereinspritzungskonzepte». MTZ-Fachtagung Ladungswechsel im Verbrennungsmotor (на немецком языке). Германия.
  12. ^ АБ ПАУЭР, Т.; ФРОНМАЙЕР, М.; ВАЛЬТЕР, Дж.; ЩЕНК, П.; ХЕТТИНГЕР, А.; КАМПМАНН, С., 2016. «Optimierung von Ottomotoren durch Wassereinspritzung». В: 37. Internationales Wiener Motorensymposium.
  13. ^ "Bosch WaterBoost - Bosch Mobility Solutions". Архивировано из оригинала 24 октября 2016 г. Получено 20 сентября 2016 г.
  14. ^ ТЬЮЗ, М.; БАУМГАРТЕН, Х.; ШАРФ, Дж.; БИРМЕС, Г.; БАЛАЗС, А. и др. alt., 2016 «Впрыск воды – сочетание высокой мощности и высокой эффективности» В: 25. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik.
  15. ^ КОНВЕЙ, Грэм, 2019. «Впрыск альтернативных жидкостей для смягчения детонации». В: SAE, Международная встреча по силовым агрегатам, топливу и смазочным материалам . Сан-Антонио, Техас, 22–24 января 2019 г.
  16. ^ Эбер, Гийом; Базала, Йиржи; Фишер, Оливер; Нотбаум, Юрген; Тевес, Маттиас; Фоссхалл, Тобиас; Диль, Питер (2019). Конденсат выхлопных газов как средство обеспечения работы автономных систем впрыска воды . 28-й Ахенский коллоквиум по автомобильным и двигателестроительным технологиям.
  17. ^ Нур, М; Косака, Х; Абдель-Рахман, Али К; Бади, М (2016). «Влияние впрыска воды в выпускной коллектор на сгорание и выбросы дизельного двигателя». Energy Procedia . 100 : 178–187. doi : 10.1016/j.egypro.2016.10.162 .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки