enginepower.pro

Впрыск вода, метанол

Рейтинг:  5 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активна
 

В этом посте речь пойдет о впрыске смеси воды и метанола в впускной коллектор двигателя. Для чего это нужно я постараюсь объяснить и привести некоторые расчеты и практическое применение системы в подтверждение. Многим покажется скучным из за обилия формул и расчетов, хотя мат. часть можно и пропустить. Сразу стоит отметить, что впрыск смеси вода/метанол имеет свое значение не во всех случаях и подойдет не каждому, так как любое вмешательство во впуск требует точной настройки и наличие стендов и приборов для сравнения характеристик двигателя. Многие конторы предлагают готовые системы впрыска воды и подтверждают её необходимость своими якобы исследованиями. Существуют некоторые разновидности и особенности этих систем, но принцип действия у них один, а это подача смеси из воды и метанола в определенных соотношениях под высоким давление через распыляющие форсунки в впускной коллектор. По заявлениям производителей такие системы понижают температуру топливо воздушной смеси поступающую в камеру сгорания, добавляя мощность двигателю.

И так, давайте разберемся. Все производители систем впрыска В/М (вода/метанол) заявляют, что при установке их продукции, у Вас будет падение температуры 50-200 градусов на впуске.

 

Примерно эти заявления выглядит так (они у всех, как под копирку, одно и то же)

DevilsOwns Benefits Include:

Increase horsepower safely by 10-15%.
Lower air temperatures by 50-200+ degrees.
Decrease cylinder temperatures up to 300 degrees.
Reduce the effects of heat soak in warmer climates.
Allows you to safely run more boost and timing.
Reduces carbon and helps maintain a clean combustion chamber.
Increases octane at user programmable boost levels.

Но вот, как у них это получается, так об этом информации нет. К с счастью, на сайте AQUAMIST, А ЭТО ПРИЗНАНЫЙ ЛИДЕР, я нашел расчеты на примере 2.0 литрового турбо мотора. Давайте посмотрим на это повнимательнее. Самое главное, что все формулы, расчеты верные.

Таблица изменения температуры воздуха в зависимости от эффективности компрессора.

Для нашего примера, я стрелкой указал, что при температуре 25С, бусте (избыточном давлении) 1 бар и эффективности компрессора 65% температура поднимется с 25С до 124С. Это так, все верно (проверил)

Следующая диаграмма показывает изменение плотности (Density) воздуха в зависимости от падения температуры (Temperature drop C). Именно на столько Аквамист и собирается, в своем примере понизить температуру сжатого воздуха после компрессора, используя впрыск В/М (вода/ метанол). Изменение плотности, это увеличение поступаемого кислорода в КС (камеры сгорания) и как следствие – повышение мощности.

Кому интересно, для этого использовалось следующее уравнение:

% DENSITY INCREASE={(T1*P2)/(T2*P1)*(P2/P1)-1}*100%
T1=ambient+273 T2={T1*(P2/P1)^0.283)-Td}
Td=Tdrop P1=atmos P2=boost

Проверил, все верно.

Как я уже говорил, в своем примере они используют 2.0 литра турбо мотор с эффективностью компрессора 65% (мощность 200 сил). Следующая диаграмма поможет нам определить расход воздуха необходимый для этого, при надуве 1 бар. Он равняется 8.64 кг/мин

Расчеты не указаны, но я проверил, все верно. Кому интересно, я так думаю они использовали следующее уравнение:

Wa=HP*A/F*BSFC/60
Wa = AirFlow (actual) (lb/min) – расход воздуха
A/F = AFR – топливо воздушная смесь. Возьмем 12.5 (максимальная мощность)
HP = мощность (200 сил)
BSFC – Brake Specific Fuel consumption. (Удельный расход топлива — равен отношению расхода топлива (на единицу расстояния или времени) к мощности) – Пусть будет 0.46 (это нормально для бензина)
Wa=200*12.5/0.46/60= 19.166 lb/min
Теперь переведем в Кг/сек – 19.166* 0.007559=0.144 кг/сек

Или — 0.144кг/сек *60 мин = 8.64 кг/мин. 
Проверил, все верно.

Теперь можно смело переходить к самому расчету эффективности системы впрыска вода метанол.

Для этого они предлагают установить форсунку, жиклер (injection Nozzle) размером 250 г/сек.
Кому скучно, переходите сразу к моим комментариям

EQUATION USED: MaCpT1 + MwHf = MaCpT3 + MwHg
T1=124C, T2=25C, T3=final Cp=Specific heat of air=1.005
Ma=mass of air/s, Mw=mass of water/s,
Hf=Enthalpy of sat liquid, Hg=Enthalpy of sat vapour
(obtained from steam tables)
Air mass=8.64/60 = 0.144Kg/s. We need to guess the final temperature of the mixture to look up tables:
Let T3=(T1+T2)/2 =74.5°C. say 75°C.
From the steam tables:
Hg @75°C = 2635.3 kJ/kg Saturated vapour
Hf @25°C= 105kJ/Kg Saturated liquid

re-arrange the equation:
MaCp(T1-T3)= Mw(Hg-Hf)
to:
T3= 124-(2635.3-105)/(0.144*1.005)Mw = 17547Mw
Substitute Mw to obtain final temperature:

For Mw=0.00333Kg/s (200ml/min): T3=124-57.91=66.09°C
For Mw=0.00417kg/s (250ml/min): T3=124-73.12=50.88°C
For Mw=0.00500kg/s (300ml/min): T3=124-87.74=36.27°C

Да все на 100% верно, при использовании жиклера 250 мл/мин температура понизится с 124 С до 50С (на 73С). Все как в начале и планировали.

Ну, а теперь самое интересное. Вы спросите меня, а в чем подвох?

1. В примере использовался мотор 2.0 л турбо БЕЗ ИНТЕРКУЛЕРА И ПРИ ЭТОМ С НАДУВОМ 1 БАР. Вы такие машины видели? Я нет. Для чего все это, да просто, чем больше разница в температуре топлива и Т нагретого после сжатия воздуха, тем больше эффект . Пример для реальности практически не пригодный, а вот для рекламы…

2. В данном примере использовалась не смесь вода/метанол, а чистая вода. Почему? Да опять, для того, чтобы использовать удельный коэффициент теплоты парообразования равный 2530 (удельная энтальпия пара при 75С – удельная энтальпия жидкой воды НО ПРИ 25С). А это значение более чем в 2 раза выше, чем у метанола. Да вообще, на земле вода вторая в списке с этими характеристиками (если не изменяет память, профессор поправит)

3. Я не поленился и посчитал, какой процент воды по отношению к бензину получился. Так вот здесь очень интересно. При использовании жиклера 250 г/мин это составит — 37%, а при 300 г/мин — 44%. Т.е. на один килограмм бензина — 370 грамм или — 440 грамм воды.

Я не имею против Аквамиста ничего, это лидер, бесспорно. Они доказали это, их системы успешно использовались в ралли на машинах WRC. Но все производители, в один голос заявляют, что процент смеси вода/метанол (не чистой воды) не должен быть более 25%. Я послал запрос в Аквамист и получил ответ с рекомендациями. 100% вода – 10%-15%, смесь 50/50 вода/метанол – 15%-20%, 100% метанол – до 25% от массы бензина.

Далее, вот привожу информацию от другого производителя (переводить не буду, а то профессору не нравится моя терминология, да и уже устал писать)

in alcohol injection systems with larger nozzles, it is easy to go overboard with too much water (more than 10-15% of total fuel), contaminate the oil and cause damage to the engine.

А теперь я Вам приведу расчеты в реальном мире. Возьмем сток 2.0 турбо ФОРД фокус. У которого установлен интеркулер вода/воздух (эффективность 85%), надув максимальный 0.9 бара и посмотрим, что будет, если просто установить и ни чего не делать, пользуясь рекомендациями 50/50 смесь вода/метанол и 20% от массы бензина.

При температура 25С на улице, после интеркулера будет 37,5С. Падение температуры составит 28 градусов при установке системы вода/метанол. Конечно температура упадет на столько не в системе впуска после интеркулера, а в большей степени в КС. Вот такая разница, между рекламой и …

При грамотном тюнинге впрыск спирта повысит надежность всех компонентов двигателя. Спирт будет держать камеру сгорания в чистоте. Жизнь свечей продлится. Засчет более низких EGT, повышенного октанового числа смеси, пониженной температуры всасываемого воздуха (intake charge) и засчет повышенной детонационной стойкости - надежнось увеличится.

Ниже приведу пример практического применения системы, нарытого на просторах интернета.

 Тест водно-метанолового впрыска 

Для теста был выбран Ниссан S14. Спеки тестируемой машины:  SR20DET 2.0 
головка - сток. 
распредвалы - сток. 
СЖ - сток. 
выпускной коллектор - FullRace. 
выхлоп - Greddy. 
турбина - Garrett GT30R .86AR 
мозги - PowerFC + MAF Emulator вместо расходомера. 

Для тестов был выбран впрыск метанола от SnowPerformance: 
Stage 1 Boost Cooler™ 



С чего мы начали - залили 98 бензина УкрАвто, настроили БК на 1.30 бар, смесь на 11.8, углы на 1гр раньше чем проскакивает детонация. Т.е. отстроили на предел наддува 1.3. Сделали три заезда на замер мощности. Получили 396..400лс. 
Т.е. стабильность заездов/замеров - 1%. Очень не плохо. 

Вот один из этих замеров: 



Сразу скажу что абсолютные цифры мощности я обсуждать не буду. Нашей целью было определение есть ли прирост от впрыска и в каком % отношении, а спорить о % потерь в трансмиссии и т.п. можно до бесконечности. Проценты же прироста от впрыска метанола никогда не врут. 


После того как мы зафиксировали рез-т в 396-400лс без впрыска, мы активировали впрыск. Смесь с ~11.5 сразу прыгнула на 10.0-10.5 а мощность просела сил на 30: 



Дальше мы долго и упорно тестировали разные комбинации смеси/углов оставаясь на 1.30 бар наддува. Что можно сказать однозначно - детонацию этот впрыск давит очень не слабо. От тех углов которые были предельными для смеси 11.5 без впрыска можно было на смеси 12.0 сделать зажигание раньше на 6гр без появления детонации. Но прирост мощности на 1.3 бар наблюдался только на первых 2-3гр опережения, на 5-6гр детонации небыло но и мощность уже не поднималась. 
По смеси беднее 12.0 повышение мощности мы тоже зафиксировать не смогли. При углах настроенных на грани детонации без впрыска, смесь с метанолом можно было откатывать с 11.5 до 13 без возникновения детонации. Но после 12.0 обеднение уже не давало никакого положительного эффекта. 

В итоге на 1.3 бар мы пришли к лучшему результату на смеси 12.0 и углах на 2гр раньше от того с чего мы начинали без впрыска. При этом до детонации у нас еще было минимум 3-4 гр запаса. Без впрыска запаса уже неыбло вообще. Средний прирост на 1.3 бар в итоге составил около 15лс и 25Нм. Т.е. около 4%. 

Вот пара графиков - исходный без впрыска и с отстроенным впрыском: 




После этого мы попробывали увеличить наддув до 1.6 бар. Вот тут картина стала интереснее. Без метанола мощность была порядка 435лс, 
а с метанолом 460лс: 



Т.е. прирост уже порядка 6%. Опять же при значительно большей детонационной стойкости. 

Отсюда напрашивается вывод что влияние впрыска тем больше чем выше наддув/горячее воздух идущий в цилиндры и чем больше приходилось откатывать углы/смесь от оптимальных что бы избежать детонации. 

Т.е. на моторах с большими эффективными турбинами, невысоким наддувом и большими интеркулерами эффект от впрыска может стремиться к нулю. 
Если же система работает почти на пределе турбины/интеркулера то впрыск может давать очень ощутимый результат. 

И еще...тесты проводились ночью при температуре 20С на машине которая перед заездами проезжала по трассе и продувала подкапотное пространство и интеркулер. Впускной коллектор был чуть теплый. В ситуации чемпионата на Чайке когда машины стоят на 38гр жаре под солнцем, а впускной коллектор по компу показывает 75С воздуха внутри эффект может быть еще больше чем полученный нами вчера. 

Поэтому десяток комплектов впрыска мы завезем и на наши машины его поставим. Не столько ради +5% мощности сколько за безопасность на чемпионатах ездить на обычном бензине и не бояться летней жары. 

По поводу прогрессивных контроллеров...в наших случаях я в них смысла не вижу. По крайней мере на машинах с нормальными интеркулерами. Мы будем програмировать включение впрыска только на полной нагрузке 1.3-1.6 бар, а это довольно узкий диапазон что бы в нем еще играть производительностью впрыска. Ниже 1.3, когда турбина мало греет воздух и кулера хватает с головой, особого смысла лить метанол я не вижу. 

Если же это компрессорный мотор в котором вообще нет кулера и воздух постоянно горячий, то там пожалуй это полезно. Но у нас в работе таких машин нет и не планируется. Поэтому Заказываем простые Stage 1 киты. 

Надеюсь эта информация будет кому-то полезна. 

Объяснение процессов впрыска воды хорошо объясняется на следующем видео .

Вода-метанол, детальное изучение.

Расчет форсунок, бензонасоса

Автор: Владимир Шарандин