Powszechnie wiadomo, że woda i paliwo nie są pożądanym połączeniem. Nowoczesne filtry paliwa wyposażone są często w czujniki obecności wody w paliwie, a kwestia absorbcji wody była jednym z argumentów podnoszonym przez przeciwników paliwa E10. Jak się jednak okazuje, dodanie wody do mieszanki paliwowo powietrznej może nieść za sobą szereg benefitów. Nasuwa się jednak pytanie: czy woda w komorze spalania nie zniszczy silnika?

Wtrysk wody do komory spalania realizowany może być na kilka sposobów. Zależnie od rodzaju silnika, oczekiwanych efektów i budżetu woda dodawana może być:

• do układu dolotowego za turbosprężarką,
• do komory spalania poprzez wtrysk bezpośredni,
• bezpośrednio do paliwa tworząc emulsję (tylko silniki wysokoprężne).

Zależnie od sposobu wprowadzenia wody do komory spalania oraz jej udziału procentowego w mieszance paliwowo powietrznej uzyskać można zróżnicowane efekty. Różne skutki uzyskane zostaną także w zależności od rodzaju silnika (benzynowy lub diesel).

Woda w dolocie a wzrost mocy

Układ wtrysku wody do układu dolotowego stosowany jest w głównej mierze w silnikach o zapłonie iskrowym wyposażonych w turbosprężarkę. Jest to rozwiązanie wykorzystywane w samochodach przeznaczonych do motorsportu. W tym przypadku woda ma za zadanie obniżyć temperaturę skompresowanego powietrza, aby zmaksymalizować zagęszczenie tlenu. Jest to dokładnie ta sama funkcja, którą spełnia intercooler. Zastosowanie technologii dotrysku wody zapewnia znaczny przyrost mocy oraz obniżone spalanie.
Ponadto dodatek wody w mieszance paliwowo powietrznej umożliwia obniżenie jej temperatury nawet poniżej temperatury otoczenia. Zimniejsze powietrze wtłaczane do komory spalania zapobiega także powstawaniu zjawiska spalania stukowego. Dzięki temu tunerzy mają możliwość zaprogramowania zapłonu w optymalnym momencie.

Czy dodawanie wody do komory spalania może prowadzić do uszkodzenia silnika? Jest to pytanie, które naturalnie pojawia się w głowach osób, które wiedzą co dzieje się, gdy woda w sposób niepożądany dostanie się do silnika. Jako że woda jest cieczą nieściśliwą, to jej nadmiar w komorze spalania może doprowadzić do uszkodzenia układu korbowo tłokowego. W przypadku celowego dotrysku wody w układzie dolotowym nie należy się jednak martwić negatywnymi skutkami takiego zabiegu. Ilość wody jest tak znikoma, że nie powoduje ryzyka np. wygięcia korbowodu.
Należy w tym miejscu zaznaczyć także że woda stanowi około połowy wprowadzanego płynu. Wtryskiwana do dolotu mieszanina jest złożona z wody i metanolu w proporcjach 1:1 oraz odrobiny oleju, który ma zapobiegać korozji. Dodatek metanolu stosowany jest w celu zapobiegania zamarzania mieszaniny. Ma on także wyższą liczbę oktanową niż benzyna, dzięki czemu pomaga w uchronieniu silnika przed spalaniem stukowym.

Podsumowując, woda wtryskiwana do układu dolotowego nie ma bezpośrednio wysokiego wpływu na moc silnika, ale umożliwia tunerom wykorzystanie m.in. wyższego ciśnienia doładowania czy bardziej efektywnego czasu zapłonu.

Zalety wynikające z zastosowania wtrysku wody:

• Niższa temperatura powietrza wtłaczanego do cylindrów
• Podwyższona odporność na spalanie stukowe
• Niższa temperatura spalin (ochrona turbosprężarki)
• Zredukowana emisja NOx

Woda w oleju napędowym rozwiązaniem problemu z emisją spalin?

Od kilku dekad producenci samochodów zmuszani są do wynajdywania coraz to bardziej zaawansowanych systemów redukujących emisję szkodliwych substancji z rury wydechowej. Cały przemysł motoryzacyjny skupił się na tym, aby oczyszczać gazy, które wydobywają się z cylindrów. Okazuje się jednak, że co najmniej równie zadowalające efekty można uzyskać, zwracając uwagę na to, co do komory spalania trafia.

Podobnie jak w przypadku silników benzynowych, do komory spalania silników można wprowadzić wodę w niewielkich ilościach. W przypadku silników o zapłonie samoczynnym nie stosuje się wody w celu podniesienia mocy, a jej zadaniem jest redukcja emitowanych tlenków azotu i cząstek stałych. Kolejną z różnic jest forma podania wody do silnika. Do silników diesla wodę można podać trzema drogami:

• dotrysk do dolotu
• wtrysk bezpośredni do cylindra
• wymieszanie wody z paliwem (stworzenie emulsji)

Z wymienionych trzech metod najoptymalniejsza okazuje się emulsja oleju napędowego z wodą w proporcjach około 80% paliwa i 20% wody. Dotrysk paliwa do dolotu w tym przypadku daje bardzo niewielkie skutki, a bezpośredni wtrysk wody do cylindra wiąże się z bardzo wysokimi kosztami stosownych przeróbek w silniku.

Aby wyprodukować emulsję należy poddać mieszaninę oleju napędowego i wody złożonemu procesowi. W tym przypadku chodzi konkretnie o mikroemulsję, czyli taką emulsję, w której cząsteczki są w rozmiarze pomiędzy 10 a 200 nm. Tego typu emulsja wyróżnia się swoją wysoką przejrzystością oraz niską wiskotycznością. Trwałość mikroemulsji zależna jest od stężenia wody. Aby mikroemulsja charakteryzowała się wysoką stabilnością, która umożliwi jej stosowanie w motoryzacji, stężenie wody nie może przekraczać 25%.

Zastosowanie wody w paliwie skutkuje dwoma głównymi efektami. Woda w komorze spalania błyskawicznie zmienia się w parę wodną, co wiąże się z pochłonięciem dużej ilości energii cieplnej (spadek temperatury spalania) oraz dynamiczną ekspansją, która wpływa na dokładne rozprowadzenie w komorze spalania mieszanki paliwowo powietrznej.
Oba te zjawiska niosą za sobą redukcję szkodliwych substancji powstających na skutek spalania oleju napędowego. Obniżenie temperatury w komorze spalania skutkuje ograniczeniem wytwarzania się tlenków azotu (NOx) aż do 50%. Jednakże korzyści płynące z zastosowania mikroemulsji maleją wraz ze wzrostem obciążenia silnika. Eksperymenty przeprowadzone na Politechnice Wrocławskiej wykazały, że zastosowanie mikroemulsji o 20% stężeniu wody w znacznym stopniu redukuje powstawanie tlenków azotu w szerokim zakresie obrotów. Sytuacja odwróciła się, dopiero gdy silnik poddany został obciążeniu momentem obrotowym o wartości 200Nm. Wówczas zauważono, że zawartość tlenków azotu w spalinach w przypadku mikroemulsji wzrosła adekwatnie do wzrostu obciążenia, podczas gdy w przypadku czystego oleju napędowego dramatycznie spadła.
Równomierne wymieszanie się paliwa z powietrzem w komorze spalania przyczynia się do obniżenia zawartości cząstek stałych (PM) w spalinach. Na Uniwersytecie Techniczno-Humanistycznym w Radomiu przeprowadzono badania z wykorzystaniem mikroemulsji o zawartości 3,5% oraz 5% wody. Okazało się, że stosowanie 3,5% mikroemulsji skutkuje redukcją powstającej sadzy aż do 50% względem czystego oleju napędowego. Zastosowanie mikroemulsji o wyższym stężeniu nie przyczyniło się już do tak znacznego ograniczenia emisji cząstek stałych.

Czy woda w paliwie będzie wkrótce naszą codziennością?

Jak się okazuje, woda wprowadzona do komory spalania w odpowiedni sposób, przynosi korzyści zarówno w przypadku silników o zapłonie iskrowym, jak i samoczynnym. Jednakże tak jak i zasada działania tych silników, tak i wpływ wody na ich pracę jest odmienny. Mieszanina wody z metanolem w silnikach benzynowych znajduje zastosowanie w pojazdach sportowych skoncentrowanych na jak najwyższej mocy. Jeśli zaś chodzi o silniki diesla, ma ona potencjał na uczynienie z nich nie tylko demonów wydajności, ale także ekologii bez wysokich kosztów tak jak w przypadku układów mających za zadanie oczyszczanie spalin (SCR, DPF i inne).

Źródła:

http://www.astrj.com/pdf-118107-50542?filename=Experimental.pdf

https://kones.eu/ep/2015/vol22/no3/43-48_J_O_KONES_2015_NO._3_VOL._22_ISSN_1231-4005_HALLER.pdf

https://www.bultrans.org/files/proceedings/bultrans-2019.pdf

https://www.bar-tek.com/all-about-water-injection