Wie erreicht der BMW M4 GTS einen geringen Wasserverbrauch in seinem Wassereinspritzsystem?

Bosch hat kürzlich Wellen geschlagen, als angekündigt wurde , das Wassereinspritzsystem des M4 GTS auch für andere Serienfahrzeuge anzubieten.

Jetzt ist die Wassereinspritzung kein neues Konzept. Bruce Crower hat den Sechstaktmotor vor etwa einem Jahrzehnt ins Rampenlicht gerückt, aber die Artikel haben schnell darauf hingewiesen, dass dafür eine erhebliche Menge sauberes Wasser erforderlich ist:

Vorläufige Schätzungen gehen davon aus, dass ein Crower-Cycle-Motor ungefähr so ​​viele Liter Wasser verbraucht wie Kraftstoff.

Ausschlaggebend für diese Frage war die Behauptung von Bosch, dass der Wassertank alle 1800 Meilen (ungefähr 2900 km) aufgefüllt werden muss .

Das ist eine Größenordnung weniger Wasserverbrauch. Woher?

Im Video im verlinkten Artikel sieht es nicht so aus, als würden sie das Wasser recyceln / filtern.

Natürlich könnte es sein, dass die benötigte Wassermenge winzig ist, aber ich verstehe nicht, wie sich der Größenordnungsunterschied zwischen diesem Bosch-Design und dem Crower-Sechstakt erklären lässt.

Aha, hier ist, was ich glaube, die wahre Antwort .

Während der MotoGP M4 sein Wasser aus einem manuell gefüllten Tank im Kofferraum bezieht, ist der neueste wassergekühlte Prototyp von BMW mit einem Wasserrückgewinnungssystem ausgestattet, das sich ständig mit Kondenswasser aus der Klimaanlage auffüllt.

Witzig, mein Bruder und ich diskutierten über Wassereinspritzung, und wir schlugen die Idee vor, Wasser aus dem Wechselstromsystem zu verwenden. Ich dachte, ich würde es untersuchen, um herauszufinden, ob jemand daran gedacht hätte, und ... tada!

Bei beiden Motoren gibt es zwei wesentliche Unterschiede.

Das Design des Crower-Motors verwendet sechs Takte, um das zu erreichen, was er tut. Mit den zusätzlichen zwei Hüben wird ein zusätzlicher Krafthub erzeugt (so haben Sie zwei Krafthübe pro drei Umdrehungen der Kurbelwelle anstelle des einzelnen Krafthubs des Otto-Zyklus für jeweils zwei Umdrehungen). Die Idee ist, die Wärmeenergie, die bereits vorhanden ist, zu nutzen, die sonst aus dem Auspuffrohr austritt oder durch den Kühler abgetaucht wird. Zu diesem Zweck wird ständig Wasser verwendet.

Wofür BMW Wasser verwendet, ist eher die typische Idee der Wassereinspritzung. Das heißt, es wird verwendet, um die Detonation im Zylinder zu kontrollieren. Wenn der Motor es nicht in stressigen Situationen benötigt, wird das Wasser nicht verwendet. Wenn es dann verwendet wird, wird es nur sparsam verwendet ... gerade genug, um sicherzustellen, dass die Detonation unterdrückt wird. Dies ermöglicht höhere Motorleistungen, ohne den Motor töten zu müssen.

Für einen kleinen Hintergrund darüber, warum die Verwendung von Wasser in beiden Situationen so gut ist, gibt es mehrere Gründe:

1. Expansionsrate des Wassers bei der Umwandlung in Dampf. Bei 300 ° C dehnt sich Wasser mit einer Geschwindigkeit von ca. 3300: 1 aus. Meines Wissens ist dies weit mehr als die Ausdehnung von Luft / Kraftstoff, wenn es verbrannt wird. Wenn Sie mit Dampf heißer werden, dehnt sich der Dampf stärker aus.
2. Wasser, das sich in Dampf verwandelt, neigt dazu, die Brennkammer und den Zylinder zu reinigen. Ein sauberer Motor ist ein fröhlicher Motor.
3. Wasser wirkt als Detonationsminderer. Dies gilt mehr für die BMW Arbeitsweise, gilt aber weiterhin. Tatsächlich kann Wasser dem Kraftstoff ungefähr 10 Oktanzahlpunkte hinzufügen (unter Verwendung der R + M / 2-Methode). Statt 91 Oktan haben Sie jetzt 101 Oktan ... gutes Zeug.
4. Wasser im Ansaugsystem erzeugt aufgrund der Energieaufnahme eine dichtere Ansaugladung. Wasser kann viel davon aufsaugen. Dies gilt wiederum mehr für die BMW Arbeitsweise.
5. Da die Wassereinspritzung die Verbrennungstemperaturen senkt, wird die Menge an Stickoxiden (NOx), die entsteht, wenn es zu heiß wird, erheblich reduziert. Von den drei Hauptschadstoffen, die üblicherweise bei der Verbrennung entstehen (Kohlenwasserstoffe [HC] und Kohlenmonoxid [CO] als die beiden anderen), sind NOx-Formationen für Luftatmer wie Sie oder mich wahrscheinlich die schädlichsten.

Es gibt wahrscheinlich mehr Gründe, aber dies sind einige der guten.

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

Im Kofferraum des BMW M4 MotoGP Safety Car befindet sich ein Wassertank mit einem Bruttovolumen von rund fünf Litern, in dem sich die Wasserpumpe, Sensoren und Ventile befinden. Pumpe und komplettes System von Sensoren und Stellgliedern werden von der Motorelektronik gesteuert, die entsprechend aufgerüstet wurde. In der Praxis fördert die Pumpe das Wasser mit einem Druck von zehn bar zu den Injektoren, wobei je nach Last, Motordrehzahl und Temperatur das entsprechende Volumen zugeführt wird. Dies stellt sicher, dass der Wasserverbrauch auf ein absolutes Minimum reduziert wird. Bei harten Einsätzen auf der Rennstrecke ist es immer notwendig, die Wasserversorgung aufzufüllen, wenn das Auto tanken muss. Im Normalbetrieb sind die Intervalle zwischen den Wassernachfüllungen je nach Fahrweise erheblich länger. Selbst wenn Sie schneller auf der Autobahn fahren, Der Wasserbehälter muss nur ungefähr alle fünf Tankstopps nachgefüllt werden. Um sicherzustellen, dass das System für den täglichen Gebrauch so gut wie möglich geeignet ist, ist keine zusätzliche Wartung erforderlich.

Mit anderen Worten, für den normalen Gebrauch in Ihrem Auto ist die zum Verhindern von Motorklopfen erforderliche Wassermenge so gering, dass ein 5-Liter-Tank für eine erhebliche Kilometerleistung ausreicht.

Gute Frage, übrigens.

Meine Überlegungen

Der starke Unterschied zwischen den beiden Ansätzen wird offensichtlich. Sie sind wirklich Größenordnungen voneinander entfernt :

• Die Wassereinspritzung erfordert durchschnittlich 9 cm³ / min
• Crower Sechstakt benötigt durchschnittlich 572 ccm / min

Berechnungen, Annahmen unten aufgeführt.

Das Bosch-Setup

In diesem Artikel wird behauptet, dass das Wassereinspritzsystem eine zusätzliche Kühlung von 44 ° C bietet :

Abhängig von der Konstruktion und Größe des Systems sowie der Aerodynamik des Fahrzeugs kann die Ansauglufttemperatur mit einem Ladeluftkühler nur um 160 ° F gesenkt werden, bevor sie in den Luftraum eintritt. Dies bedeutet, dass ein einfaches Erhöhen der Motorleistung durch Erhöhen des Ladedrucks keine Option ist, da dies ein Überschreiten der Klopfschwelle bedeuten würde.

Hier setzt die Lösung der BMW M Division an: Wenn Wasser in einem feinen Sprühnebel in die Ansaugkammer eingespritzt wird, kann die Temperatur der Ansaugluft um weitere 30 ° C gesenkt werden .

Groß. Lassen Sie uns ein paar Zahlen knacken:

• Nehmen wir an, dass der M4-Motor im regulären Betrieb eine durchschnittliche Drehzahl von 1500 U / min hat.

  Die vom Motor bei dieser Drehzahl aufgenommene Luftmenge beträgt:

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

• Die Zwillingsturbos entwickeln bei maximaler Beschleunigung 18,1 psi. Lassen Sie uns also eine durchschnittliche Beschleunigung von 4 bis 5 psi veranschlagen.

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

  Unter der Annahme einer anständigen Ansauglufttemperatur

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

  (Zum Glück handelt es sich um eine Direkteinspritzung, daher sind die thermodynamischen Eigenschaften von WolframAlpha für Luft nützlich.)

• Wenn zwei und zwei kombiniert werden, beträgt der durchschnittliche Luftmassenstrom (bei 100% volumetrischem Wirkungsgrad):

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

  (Dies wirft die Frage auf: Was ist hier ein angemessener volumetrischer Wirkungsgrad anzunehmen? Mehr dazu später)

• Wie viel Energie bewirkt es, dass sich die Luft unter diesen Bedingungen erwärmt?

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

• Und wie viel Energie wird benötigt, um Wasser in Dampf umzuwandeln?

  Latente Verdampfungswärme von Wasser = 2.230.000 J / kg

  Das ist eine epische Menge an Energie. Es speichert die spezifische Wärme des Wassers, die 4200 J / (kg- ° C) beträgt.

• Wie hoch ist der durchschnittliche Wasserdurchsatz?

  Bei 100% VE beträgt die Energie pro Sekunde, die erforderlich ist, um die Lufttemperatur um 44 ° C zu ändern:

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

  Das bedeutet nicht viel Wasser:

  Wassermengenstrom pro Sekunde benötigen:

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

  Mit anderen Worten, ungefähr 44 cm³ / Minute bei 100% VE .

  Wenn die reale VE 20% beträgt, was bei Teillast zu erwarten ist, sinkt diese Zahl auf etwa 9 cm³ / Minute .

• Laut anonymous2 beträgt der Wassertank 5000 ccm

  Bei 9 cc / min sollte der Wassertank also ungefähr 9,25 Stunden halten .

  Wenn die durchschnittliche Fahrzeuggeschwindigkeit bei 1500 U / min etwa 45 Meilen pro Stunde beträgt, sollte der Tank ungefähr 40 Stunden halten .

  Die 4x-Diskrepanz könnte auf eine der vielen getroffenen Annahmen zurückzuführen sein. Zumindest der berechnete Wert befindet sich im richtigen Baseballstadion.

Der Crower Sechs-Takt

(Dies ist ziemlich einfach)

• Die Mindestmenge an Wasser, die erforderlich ist, um einen angemessenen sekundären Krafthub auszuführen ...

  wäre eine, bei der Dampf den Hubraum des Zylinders einnimmt:

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

  Das sind ungefähr 1500 l / min oder 0,25 m3 / s

• Wie viel Wasser wird dafür benötigt?

  Abhängig von den Zylinderkopftemperaturen, aber unter der Annahme von 0,8 bar und 350 ° F beträgt das Expansionsverhältnis ungefähr 2600: 1 .

  Also Gesamtwasserdurchfluss erforderlich:

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