Como o BMW M4 GTS atinge baixo consumo de água em seu sistema de injeção de água?

A Bosch produziu ondas recentemente quando anunciou planos de oferecer o sistema de injeção de água do M4 GTS a outros veículos produzidos em massa.

Agora a injeção de água não é um novo conceito; Bruce Crower colocou o motor de seis tempos no centro das atenções cerca de uma década atrás, mas os artigos foram rápidos em apontar que seria necessário um suprimento significativo de água limpa:

Estimativas preliminares sugerem que um motor de ciclo Crower usará aproximadamente tantos litros de água quanto combustível.

O que levou a essa pergunta é a afirmação da Bosch de que o tanque de água precisa ser reabastecido uma vez a cada 1800 milhas (aproximadamente 2900 km).

Essa é uma ordem de magnitude menor que o consumo de água. Por quê?

No vídeo do artigo vinculado, não parece que eles estejam realizando qualquer reciclagem / filtragem da água.

Obviamente, pode ser que a quantidade de água necessária seja muito pequena, mas não vejo como isso explicaria a diferença de ordem de magnitude entre esse projeto da Bosch e o Crower de seis tempos.

Aha, aqui está o que eu acredito que é a verdadeira resposta .

Enquanto o MotoGP M4 retira a água de um tanque cheio manualmente na bota, no entanto, o protótipo mais recente da BMW é equipado com um sistema de recuperação de água que constantemente se enche de água condensada do sistema de ar condicionado.

Engraçado, meu irmão e eu estávamos discutindo a injeção de água, e sugerimos a ideia de usar água do sistema CA. Pensei em pesquisar para descobrir se alguém tinha pensado nisso, e ... tada!

Existem duas grandes diferenças no que está acontecendo com qualquer um dos mecanismos.

O design do motor Crower utiliza seis tempos para realizar o que está fazendo. Ele usa os dois movimentos extras para criar um golpe de força extra (para que você tenha dois golpes de força a cada três rotações do virabrequim, em vez do único golpe de força do ciclo Otto a cada duas voltas). A idéia é utilizar a energia térmica que já existe, que de outra forma sairia pelo tubo de escape ou seria sifonada pelo radiador. A água está sendo usada o tempo todo para conseguir isso.

O que a BMW está usando água é mais a idéia típica de injeção de água. Sendo assim, ele está sendo usado para controlar a detonação no cilindro. A menos que o motor precise em situações estressantes, a água não será usada. Então, quando é usado, é usado apenas com moderação ... apenas o suficiente para garantir a detonação. Isso permite maior potência do motor sem medo de matar o motor.

Para um pouco de conhecimento sobre por que o uso da água é tão bom em qualquer uma das situações, há várias razões:

1. Taxa de expansão da água quando se transforma em vapor. A 300 ° C, a água se expandirá a uma taxa de cerca de 3300: 1. Meu entendimento é que isso excede em muito a expansão do ar / combustível à medida que é queimado. Além disso, se você ficar mais quente com o vapor, ele se expandirá mais.
2. A água quando se transforma em vapor tende a limpar a câmara de combustão e o cilindro. Um motor limpo é um motor feliz.
3. A água atua como um redutor de detonação. Isso se aplica mais à maneira da BMW de fazer as coisas, mas ainda é aplicável. Com efeito, a água pode adicionar cerca de 10 pontos de octanagem ao combustível (usando o método R + M / 2). Em vez de 91 octanas, agora você tem 101 octanas ... coisas boas.
4. A água no sistema de indução cria uma carga de entrada mais densa devido à absorção de energia. A água pode sugar muito disso. Novamente, isso se aplica mais à maneira da BMW de fazer as coisas.
5. Como a injeção de água reduz as temperaturas de combustão, reduz bastante a quantidade de óxidos de nitrogênio (NOx), criada quando as coisas ficam muito quentes. Dos três principais poluentes geralmente criados no processo de combustão (hidrocarbonetos [HC] e monóxido de carbono [CO] sendo os outros dois), as formações de NOx são provavelmente as mais prejudiciais para os respiradores de ar como você ou eu.

Provavelmente existem mais razões, mas estas são algumas das boas.

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

Localizado no porta-malas do BMW M4 MotoGP Safety Car, há um tanque de água com um volume bruto de cerca de cinco litros, que abriga a bomba de água, sensores e válvulas. A bomba e o sistema completo de sensores e elementos de atuação são controlados pelos componentes eletrônicos do motor, que foram atualizados de acordo. Na prática, a bomba alimenta a água dos injetores a uma pressão de dez bar, onde o volume apropriado é fornecido dependendo da carga, velocidade do motor e temperatura. Isso garante que o consumo de água seja mantido no mínimo absoluto. Em ações rigorosas nas pistas de corrida, é sempre necessário reabastecer o suprimento de água sempre que o carro precisar reabastecer. Durante a operação padrão, os intervalos entre as recargas de água são consideravelmente maiores, dependendo do estilo de direção. Mesmo ao dirigir mais rápido na estrada, só é necessário reabastecer o reservatório de água aproximadamente a cada cinco paradas para reabastecer. Para garantir que o sistema seja o mais adequado possível para o uso diário, ele não requer manutenção adicional.

Em outras palavras, para uso normal em seu carro, a quantidade de água necessária para impedir a batida do motor é tão mínima que um tanque de 5 litros é suficiente para fazer uma quantidade significativa de quilometragem.

Ótima pergunta, BTW.

Minhas reflexões

A forte diferença entre as duas abordagens se torna evidente; eles realmente são ordens de magnitude à parte :

• A injeção de água requer uma média de 9 cc / min
• O motor a seis tempos requer uma média de 572 cc / min

Cálculos, premissas listadas abaixo.

A configuração da Bosch

Este artigo afirma que o sistema de injeção de água fornece um adicional de 80 ° F (44 ° C) de resfriamento :

Dependendo do design e tamanho do sistema e da aerodinâmica do veículo, só é possível usar um intercooler para reduzir a temperatura do ar de admissão em até 160 ° F antes de entrar na câmara do plenum. Isso significa que simplesmente aumentar a potência do motor aumentando a pressão de impulso não é uma opção, pois isso significaria exceder o limite de batida.

Isto é onde a solução da divisão BMW M vem em: se a água é injectada como uma fina névoa de pulverização para dentro da câmara de admissão de admissão, é possível reduzir a temperatura do ar de admissão por um adicional de 80 ° F .

Ótimo. Vamos triturar alguns números:

• Vamos supor que o mecanismo M4 tenha em média 1500 RPM durante operação regular.

  A taxa do volume de ar ingerido pelo motor nessa velocidade é:

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

• Os turbos gêmeos desenvolvem 18,1 psi no impulso de pico , então vamos estimar o aumento de 4-5 psi em média.

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

  Assumindo uma temperatura de ar de admissão decente

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

  (Felizmente para nós, esta é uma configuração de injeção direta, portanto, as propriedades termodinâmicas do WolframAlpha para o ar são úteis)

• Juntando dois e dois, o caudal mássico médio do ar (@ 100% de eficiência volumétrica) é:

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

  (Isso levanta a questão: o que é uma eficiência volumétrica razoável a ser assumida aqui? Mais sobre isso mais tarde)

• Quanta energia faz com que o ar mude de temperatura nessas condições?

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

• E quanta energia é necessária para converter água em vapor?

  Calor latente de vaporização da água = 2.230.000 J / kg

  Essa é uma quantidade épica de energia. Ele diminui o calor específico da água, que é de 4200 J / (kg- ° C).

• Então, qual é a vazão média de água necessária?

  @ 100% VE, a energia por segundo necessária para alterar a temperatura do ar em 44 ° C é:

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

  Isso não se traduz em muita água:

  Requer fluxo de massa de água por segundo:

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

  Por outras palavras, aproximadamente 44 cc / minuto a 100% VE .

  Se o VE no mundo real é de 20%, o que é esperado em aceleração parcial, esse número cai para cerca de 9 cc / minuto .

• Por resposta do anonymous2, o tanque de água é de 5000 cc

  Assim, a 9 cc / min, o tanque de água deve durar cerca de 9,25 horas .

  Se a velocidade média do veículo a 1500 RPM for algo como 45 mph, o tanque deve durar cerca de 40 horas .

  A discrepância de 4x pode ser uma das muitas suposições feitas. Pelo menos o valor calculado está no estádio certo.

O Crower de seis tempos

(Este é bastante simples)

• A quantidade mínima de água necessária para realizar um golpe de energia secundário razoável ...

  seria aquele em que o vapor ocupa o deslocamento do cilindro:

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

  Isso é aproximadamente 1500 l / min, ou 0,25 m3 / s

• Quanta água é necessária para isso?

  Depende das temperaturas da cabeça do cilindro, mas assumindo 0,8 bar e 350 ° F, a taxa de expansão é de aproximadamente 2600: 1 .

  Portanto, a vazão total da água necessária:

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