Wtrysk wody to jeden z prostszych sposobów zapobiegania procesowi spalania detonacyjnego. Spalanie detonacyjne występuje kiedy mieszanka nie spala się równomiernie w całej objętości komory spalania, a eksploduje powodując ogromne, gwałtowne wzrosty ciśnienia, które stopniowo uszkadzają tłoki, pierścienie oraz głowice. Mocne spalanie detonacyjne daje się słyszeć jako charakterystyczny metaliczny dźwięk, zbliżony do stukania.
Jak to działa
Wtrysk wody działa na trzy sposoby. Po pierwsze, gdy woda jest wtryskiwana do układu dolotowego przed głowicą, małe cząsteczki wody pochłaniają ciepło z powietrza znajdującego się w kanale dolotowym. Następnie małe cząsteczki wody zaczynają odparowywać, co dodatkowo wpływa na schładzanie powietrza w dolocie. W końcu kiedy pozostała część wody w postaci kropelek znajdzie się w komorze spalania produkowana jest para wodna. Zapobiega to spalaniu detonacyjnemu oraz pomaga zapobiegać osadzaniu się osadów węglowych w komorze spalania.
Skąd pomysł
Wtrysk wody po raz pierwszy został eksperymentalnie wykorzystany w 1930 roku. Odkryto również wówczas, że spalaniu detonacyjnemu skutecznie przeciwdziała nie tylko woda ale także wzbogacanie mieszanki dodatkowym paliwem. Z czasem odkryto, że zastosowanie wtrysku wody jest skuteczne w niwelowaniu spalania detonacyjnego właśnie ze względu na obniżanie temperatury spalanej mieszanki, co umożliwiało prace silnika na mieszance ubogiej bez efektu spalania detonacyjnego. Działo się tak dlatego, ponieważ dodatkowa zawartość benzyny w mieszance była pożytkowana na schładzanie procesu spalania. Kiedy woda zastąpiła tę funkcję, zapotrzebowanie silnika na paliwo mogło zostać ograniczone.
Co to daje
Konsekwencją stosowania wtrysku wody w silnikach jest mniejsze zużycie paliwa przy dużym obciążeniu silnika, oraz mniejsza emisja spalin. Inaczej mówiąc, przy dużych obciążeniach silnika możliwe jest zasilanie silnika mieszanką ubogą, która w połączeniu z wtryskiem wody, pozwala na zużywanie mniejszej ilości paliwa, generowanie pełnej mocy, nie narażając przy tym silnika na uszkodzenia.
Czy tylko woda
O ile sama woda jest cieczą najlepiej zabezpieczającą silnik przed spalaniem detonacyjnym, o tyle nie zapewnia ona maksymalnych osiągów. Badania eksperymentalne przeprowadzane podczas II Wojny Światowej dowodzą, iż aplikowanie mieszaniny wody i metanolu w stosunku 50/50 lub wody i etanolu (bioetanolu) pozwala na osiągnięcie większej mocy zanim nastąpi spalanie detonacyjne, niż w przypadku samej wody. Prawdopodobnie spowodowane jest to wolniejszym spalaniem alkoholu, który spala się wolniej od benzyny, co sprzyja powstawaniu maksymalnego ciśnienia w cylindrze w późniejszym położeniu wału korbowego, powodując wzrost momentu obrotowego.
Zarówno metanol jak i etanol doskonale mieszają się z wodą, stanowiąc idealną mieszankę do wtrysku. Stosując wtrysk mieszaniny alkoholu z wodą, należy pamiętać, że jest ona łatwo palna, dlatego instalacja wtrysku powinna być wykonana wyłącznie z niepalnych materiałów.
Czy wtrysk wody zwiększa moc silnika
Odpowiedź na pytanie, czy wtrysk wody zwiększa moc silnika nie jest jednoznaczna. Z jednej strony wtrysk wody powoduje zasysanie powietrze o niższej temperaturze (gęstszego). Z drugiej strony obecność zwiększonej ilości pary wodnej w powietrzu oznacza, że jest mniej miejsca na tlen (powietrze suche, o niskiej wilgotności względnej, pozwala silnikowi rozwijać większą moc).
Czy w sytuacji kiedy powietrze jest chłodniejsze (większa gęstość – więcej tlenu), a zawartość pary wodnej większa (mniej miejsca na tlen) silnik będzie generował większą moc?
Jeśli nie wprowadzimy żadnych zmian w składzie mieszanki, teoretycznie te dwa czynniki będą się wzajemnie znosiły nie powodując przy tym większej różnicy w generowanej mocy. Oznacza to że jeśli zastosujemy wtrysk wody bez wprowadzania jakichkolwiek zmian na mapach paliwowych i zapłonu, przyrost mocy będzie możliwy, lecz mało prawdopodobny. Jeśli jednak mieszankę zubożymy, zwiększymy ciśnienie doładowania lub przyśpieszymy zapłon, wtedy przyrost mocy jest bardzo prawdopodobny.
Należy pamiętać, że jakiekolwiek zmiany na mapie paliwowej czy mapie zapłonu, w warunkach dużego obciążenia silnika, mogą być bardzo niebezpieczne dla silnika i prowadzić do jego uszkodzenia. Wszelkie zmiany powinny być przeprowadzane z należytą ostrożnością, obserwując przy tym temperaturę spalin oraz inne parametry pracy silnika. Osoby niedoświadczone powinny zdawać sobie sprawę, iż szczególnie łatwo zniszczyć silnik doładowany. Najczęściej uszkodzenia powstają z powodu za ubogiej mieszanki, nieodpowiedniego wyprzedzenie zapłonu lub poprzez ustawienie za dużego ciśnienia doładowania.
Jak powinien być zbudowany system wtrysku wody
System wtrysku wody powinien:
- dawkować wodę równo do wszystkich cylindrów
- automatycznie zacząć dawkowanie kiedy jest to wymagane
- mieć zawór odcinający dopływ wody (np. solenoid), kiedy wtrysk wody nie jest wymagany
- mieć możliwość informować kierowcę o niskim stanie wody, a kiedy wody zabraknie moc silnika powinna zostać ograniczona
- być niezawodny
Niestety większość z oferowanych na rynku układów wtrysku wody nie spełnia żadnych z ww. kryteriów.
Najlepsze układy wtrysku wody powinny dawkować wodę proporcjonalnie do zmiany zapotrzebowania silnika w powietrza. Przy małym obciążeniu silnika dawka wody będzie mniejsza, przy dużym obciążeniu dawkowanie wody będzie większe. Jeśli mamy dokładną kontrolę dawkowania ilości wtryskiwanej wody, maksymalna dawka powinna przypadać na maksymalny moment obrotowy silnika (widoczny na wykresie po zhamowaniu samochodu), kiedy ciśnienie w cylindrach jest największe.
Dawkowanie wody powinno odbywać się na zasadzie wtrysku, gdzie woda powinna być maksymalnie rozpylona, aby cząsteczki wody były jak najmniejsze. Dzięki doskonałemu rozpyleniu zwiększa się powierzchnia cząsteczek wody do objętości mieszanki, co ułatwia parowanie. Mniejsze kropelki są ponadto mniej skłonne do osiadania na ściankach kolektora dolotowego, co mogłoby skutkować nierównomiernym napełnianiem cylindrów. Doskonałe rozpylenie oznacza konieczność zastosowania wydajnej pompy oraz dysz rozpylających o odpowiedniej konstrukcji.
Dysze wtrysku wody można instalować w wielu różnych punktach w układzie dolotowym. W samochodach wolnossących dysza zazwyczaj znajduje się przed obudową przepustnicy. W przypadku silników doładowanych kompresorem bądź turbinom, dysza może znajdować się w różnych miejscach:
- przed kompresorem
- za kompresorem
- za kompresorem przed intercoolerem
- za intercoolerem.
Dobór odpowiedniego dawkowania wody powinien odbyć się na zasadzie prób i błędów przy wykorzystaniu dostępnej wiedzy i aparatury pomiarowej. Oczywiście zawsze należy zaczynać dawkowanie od większego i stosunkowo go zmniejszać podczas strojenia, co zapewni bezpieczeństwo. W praktyce zakłada się, że masa wody potrzebna do tłumienia detonacji powinna wynosić ok. 20-30% masy paliwa już razem z wodą. System powinien być tak skonfigurowany aby woda wstrzykiwana była tylko wówczas kiedy w układzie dolotowym występuje nadciśnienie.
Zrób to sam
Dobry jakościowo ciśnieniowy system wtrysku wody można zbudować samemu wykorzystując do tego celu komponenty dostępne na rynku. Wbrew pozorom opisywany system zapewnia bardzo dobre jakościowo rozdrobnienie zarówno cząsteczek samej wody, jak i mieszanki wody z metanolem czy innym alkoholem. Chociaż dawkowanie wtrysku wody nie jest proporcjonalne do obciążenia silnika (jest proporcjonalne do ciśnienia doładowania) i istnieją pewne wahania w dostawie wody, opisywany system jest i tak lepszy od większości oferowanych na rynku systemów gotowych. Dodatkową zaletą jest także fakt, iż oprócz systematycznego uzupełniania wody oraz sporadycznego wyczyszczenia filtra, system ten jest praktycznie bezobsługowy.
Z czego komponenty
Dysza wykorzystywana w tym systemie pochodzi z urządzenia służącego do nawadniania i opryskiwania roślin wykorzystywanego w rolnictwie. Posiada ona dwa wejścia zasilające. Jedno do sprężonego powietrza, natomiast drugie do podłączenia wody. Sprężone powietrze przechodząc przez dwa otworki w dyszy koliduje z cieczą powodując jej rozpylanie. Ciśnienie do zasilania zarówno w wodę jak i sprężone powietrze pochodzi z turbiny, bądź kompresora. Opisywana dysza jest produkcji amerykańskiej i można ją znaleźć posługując się numerem części SUE18A. W przeciwieństwie do wielu dysz rozpylających, SUE18A działa efektywnie poniżej 50 kPa (7PSI, ok. 0,48 bar) i zapewnia dawkowanie ok. 200ml/min wody przy ciśnieniu 20 PSI (1,4 bar). Jeśli dawkowanie jest za duże na nasze potrzeby, możemy zastosować zawór kulowy na wężu zasilającym wodę, dzięki któremu jesteśmy w stanie regulować przepływ wody, ograniczając tym samym dawkowanie. Co ciekawe ograniczenie przepływu wody wpłynie jeszcze korzystniej na jakość rozpylanej cieczy. Jeśli potrzebujemy większego dawkowania niż może to zapewnić 1 dysza, zawsze możemy zainstalować ich kilka, w zależności od potrzeb.
O czym należy pamiętać
W celu uniknięcia przytkania dyszy zanieczyszczeniami, powinniśmy pamiętać o zamontowaniu na wężu zasilającym małego filtra wyłapującego wszelkie brudy. Odpowiedni filterek można łatwo znaleźć w sklepach ogrodniczych lub rolniczych. Dysza powinna być zamontowana tak, aby rozdrobniona ciecz wpadała do układu dolotowego przed kompresorem, a jeśli silnik wyposażony jest w przepływomierz, powinna się ona znaleźć za nim. Aby woda mogła być ciśnieniowo dostarczona do dyszy, zbiornik na ciecz powinien być szczelny oraz wytrzymały przynajmniej na ciśnienie równe maksymalnemu doładowaniu silnika. Pojemność zbiornika powinna wynosić przynajmniej 5l na 1 dyszę. Zaleca się zainstalowanie czujnika np. dźwiękowego informującego o niskim stanie wody w zbiorniku. Należy także pamiętać o zainstalowaniu zaworu elektromagnetycznego na przewodzie zasilającym sprężone powietrze, dzięki czemu rozruch i zatrzymanie systemu będzie następować w łagodny sposób.