¿Cómo logra el BMW M4 GTS un bajo consumo de agua en su sistema de inyección de agua?

Bosch recientemente hizo olas cuando anunció planes para ofrecer el sistema de inyección de agua M4 GTS a otros vehículos producidos en masa.

Ahora la inyección de agua no es un concepto nuevo; Bruce Crower puso el motor de seis tiempos en el centro de atención hace aproximadamente una década, pero los artículos señalaron rápidamente que requeriría un suministro significativo de agua limpia:

Las estimaciones preliminares sugieren que un motor de ciclo Crower utilizará aproximadamente tantos galones de agua como combustible.

Lo que provocó esta pregunta es la afirmación de Bosch de que el tanque de agua debe reponerse una vez cada 1800 millas (aproximadamente 2900 km).

Ese es un orden de magnitud menos consumo de agua. ¿Cómo?

Del video en el artículo vinculado, no parece que estén reciclando / filtrando el agua.

Por supuesto, podría ser que la cantidad de agua requerida sea muy pequeña, pero no veo cómo explicaría la diferencia de orden de magnitud entre este diseño de Bosch y el Crower de seis tiempos.

Ajá, esto es lo que creo que es la verdadera respuesta .

Mientras que el MotoGP M4 extrae el agua de un tanque lleno manualmente en el maletero, el último prototipo refrigerado por agua de BMW está equipado con un sistema de recuperación de agua que se llena constantemente con agua condensada del sistema de aire acondicionado.

Es curioso, mi hermano y yo estábamos discutiendo sobre la inyección de agua, y sugerimos la idea de usar agua del sistema de aire acondicionado. Pensé en investigarlo para averiguar si alguien lo había pensado, y ... ¡tada!

Hay dos diferencias principales en lo que sucede con cualquiera de los motores.

El diseño del motor Crower utiliza seis tiempos para lograr lo que está haciendo. Utiliza los dos golpes adicionales para crear un golpe de poder extra (por lo que tendrás dos golpes de poder por cada tres revoluciones del cigüeñal en lugar del golpe de poder único del ciclo Otto por cada dos turnos). La idea es utilizar la energía térmica que ya está allí, que de lo contrario saldría por el tubo de escape o se desconectaría a través del radiador. El agua se usa todo el tiempo para lograr esto.

Para lo que BMW está usando agua es más la idea típica de inyección de agua. Siendo eso lo está usando para controlar la detonación en el cilindro. A menos que el motor lo necesite en situaciones estresantes, el agua no se utilizará. Luego, cuando se usa, solo se usa con moderación ... solo lo suficiente para garantizar que la detonación se silencia. Esto permite una mayor potencia de salida del motor sin temor a apagarlo.

Para conocer un poco sobre por qué usar el agua es tan bueno en cualquier situación, hay varias razones:

1. Velocidad de expansión del agua cuando se convierte en vapor. A 300 ° C, el agua se expandirá a una velocidad de aproximadamente 3300: 1. Tengo entendido que esto es muy superior a la expansión del aire / combustible al quemarse. Además, si se calienta más con el vapor, se expandirá más.
2. El agua que se convierte en vapor tiende a limpiar la cámara de combustión y el cilindro. Un motor limpio es un motor feliz.
3. El agua actúa como un reductor de detonación. Esto se aplica más a la forma de hacer las cosas de BMW, pero sigue siendo aplicable. En efecto, el agua puede agregar alrededor de 10 puntos de octano al combustible (utilizando el método R + M / 2). En lugar de combustible de 91 octanos, ahora tiene combustible de 101 octanos ... cosas buenas.
4. El agua en el sistema de inducción crea una carga de entrada más densa debido a la absorción de energía. El agua puede absorber mucho. De nuevo, esto se aplica más a la forma de hacer las cosas de BMW.
5. Dado que la inyección de agua reduce las temperaturas de combustión, reduce en gran medida la cantidad de óxidos de nitrógeno (NOx) que se crea cuando las cosas se calientan demasiado. De los tres contaminantes principales que se crean comúnmente en el proceso de combustión (los otros dos son hidrocarburos [HC] y monóxido de carbono [CO]), las formaciones de NOx son probablemente las más dañinas para los respiradores como usted o yo.

Probablemente haya más razones, pero estas son algunas de las buenas.

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

Ubicado en el maletero del BMW M4 MotoGP Safety Car hay un tanque de agua con un volumen bruto de aproximadamente cinco litros, que alberga la bomba de agua, los sensores y las válvulas. La bomba y el sistema completo de sensores y elementos de accionamiento están controlados por la electrónica del motor, que se ha actualizado en consecuencia. En la práctica, la bomba alimenta el agua a los inyectores a una presión de diez bares, por lo que se suministra el volumen apropiado según la carga, la velocidad del motor y la temperatura. Esto asegura que el consumo de agua se mantenga al mínimo absoluto. En una acción rigurosa en la pista de carreras, siempre es necesario rellenar el suministro de agua siempre que el automóvil deba repostar. Durante la operación estándar, los intervalos entre recargas de agua son considerablemente más largos, dependiendo del estilo de conducción. Incluso cuando conduces más rápido en la autopista, solo es necesario rellenar el depósito de agua aproximadamente cada cinco paradas para repostar. Para garantizar que el sistema sea lo más adecuado posible para el uso diario, no requiere ningún mantenimiento adicional.

En otras palabras, para un uso normal en su automóvil, la cantidad de agua requerida para evitar golpes del motor es tan mínima que un tanque de 5 litros es suficiente para hacer una cantidad significativa de kilometraje.

Gran pregunta, por cierto.

Mis reflexiones

La gran diferencia entre los dos enfoques se hace evidente; realmente son órdenes de magnitud aparte :

• La inyección de agua requiere un promedio de 9 cc / min.
• Crower de seis tiempos requiere un promedio de 572 cc / min

Cálculos, supuestos enumerados a continuación.

La configuración de Bosch

Este artículo afirma que el sistema de inyección de agua proporciona un enfriamiento adicional de 80 ° F (44 ° C) :

Dependiendo del diseño y tamaño del sistema, y ​​de la aerodinámica del vehículo, solo es posible usar un intercooler para reducir la temperatura del aire de admisión hasta 160 ° F antes de que ingrese a la cámara del pleno. Esto significa que simplemente aumentar la potencia del motor al aumentar la presión de refuerzo no es una opción, ya que significaría exceder el umbral de detonación.

Aquí es donde entra en juego la solución de la división BMW M: si se inyecta agua en una fina nebulización en la cámara de admisión, es posible reducir la temperatura del aire de admisión en 80 ° F adicionales .

Excelente. Hagamos algunos números:

• Supongamos que el motor M4 promedia 1500 RPM durante la operación regular.

  La tasa de volumen de aire ingerido por el motor a esta velocidad es:

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

• Los turbos gemelos desarrollan 18.1 psi en el pico de impulso , así que supongamos que el promedio es de 4-5 psi en promedio.

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

  Asumiendo una temperatura de aire de admisión decente

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

  (Afortunadamente para nosotros, esta es una configuración de inyección directa, por lo que las propiedades termodinámicas de WolframAlpha para el aire son útiles)

• Al unir dos y dos, la tasa de flujo de masa de aire promedio (@ 100% de eficiencia volumétrica) es:

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

  (Esto plantea la pregunta: ¿cuál es una eficiencia volumétrica razonable para asumir aquí? Más sobre eso más adelante)

• ¿Cuánta energía hace que la temperatura del aire cambie en estas condiciones?

  Aparentemente 719.5 J / (kg-K) .

• ¿Y cuánta energía se necesita para convertir el agua en vapor?

  Calor latente de vaporización de agua = 2,230,000 J / kg

  Esa es una cantidad épica de energía. Reduce el calor específico del agua, que es 4200 J / (kg- ° C).

• Entonces, ¿cuál es el caudal de agua promedio requerido?

  @ 100% VE, la energía por segundo requerida para cambiar la temperatura del aire en 44 ˚C es:

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

  Eso no se traduce en mucha agua:

  Requiere flujo de masa de agua por segundo:

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

  En otras palabras, aproximadamente 44 cc / minuto @ 100% VE .

  Si el VE en el mundo real es del 20%, lo cual es de esperar con aceleración parcial, esa cifra se desploma a alrededor de 9 cc / minuto .

• Según la respuesta de anonymous2, el tanque de agua es de 5000 cc

  Entonces, a 9 cc / min, el tanque de agua debería durar alrededor de 9,25 horas .

  Si la velocidad promedio del vehículo a 1500 RPM es algo así como 45 mph, el tanque debería durar alrededor de 40 horas .

  La discrepancia 4x podría deberse a una de las muchas suposiciones hechas. Al menos el valor calculado está en el estadio correcto.

El Crower de seis tiempos

(Este es bastante sencillo)

• La cantidad mínima de agua requerida para promulgar una carrera de potencia secundaria razonable ...

  sería uno en el que el vapor ocupa el desplazamiento del cilindro:

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

  Eso es aproximadamente 1500 l / min, o 0.25 m3 / s

• ¿Cuánta agua se requiere para eso?

  Depende de las temperaturas de la culata, pero suponiendo 0.8 bar y 350 ° F, la relación de expansión es aproximadamente 2600: 1 .

  Por lo tanto, se requiere un caudal de agua total:

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