Ubrizgavanje vode u turbobenzinski motor

Ubrizgavanje vode u turbobenzinski motor

Izum lovačkog aviona iz 1943. snagu povećao 16 posto

Mnogi su bili iznenađeni kad je u februaru u MotoGP-u, kao službeni ‘safety car’ uveden BMW M4, ubrizgavanjem vode pojačan sa 431 na 470 KS, a još više kad je na Concours d`Elegance in Pebble Beach (11. do 16. kolovoza 2015.) prikazan tržišni BMW M4 GTS s čak 500 KS, po istom receptu, radi se o dobro poznatoj tehnologiji za poboljšavanje punjenja i sprečavanja detonantivnog sagorevanja. Naime, da bi benzinski motor bio efikasan, potrebno je, u drugom taktu, što više sabiti smešu goriva i vazduha. No ako se pretera, smeša može nekontrolisano, detonativno eksplodirati…

… pre nego što  klip dođe u gornju mrtvu tačku (GMT), odnosno preskoči iskra na svećici. Ako ste naglim dodavanjem gasa, kod nižih obrtaja i velikog opterećenja, izazvali metalni zveket motora, to je to! Čuli ste udarce klipova i karika o zidove cilindara, koji su posledica detonacija. Radi se o prevremenom, nepravilnom i eksplozivnom sagorevanju, koje doslovce može uništiti motor. Dovoljno je nekoliko minuta takvog rada, da se odlomi deo klipa i ventila, probije čelo klipa, pukne klipnjača, zdrobi ležaj, uništi kolenasto vratilo…

U kombinacijom s većim turbopunjačem, snaga se može povećati do 40 posto, kao u lovcima iz II. svetskog rata, ali uz rizik preopterećenja

U kombinacijom s većim turbopunjačem, snaga se može povećati do 40 posto, kao u lovcima iz II. svetskog rata, ali uz rizik preopterećenja

To je pogotovo riskantno i opasno u slučaju prednabijenih motora, koji na početku  takta kompresije, kad je klip u donjoj mrtvoj tački (DMT) nemaju podpritisak, nastao efektom usisavanja smeše u prvom taktu, kao kod usisnih (atmosferskih) motora. Kod turbomotora tada  kompresor, kojeg pokreće turbina, a koju pokreće struja izduvnih gasova, stvara nadpritisak. To je ono što često spominjemo kao ˈpritisak prednabijanjaˈ, koji može biti manji od 0,4 bara, a i veći od 2 bara (kod sportskih motora). Tada klip, krećući se od DMT prema GMT komprimuje  (skraćuje)…

… već sabijenu smešu pa temperatura smeše može porasti na više od 300 Celzijusovih stepena. Gorivo tada može nekontrolisano detonirati, što rešavamo korišćenjem visokooktanskog goriva, a oktanski broj pokazuje otpornost detonativnom sagorevanju (veći OB, veća otpornost). Tu se vraćamo na početak, jer tehnologija o kojoj je reč, stručno se zove ADI (anti-detonation-injection), odnosno ˈubrizgavanje koje sprečava detonacijeˈ. Voda tu ima dvostruku ulogu. S jedne strane smanjuje vršne temperature za 50 do više od 100 stepena. Time se omogućava dodatno nabijanje motora, dakle i veća snaga.

Iz 5-litrenog spremnika voda se ubrizgava u usisni kolektor sa vazduhom prednabijenim na 1,6 bara, koji se njenim isparavanjem hladi te ga se više može ugurati u cilindre

Iz 5-litrenog spremnika voda se ubrizgava u usisni kolektor sa vazduhom prednabijenim na 1,6 bara, koji se njenim isparavanjem hladi te ga se više može ugurati u cilindre

Temperatura se oduzima promenom agregatnog stanja iz tekućeg u gasovito (po istom principu radi klima uređaj), a pritom se čestici vode, koja se pretvori u paru, zapremina poveća za više od 150 puta. Time se dodatno povišava pritisak u cilindru (veći pritisak – veća efikasnost – veća snaga – manja potrošnja). Dakle, jasno i već dugo je poznato da ta tehnologija povećava snagu motora BMW-a M4 za 13 posto (u avionima II. svetskog rata, u borbi na život i smrt, za više od 40 posto), a istovremeni oko 2 posto smanjuje potrošnju. Ali to nije ni jednostavno niti bezopasno za motor…

… jer se, uz povećanje pritiska i temperature, povećava opterećenje najopterećenijih delova. Dakle, oni trebaju biti napravljeni od kvalitetnijih i izdržljivijih materijala, uz veću preciznost i manje tolerancije u sklopovima, što bitno poskupljuje izradu. To si može priuštiti jedan BMW, posebno u verziji M4 GTS, ali nemojte misliti da će se u to upustiti Dacia… A ‘u igru’ će zasigurno ući Daimler, odnosno ‘Mercedes-Benz’, koji s tom tehnologijom ima ‘debelog’ iskustva iz II. svetskog rata.  Na detonativno sagorevanje najviše utiče stepen kompresije i oktanska vrednost goriva. Povećanjem stepena kompresije povećava se efikasnost i ekonomičnost motora.

Ubrizgavanjem vode u užarene cilindre postiže se dvostruki uticaj: smanjuje se rizik detonantivnog sagorevanaj te se njenim naglim isparavanjem povišuju pritisci u cilindrima

Ubrizgavanjem vode u užarene cilindre postiže se dvostruki uticaj: smanjuje se rizik detonantivnog sagorevanaj te se njenim naglim isparavanjem povišuju pritisci u cilindrima

Zbog toga moderni benzinci imaju stepen kompresije veći od 11:1 (realno je moguće 12,5:1, a sve iznad je ‘trik’). Kod određenog stepena kompresije i goriva doći će pre do detonantivnog sagorevanja, ako je veće opterećenje motora, viša temperatura usisne smeše, veći uga pretpaljenja, manji broj obrtaja, viša temperatura rashladne tečnosti, bogatija smeša, manji sadržaj vlage u vazduhu i povećan sadržaj gareži u motoru. Na pojavu detonacija utiče nehomogenost smeše, a problemi se povećavaju u turbo verzijama. Užareni produkti sagorevanja šire se veoma brzo, stvarajući val pritiska brzine zvuka.

Time zagrevaju i sabijaju neizgorelu smešu, koja se zagreva dvostruko – toplim sagorevanjem i rastom pritiska. To potiče stvaranje izvora (jednog ili više) naglog, eksplozivnog sagorevanja, na mestima najviše temperature (blizu izduvnih ventila i naslaga gareži). Naglo povišenje pritiska i temperatura najopasnije je za aluminijumske klipove, jer imaju tačku topljenja na (655 do 710°C) i manju čvrstoću na povišenim temperaturama. Problem povećava otežano hlađenje klipova, jer im se toplota odvodi samo preko prstena i mlazom ulja s donje strane. Kad se ugradi sistem ubrizgavanja vode, uz sve navedeno, dobija se dodatni i najefikasniji  alat za borbu protiv detonacija.

Cevi preko električne pumpe i brizgaljki dovode vodu u usisni kolektor, pod pritiskom od 2-3 bara, čime se ostvaruju uvslovi za optimalno isparavanje

Cevi preko električne pumpe i brizgaljki dovode vodu u usisni kolektor, pod pritiskom od 2-3 bara, čime se ostvaruju uvslovi za optimalno isparavanje

Dakle, uz sistem ubrizgavanja vode, nužno je povezano dobro praćenje svih parametara sagorevanja i rada motora. Korist od sistema je što se za desetak posto veći pritisak oslobađa znatno pre, odmah nakon što klip, u ‘radnom taktu’, krene iz GMT u DMT. Navedeni problem motori po Atkinsonovom ciklusu, kakve koriste Mazda i Honda, rešavaju tako što je prvih 20 posto takta kompresije uz otvorene usisne ventile. Pritisak se ne povećava, odnosno počinje rasti tek kad se zatvore svi ventili. Sprečavanju detonacija pomaže i senzor detonantnog sagorevanja – kad zabeleži detonacije, daje signal za pojačano ubrizgavanje vode.

U usisnu cev rednog 6-cilindarskog turbobenzinca s direktnim ubrizgavanjem BMW-a M4 MotoGP Safety Car ubrizgava se 0,1 – 0,8 l/100 km vode, pa mu se snaga sa serijskih 431 KS pri 5500/min, povećala na 470 KS. Testiranja od februara potvrdila su delotvornost, pa će u tržišnom M4 GTS, koji stiže u martu 2016. biti pojačan na 500 KS. Najveći će moment porasti sa 550 na 600 Nm. Poznate su efekte BMW-ovi stručnjaci kvantificirali, pa su maksimalne pritiske u cilindrima povisili sa 80 na 90 bara, a to se postiže samo 3 stepena nakon gornje mrtve tačke, umesto na 20 (na radilici), bez ubrizgavanja.

Po analogiji pedaliranja, u dobrom položaju pedale, ranijim postizanjem vršnih pritisaka povećava se efikasnost motora. Snaga raste 8 do 16 posto, a potrošnja goriva smanjuje se dva posto

Po analogiji pedaliranja, u dobrom položaju pedale, ranijim postizanjem vršnih pritisaka povećava se efikasnost motora. Snaga raste 8 do 16 posto, a potrošnja goriva smanjuje se dva posto

Ubrizgavanje vode bilo je puno više od običnog tjuniranja avionskih motora tokom II. svetskog rata, jer je više snage bilo pitanje života i smrti. Snažniji se avion brže penje, ubrzava, postiže veću visinu, dolazi u povoljnu poziciju za pobedu, može pobeći. Važna je i pri poletanju s punim teretom oružja i goriva. Amerikanci i Nemci već su 1942. počeli eksperimentisati, a ubrizgavala se mešavina vode i metanola, koji povećava oktansku vrednost goriva (ima OB veći od 110) i sprečava smrzavanje.

Budući da, kao svako ekstremno tjuniranje, skraćuje vek motora, Nemci su, zbog neuporedivo manje resursa od Amerikanaca, kalkulirali do juna 1944. i Dana D. Tada je u Daimler-Benz DB605 V12 lovca Messerschmitt Bf 109 G-10 Erla ugrađen sistem MW50 (metanol-voda), povećavši snagu na 2000 KS. Na, Amerikanci su već više od godine dana uspešno koristili tu tehnologiju te je ubrizgavanje vode Republic P-47 Thunderbolt pretvorilo u najubojitijeg lovca II. svetskog rata.

VAŽNO

  • Republic P-47 Thunderbolt je 30.7.1943. poletio 18-cilindarskim Pratt & Whitney R-2800 Double Wasp, ubrizgavanjem vode-metanola pojačanim sa 2000 na 2300 KS
  • Saab 99 Turbo prvi u Europi je 1978. ubrizgavanjem vode pojačan sa 145 na 160 KS. Prvi je u svetu bio bio Oldsmobile F85 iz 1962., sa sistemom Fluid Injection Jetfire
  • Renault RE30C bi-turbo 1.5 V6. U sezoni 1983. Alain Prost i Eddie Chever su ubrizgavanjem vode u motoru Renault-Gordini EF1 dobili pojačanje sa 590 na 700 KS
  • ‘Viagra’ i za WRC: nakon dobrih rezultata u Formuli 1, ubrizgavanje vode, odnosno mešavine vodonika i metanola od sredine 1980-ih koristi se i u reliju
  • Dizelašima takođe koristi ubrizgavanje vode, jer smanjuje udeo čestica čađe i azot oksida (NOx) te povećava snagu hlađenjem usisnog vazduha
Autor: Željko Marušić
Izvor: autoportal.hr

Ostavite odgovor

Vaša adresa e-pošte neće biti objavljena. Neophodna polja su označena *