Система впрыска воды как способ повышения мощности двигателя

При упоминании о системе впрыска воды многие скептически ухмыляются, поскольку совершенно не понимают, как обычная вода может положительно влиять на мощность силовой установки.

Всем прекрасно известны последствия гидроудара, когда при проезде через лужу или водную преграду большой объём жидкости проникает во впускной тракт, где пытается сжать рабочий поршень, тем самым провоцируя разрушение всей шатунно-поршневой группы.

Но под впрыском следует понимать точечное добавление специальной смеси, которая подаётся внутрь камеры сгорания. И она способна положительно повлиять на мощность. Так утверждают специалисты. Необходимо разобраться в этом вопросе, понять принцип работы технологии, изучить её сильные и слабые стороны, а также учесть перспективы её внедрения.

Принцип работы

Более сотни лет лучшие инженерные умы работают над тем, чтобы увеличить отдачу от двигателя. Сначала они действовали по предельно простому принципу. Мощность достигалась путём увеличения объёмов двигателя и количества цилиндров. Но это было экономически нецелесообразно. Потребовалось искать новые пути повышения отдачи от ДВС, не требующие увеличения размеров или веса самого двигателя.

В результате появились турбонагнетатели, компрессоры, разные системы непосредственного и распределённого впрыска, регулируемые фазы, обновлённые цилиндропоршневые группы и многое другое. Сравнительно недавно в паре с ДВС начали работать электродвигатели, которые сумели ещё добавить мощности. И многие были уверены, что повышать отдачу уже некуда. Предел достигнут.

Но тут вспомнили о водяном впрыске или о системе впрыска воды в двигатель. Чаще всего её применяют на двигателях высокофорсированного типа с целью улучшить их основные характеристики. Тут хочется понять, как именно она работает и за счёт чего происходит прирост мощности двигателя.

Выделяют несколько разных систем впрыска, отличия между которыми заключаются преимущественно в местах размещения. Для впрыска воды на впускном коллекторе устанавливается дополнительная специальная форсунка. Именно она отвечает за подачу во впускной тракт двигателя специальной смеси, состоящей из воды и метана. Она перемешивается с топливовоздушной смесью, идущей непосредственно в камеру сгорания. То есть не совсем справедливо называть систему водяным впрыском, но это звучит куда интереснее и интригующе.

Также следует понять, почему используется именно такая смесь, то есть вода и спирт. Подобная жидкость отличается способностью замерзать при более низких температурах, нежели обычная вода. Плюс комбинация спирта и воды получает лучшие свойства рассеивания, что позволяет создавать равномерные смеси и уменьшать текущую температуру в зоне впускного коллектора.

Форсунка подаёт мелкодисперсные капли, тем самым происходит охлаждение жидкости, дающее возможность увеличивать степень сжатия и уменьшать скорость горения внутри цилиндров. Отсюда следует ещё одно преимущество в виде уменьшения рисков детонации.

Дополнительно стоит отметить влияние фактора снижения температуры при горении топлива и воды на химические процессы, протекающие внутри камеры сгорания. На выходе получается меньшая концентрация вредных выбросов и углекислого газа.

Но не стоит думать, что система обладает исключительно одними достоинствами. Ничего идеального не существует. И в случае с водяным впрыском нашлись свои минусы.

• Отработавший газ характеризуется увеличенной концентрацией углеводородов, которые не успевают сгорать. Это в некоторой степени влияет на повышение расхода горючего;
• При движении на небольшой скорости или в момент, когда дроссельная заслонка открыта полностью, двигатели, работающие на такой смеси, могут вести себя нестабильно;
• Жидкость зачастую неравномерно распределяется по цилиндрам. В итоге в некоторых из них оказывается обеднённая топливо-водяная смесь. Для решения такой проблемы можно использовать индивидуальные форсунки под каждый цилиндр, которые будут управляться через ЭБУ;
• Система с водяным впрыском допускает использование исключительно дистиллированной воды. Если взять обычную воду, то находящиеся в ней примеси начнут создавать нагар в камере сгорания, что приведёт к заметному снижению моторесурса.

Последний аргумент заслуживает особого внимания. Да, первое время при работе на обычной воде никаких существенных изменений вы не заметите. Но со временем образуется большое количество отложений, словно накипь внутри чайника. То есть именно такое можно увидеть внутри цилиндров своего двигателя, если не заливать очищенную дистиллированную воду.

Начало развития технологии

Наверняка многим интересно, кто придумал добавление в двигатель воды, и на что вообще рассчитывали авторы этой технологии.

В мировой практике первым, кто использовал систему впрыска воды, стал инженер из Венгрии с трудно произносимой фамилией Бснки. Произошло это ещё в самом начале прошлого века, то есть около 100 лет назад.

Прошло ещё несколько лет, и уже английский профессор по фамилии Хопкинсон создал экспериментальную системы, которая за счёт впрыска воды позволяли повысить производительность работы двигателей промышленного назначения.

https://www.youtube.com/watch?v=1tfW4MGOkIk

Хотя главным светлым умом считается Риккардо, который в своё время создал одноимённый бренд, и занимался изготовлением комплектующих для авто. Он провёл огромное число исследований, получил несколько патентов и подробно описал все методы и испытания с двигателями, оснащёнными системами впрыска воды.

Проведённые исследования и эксперименты позволили в итоге Риккардо создать двигатель с такой необычной системой, где применялась смесь из метана и воды. В результате характеристики мотора увеличились практически в 2 раза. Его разработку начали активно использовать в условиях идущей на тот момент Второй мировой. Изначально технологию приняли на вооружение в авиации, где пытались любыми способами увеличить скорость и высоту самолётов, чего обычные поршневые двигатели не могли дать в полной мере. Но и их в конце войны заменили на более совершенные реактивные установки.

Немецкие военно-воздушные силы с 1942 года начали активно использовать свой новый истребитель D9, который получил систему впрыска на основе воды и метана, позволяющую при форсаже добавить мощности и скорости. Похожие разработки применялись и на других двигателях, включая моторы от BMW и Daimler, которые в то время ещё не были известными на весь мир автопроизводителями.

Во время войны на немецкой авиации активно применяли систему турбонаддува, а потому водяной впрыск стал чем-то вроде интеркулера. Смесь попадала во впускной тракт авиамотора, где перемешивалась с топливом и проникала внутрь камеры сгорания. Когда образовавшаяся смесь контактировала с горячими стенками цилиндров, вода становилась паром. Расширение позволяло создать внутри цилиндра избыточное давление, а за счет предварительного охлаждения топлива на впуске повышался объём смеси в цилиндре. Всё это обеспечивало высокоэффективное сгорание.

Подобное нововведение позволяло повышать мощность примерно на 20-30% от номинальной, но такой эффект носил кратковременный характер. Хотя и такого дополнительного преимущества хватало, чтобы быстрее набирать высоту и развивать лучшую максимальную скорость.

Но противоположная сторона не стояла на месте. У немцев быстро появились конкуренты в лице американских бомбардировщиков и истребителей, на которых были установлены аналоги немецкой системы впрыска метановодяной смеси. В СССР также пытались создать нечто подобное, но попытки не увенчались успехом. В 1943 году удалось построить 5 самолётов на базе ИЛ-2, которые оснастили моторами с инновационной системой водяного впрыска. Но испытания наглядно показали, что ставить такие двигатели на поток слишком дорого. Плюс они требовали очень сложной настройки. А в условиях военного времени такой возможности попросту не было.

Применение на автомобилях

К концу войны в авиации практически все перешли на реактивные двигатели, что позволило отказаться от поршневых силовых агрегатов. То есть необходимости в разработке различных способов форсировки уже не было.

Но над системой впрыска воды в двигатели начали активно работать автопроизводители. Первопроходцем в этом интересном и достаточно перспективном на тот момент сегменте оказался американский автогигант General Motors. Компания применила водяной впрыск на своём серийном автомобиле F-85 Jetfire, выпускаемом под брендом Oldsmobile. Технология нужна была, чтобы повысить устойчивость к детонации их турбоированного силового агрегата.

Также о полезных свойствах воды и метана вспомнили в Европе. Первыми оказались инженеры из компании Saab. Водометаноловая смесь достаточно активно и долго использовалась в производстве автомобиля 99 Turbo S. Жизненный цикл модели продлился до начала 80х годов. Но когда появились более современные и эффективные интеркулеры, от систем в автопроизводстве фактически полностью отказались. Её перестали использовать на серийных машинах.

Но не всё так плохо для впрыска воды. Появились представители автоспорта, где идея с использованием воды и метана показалась крайне интересной, перспективной и многообещающей.

Знаковым стал 1983 год. Именно тогда на болидах команд Ferrari и Renault были установлены системы водяного впрыска. В итоге итальянская конюшня завоевала первое место среди конструкторов, набрав командой набольшее количество очков. На машинах были предусмотрены специальные баки. Их объём составлял 12 литров. В них заливалась специальная смесь, состоящая из спирта и воды. Дополнительно присутствовали водяные насосы и регуляторы давления.

Вскоре руководство Формулы 1 сочло такие системы нарушением правил и равенства команд, в результате чего в регламент внесли пункт о запрете применения подобного оборудования.

В середине 90-х попытки внедрения водяного впрыска предпринимались в гоночных сериях Ле-Ман и WRC. Но практически сразу руководство запретило их использование.

Зато огромную популярность разработка завоевала среди участников популярных в США гонок на четверть мили. Мощные драгстеры, имеющие механические нагнетатели в своей конструкции, остро нуждались в эффективном охлаждении. На то время интеркулеры не получили ещё должного распространения. В результате некоторым умным людям пришла в голову мысль об использовании смеси спирта с водой, которая впрыскивается в силовой агрегат.

Результатом внедрения системы стало появление на арене суперкара на базе Porsche 911, за доработку которого отвечала компания 9FF. В 2005 году они поставили уникальный на то время рекорд скорости. Машину удалось разогнать до 388 километров в час. Это стало лучшим достижением для автомобиля, который официально может передвигаться по дорогам общего пользования. В основе лежал оппозитный 6-цилиндровый двигатель, оснащённый парой турбокомпрессоров. Также здесь присутствовал обычный интеркулер, но в паре с ним функционировал водяной впрыск.

Система впрыска в наше время

Интересно теперь узнать, как обстоят дела с водяным впрыском в настоящее время. После 2005 года особого интереса к системе никто не проявлял. Но, как и ранее, требовалось лишь немного времени, чтобы кто-то вновь вспомнил про воду с метаном.

И это оказалась компания BMW. Причём они использовали впрыск не для увеличения мощности, как это происходило ранее, а для уменьшения уровня потребления топлива.

Первопроходцем стал автомобиль BMW M4, использующийся в качестве машины безопасности в рамках мотогонок серии MotoGP. На его двигателе использовалась обычная форсунка. Она подавала жидкость в коллектор. Но у баварцев был ещё и другой опытный мотор с 3 цилиндрами, турбиной и рабочим объёмом 1,5 литра. Здесь применялась более продвинутая технология.

Смешивание воды с горючим происходило за счёт работы насоса высокого давления производства Bosch, который включался в работу только тогда, когда обороты мотора превышали отметку в 4 тысячи единиц. Смесь топлива и воды с метаном, двигаясь через форсунку, проникала внутрь камеры сгорания. Это позволило повысить мощность от начальной 201 л.с. до 215 лошадок. Параллельно увеличилась устойчивость к детонации, что дало возможность использовать степень сжатия на 9,5 к 1, а уже 11,0 к 1. Инженеры отметили также общее улучшение отдачи при работе мотора на низких и средних оборотах.

Водяной бак на машине, оснащённый подогревом, имел объём 7 литров. В стандартных условиях расход смеси воды и спирта составлял 1,5 литра на каждые 100 километров пути. Потому водителю требовалось заправляться через 500 км.

Но инженеры BMW не были бы собой, если бы не придумали выход из ситуации. Они учли, что во время работы системы кондиционирования в автомобиле образуется достаточно большое количество конденсата. Эту жидкость они заставили сливаться в бак. Так удалось сэкономить около 8% топлива на 100 километров при движении автомобиля в условиях смешанного цикла. В теории такая система может идеально работать с гибридными приводами. Но в баварском автоконцерне пока на этот счёт ничего не говорят.

Двигатели, оснащённые системой водометанового впрыска, запускают в серийное производство. Причём автомобили с такими силовыми установками будут поставлять в Россию. Большинство плюсом появления подобных систем заключается в том, что моторы станут менее требовательными к качеству топлива. Если быть точнее, то к его октановому числу. То есть для BMW будет вполне достаточно заправлять автомобиль неплохим АИ95.

Возможность установки системы на автомобиль

Автомобилистов интересует вопрос относительно возможности установки системы впрыска воды с метаном в двигатель своими руками. Возможность такая есть.

Существует множество самодельных схем по реализации водяной системы впрыска, где в ход идут такие приспособления как медицинские шприцы, капельницы и прочие фактически подручные средства. Их монтируют во впускной коллектор, располагая за заслонкой дросселя. Но самое интересное здесь то, что системы оказываются вполне рабочими и достаточно эффективными.

https://www.youtube.com/watch?v=pMxei0kmL_U

В итоге автовладелец получает некоторый прирост мощности и увеличение крутящего момента. Но за всеми этими преимуществами не стоит забывать о существовании одного весомого недостатка. Заключается он в том, что самодельные системы попросту заставляют заливать воду в больших объёмах внутрь коллектора. Жидкость при этом не распыляется. В итоге взвесь происходит неравномерное распределение по цилиндрам. То есть в одних цилиндрах будет смесь обеднённая, в других нормальная. А это прямой путь к неравномерной работе всего двигателя. Если количество воды превысит критические отметки, гидроудара будет практически не избежать.

Если вы готовы потратить на модернизацию больше денег, тогда есть смысл обратиться в специализированные тюнинг-ателье. Здесь продаются комплекты, куда входят:

• бачок для смеси воды со спиртом;
• насос высокого давления (выдаёт от 5 до 10 бар);
• электронный блок управления, отвечающий за работу насоса;
• форсунки для впрыска жидкости.

Наиболее дорогостоящие системы предусматривают использование регулирующего клапана. Он контролирует давление и следит за объёмами воды, которые поступают в мотор.

Такая система работает по достаточно простому принципу. Блок управления подключается к автомобильному датчику, который отвечает на расход воздуха силового агрегата. Блок считывает и анализирует полученные параметры, определяет оптимальное количество воды и подаёт её путём передачи соответствующей команды исполнительному устройству. В данном случае это насос высокого давления.

Хотя система кажется предельно простой, не стоит забывать о некоторых возникающих сложностях. Водяной впрыск будет осуществляться только в условиях определённого режима работы силовой установкой. Зачастую такие системы функционируют, когда обороты двигателя преодолевают отметку в 3000 оборотов в минуту. Также дополнительное оборудование практически не будет контролировать подачу смеси воды со спиртом. Она только даёт команды, чтобы насос высокого давления включался или выключался. Единственным ограничителем количества поступающей воды становится только форсунка. Потому к её выбору следует подходить предельно внимательно.

Есть ещё один немаловажный момент. Пока управляющий блок передаёт команду насосу за включение, пока насос запустится и начнёт перекачивать жидкость, наблюдается определённая задержка по времени между отправкой сигнала на впрыск и непосредственно самим впрыском. От этого страдает вся система, поскольку снижается эффективность её работы на двигателе.

В итоге мнения относительно форсировки путём использования водяной смеси с метаном расходятся. Но можно сказать, что в настоящее время это достаточно дорогостоящее удовольствие, которое выглядит необычно и многих автомобилистов попросту пугает даже одним своим названием. Люди не могут понять, как это вода может повышать мощность.

Как вы поняли из всего рассмотренного ранее, система действительно работает и приносит определённые плоды. Но предела совершенству нет. Пока подобное форсирование воспринимают как некую экзотику, имеющую множество подводных камней и вопросов, остающихся без ответа.

Удастся ли как-то повысить эффективность, сделать систему доступнее и массово внедрить её в автопроизводство, говорить сложно. При нынешних альтернативных способах форсировки и повышения отдачи двигателей водяной впрыск не выглядит самым предпочтительным. Но ситуация может меняться с течением времени.

Нельзя исключать, что через несколько лет кто-то снова вспомнит про водяной впрыск, придумает новый способ применения системы и реализует её на своих автомобилях. И тогда все скажут, что вода действительно работает, и все захотят себе установить подобное решение. Но пока ситуация складывается не в пользу водяного впрыска.