Comment la BMW M4 GTS atteint-elle une faible consommation d'eau dans son système d'injection d'eau?

Bosch a récemment fait des vagues en annonçant son intention d'offrir le système d'injection d'eau du M4 GTS à d'autres véhicules de série.

Maintenant, l'injection d'eau n'est pas un nouveau concept; Bruce Crower a mis le moteur à six temps à l'honneur il y a une dizaine d'années, mais les articles ont rapidement souligné qu'il nécessiterait un approvisionnement important en eau propre:

Les estimations préliminaires suggèrent qu'un moteur à cycle Crower utilisera à peu près autant de gallons d'eau que de carburant.

Ce qui a suscité cette question, c'est l'affirmation de Bosch selon laquelle le réservoir d'eau doit être réapprovisionné une fois tous les 1800 miles (environ 2900 km).

C'est un ordre de grandeur moins la consommation d'eau. Comment venir?

D'après la vidéo de l'article lié, il ne semble pas qu'ils effectuent un recyclage / filtration de l'eau.

Bien sûr, il se pourrait que la quantité d'eau requise soit très dense, mais je ne vois pas comment cela expliquerait la différence d'ordre de grandeur entre cette conception Bosch et le Crower à six temps.

Aha, voici ce que je crois être la vraie réponse .

Alors que le MotoGP M4 tire son eau d'un réservoir rempli manuellement dans le coffre, le dernier prototype BMW refroidi par eau est équipé d'un système de récupération d'eau qui se remplit constamment d'eau condensée du système de climatisation.

C'est drôle, mon frère et moi discutions de l'injection d'eau, et nous avons suggéré l'idée d'utiliser l'eau du système AC. Je pensais que je ferais des recherches pour savoir si quelqu'un y avait pensé, et ... tada!

Il y a deux différences majeures dans ce qui se passe avec l'un ou l'autre des moteurs.

La conception du moteur Crower utilise six temps pour accomplir ce qu'il fait. Il utilise les deux courses supplémentaires pour créer une course de puissance supplémentaire (vous aurez donc deux courses de puissance par trois tours du vilebrequin au lieu de la course de puissance unique du cycle Otto pour tous les deux tours). L'idée est d'utiliser l'énergie thermique qui est déjà là, qui autrement serait sortir par le tuyau d'échappement ou se faire siphonner à travers le radiateur. L'eau est utilisée tout le temps pour y parvenir.

Pour quoi BMW utilise l'eau, c'est plutôt l'idée typique de l'injection d'eau. Cela étant, il l'utilise pour contrôler la détonation dans le cylindre. À moins que le moteur n'en ait besoin dans des situations stressantes, l'eau ne sera pas utilisée. Ensuite, quand il est utilisé, il n'est utilisé qu'avec parcimonie ... juste assez pour garantir que la détonation est étouffée. Cela permet des puissances plus élevées du moteur sans crainte de tuer le moteur.

Pour un peu de fond sur pourquoi l'utilisation de l'eau est si bonne dans l'une ou l'autre situation, il y a plusieurs raisons:

1. Taux d'expansion de l'eau lorsqu'elle se transforme en vapeur. À 300 ° C, l'eau se dilate à un rythme d'environ 3300: 1. D'après ce que je comprends, cela dépasse de loin l'expansion de l'air / du carburant lorsqu'il est brûlé. De plus, si vous allez plus chaud avec de la vapeur, cela augmentera davantage.
2. L'eau qui se transforme en vapeur a tendance à nettoyer la chambre de combustion et le cylindre. Un moteur propre est un moteur heureux.
3. L'eau agit comme un réducteur de détonation. Cela s'applique davantage à la façon de faire de BMW, mais reste applicable. L'eau peut en effet ajouter environ 10 points d'octane au carburant (en utilisant la méthode R + M / 2). Au lieu de 91 octane, vous avez maintenant 101 octane ... de bonnes choses.
4. L'eau dans le système d'induction crée une charge d'admission plus dense en raison de l'absorption d'énergie. L'eau peut en aspirer beaucoup. Encore une fois, cela s'applique davantage à la façon de faire des BMW.
5. Étant donné que l'injection d'eau réduit les températures de combustion, elle réduit considérablement la quantité d'oxydes d'azote (NOx) qui est créée lorsque les choses deviennent trop chaudes. Des trois principaux polluants qui sont généralement créés dans le processus de combustion (les hydrocarbures [HC] et le monoxyde de carbone [CO] étant les deux autres), les formations de NOx sont probablement les plus nocives pour les respirateurs d'air comme vous ou moi.

Il y a probablement plus de raisons, mais ce ne sont que quelques-unes des bonnes.

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

Situé dans le coffre de la BMW M4 MotoGP Safety Car se trouve un réservoir d'eau d'un volume brut d'environ cinq litres, qui abrite la pompe à eau, les capteurs et les vannes. La pompe et le système complet de capteurs et d'éléments de commande sont contrôlés par l'électronique du moteur, qui a été améliorée en conséquence. En pratique, la pompe alimente les injecteurs en eau à une pression de dix bars, le volume approprié étant fourni en fonction de la charge, du régime moteur et de la température. Cela garantit que la consommation d'eau est maintenue à un minimum absolu. Dans une action rigoureuse sur le circuit, il est toujours nécessaire de refaire le plein d'eau chaque fois que la voiture doit faire le plein. En fonctionnement standard, les intervalles entre les remplissages d'eau sont considérablement plus longs, selon le style de conduite. Même en roulant plus vite sur l'autoroute, il est seulement nécessaire de remplir le réservoir d'eau environ tous les cinq arrêts pour faire le plein. Pour garantir que le système est aussi adapté que possible à une utilisation quotidienne, il ne nécessite aucune maintenance supplémentaire.

En d'autres termes, pour une utilisation normale sur votre voiture, la quantité d'eau nécessaire pour empêcher le moteur de cogner est si minime qu'un réservoir de 5 litres est suffisant pour faire un kilométrage important.

Grande question, BTW.

Mes rêveries

La nette différence entre les deux approches devient évidente; ce sont vraiment des ordres de grandeur :

• L'injection d'eau nécessite en moyenne 9 cc / min
• Crower six temps nécessite une moyenne de 572 cc / min

Calculs, hypothèses énumérés ci-dessous.

La configuration Bosch

Cet article affirme que le système d'injection d'eau fournit un refroidissement supplémentaire de 80 ° F (44 ° C) :

En fonction de la conception et de la taille du système et de l'aérodynamique du véhicule, il est uniquement possible d'utiliser un refroidisseur intermédiaire pour réduire la température de l'air d'admission jusqu'à 160 ° F avant qu'il n'entre dans le plénum. Cela signifie que simplement augmenter la puissance du moteur en augmentant la pression de suralimentation n'est pas une option car cela signifierait dépasser le seuil de cliquetis.

C'est là qu'intervient la solution de la division BMW M: si de l'eau est injectée dans un fin brouillard de pulvérisation dans le plénum d'admission, il est possible de réduire la température de l'air d'admission de 80 ° F supplémentaires .

Génial. Croquons quelques chiffres:

• Supposons que le moteur M4 affiche en moyenne 1 500 tr / min en fonctionnement normal.

  Le taux de volume d'air ingéré par le moteur à cette vitesse est:

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

• Les turbos jumeaux développent 18,1 psi au pic de boost , alors estimons le boost de 4-5 psi en moyenne.

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

  En supposant une température d'air d'admission décente

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

  (Heureusement pour nous, il s'agit d'une configuration d'injection directe, donc les propriétés thermodynamiques de WolframAlpha pour l'air sont utiles)

• En combinant deux et deux, le débit massique moyen d'air (à 100% d'efficacité volumétrique) est:

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

  (Cela pose la question: quelle efficacité volumétrique raisonnable supposer ici? Plus d'informations à ce sujet plus tard)

• Combien d'énergie fait-il changer la température de l'air dans ces conditions?

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

• Et combien d'énergie faut-il pour convertir l'eau en vapeur?

  Chaleur latente de vaporisation de l'eau = 2 230 000 J / kg

  C'est une quantité épique d'énergie. Il éclipse la chaleur spécifique de l'eau, qui est de 4200 J / (kg- ° C).

• Alors, quel est le débit moyen d'eau requis?

  @ 100% VE, l'énergie par seconde nécessaire pour changer la température de l'air de 44 ˚C est:

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

  Cela ne se traduit pas par beaucoup d'eau:

  Exiger un débit massique d'eau par seconde:

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

  En d'autres termes, environ 44 cc / minute à 100% VE .

  Si la VE réelle est de 20%, ce qui est à prévoir à mi-régime, ce chiffre chute à environ 9 cc / minute .

• Selon la réponse de anonyme2, le réservoir d'eau est de 5000 cc

  Donc, à 9 cc / min, le réservoir d'eau devrait durer environ 9,25 heures .

  Si la vitesse moyenne du véhicule à 1500 tr / min est d'environ 45 mph, le réservoir devrait durer environ 40 heures .

  L'écart 4x pourrait être dû à l'une des nombreuses hypothèses avancées. Au moins, la valeur calculée est dans le bon stade.

Le Crower à six temps

(Celui-ci est assez simple)

• La quantité minimale d'eau requise pour exécuter une course de puissance secondaire raisonnable ...

  serait celui dans lequel la vapeur occupe le déplacement du cylindre:

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

  Cela représente environ 1500 l / min, soit 0,25 m3 / s

• Quelle quantité d'eau est nécessaire pour cela?

  Dépend des températures de la culasse, mais en supposant 0,8 bar et 350 ° F, le taux d'expansion est d'environ 2600: 1 .

  Donc le débit d'eau total requis:

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