Как BMW M4 GTS достигает низкого потребления воды в своей системе впрыска воды?

Bosch недавно сделал волну, когда объявил о планах предложить систему впрыска воды M4 GTS для других серийных автомобилей.

Теперь впрыск воды не новая концепция; Брюс Крауэр привлек внимание к шеститактному двигателю около десяти лет назад, но в статьях сразу указывалось, что для этого потребуется значительный запас чистой воды:

Предварительные оценки предполагают, что двигатель цикла Кроуера будет использовать примерно столько же литров воды, сколько топлива.

Этот вопрос вызвал утверждение Босха о том, что резервуар для воды необходимо пополнять каждые 1800 миль (примерно 2900 км).

Это на порядок меньше потребления воды. Как придешь?

Из видео в связанной статье не похоже, что они делают какую-либо переработку / фильтрацию воды.

Конечно, может случиться так, что необходимое количество воды будет очень маленьким, но я не понимаю, как это могло бы объяснить разницу в порядке между этой конструкцией Bosch и шеститактным двигателем Crower.

Ага, вот то, что я считаю верным ответом .

Принимая во внимание, что MotoGP M4 берет воду из бака, заполненного вручную в багажнике, однако, последний прототип BMW с водяным охлаждением оснащен системой регенерации воды, которая постоянно наполняется конденсированной водой из системы кондиционирования воздуха.

Забавно, мы с братом обсуждали закачку воды, и мы предложили идею использования воды из системы кондиционирования. Думаю, я исследую это, чтобы выяснить, думал ли кто-нибудь об этом, и ... Тада!

Есть два основных различия в том, что происходит с любым двигателем.

Конструкция двигателя Crower использует шесть тактов для выполнения своих задач. Он использует дополнительные два такта для создания дополнительного такта (таким образом, у вас будет два такта на три оборота коленчатого вала вместо одного такта цикла Отто на каждые два оборота). Идея состоит в том, чтобы использовать тепловую энергию, которая уже есть, которая в противном случае выходила бы из хвостовой трубы или откачивалась через радиатор. Вода используется все время для достижения этой цели.

Для чего BMW использует воду, это более типичная идея впрыска воды. При этом он использует его для контроля детонации в цилиндре. Если двигатель не нуждается в этом в стрессовых ситуациях, вода не будет использоваться. Тогда, когда это используется, это используется только экономно ... только достаточно, чтобы гарантировать, что детонация подавлена. Это позволяет получить более высокую выходную мощность от двигателя, не боясь убить двигатель.

Для небольшого понимания того, почему использование воды так хорошо в любой ситуации, есть несколько причин:

1. Скорость расширения воды превращается в пар. При 300 ° C вода будет расширяться со скоростью около 3300: 1. Насколько я понимаю, это намного превышает расширение воздуха / топлива, поскольку это сгорело. Кроме того, если вы нагреетесь с паром, он будет расширяться больше.
2. Вода, превращаясь в пар, стремится очистить камеру сгорания и цилиндр. Чистый двигатель - счастливый двигатель.
3. Вода действует как детонационный восстановитель. Это относится больше к способу ведения дел BMW, но все еще применимо. Вода может фактически добавить около 10 баллов октана к топливу (используя метод R + M / 2). Вместо топлива с октановым числом 91 у вас теперь есть топливо с октановым числом 101 ... хороший материал.
4. Вода в индукционной системе создает более плотный заряд за счет поглощения энергии. Вода может поглотить многое из этого. Это опять-таки относится больше к способу ведения дел BMW.
5. Поскольку впрыск воды снижает температуру сгорания, он значительно уменьшает количество оксидов азота (NOx), которое образуется, когда вещи становятся слишком горячими. Из трех основных загрязняющих веществ, которые обычно образуются в процессе сгорания (углеводороды [HC] и угарный газ [CO] являются двумя другими), образования NOx, вероятно, являются наиболее вредными для таких дыхательных аппаратов, как вы или я.

Возможно, есть и другие причины, но это лишь некоторые из хороших.

С http://www.m-power.com/_open/s/varlink2.jsp?id=3301&lang=en :

В багажнике BMW M4 MotoGP Safety Car находится бак для воды объемом около пяти литров, в котором находятся водяной насос, датчики и клапаны. Насос и полная система датчиков и исполнительных элементов управляются электроникой двигателя, которая была соответственно модернизирована. На практике насос подает воду в инжекторы под давлением десять бар, в результате чего подается соответствующий объем в зависимости от нагрузки, частоты вращения двигателя и температуры. Это гарантирует, что потребление воды сведено к абсолютному минимуму. При жестких действиях на ипподроме всегда необходимо пополнять запас воды, когда автомобиль должен заправиться. При стандартной работе интервалы между заправками воды значительно больше, в зависимости от стиля вождения. Даже при движении быстрее по автомагистрали, для дозаправки необходимо заполнять емкость для воды примерно каждые пять остановок. Чтобы система была как можно более подходящей для ежедневного использования, она не требует дополнительного обслуживания.

Другими словами, для нормального использования на вашем автомобиле количество воды, необходимое для предотвращения детонации двигателя, настолько минимально, что 5-литровый бак достаточен для того, чтобы проехать значительный пробег.

Отличный вопрос, кстати.

Мои размышления

Резкое различие между этими двумя подходами становится самоочевидным; они действительно на порядки :

• Ввод воды требует в среднем 9 куб. См / мин.
• Crower шеститактный требует в среднем 572 куб. См / мин

Расчеты, предположения приведены ниже.

Настройка Bosch

В этой статье утверждается, что система впрыска воды обеспечивает дополнительное охлаждение на 80 ° F (44 ° C) :

В зависимости от конструкции и размеров системы, а также аэродинамики транспортного средства, можно использовать интеркулер только для снижения температуры воздуха на впуске на целых 160 ° F, прежде чем он попадет в приточную камеру. Это означает, что просто увеличить мощность двигателя за счет увеличения давления наддува нельзя, так как это означает превышение порога детонации.

Это где решение дивизии BMW M приходит в: если вода впрыскивается в тонкой распыленного тумана в камеру впуска камеры, можно снизить температуру всасываемого воздуха с помощью дополнительного 80 ° F .

Отлично. Давайте разберемся с некоторыми цифрами:

• Давайте предположим, что двигатель M4 в среднем 1500 оборотов в минуту во время обычной работы.

  Объем воздуха, поступающего двигателем на этой скорости, составляет:

  = 2979 cc * 1500 RPM / 2    # divide by 2 because four-stroke
  = 2,234,250 cc / min
  = 37 liters / second
  = 0.037 m3/s
  

• Двойные турбины развивают 18,1 фунтов на квадратный дюйм при пиковом ускорении , поэтому давайте предположим, что в среднем 4-5 фунтов на квадратный дюйм будут усилены.

  Absolute pressure at intake valve = 14.7 + 4 = 18.7 psi
  

  Предполагая приличную температуру воздуха на впуске

  Air density at 18.7 psi, 50 °C = 1.39 kg/m3
  

  (К счастью для нас, это установка прямого впрыска, поэтому термодинамические свойства WolframAlpha для воздуха полезны)

• Если сложить два и два, средний массовый расход воздуха (при объемной эффективности 100%) составляет:

  Mass air flow rate = 1.39 kg/m3 * 0.037 m3/s
                     = 0.0514 kg/s
  

  (Здесь возникает вопрос: какую разумную объемную эффективность можно принять здесь? Подробнее об этом позже)

• Сколько энергии заставляет воздух менять температуру в этих условиях?

  По-видимому, 719,5 Дж / (кг-К) .

• И сколько энергии нужно, чтобы превратить воду в пар?

  Скрытая теплота испарения воды = 2230 000 Дж / кг

  Это невероятное количество энергии. Гномов удельная теплоемкость воды, которая составляет 4200 Дж / (кг- ° C).

• Итак, какой средний расход воды требуется?

  При 100% VE энергия в секунду, необходимая для изменения температуры воздуха на 44 ˚C, составляет:

  = m • Cv • ( T1 - T2 )
  = 0.0514 • 719.5 • 44
  = 1630 J
  

  Это не означает много воды:

  Требуется массовый расход воды в секунду:

  = Energy ÷ ( latent heat of vaporization )
  = 1630 J / 2,230,000 J/kg
  = 0.00073 kg
  = 0.73 g
  

  Другими словами, примерно 44 куб. См / мин при 100% ВЕ .

  Если в реальном мире VE составляет 20%, что следует ожидать при частичном дросселе, эта цифра резко падает до 9 куб. См / мин .

• Согласно ответу anonymous2 емкость для воды составляет 5000 куб.

  Таким образом, при 9 куб. См / мин емкость для воды должна длиться около 9,25 часов .

  Если средняя скорость автомобиля при 1500 об / мин составляет около 45 миль в час, бак должен работать около 40 часов .

  Расхождение в 4 раза может быть связано с одним из многих сделанных допущений. По крайней мере, рассчитанное значение находится в правом поле.

Crower шеститактный

(Это довольно просто)

• Минимальное количество воды, необходимое для принятия разумного вторичного рабочего хода ...

  будет тот, в котором пар занимает смещение цилиндра:

  Steam required = displacement * RPM / 3  # once per three crank revs
                 = 2979 cc * 1500 RPM / 3
                 = 1,489,500 cc / min
  

  Это примерно 1500 л / мин или 0,25 м3 / с

• Сколько воды требуется для этого?

  Зависит от температуры головки цилиндров, но при условии 0,8 бар и 350 ° F степень расширения составляет примерно 2600: 1 .

  Итак, общий расход воды необходим:

  = 1,489,500 cc / min ÷ 2600
  = 572 cc / min