Na první pohled to zní kontraproduktivně. Voda do spalovacího prostoru přece nepatří! Jenže když se podíváme na limity přeplňovaných motorů, zjistíme, že právě voda, nebo přesněji její směs s metanolem, dokáže posunout hranice tam, kam se samotný mezichladič stlačeného vzduchu (intercooler) nedostane.
Vstřikování vody do válců jako kladivo na detonace
Články na téma jak fungují motory:
- Zážehový spalovací motor - jak funguje?
- Dvoutaktní motor - princip fungování
- Vznětový motor - jak funguje?
- Výkon motoru na etanol
- Vrtání a zdvih motoru – který parametr je rozhodující?
- Výhody motoru podélně vs. napříč
- Proč je tříválec účinnější než čtyřválec?
- Střední pístová rychlost – co to je?
- Písty bývají dole širší než nahoře. Víte, proč to tak je?
- Offset klikové hřídele vůči válci
- Offset klikovky vůči válci: Má to i nevýhody, bohužel
- V motoru palivo nevybuchuje. Dělat to nesmí
- Detonační spalování a jeho problémy (2. díl)
- Spalovací motor a jeho účinnost: Kde se nám nejvíc ztrácí?
- Vstřikování vody dává smysl jen u některých motorů - právě čtete
- EGR a diesel: Proč už nestačí jeden okruh?
- Tepelná roztažnost kovů má zásadní vliv na konstrukci motoru
- Vyvažovací hřídel hraje u čtyřválce větší roli než u tříválce
- Squish efekt: Co dělá tvar dna pístu se spalováním
- Honování válců: Proč se to dělá?
Nejde o žádnou novinku z laboratoří, princip, který pomáhal stíhačkám ve druhé světové válce unikat protivníkům, je dnes relevantnější než kdy dřív. Ano, vstřikování vody do motoru přinesla druhá světová válka, tehdy to bylo přijatelný kompromis, jak na krátkou dobu zvednout opotřebení motoru, ale také zvýšit šanci třeba na odpoutání se ze souboje.
Fyzika fázové přeměny
Základní myšlenka nestojí na spalování vody, jak se občas laici mylně domnívají, ale na jejím vysokém latentním teple výparném. Když do sání rozprášíme mikroskopickou mlhovinu vody, dochází k okamžité fázové přeměně. Voda se mění v páru a k tomu potřebuje energii – teplo. A bere si ho přímo z nasávaného vzduchu.
Je to stejný efekt, který stojí za tím, že vám je v létě zima poté, co vylezete z rybníku nebo třeba bazénu. Odpařující se voda spotřebuje poměrně dost energie a bere si ji v podobě tepla z okolí, tedy hlavně z vašeho těla. Voda má jedno z nejvyšších skupenských výparných tepel ze všech běžných látek (přibližně 2260 kJ/kg při normálním tlaku). I malé množství vody tedy zvládne odebrat velké množství tepla.
Efekt je v podstatě dvojí
Primárně nám tedy dochází k drastickému ochlazení nasávané směsi, případně povrchů. Zatímco kvalitní intercooler srazí teplotu stlačeného vzduchu někam k 40–50 °C nad teplotu okolí (v zátěži), vstřikování vody dokáže jít podstatně níž, často i pod teplotu okolního vzduchu. Podle stavové rovnice plynu platí, že chladnější vzduch má vyšší hustotu. Více kyslíku na jeden cyklus znamená potenciál pro spálení většího množství paliva.
To ale není ten hlavní důvod, proč se systémy WMI (Water Methanol Injection) montují do upravovaných motorů. BMW u modelu M4 nasadilo tento systém sériově, a to po pozitivních zkušenostech u stejného modelu, který sloužil jako safetycar. Na závodních tratích se systém osvědčil, takže se přešlo k jeho nasazení v produkčních autech.
- Mohlo by vás zajímat: Tři velké problémy přímého vstřikování
Kladivo na detonace
Tím klíčovým faktorem je potlačení detonačního hoření, lidově řečeno „klepání“. Horký vzduch a vysoký kompresní poměr (nebo vysoký plnicí tlak) vytvářejí ve válci prostředí náchylné k samovznícení směsi ještě před přeskočením jiskry. To je velmi negativní efekt, který skutečně v motoru nepotřebujeme a bráníme se mu zuby nehty. Spousta moderních agregátů běží většinu času na hranici klepání, tedy na limitu toho, co palivo zvládne za daných podmínek (odolnost benzínu vůči samozápalu).
Voda ve válci funguje jako tepelná brzda. Zpomaluje hoření a absorbuje špičkové teploty. To dává konstruktérům do ruky mocný nástroj: možnost agresivnějšího časování předstihu. Tam, kde by řídicí jednotka (ECU) na běžný benzín musela stahovat předstih kvůli detekci klepání, motor s vodním vstřikováním běží dál v optimálním režimu.
Často se v tuningu používá směs vody a metanolu. Metanol zde neplní jen funkci nemrznoucí složky. Je to palivo s vysokým oktanovým číslem (přes 110), které se dále podílí na hoření a zvyšuje celkovou odolnost směsi proti detonacím. V praxi tak můžete na 95oktanový benzín s „vodním kitem“ dosahovat výkonů, pro které by jinak bylo potřeba závodní vysokooktanové palivo.
Implementace v praxi
Technicky zdatnému čtenáři je jasné, že to není jen o tom navrtat trysku do sání a připojit čerpadlo od ostřikovačů. Systém musí pracovat pod vysokým tlakem (běžně přes 10 barů), aby došlo k dokonalé atomizaci kapaliny. Kritické je umístění trysky:
- Před turbodmychadlo. Zřídka používané, i když termodynamicky zajímavé (zvyšuje účinnost kompresoru). Rizikem je eroze lopatek dmychadla kapkami vody, a to poměrně rychlá. Systém je také citlivý na velmi jemné rozprášení vody. Větší kapky by mohly nevratně poškodit oběžné kolo.
- Za intercooler. Nejčastější řešení. Poskytuje dostatek času na odpaření před vstupem do válců.
- Vstřikování přímo do jednotlivých sacích kanálů. Nejsložitější na instalaci, ale zajišťuje rovnoměrnou distribuci do všech válců.
Zdroj info: Heywood, J. B. – Internal Combustion Engine Fundamentals, Milliken, W. F., Milliken, D. L. – Race Car Vehicle Dynamics.
Zdroj médií: Depositphotos.
Zdroj médií: Depositphotos.
Diskuze (1)
O přisávání vody do sání motoru auta mi mi vyprávěl můj děda, který za 2SV války jezdil s nákladním mercedesem u pošty. Tenkrát pro úsporu benzínu. Já jsem to zkoušel na Š100 vsunutou jehlou od infuze pod škrtící klapku karburátoru s pouhým podtlakem vzduchu. Motor měl měkčí chod, na cca 20 km to vzalo asi 1,5 litru vody a byla o něco menší spotřeba. ALE - protože bylo ve výfukových spalinách více vody, tak mi brzy odešel tlumič výfuku, tak jsem od toho upustil. Stalo se to ke konci 70 let a peněz nebylo nazbyt v rodině na nové tlumiče výfuku.
František Dvořák,
