24.11.2015. Autor: Željko Marušić

Tehnika: Ubrizgavanje vode u turbobenzinski motor

Izum lovačkog zrakoplova iz 1943. snagu povećao 16 posto

Mnogi bili iznenađeni kad je u veljači u MotoGP-u, kao službeni 'safety car' uveden BMW M4, ubrizgavanjem vode pojačan sa 431 na 470 KS, a još više kad je na Concours d`Elegance in Pebble Beach (11. do 16. kolovoza 2015.) prikazan tržišni BMW M4 GTS s čak 500 KS, po istom receptu, radi se o dobro poznatoj tehnologiji za poboljšavanje punjenja i sprječavanja detonantnog izgaranja. Naime, da bi benzinski motor bio učinkovitiji, potrebno je, u drugom taktu, čim više nabiti smjesu goriva i zraka. No ako se pretjera, smjesa može nekontrolirano, detonantno ekspandirati (eksplodirati)...

... prije nego klip dođe u gornju mrtvu točku (GMT), odnosno preskoči iskra na svjećici. Ako ste naglim dodavanjem gasa, kod nižih okretaja i velikog opterećenja, izazvali metalni zveket motora, to je to! Čuli ste udarce klipova i karika o stijenke cilindara, koji su posljedica detonacija. Radi se o prijevremenom, nepravilnom i eksplozivnom izgaranju, koje doslovce može uništiti motor. Dovoljno je nekoliko minuta takvog rada, da se odlomi dio klipa i ventila, probije čelo klipa, pukne klipnjača, zdrobi temeljni ležaj, uništi koljenasto vratilo... 


U kombinacijom s većim turbopunjačem, snaga se može povećati do 40 posto, kao u lovcima iz II. svjetskog rata, ali uz rizik preopterećenja

To je pogotovo riskantno i opasno u slučaju prednabijenih motora, koji na početku  takta kompresije, kad je klip u donjoj mrtvoj točki (DMT) nemaju podtlak, nastao efektom usisavanja smjese u prvom taktu, kao kod usisnih (atmosferskih) motora. Kod turbomotora tada puhalo odnosno kompresor, kojeg pokreće turbina, a koju pokreće struja ispušnih plinova, stvara nadtlak. To je ono što često spominjemo kao ˈtlak prednabijanjaˈ, koji može biti manji od 0,4 bara, a i veći od 2 bara (kod sportskih motora). Tada klip, krećući se od DMT prema GMT komprimira (skraćuje)... 

... već stlačenu smjesu pa temperatura smjese može porasti na više od 300 Celzijevih stupnjeva. Gorivo tada može nekontrolirano detonirati, što rješavamo korištenjem visokooktanskog goriva, a oktanski broj pokazuje otpornost detonantnom izgaranju (veći OB, veća otpornost). Tu se vraćamo na početak, jer tehnologija o kojoj je riječ, stručno se zove ADI (anti-detonation-injection), odnosno ˈubrizgavanje koje sprječava detonacijeˈ. Voda tu ima dvostruku ulogu. S jedne strane smanjuje vršne temperature za 50 do više od 100 stupnjeva. Time se omogućava dodatno nabijanje motora, dakle i veća snaga.


Iz 5-litrenog spremnika voda se ubrizgava u usisni kolektor sa zrakom prednabijenim na 1,6 bara, koji se njenim isparavanjem hladi te ga se više može ugurati u cilindre

Temperatura se oduzima promjenom agregatnog stanja iz tekućeg u plinovito (po istom principu radi klima uređaj), a pritom se čestici vode, koja se pretvori u paru, obujam poveća za više od 150 puta. Time se dodatno povisuje tlak u cilindru (veći tlak - veća učinkovitost - veća snaga - manja potrošnja). Dakle, jasno i već dugo je poznato da ta tehnologija povećava snagu motora BMW-a M4 za 13 posto (u zrakoplovima II. svjetskog rata, u borbi na život i smrt, za više od 40 posto), a istodobno oko 2 posto smanjuje potrošnju. Ali to nije ni jednostavno niti bezopasno za motor... 

... jer se, uz povećanje tlakova i temperatura, povećava opterećenje najopterećenijih dijelova. Dakle, oni trebaju biti napravljeni od kvalitetnijih i izdržljivijih materijala, uz veću preciznost i manje tolerancije u sklopovima, što bitno poskupljuje izvedbu. To si može priuštiti jedan BMW, posebice u izvedbi M4 GTS, ali nemojte misliti da će se u to upustiti Dacia... A 'u igru' će zasigurno ući Daimler, odnosno 'Mercedes-Benz', koji s tom tehnologijom ima 'debelog' iskustva iz II. svjetskog rata.  Na detonantno izgaranje najviše utječu stupanj kompresije i oktanska vrijednost goriva. Povećanjem stupnja kompresije povećava se učinkovitost i ekonomičnost motora. 


Ubrizgavanjem vode u užarene cilindre postiže se dvostruki utjecaj: smanjuje se rizik detonantnog izgaranja te se njenim naglim isparavanjem povisuju tlakovi u cilindrima

Zbog toga moderni benzinci imaju stupanj kompresije veći od 11:1 (realno je moguće 12,5:1, a sve iznad je 'trik'). Kod određenog stupnja kompresije i goriva doći će prije do detonantnog izgaranja ako je veće opterećenje motora, viša temperatura usisne smjese, veći kut pretpaljenja, manji broj okretaja, viša temperatura rashladne tekućine, bogatija smjesa, manji sadržaj vlage u zraku i povećan sadržaj gareži u motoru. Na pojavu detonacija utječe nehomogenost smjese, a problemi se povećavaju u turbo izvedbama. Užareni produkti izgaranja šire se iznimno brzo, stvarajući val tlaka brzine zvuka. 

Time zagrijavaju i stlačuju neizgorjelu smjesu, koja se zagrijava dvostruko - toplinom izgaranja i rastom tlaka. To potiče stvaranje izvora (jednog ili više) naglog, eksplozivnog izgaranja, na mjestima najviše temperature (blizu ispušnih ventila i nakupina gareži). Naglo povišenje tlakova i temperatura najopasnije je za aluminijske klipove, jer imaju talište na (655 do 710°C) i manju čvrstoću na povišenim temperaturama. Problem povećava otežano hlađenje klipova, jer im se toplina odvodi samo preko prstena i mlazom ulja s donje strane. Kad se ugradi sustav ubrizgavanja vode, uz sve navedeno, dobiva se dodatni i najučinkovitiji alat za borbu protiv detonacija. 


Poliamidne cijevi, preko električne pumpe i brizgaljki dovode vodu u usisni kolektor, pod tlakom 2-3 bara, čime se ostvaruju uvjeti za optimalno isparavanje

Dakle, uz sustav ubrizgavanja vode, nužno je povezano dobro praćenje svih parametara izgaranja i rada motora. Korist od sustava je što se za desetak posto veći tlak oslobađa znatno prije, odmah nakon što klip, u 'radnom taktu', krene iz GMT u DMT. Navedeni problem motori po Atkinsonovom ciklusu, kakve koriste Mazda i Honda, rješavaju tako što je prvih 20 posto takta kompresije uz otvorene usisne ventile. Tlak se ne povećava, odnosno počinje rasti tek kad se zatvore svi ventili. Sprječavanju detonacija pomaže i senzor detonantnog izgaranja (kliktanja) - kad zabilježi detonacije, daje signal za pojačano ubrizgavanje vode.

U usisnu cijev rednog 6-cilindarskog turbobenzinca s direktnim ubrizgavanjem BMW-a M4 MotoGP Safety Car ubrizgava se 0,1-0,8 l/100 km vode, pa mu se snaga sa serijskih 431 KS pri 5500/min, povećala na 470 KS. Testiranja od veljače potvrdila su djelotvornost, pa će u tržišnom M4 GTS, koji stiže u ožujku 2016. biti pojačan na 500 KS. Najveći će moment porasti sa 550 na 600 Nm. Poznate su efekte BMW-ovi stručnjaci kvantificirali, pa su maksimalne tlakove u cilindrima povisili sa 80 na 90 bara, a to se postiže samo 3 stupnja nakon gornje mrtve točke, umjesto na 20 (na radilici), bez ubrizgavanja. 


Po analogiji pedaliranja, u dobrom položaju pedale, ranijim postizanjem vršnih tlakova povećava se učinkovitost motora. Snaga raste 8 do 16 posto, a potrošnja goriva smanjuje se dva posto

Ubrizgavanje vode bilo je puno više od običnog tuniranja zrakoplovnih motora tijekom II. svjetskog rata, jer je više snage bilo pitanje života i smrti. Snažniji se zrakoplov brže penje, ubrzava, postiže veću visinu, dolazi u povoljnu poziciju za pobjedu, može pobjeći. Važna je i pri polijetanju s punim teretom oružja i goriva. Amerikanci i Nijemci već su 1942. počeli eksperimentirati, a ubrizgavala se mješavina vode i metanola, koji povećava oktansku vrijednost goriva (ima OB veći od 110) i sprječava smrzavanje. 

Budući da, kao svako ekstremno tuniranje, skraćuje vijek motora, Nijemci su, zbog neusporedivo manje resursa od Amerikanaca, kalkulirali do lipnja 1944. i Dana D. Tada je u Daimler-Benz DB605 V12 lovca Messerschmitt Bf 109 G-10 Erla ugrađen sustav MW50 (metanol-voda), povećavši snagu na 2000 KS. Na, Amerikanci su već više od godine dana uspješno koristili tu tehnologiju te je ubrizgavanje vode Republic P-47 Thunderbolt pretvorilo u najubojitijeg lovca II. svjetskog rata.


VAŽNO

  • Republic P-47 Thunderbolt je 30.7.1943. poletio 18-cilindarskim Pratt & Whitney R-2800 Double Wasp, ubrizgavanjem vode-metanola pojačanim sa 2000 na 2300 KS
  • Saab 99 Turbo prvi u Europi je 1978. ubrizgavanjem vode pojačan sa 145 na 160 KS. Prvi je u svijetu bio bio Oldsmobile F85 iz 1962., sa sustavom Fluid Injection Jetfire
  • Renault RE30C bi-turbo 1.5 V6. U sezoni 1983. Alain Prost i Eddie Chever su ubrizgavanjem vode u motoru Renault-Gordini EF1 dobili pojačanje sa 590 na 700 KS 
  • 'Viagra' i za WRC: nakon dobrih rezultata u Formuli 1, ubrizgavanje vode, odnosno mješavine vodika i metanola od sredine 1980-ih koristi se i u reliju
  • Dizelašima također koristi ubrizgavanje vode, jer smanjuje udjele čestica čađe i dušikovih oksida (NOx) te povećava snagu hlađenjem usisnog zraka