Трохи про упорскування води
Звичайно, в одній посаді цю тему не вдасться розглянути, скільки постів буде, я не знаю, побачимо. Мета – розібратися для чого використовується система упорскування води, які види бувають, що краще лити (вода, вода/метанол, горілка – український варіант), на яких двигунах найкраще використовувати (бензиновий, LPG – газ, дизельний).
Багатьох напевно може насторожити саме поняття - лити воду в мотор. Не треба цього боятися. Не важливо, який вид палива – бензин, газ, дизель, етанол чи метанол – це все вуглеводні. Для кращого розуміння розберемося, що таке ідеальне згоряння і що виходить на виході.
Повітря складається з 78.09% азоту, 20.95% кисню та 0.96% інших газів. У двигун ми подаємо повітря та паливо, стискаємо та запалюємо. Коли суміш горить, атоми водню і вуглецю окремо починають шукати атоми кисню, щоб з ними з'єднатися “потиснути їм руки”. 2 атоми водню знаходять 1 атом кисню і утворюють воду 2Н + 1О = Н2О. Один атом вуглецю починає дружити з двома атомами кисню - 1С +2О = СО2 і утворюється вуглекислий газ.
В ідеальному випадку азот не вступає в реакцію з іншими атомами і виходить із вихлопної труби у вигляді N2. Ідеальне згоряння суміші утворює лише СО2 і Н2О, але насправді повітря і паливо поєднуються не зовсім рівномірно (але це не відноситься до нашої теми). Головне це те, що вода є продуктом розпаду і не треба її боятися, вона завжди є і буде у ДВЗ при використанні вуглеводневого палива.
Тепер настав час розглянути яким чином установка системи упорскування води або вода/метанолу може поліпшити характеристики двигуна (підвищить його потужність, знизить витрату палива). Не сильно Вас навантажуватиму формулами з розділу фізики протермодинаміки, але принцип зрозуміти необхідно. Уявімо, що ви знаходитесь влітку на пляжі під променями палючого сонця і раптом на вашу шкіру потрапляють маленькі крапельки води. Ви відразу відчуєте різкий холод, але це не через те, що вода холодна, а через те, що коли рідина переходить у газоподібний стан вона в цей момент поглинає велику кількість тепла.
Різні рідини поглинають різну кількість тепла, як багато відповідь знайдемо в наведеній нижче таблиці.
Взагалі ця таблиця з підручника "Internal Combustion Engine Fundamentals" дуже корисна. У ньому вказані основні характеристики різних вуглеводневих видів палива. Зараз нас цікавить стовпець під назвою Heat of Vaporization (kJ/kg) — Питома теплота пароутворення.
Наприклад – у бензину (gasoline) теплота пароутворення 307 kJ/kg, а метанолу 1147 kJ/kg – в 3.74 разу більше. Так як вода не є паливом, тому її немає в цій таблиці. Для інформації у води питома теплота пароутворення – 2350 kJ/kg, у 7,65 разів більша ніж у бензину і більш ніж у 2 рази вища за питому теплоту пароутворення метанолу.
З вище сказаного випливає, що вода в рази має кращі показники в плані охолодження. Установка системи упорскування води відмінно працює на всіх видах двигунах, але виконує різні завдання в залежності від типу двигуна (Отто або Дизель) і звичайно від виду подачі палива . Для початку давайте розглянемо найпопулярніший приклад (для України) - бензиновий (Отто) турбо двигун. Чим більше маси повітря надходить у ДВС, тим більше потужність на виході. Чим холодніше повітря, що надходить, тим вище щільність і відповідно маса повітря і кількість молекул кисню. Поки не розглядатимемо питання детонації (меншетемпература – менше шансів для виникнення детонації), а просто розрахуємо ступінь зниження температури при випаровуванні.
Як приклад розглянемо щось серйозніше. Візьмемо реальний компресорний двигун із літака, який має 900 кіловат при 3600 об/хв. Як основний компонент палива (вуглеводню) використовується ізооктан С8Н18. Розрахуємо, як сильно знизиться температура при випаровуванні палива
Qevap = Nf*Mf*Hfg = Na*Ma*Cp*deltaT Qevap – теплопередача (heat transfer), в даному випадку при охолодженні випаровуванням (Evaporative cooling from C8H18) Nf – кількість молекул палива Mf - маса молекул палива Hfg - коефіцієнт теплопередачі (heat transfer coefficient). В даному випадку мається на увазі теплота пароутворення (heat of vaporization) – для ізооктану 290 KJ/Kg див. Вище. Na - кількість молекул повітря Ma - маса молекул повітря Cp - теплоємність газу при постійному тиску - 1005 КJ/Kg - K (таблиця в попередньому посту) Q= маса молекул палива * Hfg Delta T = Q / маса молекул повітря * Ср С8Н18 – для ідеального згоряння палива необхідно 25 атомів кисню та 94 атоми азоту Тепер знайдемо масу молекул палива та повітря. Нагадую: H -1 gr, C - 12 gr, N-14 gr, O-16 г. Маса палива = (8 * 12) + 18 * 1 - 114, отже Q = 114 * 290 = 34996 Маса повітря = 25 * 16 + 94 * 14 = 1717 Делта Т = 34996/1717*1.005 = 20.38 градусів. При випаровуванні палива температура знизиться на 20 градусів.
Дані типи літакових двигунів використовують систему упорскування води для охолодження суміші в кількості 25% від маси палива. Пропоную розрахувати дельту Т для води: Hfg — heat transfer coefficient. В даному випадку мається на увазі - heat of vaporization - для води 2350 KJ/Kg,зверніть увагу наскільки більше ніж у ізооктану (290) Маса палива залишилася незмінною -114 Маса воду = (0.25) * (114) = 28.5 Qevap – heat transfer, в даному випадку Evaporative cooling from H2O Q = маса молекул води * 2350 = 114 * 2350 = 66975 Дельта Т = Q / масу молекул повітря * Ср = 66975 / 1717 * 1.005 = 40 градусів А це вже не погано. Переведемо у приріст потужності. Як було показано у попередніх постах, зменшення температури збільшує щільність повітряного заряду. Відповідно, збільшується кількість молекул повітря та, звичайно ж, кисню. У свою чергу це сприяє збільшенню потужності двигуна. Припустимо, що температура на впуску була 60 градусів Цельсія: Wwith = Wwithout * (Twithout/Twith) = 900 Kw * (338 K / 297 K ) = 1024 KwПриріст склав 124 кіловат або 124 * 1.36 = 168 л/сил. Непогано.
Хочу зауважити, це реальний розрахунок для системи упорскування води, яка застосовується у літаковому двигуні. Раніше вже писав, що ця система успішно використовувалася ще за часів Другої світової війни. Якщо звернеться до прикладів використання упорскування води на серійних автомобілях, то цим займалася компанія SAAB (до речі, якщо хтось не знає, ім'я та репутацію ця компанія запрацювала як виробник літаків). Мета була підвищити економічність на високих швидкостях та при акселерації. Результати були непогані - 20-30% економії палива.
Даний приклад добре показує, на скільки піднімається потужність двигуна за рахунок охолодження паливно-повітряної суміші при використанні системи упорскування води на двигунах з розподіленим упорскуванням палива. Але зараз настала ера двигунів з безпосереднім, прямим упорскуванням палива (Gasoline Direct Injection GDI), де паливо подається безпосередньо в камеру згоряння в момент, колиповітря вже стиснуте і фаза охолодження повітряного заряду у впускному тракті відсутня. Отже, використання системи упорскування води на таких двигунах буде ще ефективніше.
Той факт, що бензин при випаровуванні забирає тепло та охолоджує, використовується на турбо двигунах для боротьби із самозайманням суміші при стисканні, гартильному запалюванні та детонації. Варто відзначити, що на двигунах Gasoline Direct Injection GDI самозаймання суміші при стисканні та напальне запалювання фізично просто неможливо. Тому такі ДВС мають більш високий ступінь стиснення і працюють на вищому бусті та дуже бідних сумішах.
Велика помилка багатьох фахівців із встановлення газового обладнання на бензинові двигуни використовувати принцип налаштування, як на класичному паливі чим багатша суміш, тим безпечніше. Ні, це в корені не правильно - що бідніше, тим безпечніше т.к. паливо подається вже у вигляді газу та при змішуванні з повітрям суміш не охолоджується. І ось тут використання системи упорскування води (особливо на турбо моторах) буде дуже корисним.
Один із найефективніших способів безпечного збільшення потужності на дизельних моторах – установка системи упорскування води, але на відміну від бензинових двигунів обов'язкове переналаштування ЕБУ. Дизельні двигуни працюють на дуже бідних сумішах понад 20/1 – тому й економічні. Підняти потужність на них простіше простого – додати палива, збагатити суміш і все, головне вчасно зупиниться, доки не вибухнув двигун чи не буде проблем із турбіною через високу ЄГТ. Якщо на дизельному моторі ви просто піднімете буст, то потужність знизиться т.к. суміш стане ще біднішою і як наслідок впаде температура в КС та ЄГТ. Тому збільшення надува, і всіх модернізацій у системі впуску для поліпшення подачі повітря використовується притюнінг дизельних двигунів – для охолодження двигуна. Виходить ситуація, зворотна бензиновому двигуну, де паливом охолоджують.
Сучасний дизельний двигун має ступінь стиснення 17 - 19 і працює на надмірному тиску більше 1.5 бар і до того ж використовують турбо нагнітач зі змінною геометрією - який дуже не любить високу температуру вихлопних газів ЕГТ. Використання впорскування води дозволяє значно знизити ЕГТ і, як наслідок, безпечно збільшити подачу палива для підвищення потужності.
Настав час закінчувати, здогадуюсь, що піст вийшов нудний, без картинок, багато літер – але я дуже сильно намагаюся все спростити і викласти головну суть у дохідливій формі