Injeção de água (motor) - Water injection (engine)

Em motores de combustão interna , a injeção de água , também conhecida como injeção anti-detonante (ADI), pode borrifar água no ar de entrada ou na mistura combustível - ar , ou diretamente na câmara de combustão para resfriar certas partes do sistema de indução onde "pontos quentes "pode ​​produzir ignição prematura. Em motores a jato, aumenta o empuxo do motor em baixas velocidades e na decolagem.

A injeção de água foi usada historicamente para aumentar a potência dos motores da aviação militar por curtos períodos, como duelos de cães ou decolagem. No entanto, também tem sido usado em esportes motorizados e principalmente em corridas de arrancada. Em motores de ciclo Otto , os efeitos de resfriamento da injeção de água também permitem maiores taxas de compressão, reduzindo a batida do motor (detonação). Como alternativa, essa redução na batida do motor em motores de ciclo Otto significa que algumas aplicações ganham desempenho significativo quando a injeção de água é usada em conjunto com um supercompressor , turbocompressor ou modificações como o tempo de ignição agressivo .

Dependendo do motor, as melhorias na potência e na eficiência do combustível também podem ser obtidas somente pela injeção de água. A injeção de água também pode ser usada para reduzir as emissões de NOx ou monóxido de carbono .

A injeção de água também é usada em alguns motores de turbina e em alguns motores turboeixo, normalmente quando um ajuste momentâneo de alto empuxo é necessário para aumentar a potência e a eficiência do combustível.

Teoria

A água tem um calor de vaporização muito alto . Conforme a água em temperatura ambiente é injetada no motor, o calor é transferido da cabeça do cilindro quente e o ar de admissão na água. Isso faz com que evapore, resfriando a carga de entrada. Uma carga de entrada mais fria significa que ele é mais denso (maior eficiência volumétrica) e também tem uma tendência menor para bater. No entanto, o vapor de água desloca algum ar, anulando parte do benefício da carga de admissão mais densa. A batida geralmente é mais um problema em motores de indução forçada do que de aspiração natural, portanto, isso pode ajudar a evitá-lo. Em sistemas de ignição eletrônica, o tempo de ignição geralmente é retardado para evitar a ocorrência de detonações, mas com a injeção de água pode ser avançado para mais perto do tempo de torque máximo de frenagem (MBT) para obter energia adicional.

Composição do fluido

Muitos sistemas de injeção de água usam uma mistura de água e álcool (geralmente perto de 50/50), com traços de óleo solúvel em água. A água fornece o efeito de resfriamento primário devido à sua grande densidade e propriedades de alta absorção de calor. O álcool é combustível e também serve como anticongelante para a água. O objetivo principal do óleo é evitar a corrosão dos componentes do sistema de injeção de água e combustível; também pode auxiliar na lubrificação do motor durante o funcionamento em estado de alta potência. Como o álcool misturado à solução de injeção geralmente é metanol (CH 3 OH), o sistema é conhecido como injeção de metanol-água ou MW50 . Em aplicações automotivas de alto desempenho, o uso de metanol 100% em oposição a uma mistura de água-metanol é conhecido simplesmente como injeção de metanol. As preocupações com a segurança e com a longevidade das peças mantêm isso como uma opção controversa. Nos Estados Unidos , o sistema também é comumente referido como injeção antidetonante ou ADI.

Efeitos

Em um motor a pistão, a injeção inicial de água resfria a mistura ar-combustível significativamente, o que aumenta sua densidade e, portanto, a quantidade de mistura que entra no cilindro. A água (se em pequenas gotas líquidas) pode absorver calor (e diminuir a pressão) à medida que a carga é comprimida, reduzindo assim o trabalho de compressão. Um efeito adicional ocorre posteriormente durante a combustão, quando a água absorve grandes quantidades de calor à medida que vaporiza, reduzindo o pico de temperatura e a formação de NO x resultante , e reduzindo a quantidade de energia térmica absorvida nas paredes do cilindro. Isso também converte parte da energia de combustão da forma de calor para a forma de pressão . À medida que as gotículas de água evaporam ao absorver calor, elas se transformam em vapor de alta pressão. O álcool da mistura queima, mas também é muito mais resistente à detonação do que a gasolina . O resultado líquido é uma carga de octanagem mais alta que suporta taxas de compressão muito altas ou pressões de indução forçadas significativas antes do início da detonação.

Certos outros motores podem se beneficiar muito mais com o uso da injeção de água. Motores a jato de pulso típicos têm eficiência de combustível, consumo específico de combustível e empuxo extremamente pobres. Foi comprovado que a injeção de água usa o calor residual que faz com que um jato pulsante brilhe em brasa e o converta em impulso. Ele resfria o motor, puxa mais ar e reduz a poluição. A injeção de água e outros meios de reforço podem transformar o jato de pulso de um tubo barulhento e ineficiente em um motor mais limpo e potente que pode ser usado em aeronaves leves.

A economia de combustível pode ser melhorada com injeção de água. Dependendo do motor, o efeito da injeção de água, sem nenhuma outra modificação, como inclinar a mistura para fora, pode ser bastante significativo. Em alguns casos, a água também pode reduzir as emissões de CO. Isso pode ser atribuído à reação de deslocamento de gás água , em que CO e H 2 O mudam para formar CO
2e H 2 . No entanto, a água também pode aumentar as emissões de hidrocarbonetos, possivelmente devido ao aumento da espessura da camada de têmpera .

O controle sobre a injeção de água é importante. Deve ser injetado somente quando as condições dentro do motor seriam suficientes para causar detonação ou outros efeitos indesejáveis. Isso normalmente ocorre quando o motor está muito carregado e funcionando com potência total; no entanto, pode ocorrer fora desses horários em motores ou aplicações especializadas. Caso contrário, a injeção de água resfria o processo de combustão desnecessariamente, resultando em efeitos negativos, como eficiência ou potência reduzida.

A injeção direta de água é possível e provavelmente vantajosa. Em um motor a pistão, isso pode ser feito em qualquer ponto do ciclo do motor, dependendo do efeito desejado, mesmo no final do curso de potência ou durante o curso de escape quando usado apenas para reduzir as temperaturas do motor.

Limitações

A maioria dos motores de veículos de consumo modernos são pré-programados com relações específicas de combustível para ar, portanto, introduzir água sem reprogramar o computador do carro ou de outra forma alterar essas relações provavelmente não trará benefícios e pode reduzir o desempenho ou danificar o motor. Além disso, a maioria dos sistemas de combustível modernos não pode determinar se foi adicionada água em qualquer forma e não pode determinar uma nova taxa de compressão ou tirar vantagem das temperaturas mais baixas do cilindro. Na maioria dos casos em carros pré-programados, a introdução de vapor de água por meio de um método de injeção indireta de água causa perda de potência porque o vapor de água toma o lugar do ar (e do combustível em motores com carburador ou injeção de ponto único) que é necessário para completar o processo de combustão e produzir energia. Normalmente, apenas os veículos reajustados para injeção de água veem quaisquer benefícios.

Podem ocorrer danos ao motor se muita água for injetada ou se o próprio injetor apresentar mau funcionamento. A água não é compressível e muita água no cilindro antes ou durante o ciclo de compressão pode causar uma condição chamada hydrolock , onde o volume de líquido no motor é próximo ou maior do que o volume entre o pistão e a cabeça (ou entre os pistões em um motor de pistão oposto ) do motor no ponto morto superior, resultando em pressão do cilindro extremamente alta que pode causar cabeçotes estourados , quebra do pistão, bielas ou outros danos ao motor. Este dano é normalmente fatal para o motor e normalmente requer uma reconstrução completa ou substituição do motor.

A injeção de água é normalmente usada na aviação e não foi inicialmente planejada para uso em veículos de consumo. Quando usado em veículos de consumo, é normalmente para a arena de desempenho extremamente alto (1000 HP +), onde os veículos são sobrealimentados ou turboalimentados e produzem calor excessivo. Esses veículos são normalmente conduzidos apenas em um evento ou corrida controlada e requerem níveis extremamente elevados de conhecimento para serem mantidos e são conduzidos apenas por distâncias muito curtas. Na maioria das formas de injeção de água, a água é misturada com um combustível combustível, em vez de ser usada isoladamente.

Existem muitos golpes de produto anunciando que inserir um tubo de spray nebulizador em um coletor de admissão aumenta a quilometragem ou a potência. No entanto, a menos que o usuário reprograme a ECU do carro ou execute modificações importantes no motor, podem ocorrer perdas de potência e danos.

Uso em aeronaves

Uma decolagem "molhada" de um KC-135 com motores J57

A injeção de água tem sido usada em motores de aeronaves alternativos e de turbina . Quando usado em um motor de turbina, os efeitos são semelhantes, exceto que normalmente impedir a detonação não é o objetivo principal. A água é normalmente injetada na entrada do compressor ou no difusor antes das câmaras de combustão. A adição de água aumenta a massa que está sendo acelerada para fora do motor, aumentando o empuxo e também serve para resfriar as turbinas. Uma vez que a temperatura é normalmente o fator limitante no desempenho do motor de turbina em baixas altitudes, o efeito de resfriamento permite que o motor funcione em RPM mais altas com mais combustível injetado e mais empuxo criado sem superaquecimento. A desvantagem do sistema é que a injeção de água apaga um pouco a chama nas câmaras de combustão, pois não há como resfriar as peças do motor sem também resfriar a chama. Isso faz com que o combustível não queimado saia do escapamento e um rastro característico de fumaça preta.

Aeronaves militares a gasolina com motor de pistão usavam tecnologia de injeção de água antes da Segunda Guerra Mundial para aumentar a potência de decolagem. Isso foi usado para que caças pesadamente carregados pudessem decolar de pistas mais curtas, escalar mais rápido e alcançar rapidamente grandes altitudes para interceptar formações de bombardeiros inimigos . Alguns aviões de caça também usavam injeção de água para dar impulso em rajadas curtas durante combates de cães.

Como regra geral, a mistura de combustível é ajustada para nível máximo em um motor de aeronave ao operá-lo em configurações de alta potência (como durante a decolagem). O combustível extra não queima; seu único propósito é evaporar para absorver o calor . Isso usa o combustível mais rápido e também diminui a eficiência do processo de combustão. Ao usar a injeção de água, o efeito de resfriamento da água permite que a mistura de combustível funcione mais pobre em sua configuração de potência máxima. Muitos motores de aeronaves militares da década de 1940 utilizavam um carburador de pressão , um tipo de sistema de medição de combustível semelhante a um sistema de injeção de corpo de borboleta . Em um motor com injeção de água, o carburador de pressão possui uma válvula mecânica que torna o sistema quase automático. Quando o piloto liga a bomba injetora de água, a pressão da água move a válvula de derichment para restringir o fluxo de combustível para reduzir a mistura enquanto, ao mesmo tempo, mistura o fluido de água / metanol no sistema. Quando o sistema fica sem fluido, a válvula derichment fecha e corta o sistema de injeção de água, enquanto enriquece a mistura de combustível para fornecer uma têmpera de resfriamento para evitar a detonação repentina.

Devido ao efeito de resfriamento da água, os motores de aeronaves do ciclo Otto com injeção de água podem ser feitos para produzir mais potência por meio de densidades de carga mais altas no momento da combustão. A densidade de carga adicional é normalmente alcançada permitindo pressões de manifold mais altas antes do início da detonação . Isso normalmente é feito adicionando ou aumentando a quantidade de indução forçada ou abrindo mais o acelerador. No entanto, um resultado semelhante pode ser alcançado por meio de um maior curso do motor. Este tem sido historicamente o principal uso de sistemas de injeção de água em aeronaves.

O peso e a complexidade extras adicionados por um sistema de injeção de água foram considerados úteis para fins militares, embora geralmente não sejam considerados úteis para uso civil. A única exceção são as aeronaves de corrida , que se concentram em gerar uma quantidade enorme de potência por um curto período de tempo. Nesse caso, as desvantagens de um sistema de injeção de água são menos importantes.

O uso de injeção de água em motores de turbina foi limitado, novamente, principalmente a aeronaves militares. Muitas fotos estão disponíveis de decolagens de Boeing B-52 que mostram claramente a fumaça preta emitida por motores de turbina funcionando com injeção de água. Para os primeiros B-52s, a injeção de água era vista como uma parte vital dos procedimentos de decolagem. Para versões posteriores do B-52, bem como bombardeiros movidos a turbina posteriores, o problema de decolar com cargas pesadas em pistas curtas foi resolvido pelo uso de motores mais potentes que não estavam disponíveis anteriormente.

As primeiras versões do Boeing 707 equipadas com turbojatos Pratt & Whitney JT3C usavam injeção de água para potência extra de decolagem, assim como aeronaves Boeing 747 -100 e 200 equipadas com turbofans Pratt & Whitney JT9D -3AW e -7AW; este sistema não foi incluído em versões posteriores equipadas com motores mais potentes. O avião BAC One-Eleven também usou injeção de água em seus motores turbofan Rolls-Royce Spey . Encher os tanques com combustível de aviação em vez de água levou ao acidente do vôo 112 da Paninternational .

Uso em automóveis

Um número limitado de veículos rodoviários com motores de indução forçada de fabricantes como a Chrysler incluiu injeção de água. O Oldsmobile F85 1962 foi entregue com o motor Jetfire de injeção de fluido , que, aliás, compartilha o título de "o primeiro carro de estrada turboalimentado do mundo" com o Corvair Spyder. A Oldsmobile referia-se à mistura água / álcool como 'Fluido Turbo-Rocket'. A Saab ofereceu injeção de água para o Saab 99 Turbo. Com a introdução do intercooler, o interesse na injeção de água para evitar a detonação quase desapareceu, mas recentemente a injeção de água também tem sido interessante porque pode diminuir potencialmente as emissões de óxido de nitrogênio (NO) e monóxido de carbono (CO) no escapamento . No entanto, o uso mais comum de injeção de água hoje é em veículos com sistemas de indução forçada pós-venda de alto desempenho (como turbocompressores ou supercompressores); tais motores são comumente ajustados com uma margem de segurança mais estreita contra a detonação e, portanto, se beneficiam muito dos efeitos de resfriamento da água vaporizada.

Em 2015, a BMW apresentou uma versão de seu cupê M4 de alto desempenho , o M4 GTS, que combina injeção de água com resfriamento interno. O carro foi apresentado na temporada 2015 do MotoGP como o carro de segurança oficial da série e foi lançado para o mercado comercial em 2016. Como por exemplo da BMW , os atuais desenvolvimentos de motor com injeção de água parecem se concentrar no efeito de “Melhoria de Desempenho”. Mas em meados da década de 2020, o desenvolvimento do motor mudará o foco também na melhoria do consumo de combustível , devido à pressão sobre o CO
2redução de emissões e regulamentos relacionados.

A Bosch , que co-desenvolveu a tecnologia com a BMW , oferece um sistema de injeção de água denominado WaterBoost para outros fabricantes. A empresa afirma aumento de até 5% no desempenho do motor, redução de até 4% no CO
2emissões e melhoria de até 13% na economia de combustível. Resultados semelhantes foram publicados por FEV mostrando-se para 5,3% de eficiência de combustível melhoria em 2,0L motor de deslocamento gasolina e mesmo até mais do que 7% em combinação com arrefecida recirculação dos gases de exaustão , em função do ciclo de accionamento considerado.

A injeção de água e a recirculação dos gases de escape resfriados (EGR) podem ser vistas como tecnologias competitivas: foi demonstrado que em carga média uma relação água-combustível de 40-50% (WFR) com injeção de água do porto (PWI) tem o mesmo efeito como uma taxa EGR de 10%, que é vista como relativamente limitada, mesmo para motores a gasolina. No entanto, a injeção de água tem alguns benefícios quando comparada ao EGR, especialmente uma melhor controlabilidade, pois este não é um circuito fechado como o EGR, o tempo de injeção não está ligado a outros parâmetros como a contrapressão do turboalimentador, inércia limitada (tempo PWI não ligado a operação do motor) e atraso de combustão (como presente com EGR). Além disso, não deteriora significativamente a estabilidade de combustão. O atraso de combustão ligado à diluição de EGR e a adaptação necessária do fluxo de massa de gás recirculado às características máximas do turbocompressor são tipicamente dois parâmetros limitantes do máximo. taxa EGR aceitável. Portanto, algumas sinergias podem ser desenvolvidas ao usar a injeção de água na área do mapa do motor onde o EGR normalmente não é possível (carga alta / alta velocidade).

Geração de água a bordo

Pesquisas perguntando aos clientes sobre sua disposição de preencher regularmente um fluido operacional adicional demonstraram que o nível de aceitação é limitado. Portanto, a necessidade de recarga é considerada uma das principais barreiras para a adoção em massa da injeção de água. Um facilitador chave é o desenvolvimento de sistema de geração de água a bordo para funcionar em sistema de circuito fechado, especialmente a fim de garantir baixo nível consistente de emissões ( CO do motor
2aumentar as emissões se funcionar sem abastecimento de água). Três fontes principais podem ser investigadas:

  • Coleta de umidade do ar do ambiente (por exemplo, por condensação de A / C)
  • Água de superfície (por exemplo, água da chuva coletada do corpo do veículo)
  • Condensado de gás de exaustão

As primeiras duas variantes são altamente dependentes das condições climáticas ambientais com níveis de umidade suficientemente altos ou hábitos do motorista (nenhuma operação A / C é desejada). Consequentemente, um abastecimento adequado de água não pode ser garantido. Ao contrário, a condensação do vapor d'água formado durante a combustão da gasolina é uma fonte confiável de água: há aproximadamente um volume de 1L de vapor d'água na exaustão para cada litro de gasolina consumido. Em outubro de 2019, Hanon Systems juntamente com FEV, apresentou um demonstrador Audi TT Sport equipado com bombeamento de injeção de água operando em sistemas próximos graças a um equipamento Hanon Systems denominado "Water Harvesting System". O sistema totalmente embalável foi capaz nos casos mais críticos testados de condensar mais de 2 vezes a água consumida. A qualidade dos condensados ​​de água foi apresentada como sendo boa o suficiente para evitar problemas com os injetores e possíveis problemas de corrosão não foram detectados durante os extensos test drives. Os condensados ​​foram apresentados como transparentes, sem odor e cor fortes.

Use em diesel

Um estudo de 2016 combinou injeção de água com recirculação de gases de escape . A água foi injetada no coletor de escapamento de um motor a diesel e, ao abrir a válvula de escapamento durante o curso de indução, a água injetada e parte dos gases de escapamento foram puxados de volta para o cilindro. O efeito foi a redução das emissões de NOx em até 85%, mas ao custo do aumento das emissões de fuligem.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos