Зачем BMW прямой впрыск воды?

Компания BMW представила прототип BMW 1-series с 1,5-литровым турбомотором, который помимо обычного бензина впрыскивает в цилиндры воду: дешевый способ разом удовлетворить и сорвиголов, и «зеленых».

Вода в топливе

«Копейка» стала втором прототипом BMW, работающим на воде: первым была версия купе M4, приспособленная для работы пейс-каром на мотогонках. Однако если у М4 впрыск воды осуществлялся тремя форсунками во впускной коллектор, то у 1-серии помимо такого способа есть и альтернативный: вода смешивается с топливом непосредственно перед впрыском, а получившаяся эмульсия распыляется в камере сгорания. Так что вода в топливе, в самом деле, не всегда вредна.

Почему это работает? Вода — это, конечно, никакое не топливо: окисляться ей уже некуда. И, тем не менее, впрыск воды позволяет поднять мощность: например, полуторалитровый мотор BMW выдает 215 л.с. Но главное, в отличие от традиционных двигателей такой форсировки, он имеет степень сжатия 11:0 (против 9,5:0), а расход топлива снижается на величину порядка 20%.

А все дело в хороших «холодильных» свойствах воды: обладая высокой теплотой парообразования, она испаряется в коллекторе или прямо в цилиндре и охлаждает топливовоздушную смесь. Это важно по многим причинам: снижается склонность мотора к детонации, появляется возможность увеличить углы опережения зажигания и поднять степень сжатия, снижаются выбросы ряда токсичных веществ, например, оксидов азота. Правило простое: чем холоднее впускной заряд, тем эффективнее работает мотор. По заявлению BMW, температура в конце такта сжатия благодаря впрыску воды снижается с 400−500 градусов до 330.

Заряд холода

Продвинутый читатель вспомнит, что у турбомоторов нагрев поступающего в цилиндры воздуха происходит еще в компрессоре. И средство от этого изобретено давно: интеркулер (охладитель наддувного воздуха). Собственно, у обсуждаемых моторов BMW есть интеркулеры, но в силу естественных причин они не способны охладить заряд даже до температуры окружающего воздуха. Впрыск воды потенциально эффективнее и как бы продолжает дело интеркулера, выстужая заряд до еще более низких температур. Тут не стоит забывать, что на всем пути до камеры сгорания воздух нагревается за счет газодинамических потерь и контакта с горячими деталями, поэтому потенциал для охлаждения водой даже при наличии интеркулера изрядный.

Возникает естественный вопрос: насколько велик расход воды? BMW предложила две концепции. Первая реализована на M4 и предполагает наличие пятилитрового бачка, которого хватает на четыре-пять заправок топливом. Грубо говоря, пяти литров достаточно на 2−3 тысячи километров пробега. При этом «кончина» воды не влечет никаких последствий, кроме некоторого снижения мощности на пиковых режимах.

Однако необходимость доливать воду невыгодна с точки зрения маркетологов: далеко не все захотят бегать с пятилитровками дистиллированной воды. Поэтому в новом двигателе для 1-серии найдено более остроумное решение: запас воды пополняется за счет конденсата, образующегося при работе климатической установки. По заявлению самой BMW, в некоторых случаях это позволяет исключить долив воды полностью.

По рецептам «Формулы 1»

Интересно, что впрыск воды использовался на турбодвигателях и раньше, и самое яркое его применение имело место в начале 90-х на монстроузных полуторалитровых двигателя «Формулы 1», выдававших в квалификационным режиме по 1200—1500 л.с. Термическая нагруженность моторов была колоссальной, и инженеры использовали любые средства, чтобы хоть как-то снизить температурный шок деталей: вода была одним из популярных способов. Кстати, в то время строила турбомоторы для «Формулы 1» и BMW, и даже выиграла титул с командой Brabham, так что опыт в реализации подобных идей у баварцев уже был.

Почему впрыск воды не использовался на массовых автомобиля? Строго говоря, он использовался, например, одно время Saab применял воду для тех же самых целях на своих турбомоторах. Но тогда идея не прижилась: во-первых, постепенно возросла эффективность интеркулеров, во-вторых, сами бензиновые турбомоторы в начале XXI века пережили некоторый период забвения, и ренессанс состоялся не так давно. При этом турбомоторы новой волны были «сдержаннее» своих полуспортивных предков. Сейчас наддув низкого давления используется в основном не для обеспечения сумасшедшей мощности, а для получения хороших тяговых характеристик при малом рабочем объеме.

Но постепенно турбомоторы становятся все более форсированными, а требования к экономичности и экологичности продолжают расти. Инженерам все труднее искать компромиссы, а впрыск воды — не только сравнительно простое средство, но и чертовски эффективное. Кто его знает, быть может, через 10−20 лет пятилитровка дистиллированной воды станет таким же привычным товаром на АЗС, как сам бензин.