Впрыск воды (двигатель)

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 короткое время, 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]

Состав жидкости

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]

Использование в самолетах

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 в 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 вошла в более поздние версии, оснащенные более мощными двигателями. В авиалайнере BAC One-Eleven также использовался впрыск воды для двигателей Rolls-Royce Spey турбовентиляторных . 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]

Использование в автомобилях

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 серии и был выпущен на коммерческий рынок в 2016 году. ^[10] Как и в случае с BMW , текущие разработки двигателей с впрыском воды, похоже, сосредоточены на эффекте «улучшения производительности». Но к середине 2020-х годов при разработке двигателей основное внимание будет также сосредоточено на улучшении расхода топлива из-за давления на CO ₂ сокращение выбросов 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. до 4% _{Компания заявляет об увеличении производительности двигателя до 5%, снижении выбросов CO 2} и улучшении экономии топлива до 13%. ^[13] Аналогичные результаты были получены в исследовании «Закачка воды – сочетание высокой мощности и высокой эффективности». ^[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 в порт (PWI) дает тот же эффект. как уровень EGR в 10%, который считается относительно ограниченным даже для бензиновых двигателей. ^[15]

Бортовое производство воды

Опросы клиентов, в которых спрашивали 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 технологии 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 двигателем будут увеличиваться, если запасы воды будут исчерпаны). Можно исследовать три основных источника:

Сбор влажности воздуха из окружающей среды (например, с помощью конденсата кондиционера)
Поверхностные воды (например, дождевая вода, собранная с кузова транспортного средства)
Конденсат выхлопных газов

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 демонстратор Audi TT Sport, оснащенный системой впрыска воды, работающей как закрытая система благодаря «системе сбора воды» Hanon Systems. ^[16]

Использование в дизельном топливе

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. до 85% Результатом стало сокращение выбросов NOx , а также значительное сокращение выбросов сажи. ^[17]

См. также

Кроуэр шеститактный

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Уилсон, Дж. Парли (февраль 2011 г.). Влияние впрыска воды и увеличения степени сжатия в бензиновом двигателе с искровым зажиганием (Диссертация). Университет Айдахо.
^ Крус и Уайлд 1995 , с. 143.
^ Перейти обратно: ^а ^б Учебник A&P Powerplant (3-е изд.). Компания Джеппесон. 2011. ISBN 978-0884873389 .
^ Крус и Уайлд 1995 , стр. 285–286.
^ Ру, Элоди (2007). Турбореактивные и турбореактивные двигатели: Справочник по базам данных . п. 213. ИСБН 9782952938013 .
^ Даггетт, ДЛ; Ортандерл, С.; Имс, Д.; Бертон, Джей-Джей; Снайдер, Калифорния (2 ноября 2004 г.). «Возвращаясь к впрыску воды в коммерческие самолеты». САЭ Мобилус . НАС. дои : 10.4271/2004-01-3108 .
^ Описание аварии Paninternational возле Гамбург-Фульсбюттеля в Сети авиационной безопасности.
^ «Рейс 411 Olympic Aviation: Когда во время взлета САМОЛЕТ царапал жилые дома в Алимосе» [Рейс 411 Olympic Aviation: Когда во время взлета САМОЛЕТ царапал жилые дома в Алимосе] (на греческом языке). 27 декабря 2020 г. . Проверено 17 февраля 2022 г.
^ «Джетфайр» . Сообщество сервера списка рассылки Oldsmobile . Архивировано из оригинала 25 февраля 1999 года.
^ «Новая система впрыска воды BMW M» . БМВ М Пауэр . BMW. 7 октября 2015 г. Проверено 14 ноября 2021 г.
^ Дерст, Б.; Унтервегер, Г.; Ройлейн, К.; Руперт, К.; линза, Д; Керкн, В. (2015). «Повышение производительности бензиновых двигателей за счет различных концепций впрыска воды» . Конференция МТЗ по изменению заряда в двигателях внутреннего сгорания (на немецком языке). Германия.
^ Перейти обратно: ^а ^б ПАУЭР, Т.; ФРОНМАЙЕР, М.; ВАЛЬТЕР, Дж.; ЩЕНК, П.; ХЕТТИНГЕР, А.; КАМПМАНН, С., 2016. «Оптимизация бензиновых двигателей за счет впрыска воды». В: 37-й Международный Венский автомобильный симпозиум.
^ Bosch WaterBoost - Мобильные решения Bosch
^ ТЬЮЗ, М.; БАУМГАРТЕН, Х.; ШАРФ, Дж.; БИРМЕС, Г.; БАЛАЗС, А. и др. alt., 2016 «Впрыск воды – сочетание высокой мощности и высокой эффективности» В: 25-й Аахенский коллоквиум по технологиям транспортных средств и двигателей.
^ КОНВЕЙ, Грэм, 2019. «Впрыск альтернативных жидкостей для снижения детонации». В: SAE, Международное совещание по силовым агрегатам, топливу и смазочным материалам . Сан-Антонио, Техас, 22–24 января 2019 г.
^ Эбер, Гийом; Базала, Иржи; Фишер, Оливер; Нотбаум, Юрген; Тьюс, Матиас; Воссхолл, Тобиас; Диль, Питер (2019). Конденсат выхлопных газов как фактор создания автономных систем впрыска воды . 28-й Аахенский коллоквиум по автомобилям и двигателям.
^ Нур, М; Косака, Х; Абдель-Рахман, Али К; Бади, М (2016). «Влияние впрыска воды в выпускной коллектор на сгорание и выбросы дизельного двигателя» . Энергетическая процедура . 100 : 178–187. дои : 10.1016/j.egypro.2016.10.162 .

Дальнейшее чтение

Даггетт, Дэвид Л.; Черт возьми, Ларс; Хендрикс, Роберт С.; Имс, Дэвид Дж. Х. (2010). «Впрыск воды в коммерческие самолеты для снижения содержания оксидов азота в аэропортах» (PDF) . НАСА .
Даггетт, Дэвид Л.; Ортандерл, Сильвио; Имс, Дэвид; Снайдер, Крис; Бертон, Джефф (2004). «Впрыск воды: прорывная технология для снижения выбросов самолетов и затрат на техническое обслуживание» . Сделки SAE . 113 : 1547–1556. ISSN 0096-736X .
Ганстон, Билл (1952). «Разгон газовых турбин» . Полет . Архивировано из оригинала 27 сентября 2018 года.
Хейнике, Орвилл Х.; Вандеман, Джек Э. (август 1945 г.). «Влияние впрыска водно-спиртовой смеси и максимального экономичного опережения зажигания на производительность с ограничением детонации и экономию топлива большого цилиндра с воздушным охлаждением» . Отчет о меморандуме NACA о военном времени E5H12 . НАСА.
Крус, М; Уайлд, Т. (1995). Авиационные силовые установки (7-е изд.). Гленко. п. 143.
Роу, MR; Лэдд, GT (1946). «Впрыск воды в авиационные двигатели» . Сделки SAE . 54 : 26–37, 44 . Проверено 12 октября 2021 г.

Внешние ссылки

Авиационные техники (12 марта 2021 г.). Впрыск воды в авиационные двигатели (Видео) – через YouTube.

[wilson-1] Перейти обратно: ^а ^б Уилсон, Дж. Парли (февраль 2011 г.). Влияние впрыска воды и увеличения степени сжатия в бензиновом двигателе с искровым зажиганием (Диссертация). Университет Айдахо.

[FOOTNOTEKroesWild1995143-2] Крус и Уайлд 1995 , с. 143.

[:1-3] Перейти обратно: ^а ^б Учебник A&P Powerplant (3-е изд.). Компания Джеппесон. 2011. ISBN 978-0884873389 .

[FOOTNOTEKroesWild1995285–286-4] Крус и Уайлд 1995 , стр. 285–286.

[5] Ру, Элоди (2007). Турбореактивные и турбореактивные двигатели: Справочник по базам данных . п. 213. ИСБН 9782952938013 .

[6] Даггетт, ДЛ; Ортандерл, С.; Имс, Д.; Бертон, Джей-Джей; Снайдер, Калифорния (2 ноября 2004 г.). «Возвращаясь к впрыску воды в коммерческие самолеты». САЭ Мобилус . НАС. дои : 10.4271/2004-01-3108 .

[bac111_crash-7] Описание аварии Paninternational возле Гамбург-Фульсбюттеля в Сети авиационной безопасности.

[8] «Рейс 411 Olympic Aviation: Когда во время взлета САМОЛЕТ царапал жилые дома в Алимосе» [Рейс 411 Olympic Aviation: Когда во время взлета САМОЛЕТ царапал жилые дома в Алимосе] (на греческом языке). 27 декабря 2020 г. . Проверено 17 февраля 2022 г.

[9] «Джетфайр» . Сообщество сервера списка рассылки Oldsmobile . Архивировано из оригинала 25 февраля 1999 года.

[10] «Новая система впрыска воды BMW M» . БМВ М Пауэр . BMW. 7 октября 2015 г. Проверено 14 ноября 2021 г.

[11] Дерст, Б.; Унтервегер, Г.; Ройлейн, К.; Руперт, К.; линза, Д; Керкн, В. (2015). «Повышение производительности бензиновых двигателей за счет различных концепций впрыска воды» . Конференция МТЗ по изменению заряда в двигателях внутреннего сгорания (на немецком языке). Германия.

[:0-12] Перейти обратно: ^а ^б ПАУЭР, Т.; ФРОНМАЙЕР, М.; ВАЛЬТЕР, Дж.; ЩЕНК, П.; ХЕТТИНГЕР, А.; КАМПМАНН, С., 2016. «Оптимизация бензиновых двигателей за счет впрыска воды». В: 37-й Международный Венский автомобильный симпозиум.

[13] Bosch WaterBoost - Мобильные решения Bosch

[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-й Аахенский коллоквиум по технологиям транспортных средств и двигателей.

[15] КОНВЕЙ, Грэм, 2019. «Впрыск альтернативных жидкостей для снижения детонации». В: SAE, Международное совещание по силовым агрегатам, топливу и смазочным материалам . Сан-Антонио, Техас, 22–24 января 2019 г.

[16] Эбер, Гийом; Базала, Иржи; Фишер, Оливер; Нотбаум, Юрген; Тьюс, Матиас; Воссхолл, Тобиас; Диль, Питер (2019). Конденсат выхлопных газов как фактор создания автономных систем впрыска воды . 28-й Аахенский коллоквиум по автомобилям и двигателям.

[17] Нур, М; Косака, Х; Абдель-Рахман, Али К; Бади, М (2016). «Влияние впрыска воды в выпускной коллектор на сгорание и выбросы дизельного двигателя» . Энергетическая процедура . 100 : 178–187. дои : 10.1016/j.egypro.2016.10.162 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]