Как BMW M4 GTS обеспечивает низкий расход воды в системе впрыска?

Ага, вот что, по моему мнению, является истинным ответом.

В то время как MotoGP M4 получает воду из резервуара, который заполняется вручную и находится в багажнике, новейший прототип BMW с водяным охлаждением оснащен системой регенерации воды, которая постоянно пополняется за счет конденсата из системы кондиционирования.

Забавно, но мы с братом обсуждали впрыск воды и предложили использовать воду из системы кондиционирования. Я решил поискать информацию, чтобы узнать, думал ли кто-нибудь об этом, и... вуаля!

Мои Размышления

Резкая разница между этими двумя подходами становится очевидной; они действительно отличаются на порядки:

• Для впрыска воды требуется в среднем 9 мл/мин


• Шеститактный двигатель Crower потребляет в среднем 572 куб. см/мин

Расчёты и 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 размера системы, а также от аэродинамики
транспортного средства, интеркулер можно использовать только для снижения
температуры всасываемого воздуха на 160° F перед его попаданием в
камере сгорания. Это означает, что простое увеличение мощности двигателя за счёт
повышения давления наддува невозможно, так как это приведёт к превышению
порогового значения детонации.

Именно здесь на помощь приходит решение подразделения BMW M: если вода
подаётся в виде мелкодисперсного тумана во впускную камеру, то
можно снизить температуру всасываемого воздуха ещё на
80 °F.

Отлично. Давайте посчитаем:

• Предположим, что при обычной работе двигатель M4 в среднем вращается со скоростью 1500 об/мин.

  
  
  

  Объём воздуха, всасываемого 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 фунта на квадратный дюйм при максимальном наддуве, так что в среднем можно предположить наддув в 4–5 фунтов на квадратный дюйм.

  
  
  

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

  
  
  

  При условии приемлемой температуры всасываемого воздуха

  
  
  

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

  
  
  

  (К счастью для нас, это система прямого впрыска, поэтому нам пригодятся термодинамические свойства воздуха, рассчитанные WolframAlpha)




• Если сложить два и два, то средний массовый расход воздуха (при 100 % объёмном КПД) составит:

  
  
  

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

  
  
  

  (Здесь возникает вопрос: какую разумную объёмную эффективность можно предположить? Подробнее об этом позже)




• Сколько энергии требуется для изменения температуры воздуха в таких условиях?

  
  
  

  По-видимому, 719,5 Дж/(кг·К).




• А сколько энергии требуется для превращения воды в пар?

  
  
  

  Скрытая теплота парообразования воды = 2 230 000 Дж/кг

  
  
  

  Это колоссальное количество энергии. Оно намного превышает удельную теплоту парообразования воды, которая составляет 4200 Дж/(кг·°C).




• Итак, какова средняя необходимая скорость потока воды?

  
  
  

  При 100 % эффективности вентиляции энергия, необходимая для изменения температуры воздуха на 44 °C, составляет:

  
  
  

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

  
  
  

  Это не значит, что воды много:

  
  
  

  Требуемый 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 в минуту при 100 % вентиляции.

  
  
  

  Если реальный показатель VE составляет 20 %, чего и следует ожидать при частичном открытии дроссельной заслонки, то этот показатель снижается примерно до 9 куб. см в минуту.




• Согласно ответу анонимного пользователя2, объём резервуара для воды составляет 5000 мл

  
  
  

  Таким образом, при расходе 9 мл/мин резервуара для воды должно хватить примерно на 9,25 часа.

  
  
  

  Если средняя скорость автомобиля при 1500 оборотах в минуту составляет около 72 км/ч, то бака должно хватить примерно на 40 часов.

  
  
  

  Четырёхкратное расхождение может быть связано с одним из множества сделанных допущений. По крайней мере, расчётное значение находится в правильном диапазоне.

Шеститактный Crower

(Здесь всё довольно просто)

• Минимальное количество воды, необходимое для создания достаточной вторичной ударной волны...

  
  
  

  Это был бы двигатель, в котором пар заполняет весь объём 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 для этого нужно?

  
  
  

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

  
  
  

  Таким образом, общий расход воды должен составлять:

  
  
  

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

В работе обоих двигателей есть два основных различия.

В конструкции двигателя Crower используются шеститактные циклы для выполнения поставленных задач. Дополнительные два такта используются для создания дополнительного рабочего хода (таким образом, у вас будет два рабочих хода на три оборота коленчатого вала вместо одного рабочего хода в цикле Отто на каждые два оборота). Идея состоит в том, чтобы использовать уже имеющуюся тепловую энергию, которая в противном случае уходила бы в выхлопную трубу или отводилась через радиатор. Для этого постоянно используется вода.

То, для чего BMW использует воду, больше похоже на типичную систему впрыска воды. То есть она используется для контроля детонации в цилиндре. Вода не используется, если только двигатель не работает в напряжённом режиме. А когда она используется, то в небольших количествах... ровно настолько, чтобы подавить детонацию. Это позволяет двигателю выдавать более высокую мощность без риска его поломки.

Вот несколько причин, объясняющих, почему в любой ситуации лучше использовать воду:

1. Скорость расширения воды при превращении в пар. При температуре 300 °C вода расширяется примерно в 3300 раз. Насколько я понимаю, это намного превышает расширение воздуха/топлива при сгорании. Кроме того, чем выше температура пара, тем сильнее он расширяется.


2. Вода, превращаясь в пар, очищает камеру сгорания и цилиндр. Чистый двигатель — счастливый двигатель.


3. Вода действует как антидетонатор. Это больше относится к способу работы BMW, но применимо и в других случаях. Вода может повысить октановое число топлива примерно на 10 пунктов (по методу R+M/2). Вместо топлива с октановым числом 91 вы получаете топливо с октановым числом 101... отличная штука.


4. Вода в системе впуска создаёт более плотный заряд воздуха за счёт поглощения энергии. Вода может поглотить её в больших количествах. Это опять же больше относится к подходу BMW.


5. Поскольку впрыск воды снижает температуру горения, это значительно уменьшает количество оксидов азота (NOx), которые образуются при слишком высокой температуре. Из трёх основных загрязняющих веществ, которые обычно образуются в процессе горения (остальные два — это углеводороды [HC] и угарный газ [CO]), оксиды азота, вероятно, наиболее вредны для таких дышащих воздухом существ, как вы или я.

Вероятно, есть и другие причины, но эти — одни из самых веских.

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

В багажнике автомобиля безопасности BMW M4 MotoGP находится резервуар для воды общим объемом около пяти литров, в котором расположены водяной насос, датчики и клапаны. Насос и вся система датчиков и исполнительных элементов управляются электроникой двигателя, которая была соответствующим образом модернизирована. На практике насос подает воду в форсунки под давлением 10 бар, при этом объем подаваемой воды зависит от нагрузки, частоты вращения двигателя и температуры. Это позволяет свести расход воды к абсолютному минимуму. Во время напряжённых заездов на гоночной трассе необходимо пополнять запас воды всякий раз, когда автомобиль останавливается для дозаправки. При стандартной эксплуатации интервалы между пополнениями запаса воды значительно увеличиваются в зависимости от стиля вождения. Даже при быстрой езде по автомагистрали необходимо пополнять запас воды примерно каждые пять остановок для дозаправки. Чтобы система максимально подходила для ежедневного использования, она не требует дополнительного обслуживания.

Другими словами, при обычном использовании автомобиля количество воды необходимое для предотвращения детонации двигателя настолько мало, что 5-литрового бака хватит на значительный пробег.

Отличный вопрос, КСТАТИ.