In che modo la BMW M4 GTS ottiene un basso consumo d'acqua nel suo sistema di iniezione dell'acqua?

Bosch ha recentemente fatto onde quando ha annunciato l'intenzione di offrire il sistema di iniezione d'acqua M4 GTS ad altri veicoli prodotti in serie.

Ora l'iniezione d'acqua non è un nuovo concetto; Bruce Crower ha messo alla ribalta il motore a sei tempi circa una decina di anni fa, ma gli articoli hanno fatto rapidamente notare che richiederebbe un approvvigionamento significativo di acqua pulita:

Stime preliminari suggeriscono che un motore a ciclo Crower utilizzerà all'incirca tanti litri d'acqua di carburante.

Ciò che ha portato a questa domanda è l'affermazione di Bosch secondo cui il serbatoio dell'acqua deve essere rifornito una volta ogni 1800 miglia (circa 2900 km).

Questo è un ordine di grandezza inferiore al consumo di acqua. Come mai?

Dal video nell'articolo collegato, non sembra che stiano facendo alcun riciclaggio / filtraggio dell'acqua.

Certo, potrebbe darsi che la quantità di acqua richiesta sia più pesante, ma non vedo come spiegherebbe la differenza dell'ordine di grandezza tra questo design Bosch e il Crower a sei tempi.

Ah, ecco quella che credo sia la vera risposta .

Mentre la MotoGP M4 preleva l'acqua da un serbatoio riempito manualmente nel bagagliaio, tuttavia, l'ultimo prototipo BMW raffreddato ad acqua è dotato di un sistema di recupero dell'acqua che si riempie costantemente di acqua condensata dal sistema di aria condizionata.

Divertente, io e mio fratello stavamo discutendo dell'iniezione di acqua e abbiamo suggerito l'idea di usare l'acqua dal sistema CA. Ho pensato di fare delle ricerche per capire se qualcuno ci avesse pensato, e ... tada!

Ci sono due principali differenze in ciò che sta succedendo con entrambi i motori.

Il design del motore Crower utilizza sei colpi per realizzare ciò che sta facendo. Usa i due colpi extra per creare un colpo di potenza extra (quindi avrai due colpi di potenza per tre giri dell'albero motore invece del singolo colpo di potenza del ciclo Otto per ogni due giri). L'idea è di utilizzare l'energia termica che è già lì, che altrimenti sarebbe uscire dal tubo di scappamento o essere sifonata attraverso il radiatore. L'acqua viene utilizzata continuamente per ottenere questo risultato.

Ciò a cui BMW sta usando l'acqua è più l'idea tipica dell'iniezione di acqua. Stando così le cose lo sta usando per controllare la detonazione nel cilindro. A meno che il motore non ne abbia bisogno in situazioni stressanti, l'acqua non verrà utilizzata. Quindi, quando viene usato, viene usato solo con parsimonia ... quanto basta per garantire che la detonazione sia schiacciata. Ciò consente maggiori potenze dal motore senza paura di uccidere il motore.

Per un piccolo esempio sul perché l'uso dell'acqua sia così buono in entrambe le situazioni, ci sono diverse ragioni:

1. Tasso di espansione dell'acqua che si trasforma in vapore. A 300 ° C l'acqua si espanderà ad una velocità di circa 3300: 1. La mia comprensione è che questo è di gran lunga superiore all'espansione di aria / carburante quando viene bruciato. Inoltre, se diventi più caldo con il vapore, si espanderà di più.
2. L'acqua che si trasforma in vapore tende a pulire la camera di combustione e il cilindro. Un motore pulito è un motore felice.
3. L'acqua funge da riduttore di detonazione. Ciò vale maggiormente per il modo di fare della BMW, ma è ancora applicabile. L'acqua può effettivamente aggiungere circa 10 punti di ottano al carburante (usando il metodo R + M / 2). Invece di 91 ottani di carburante, ora hai 101 ottani di carburante ... roba buona.
4. L'acqua nel sistema di induzione crea una carica di assunzione più densa a causa dell'assorbimento di energia. L'acqua può aspirare molto. Questo di nuovo, vale di più per il modo di fare BMW.
5. Poiché l'iniezione di acqua riduce le temperature di combustione, riduce notevolmente la quantità di ossidi di azoto (NOx) che si crea quando le cose si surriscaldano. Dei tre principali inquinanti che sono comunemente creati nel processo di combustione (gli idrocarburi [HC] e il monossido di carbonio [CO] sono gli altri due), le formazioni di NOx sono probabilmente le più dannose per i respiratori ad aria come te o me.

Probabilmente ci sono più motivi, ma questi sono alcuni dei buoni.

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

Situato nel bagagliaio della BMW M4 MotoGP Safety Car c'è un serbatoio d'acqua con un volume lordo di circa cinque litri, che ospita la pompa dell'acqua, i sensori e le valvole. La pompa e il sistema completo di sensori ed elementi di azionamento sono controllati dall'elettronica del motore, che è stata aggiornata di conseguenza. In pratica, la pompa alimenta l'acqua agli iniettori ad una pressione di dieci bar, per cui viene fornito il volume appropriato a seconda del carico, della velocità del motore e della temperatura. Ciò garantisce che il consumo di acqua sia ridotto al minimo. In un'azione rigorosa in pista, è sempre necessario riempire il rifornimento idrico ogni volta che l'auto deve fare rifornimento. Durante il funzionamento standard, gli intervalli tra le ricariche d'acqua sono notevolmente più lunghi, a seconda dello stile di guida. Anche quando si guida più velocemente in autostrada, è solo necessario riempire il contenitore dell'acqua all'incirca ogni cinque fermate per il rifornimento. Per garantire che il sistema sia il più adatto possibile per l'uso quotidiano, non richiede alcuna manutenzione aggiuntiva.

In altre parole, per un normale utilizzo sulla tua auto, la quantità di acqua necessaria per prevenire i colpi del motore è così minima che un serbatoio da 5 litri è sufficiente per fare una quantità significativa di chilometraggio.

Ottima domanda, BTW.

Le mie riflessioni

La netta differenza tra i due approcci diventa evidente; sono davvero ordini di grandezza a parte :

• L'iniezione di acqua richiede una media di 9 cc / min
• Il Crower a sei tempi richiede una media di 572 cc / min

Calcoli, ipotesi elencate di seguito.

L'impostazione Bosch

Questo articolo afferma che il sistema di iniezione dell'acqua fornisce un ulteriore raffreddamento di 80 ° F (44 ° C) :

A seconda del design e delle dimensioni del sistema e dell'aerodinamica del veicolo, è possibile utilizzare un intercooler solo per ridurre la temperatura dell'aria di aspirazione fino a 160 ° F prima che entri nella camera del plenum. Ciò significa che semplicemente aumentare la potenza del motore aumentando la pressione di sovralimentazione non è un'opzione in quanto significherebbe superare la soglia di detonazione.

Questo è dove soluzione della divisione BMW M viene in: se l'acqua viene iniettata in una nebbia fine spruzzatura nella camera di aspirazione in pressione, è possibile ridurre la temperatura dell'aria di aspirazione di ulteriori 80 ° F .

Grande. Crunch alcuni numeri:

• Supponiamo che il motore M4 abbia una media di 1500 giri / min durante il normale funzionamento.

  La velocità del volume d'aria ingerita dal motore a questa velocità è:

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

• I turbo gemelli sviluppano 18,1 psi al picco di picco , quindi indoviniamo un aumento medio di 4-5 psi.

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

  Supponendo una temperatura dell'aria di aspirazione decente

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

  (Fortunatamente per noi, questa è una configurazione a iniezione diretta, quindi le proprietà termodinamiche di WolframAlpha per l'aria sono utili)

• Mettendo insieme due e due, la portata media dell'aria di massa (@ efficienza volumetrica al 100%) è:

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

  (Questo fa sorgere la domanda: qual è un'efficienza volumetrica ragionevole da assumere qui? Maggiori informazioni su questo in seguito)

• Quanta energia fa cambiare la temperatura dell'aria in queste condizioni?

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

• E quanta energia ci vuole per convertire l'acqua in vapore?

  Calore latente di vaporizzazione dell'acqua = 2.230.000 J / kg

  Questa è una quantità epica di energia. Riduce il calore specifico dell'acqua, che è di 4200 J / (kg- ° C).

• Quindi, qual è la portata media di acqua richiesta?

  @ 100% VE, l'energia al secondo richiesta per modificare la temperatura dell'aria di 44 ˚C è:

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

  Ciò non si traduce in molta acqua:

  Richiede flusso di massa d'acqua al secondo:

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

  In altre parole, circa 44 cc / minuto al 100% di VE .

  Se il VE nel mondo reale è del 20%, come ci si aspetta a metà gas, quella cifra precipita a circa 9 cc / minuto .

• Per la risposta di anonymous2 il serbatoio dell'acqua è di 5000 cc

  Quindi a 9 cc / min, il serbatoio dell'acqua dovrebbe durare circa 9,25 ore .

  Se la velocità media del veicolo a 1500 RPM è simile a 45 mph, il serbatoio dovrebbe durare circa 40 ore .

  La discrepanza del 4x potrebbe essere dovuta a una delle molte ipotesi fatte. Almeno il valore calcolato si trova nel campo di gioco giusto.

Il Crower a sei tempi

(Questo è piuttosto semplice)

• La quantità minima di acqua richiesta per eseguire una corsa di potenza secondaria ragionevole

  sarebbe uno in cui il vapore occupa lo spostamento del cilindro:

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

  Sono circa 1500 l / min o 0,25 m3 / s

• Quanta acqua è necessaria per questo?

  Dipende dalle temperature della testata, ma ipotizzando 0,8 bar e 350 ° F, il rapporto di espansione è di circa 2600: 1 .

  Quindi è richiesta una portata d'acqua totale:

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