W jaki sposób BMW M4 GTS osiąga niskie zużycie wody w układzie wtrysku wody?

Bosch ostatnio dokonał fal, kiedy ogłosił plany zaoferowania systemu wtrysku wody M4 GTS innym masowo produkowanym pojazdom.

Teraz wtrysk wody nie jest nową koncepcją; Bruce Crower umieścił sześciosuwowy silnik w centrum uwagi około dziesięć lat temu, ale artykuły szybko zauważyły, że wymagałoby to znacznych dostaw czystej wody:

Wstępne szacunki sugerują, że silnik Crowera zużyje mniej więcej tyle litrów wody, ile paliwa.

To pytanie nasunęło twierdzenie Boscha, że ​​zbiornik wody należy uzupełniać raz na 1800 mil (około 2900 km).

Jest to rząd wielkości mniejsze zużycie wody. Dlaczego?

Z filmu wideo w powiązanym artykule nie wygląda na to, że przeprowadzają recykling / filtrację wody.

Oczywiście może być tak, że potrzebna ilość wody to teensy-weensy, ale nie rozumiem, jak to tłumaczyłoby różnicę rzędów wielkości między tym projektem Boscha a sześciosuwem Crowera.

Aha, oto prawdziwa odpowiedź .

Podczas gdy MotoGP M4 czerpie wodę z ręcznie napełnianego zbiornika w bagażniku, najnowszy prototyp chłodzonego wodą BMW jest wyposażony w system odzyskiwania wody, który stale uzupełnia skroploną wodę z układu klimatyzacji.

Zabawne, ja i mój brat rozmawialiśmy o wtrysku wody i zasugerowaliśmy pomysł użycia wody z układu klimatyzacji. Pomyślałem, że zbadam to, aby dowiedzieć się, czy ktoś o tym pomyślał i ... tada!

Istnieją dwie główne różnice w tym, co dzieje się z każdym silnikiem.

Konstrukcja silnika Crower wykorzystuje sześć suwów do osiągnięcia tego, co robi. Wykorzystuje dodatkowe dwa pociągnięcia, aby stworzyć dodatkowy skok mocy (więc będziesz miał dwa uderzenia mocy na trzy obroty wału korbowego zamiast pojedynczego suwu mocy cyklu Otto na każde dwa obroty). Chodzi o to, aby wykorzystać energię cieplną, która już tam jest, która w przeciwnym razie wydostałaby się z rury wydechowej lub dostałaby się do syfonu przez chłodnicę. Do tego celu używana jest woda.

To, do czego BMW używa wody, jest bardziej typową ideą wtrysku wody. W związku z tym używa go do kontrolowania detonacji w cylindrze. O ile silnik nie potrzebuje go w stresujących sytuacjach, woda nie będzie używana. Następnie, gdy jest używany, jest używany tylko oszczędnie ... tylko tyle, aby zapewnić, że detonacja zostanie stłumiona. Pozwala to na uzyskanie większej mocy wyjściowej z silnika bez obawy o jego uszkodzenie.

Kilka powodów, dla których użycie wody jest tak dobre w obu sytuacjach, jest kilka powodów:

1. Szybkość rozszerzania się wody, która zamienia się w parę. W temperaturze 300 ° C woda będzie się rozszerzać w tempie około 3300: 1. Rozumiem, że znacznie przekracza ekspansję powietrza / paliwa podczas spalania. Ponadto, jeśli zrobisz się gorętszy z parą, zwiększy się ona bardziej.
2. Woda zamieniająca się w parę ma tendencję do czyszczenia komory spalania i cylindra. Czysty silnik to szczęśliwy silnik.
3. Woda działa jako reduktor detonacji. Dotyczy to bardziej sposobu robienia rzeczy BMW, ale nadal ma zastosowanie. Woda może w efekcie dodać około 10 punktów oktanu do paliwa (metodą R + M / 2). Zamiast 91 oktanowego paliwa masz teraz 101 oktanowego paliwa ... dobre rzeczy.
4. Woda w układzie indukcyjnym wytwarza bardziej gęsty ładunek wlotowy z powodu absorpcji energii. Woda może zassać dużo. To znowu dotyczy bardziej sposobu robienia rzeczy przez BMW.
5. Ponieważ wtryskiwanie wody obniża temperatury spalania, znacznie zmniejsza ilość tlenków azotu (NOx), które powstają, gdy robi się zbyt gorąco. Spośród trzech głównych zanieczyszczeń, które zwykle powstają w procesie spalania (węglowodory [HC] i tlenek węgla [CO] to pozostałe dwa), formacje NOx są prawdopodobnie najbardziej szkodliwe dla oddychania powietrzem, takiego jak ty lub ja.

Prawdopodobnie jest więcej powodów, ale są to niektóre z dobrych.

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

W bagażniku samochodu BMW M4 MotoGP Safety Car znajduje się zbiornik na wodę o objętości około pięciu litrów, w którym znajduje się pompa wody, czujniki i zawory. Pompa oraz kompletny system czujników i elementów uruchamiających są sterowane przez elektronikę silnika, która została odpowiednio zmodernizowana. W praktyce pompa podaje wodę do wtryskiwaczy pod ciśnieniem 10 barów, dzięki czemu dostarczana jest odpowiednia objętość w zależności od obciążenia, prędkości obrotowej silnika i temperatury. Zapewnia to ograniczenie zużycia wody do absolutnego minimum. Podczas rygorystycznych działań na torze wyścigowym zawsze konieczne jest uzupełnienie zapasu wody za każdym razem, gdy samochód musi tankować. Podczas standardowej pracy przerwy między dolewaniem wody są znacznie dłuższe, w zależności od stylu jazdy. Nawet podczas szybszej jazdy autostradą do tankowania konieczne jest jedynie napełnienie zbiornika wody mniej więcej co pięć przystanków. Aby system był jak najbardziej odpowiedni do codziennego użytku, nie wymaga żadnej dodatkowej konserwacji.

Innymi słowy, do normalnego użytkowania samochodu ilość wody potrzebna do uniknięcia stukania silnika jest tak minimalna, że ​​5-litrowy zbiornik wystarcza na znaczny przebieg.

Świetne pytanie, BTW.

Moje rozmyślania

Gwałtowna różnica między tymi dwoma podejściami staje się oczywista; tak naprawdę są one rzędami wielkości od siebie :

• Wstrzyknięcie wody wymaga średnio 9 cm3 / min
• Sześciosuw Crowera wymaga średnio 572 cm3 / min

Obliczenia, założenia wymienione poniżej.

Konfiguracja Bosch

W tym artykule stwierdzono, że układ wtrysku wody zapewnia dodatkowe chłodzenie w temperaturze 80 ° F (44 ° C) :

W zależności od konstrukcji i wielkości układu oraz aerodynamiki pojazdu można zastosować intercooler tylko w celu obniżenia temperatury powietrza wlotowego nawet o 160 ° F przed wejściem do komory wyrównawczej. Oznacza to, że zwykłe zwiększenie mocy silnika poprzez zwiększenie ciśnienia doładowania nie jest opcją, ponieważ oznaczałoby przekroczenie progu stukowego.

Jest to rozwiązanie, w którym w pionu BMW M jest w: Jeżeli wodę wtryskuje się mgłę drobno rozpylona do wlotu komory sprężonego powietrza, możliwe jest zmniejszenie temperatury powietrza wlotowego przez dodatkowe 80 ° C .

Świetny. Rozwalmy kilka liczb:

• Załóżmy, że silnik M4 osiąga średnio 1500 obr./min podczas normalnej pracy.

  Szybkość przepływu powietrza pobieranego przez silnik przy tej prędkości wynosi:

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

• Bliźniacze turbosprężarki wytwarzają 18,1 psi przy maksymalnym doładowaniu , więc oszacujmy średnio 4-5 psi doładowania.

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

  Zakładając przyzwoitą temperaturę powietrza dolotowego

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

  (Na szczęście dla nas jest to konfiguracja bezpośredniego wtrysku, więc użyteczne są właściwości termodynamiczne WolframAlpha dla powietrza)

• Łącząc dwa i dwa razem, średnie masowe natężenie przepływu powietrza (przy 100% wydajności objętościowej) wynosi:

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

  (To nasuwa pytanie: jaka jest rozsądna wydajność objętościowa do przyjęcia tutaj? Więcej na ten temat później)

• Ile energii powoduje zmianę temperatury powietrza w tych warunkach?

  Podobno 719,5 J / (kg-K) .

• A ile energii potrzeba, aby zamienić wodę w parę?

  Utajone ciepło parowania wody = 2 230 000 J / kg

  To niesamowita ilość energii. Zmniejsza ciepło właściwe wody, które wynosi 4200 J / (kg- ° C).

• Jakie jest zatem średnie wymagane natężenie przepływu wody?

  Przy 100% VE energia na sekundę wymagana do zmiany temperatury powietrza o 44 ˚C wynosi:

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

  To nie przekłada się na dużo wody:

  Wymagaj przepływu masy wody na sekundę:

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

  Innymi słowy, około 44 cm3 / minutę przy 100% VE .

  Jeśli rzeczywiste VE wynosi 20%, czego należy się spodziewać przy częściowym otwarciu przepustnicy, liczba ta spada do około 9 cm3 / minutę .

• Według odpowiedzi anonimowej2 zbiornik na wodę ma 5000 cm3

  Przy 9 cc / min zbiornik wody powinien trwać około 9,25 godziny .

  Jeśli średnia prędkość pojazdu przy 1500 obr./min wynosi około 45 km / h, zbiornik powinien trwać około 40 godzin .

  Rozbieżność 4x może wynikać z jednego z wielu przyjętych założeń. Przynajmniej obliczona wartość znajduje się w odpowiednim polu.

Sześciosuwowy Crower

(Ten jest całkiem prosty)

• Minimalna ilość wody wymagana do wykonania rozsądnego wtórnego skoku zasilania ...

  byłby taki, w którym para wodna przemieszcza się w cylindrze:

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

  To około 1500 l / min, czyli 0,25 m3 / s

• Ile wody jest do tego potrzebne?

  Zależy od temperatur głowicy cylindrów, ale przy założeniu 0,8 bara i 350 ° F współczynnik rozszerzalności wynosi około 2600: 1 .

  Zatem wymagane całkowite natężenie przepływu wody:

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