Bagaimana BMW M4 GTS mencapai konsumsi air yang rendah dalam sistem injeksi airnya?

Bosch baru-baru ini membuat gelombang ketika mengumumkan rencana untuk menawarkan sistem injeksi air M4 GTS ke kendaraan produksi massal lainnya.

Sekarang injeksi air bukanlah konsep baru; Bruce Crower menempatkan mesin enam langkah di pusat perhatian sekitar satu dekade yang lalu, tetapi artikel dengan cepat menunjukkan bahwa itu akan membutuhkan pasokan air bersih yang signifikan:

Perkiraan awal menunjukkan mesin siklus Crower akan menggunakan kira-kira sebanyak galon air sebagai bahan bakar.

Apa yang mendorong pertanyaan ini adalah klaim Bosch bahwa tangki air perlu diisi ulang setiap 1800 mil (sekitar 2900 km).

Itu adalah urutan besarnya konsumsi air lebih sedikit. Bagaimana bisa?

Dari video di artikel terkait, sepertinya mereka tidak melakukan daur ulang / penyaringan air.

Tentu saja, bisa jadi jumlah air yang dibutuhkan sangat kecil, tetapi saya tidak melihat bagaimana hal itu menjelaskan perbedaan urutan besarnya antara desain Bosch ini dan Crower enam-stroke.

Aha, inilah yang saya yakini sebagai jawaban yang benar .

Sedangkan MotoGP M4 mengambil airnya dari tangki yang diisi secara manual di bagasi, namun, prototipe air-cooled terbaru BMW dilengkapi dengan sistem pemulihan air yang terus-menerus menambah air kental dari sistem pendingin udara.

Lucu, kakak saya dan saya sedang mendiskusikan injeksi air, dan kami menyarankan ide untuk menggunakan air dari sistem AC. Kupikir aku akan mencari tahu apakah ada yang memikirkannya, dan ... tada!

Ada dua perbedaan utama dalam apa yang terjadi dengan kedua mesin.

Desain mesin Crower memanfaatkan enam langkah untuk mencapai apa yang dilakukannya. Ia menggunakan dua stroke ekstra untuk membuat stroke daya ekstra (sehingga Anda akan memiliki dua stroke daya per tiga putaran poros engkol alih-alih stroke daya tunggal siklus Otto untuk setiap dua putaran). Idenya adalah untuk memanfaatkan energi panas yang sudah ada di sana, yang kalau tidak akan keluar dari pipa ekor atau disedot melalui radiator. Air digunakan sepanjang waktu untuk mencapai hal ini.

Untuk apa BMW menggunakan air lebih merupakan ide khas injeksi air. Karena itu ia menggunakannya untuk mengontrol peledakan dalam silinder. Kecuali jika mesin membutuhkannya dalam situasi penuh tekanan, air tidak akan digunakan. Kemudian ketika digunakan, itu hanya digunakan dengan hemat ... hanya cukup untuk memastikan peledakan dimatikan. Hal ini memungkinkan output daya yang lebih tinggi dari mesin tanpa takut membunuh mesin.

Untuk sedikit latar belakang mengapa menggunakan air sangat baik dalam situasi apa pun, ada beberapa alasan:

1. Tingkat ekspansi air saat berubah menjadi uap. Pada 300 ° C air akan mengembang pada laju sekitar 3300: 1. Pemahaman saya adalah ini jauh melebihi ekspansi udara / bahan bakar karena terbakar. Juga, jika Anda menjadi lebih panas dengan uap, itu akan mengembang lebih banyak.
2. Air yang berubah menjadi uap cenderung membersihkan ruang bakar dan silinder. Mesin yang bersih adalah mesin yang bahagia.
3. Air bertindak sebagai peredam ledakan. Ini berlaku lebih ke arah cara BMW dalam melakukan sesuatu, tetapi masih berlaku. Air pada dasarnya dapat menambahkan sekitar 10 titik oktan ke bahan bakar (menggunakan metode R + M / 2). Alih-alih bahan bakar oktan 91, Anda sekarang memiliki bahan bakar oktan 101 ... barang bagus.
4. Air dalam sistem induksi menciptakan muatan asupan yang lebih padat karena penyerapan energi. Air dapat menyedot banyak air. Ini lagi, berlaku lebih ke arah cara BMW dalam melakukan sesuatu.
5. Karena injeksi air mengurangi suhu pembakaran, itu sangat mengurangi jumlah Nitrogen Oksida (NOx) yang dibuat ketika semuanya menjadi terlalu panas. Dari tiga polutan utama yang biasanya dibuat dalam proses pembakaran (Hidro-karbon [HC] dan Karbon Monoksida [CO] menjadi dua lainnya), formasi NOx mungkin yang paling berbahaya bagi pernafasan udara seperti Anda atau saya.

Mungkin ada lebih banyak alasan, tetapi ini adalah beberapa alasan bagus.

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

Terletak di bagasi BMW M4 MotoGP Safety Car adalah tangki air dengan volume kotor sekitar lima liter, yang menampung pompa air, sensor, dan katup. Pompa dan sistem lengkap sensor dan elemen penggerak dikendalikan oleh elektronik mesin, yang telah ditingkatkan sesuai dengan itu. Dalam praktiknya, pompa mengumpankan air ke injektor pada tekanan sepuluh bar, di mana volume yang sesuai disuplai tergantung pada beban, kecepatan mesin, dan suhu. Ini memastikan bahwa konsumsi air dijaga agar tetap minimum. Dalam aksi keras di lintasan balap, selalu diperlukan untuk mengisi ulang pasokan air setiap kali mobil harus mengisi bahan bakar. Selama operasi standar, interval antara pengisian ulang air jauh lebih lama, tergantung pada gaya mengemudi. Bahkan ketika mengemudi lebih cepat di jalan tol, hanya perlu mengisi ulang wadah air secara kasar setiap lima perhentian untuk pengisian bahan bakar. Untuk memastikan sistem ini sesesuaian mungkin untuk penggunaan sehari-hari, itu tidak memerlukan pemeliharaan tambahan.

Dengan kata lain, untuk penggunaan normal pada mobil Anda, jumlah air yang dibutuhkan untuk mencegah ketukan mesin sangat kecil sehingga tangki 5 liter cukup untuk melakukan jarak tempuh yang signifikan.

Pertanyaan bagus, BTW.

Renungan saya

Perbedaan mendasar antara kedua pendekatan itu menjadi jelas; mereka benar-benar adalah urutan besarnya terpisah :

• Injeksi air membutuhkan rata-rata 9 cc / menit
• Crower enam-stroke membutuhkan rata-rata 572 cc / menit

Perhitungan, asumsi tercantum di bawah ini.

Pengaturan Bosch

Artikel ini mengklaim bahwa sistem injeksi air memberikan pendinginan tambahan 80 ° F (44 ° C) :

Bergantung pada desain dan ukuran sistem, dan aerodinamika kendaraan, hanya mungkin menggunakan intercooler untuk mengurangi suhu udara masuk sebanyak 160 ° F sebelum memasuki ruang pleno. Ini berarti bahwa hanya meningkatkan tenaga mesin dengan meningkatkan tekanan dorongan bukan merupakan pilihan karena itu berarti melebihi ambang ketukan.

Di sinilah solusi divisi BMW M datang dalam: jika air disuntikkan dalam kabut halus semprot ke ruang intake plenum, adalah mungkin untuk mengurangi suhu udara masuk dengan tambahan 80 ° F .

Bagus. Mari kita hitung beberapa angka:

• Mari kita asumsikan mesin M4 rata-rata 1500 RPM selama operasi reguler.

  Laju volume udara yang tertelan mesin pada kecepatan ini adalah:

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

• Turbin kembar mengembangkan 18,1 psi pada peningkatan puncak , jadi mari kita tebak rata-rata dorongan 4-5 psi.

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

  Dengan asumsi suhu udara masuk yang layak

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

  (Untungnya bagi kami, ini adalah pengaturan injeksi langsung, sehingga sifat termodinamika WolframAlpha untuk udara sangat berguna)

• Menyatukan dua dan dua, laju aliran udara massa rata-rata (efisiensi volumetrik @ 100%) adalah:

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

  (Ini menimbulkan pertanyaan: apa efisiensi volumetrik yang wajar untuk diasumsikan di sini? Lebih lanjut tentang itu nanti)

• Berapa banyak energi yang dihasilkannya dari perubahan suhu udara dalam kondisi ini?

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

• Dan berapa banyak energi yang dibutuhkan untuk mengubah air menjadi uap?

  Panas laten penguapan air = 2.230.000 J / kg

  Itu adalah jumlah energi yang luar biasa. Ini kerdil panas spesifik air, yaitu 4200 J / (kg- ° C).

• Jadi, berapa laju aliran air rata-rata yang diperlukan?

  @ 100% VE, energi per detik yang diperlukan untuk mengubah suhu udara sebesar 44 ˚C adalah:

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

  Itu tidak berarti banyak air:

  Membutuhkan aliran massa air per detik:

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

  Dengan kata lain, sekitar 44 cc / menit @ 100% VE .

  Jika VE dunia nyata adalah 20%, yang diharapkan pada bagian-throttle, angka itu anjlok menjadi sekitar 9 cc / menit .

• Per jawaban anonim2 anonim2 tangki air adalah 5.000 cc

  Jadi pada 9 cc / menit, tangki air harus bertahan sekitar 9,25 jam .

  Jika kecepatan kendaraan rata-rata pada 1500 RPM adalah sekitar 45 mph, tangki harus bertahan sekitar 40 jam .

  Perbedaan 4x bisa turun ke salah satu dari banyak asumsi yang dibuat. Setidaknya nilai yang dihitung berada di rata rata.

Crower enam pukulan

(Yang ini cukup mudah)

• Jumlah minimum air yang dibutuhkan untuk memberlakukan langkah daya sekunder yang wajar ...

  akan menjadi satu di mana uap menempati perpindahan silinder:

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

  Itu kira-kira 1500 l / mnt, atau 0,25 m3 / dtk

• Berapa banyak air yang dibutuhkan untuk itu?

  Tergantung pada suhu kepala silinder, tetapi dengan asumsi 0,8 bar dan 350 ° F, rasio ekspansi kira-kira 2600: 1 .

  Jadi total laju aliran air yang dibutuhkan:

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