name | autoweek.cz
Vyšší výkon pomocí vstřikování vody
21.03.2015 | Vladimír Rybecký | Aktuality
Stejně jako v uplynulém roce bude speciální verze vozu BMW M4 Coupé v roce 2015 opět v čele bezpečnostních vozů v mistrovství světa MotoGP. Nový Safety Car BMW M4 MotoGP je vybaven motorem vybaveným inovativním vstřikováním vody.
Safety Car BMW M4 Coupé MotoGP je koncipován pro jízdu po závodních okruzích. Pomáhá mu v tom zážehový vysokootáčkový řadový šestiválec M TwinPower Turbo. Sériová verze tohoto motoru poskytuje nejvyšší výkon 317 kW (431 k) a maximální točivý moment 550 N.m v širokém rozsahu využitelných otáček.
Safety Car MotoGP ale musí disponovat ještě vyššími výkonovými parametry. Inženýři divize BMW M proto tuto pohonnou jednotku vybavili inovativním vstřikováním vody. Vstřikování vody umožňuje zvýšit limit maximálního výkonu, který je jinak omezen tepelnou odolností. Inovativní systém zajišťuje kromě vyššího výkonu a točivého momentu také vynikající účinnost společně s nízkou spotřebou paliva a produkcí emisí při plném zatížení. Safety Car BMW M4 MotoGP otevírá možnost využití této technologie v budoucích sériově vyráběných modelech.
Propracovaný systém chlazení pro maximální výkon
Vysoký potenciální výkon přeplňovaného šestiválce kladl dosud mimořádně vysoké nároky na řízení provozní teploty motoru a jeho pomocných agregátů. Pro zajištění optimálních provozních teplot za všech okolností obrátila divize BMW M svou pozornost k chladicí soustavě.
Kromě hlavního chladiče zaručují vyvážené řízení teploty ve vysokoteplotních a nízkoteplotních okruzích další doplňkové chladiče. To platí i pro převodovku a turbodmychadla. Stlačený vzduch, který se v turbodmychadle zahřívá, je ochlazován nepřímým mezichladičem s přídavným elektrickým vodním čerpadlem.
Výrazné zvýšení výkonu klade ještě vyšší nároky na tepelnou bilanci motoru, zejména na chlazení stlačeného vzduchu. Tento problém byl vyřešen pomocí inovativního vstřikování vody do sání. Systém vstřikování vody nalezne po intenzivních testech během mistrovství světa MotoGP v blízké budoucnosti uplatnění také v sériové výrobě divize BMW M. Tento systém výrazně zvyšuje provozní výkony na silnici a je vhodný pro každodenní provoz.
Vstřikování vody: efektivní chlazení zvyšuje účinnost
Systém vstřikování vody optimalizuje výkonové parametry a spotřebu paliva přeplňovaného řadového šestiválce při plném zatížení. Inženýři využívají fyzikálního účinku odpařování vody k získávání potřebné energie z okolního média.
Voda je jemně rozprašována do sacího modulu a odpařováním výrazně ochlazuje stlačený nasávaný vzduch. Tím se snižuje teplota ve spalovacím prostoru a s ní i tendence k detonačnímu spalování (tzv. klepání motoru). Přeplňovaný motor proto může pracovat s vyšším plnicím tlakem a optimalizovaným předstihem zážehu.
Nižší provozní teplota také zabraňuje tvorbě škodlivých látek, zejména oxidů dusíku (NOx). Vstřikování vody zvyšuje výkon i točivý moment a současně zaručuje vynikající hodnoty spotřeby paliva a emisí. Vyšší úrovně výkonu je dosahováno bez zvýšení tepelného namáhání, jemuž jsou vystaveny příslušné komponenty, takže spolehlivost těchto dílů není dotčena.
Potenciál pro systematické využití
Předností vstřikování vody lze využít různými způsoby v závislosti na konstrukci motoru a vozidla. Pokud je motor, jehož turbodmychadlo dosahuje svých nejvyšších otáček při nominálním výkonu, plně přeplňován, umožní dodatečné vstřikování vody zvýšit výkon a snížit spotřebu paliva přibližně o 8 %. Zvýšením množství vstřikované vody jsou zároveň kompenzovány ztráty výkonu v důsledku zvýšení teploty vzduchu (> 20 °C). A nakonec lze místo zvýšení výkonu nastavit vstřikování vody s cílem snížit spotřebu paliva, což umožňuje ještě vyšší úspory při plném zatížení.
Počítá-li se v konstrukci vysokovýkonného motoru se vstřikováním vody, může být použito turbodmychadlo s vyšším plnicím tlakem a zároveň zachován vysoký kompresní poměr motoru. Výsledkem je výrazné zvýšení výkonových parametrů a snížení hodnot spotřeby paliva a emisí při plném zatížení.
Mechanismus vstřikování vody podrobně
Výkon spalovacího motoru je limitován rozmanitými faktory, včetně provozní teploty ve spalovacích prostorech. Po překročení této teploty dochází k nekontrolovanému spalování (tzv. klepání), a tím ke ztrátě výkonu, v nejhorším případě až k drahému poškození motoru. Tato skutečnost je obzvlášť důležitá u přeplňovaného motoru, protože nasávaný vzduch se stlačením v turbodmychadle zahřeje.
Mezichladič zajišťuje potřebný pokles teploty, ale i to má své fyzikální limity. V závislosti na konstrukci a rozměrech chladicí soustavy a aerodynamických vlastnostech vozu dosahuje nasávaný vzduch teplotu, která je jen nepatrně pod hranicí maximální přípustné hodnoty.
Zvýšením plnicího tlaku by došlo k překročení limitu pro vznik detonačního spalování. Není to tedy vhodný prostředek ke zvyšování výkonu. Divize BMW M proto vyvinula řešení v podobě vstřikování jemně rozprašované vody do sacího potrubí, které způsobuje další výrazné snížení teploty vzduchu ve spalovacím prostoru.
Chladnější stlačovaný vzduch snižuje sklon motoru k detonačnímu spalování, což umožňuje posunout okamžik zážehu blíž k časnější, optimální hodnotě. Spalovací proces tím získává na účinnosti a zároveň klesá teplota spalování. Na druhé straně má chladnější vzduch vyšší hustotu, čímž se zvětšuje množství kyslíku ve spalovacím prostoru. Z toho plyne vyšší střední tlak během spalovacího procesu a tím i optimalizovaný průběh výkonu a točivého momentu.
Účinné vnitřní chlazení spalovacích prostorů nakonec snižuje tepelné zatížení mnoha komponent důležitých pro výkonové vlastnosti motoru. Nejenže se tím zabraňuje poškození pístů, výfukových ventilů a katalyzátorů, ale snižuje se také zatížení turbodmychadla, které je vystavováno nižším teplotám výfukových plynů.
Dosažení protichůdných cílů
Použití vstřikování vody ke zvýšení limitu detonačního spalování umožňuje dosahovat při konstrukci výkonných motorů také zdánlivě protichůdných cílů. Výkonové parametry a spotřeba paliva jsou v neposlední řadě určovány kompresním poměrem. Ve zvláštní míře to platí pro motory s vysokým stupněm přeplňování, jako je řadový šestiválec BMW M TwinPower Turbo. Tento motor má díky vysokému kompresnímu poměru vysokou účinnost a nízkou spotřebu paliva zejména v oblasti částečného zatížení.
Maximální hodnota kompresního poměru je však limitována sklonem k detonacím při plném zatížení. Vstřikování vody je tedy velmi přínosné, protože potlačuje sklon motoru k detonacím a současně umožňuje provoz s vyšším kompresním poměrem. Přeplňovaný motor tak může dosáhnout optimálních výkonových parametrů v širokém rozsahu provozních otáček.
Potenciál této techniky je tím vyšší, čímž nižší má používaný benzin oktanové číslo. Protože benzin s oktanovým číslem 98 není dostupný všude na světě, umožňuje vstřikování vody dosáhnout optimálních výkonových parametrů a spotřeby paliva i při spalování benzinu Natural 95.
Použití nové technologie v BMW M4 MotoGP Safety Car
Co se týče umístění systému vstřikování vody, rozhodli se inženýři divize BMW M pro uspořádání se třemi vstřikovacími ventily ve sběrné komoře pro nasávaný vzduch, z nichž každý zásobuje dva válce řadového šestiválce. Toto řešení zajišťuje velmi rovnoměrné rozdělování vody a také umožňuje kompaktní konstrukci systému.
Nádrž na vodu s přibližným objemem 5 l zahrnuje vodní čerpadlo, senzory a ventily a je umístěna v zavazadlovém prostoru. Čerpadlo a kompletní systém senzorů a regulačních prvků jsou ovládány elektronickou řídicí jednotkou motoru, která byla příslušným způsobem upravena.
V praxi přivádí čerpadlo vodu ke vstřikovačům pod tlakem 10 bar, přičemž objem vody závisí na zatížení, otáčkách motoru a teplotě. Tím je zajištěna nejnižší možná spotřeba vody. V náročném provozu na závodním okruhu je vždy nezbytné doplnit zásobu vody vždy při čerpání paliva. Během běžného provozu jsou intervaly mezi doplňováním vody výrazně delší v závislosti na jízdním stylu. Dokonce i při rychlejší jízdě na dálnici je nutné nádrž vody doplňovat přibližně jen při každém pátém čerpání paliva. Systém nevyžaduje žádnou další údržbu, takže je vhodný i pro každodenní provoz.
Maximální bezpečnost
Vstřikování vody BMW M pracuje z bezpečnostních důvodů s propracovaným automatickým diagnostickým systémem. Po vyprázdnění nádrže s vodou nebo poruše částí systému jsou přijata příslušná opatření na ochranu poháněcí jednotky. Dojde k úpravě hodnot plnicího tlaku a předstihu zapalování, aby mohl motor pracovat dál bez jakýchkoli omezení s výjimkou poklesu výkonových parametrů.
Široká škála opatření také zajišťuje funkčnost systému během normálního provozu. Po vypnutí motoru se voda vrátí z potrubí zpátky do nádrže, aby se zabránilo zamrznutí komponent systému v mrazivém počasí. I samotná nádrž s vodou je mrazuvzdorná.
Safety Car MotoGP ale musí disponovat ještě vyššími výkonovými parametry. Inženýři divize BMW M proto tuto pohonnou jednotku vybavili inovativním vstřikováním vody. Vstřikování vody umožňuje zvýšit limit maximálního výkonu, který je jinak omezen tepelnou odolností. Inovativní systém zajišťuje kromě vyššího výkonu a točivého momentu také vynikající účinnost společně s nízkou spotřebou paliva a produkcí emisí při plném zatížení. Safety Car BMW M4 MotoGP otevírá možnost využití této technologie v budoucích sériově vyráběných modelech.
Propracovaný systém chlazení pro maximální výkon
Vysoký potenciální výkon přeplňovaného šestiválce kladl dosud mimořádně vysoké nároky na řízení provozní teploty motoru a jeho pomocných agregátů. Pro zajištění optimálních provozních teplot za všech okolností obrátila divize BMW M svou pozornost k chladicí soustavě.
Kromě hlavního chladiče zaručují vyvážené řízení teploty ve vysokoteplotních a nízkoteplotních okruzích další doplňkové chladiče. To platí i pro převodovku a turbodmychadla. Stlačený vzduch, který se v turbodmychadle zahřívá, je ochlazován nepřímým mezichladičem s přídavným elektrickým vodním čerpadlem.
Výrazné zvýšení výkonu klade ještě vyšší nároky na tepelnou bilanci motoru, zejména na chlazení stlačeného vzduchu. Tento problém byl vyřešen pomocí inovativního vstřikování vody do sání. Systém vstřikování vody nalezne po intenzivních testech během mistrovství světa MotoGP v blízké budoucnosti uplatnění také v sériové výrobě divize BMW M. Tento systém výrazně zvyšuje provozní výkony na silnici a je vhodný pro každodenní provoz.
Vstřikování vody: efektivní chlazení zvyšuje účinnost
Systém vstřikování vody optimalizuje výkonové parametry a spotřebu paliva přeplňovaného řadového šestiválce při plném zatížení. Inženýři využívají fyzikálního účinku odpařování vody k získávání potřebné energie z okolního média.
Voda je jemně rozprašována do sacího modulu a odpařováním výrazně ochlazuje stlačený nasávaný vzduch. Tím se snižuje teplota ve spalovacím prostoru a s ní i tendence k detonačnímu spalování (tzv. klepání motoru). Přeplňovaný motor proto může pracovat s vyšším plnicím tlakem a optimalizovaným předstihem zážehu.
Nižší provozní teplota také zabraňuje tvorbě škodlivých látek, zejména oxidů dusíku (NOx). Vstřikování vody zvyšuje výkon i točivý moment a současně zaručuje vynikající hodnoty spotřeby paliva a emisí. Vyšší úrovně výkonu je dosahováno bez zvýšení tepelného namáhání, jemuž jsou vystaveny příslušné komponenty, takže spolehlivost těchto dílů není dotčena.
Potenciál pro systematické využití
Předností vstřikování vody lze využít různými způsoby v závislosti na konstrukci motoru a vozidla. Pokud je motor, jehož turbodmychadlo dosahuje svých nejvyšších otáček při nominálním výkonu, plně přeplňován, umožní dodatečné vstřikování vody zvýšit výkon a snížit spotřebu paliva přibližně o 8 %. Zvýšením množství vstřikované vody jsou zároveň kompenzovány ztráty výkonu v důsledku zvýšení teploty vzduchu (> 20 °C). A nakonec lze místo zvýšení výkonu nastavit vstřikování vody s cílem snížit spotřebu paliva, což umožňuje ještě vyšší úspory při plném zatížení.
Počítá-li se v konstrukci vysokovýkonného motoru se vstřikováním vody, může být použito turbodmychadlo s vyšším plnicím tlakem a zároveň zachován vysoký kompresní poměr motoru. Výsledkem je výrazné zvýšení výkonových parametrů a snížení hodnot spotřeby paliva a emisí při plném zatížení.
Mechanismus vstřikování vody podrobně
Výkon spalovacího motoru je limitován rozmanitými faktory, včetně provozní teploty ve spalovacích prostorech. Po překročení této teploty dochází k nekontrolovanému spalování (tzv. klepání), a tím ke ztrátě výkonu, v nejhorším případě až k drahému poškození motoru. Tato skutečnost je obzvlášť důležitá u přeplňovaného motoru, protože nasávaný vzduch se stlačením v turbodmychadle zahřeje.
Mezichladič zajišťuje potřebný pokles teploty, ale i to má své fyzikální limity. V závislosti na konstrukci a rozměrech chladicí soustavy a aerodynamických vlastnostech vozu dosahuje nasávaný vzduch teplotu, která je jen nepatrně pod hranicí maximální přípustné hodnoty.
Zvýšením plnicího tlaku by došlo k překročení limitu pro vznik detonačního spalování. Není to tedy vhodný prostředek ke zvyšování výkonu. Divize BMW M proto vyvinula řešení v podobě vstřikování jemně rozprašované vody do sacího potrubí, které způsobuje další výrazné snížení teploty vzduchu ve spalovacím prostoru.
Chladnější stlačovaný vzduch snižuje sklon motoru k detonačnímu spalování, což umožňuje posunout okamžik zážehu blíž k časnější, optimální hodnotě. Spalovací proces tím získává na účinnosti a zároveň klesá teplota spalování. Na druhé straně má chladnější vzduch vyšší hustotu, čímž se zvětšuje množství kyslíku ve spalovacím prostoru. Z toho plyne vyšší střední tlak během spalovacího procesu a tím i optimalizovaný průběh výkonu a točivého momentu.
Účinné vnitřní chlazení spalovacích prostorů nakonec snižuje tepelné zatížení mnoha komponent důležitých pro výkonové vlastnosti motoru. Nejenže se tím zabraňuje poškození pístů, výfukových ventilů a katalyzátorů, ale snižuje se také zatížení turbodmychadla, které je vystavováno nižším teplotám výfukových plynů.
Dosažení protichůdných cílů
Použití vstřikování vody ke zvýšení limitu detonačního spalování umožňuje dosahovat při konstrukci výkonných motorů také zdánlivě protichůdných cílů. Výkonové parametry a spotřeba paliva jsou v neposlední řadě určovány kompresním poměrem. Ve zvláštní míře to platí pro motory s vysokým stupněm přeplňování, jako je řadový šestiválec BMW M TwinPower Turbo. Tento motor má díky vysokému kompresnímu poměru vysokou účinnost a nízkou spotřebu paliva zejména v oblasti částečného zatížení.
Maximální hodnota kompresního poměru je však limitována sklonem k detonacím při plném zatížení. Vstřikování vody je tedy velmi přínosné, protože potlačuje sklon motoru k detonacím a současně umožňuje provoz s vyšším kompresním poměrem. Přeplňovaný motor tak může dosáhnout optimálních výkonových parametrů v širokém rozsahu provozních otáček.
Potenciál této techniky je tím vyšší, čímž nižší má používaný benzin oktanové číslo. Protože benzin s oktanovým číslem 98 není dostupný všude na světě, umožňuje vstřikování vody dosáhnout optimálních výkonových parametrů a spotřeby paliva i při spalování benzinu Natural 95.
Použití nové technologie v BMW M4 MotoGP Safety Car
Co se týče umístění systému vstřikování vody, rozhodli se inženýři divize BMW M pro uspořádání se třemi vstřikovacími ventily ve sběrné komoře pro nasávaný vzduch, z nichž každý zásobuje dva válce řadového šestiválce. Toto řešení zajišťuje velmi rovnoměrné rozdělování vody a také umožňuje kompaktní konstrukci systému.
Nádrž na vodu s přibližným objemem 5 l zahrnuje vodní čerpadlo, senzory a ventily a je umístěna v zavazadlovém prostoru. Čerpadlo a kompletní systém senzorů a regulačních prvků jsou ovládány elektronickou řídicí jednotkou motoru, která byla příslušným způsobem upravena.
V praxi přivádí čerpadlo vodu ke vstřikovačům pod tlakem 10 bar, přičemž objem vody závisí na zatížení, otáčkách motoru a teplotě. Tím je zajištěna nejnižší možná spotřeba vody. V náročném provozu na závodním okruhu je vždy nezbytné doplnit zásobu vody vždy při čerpání paliva. Během běžného provozu jsou intervaly mezi doplňováním vody výrazně delší v závislosti na jízdním stylu. Dokonce i při rychlejší jízdě na dálnici je nutné nádrž vody doplňovat přibližně jen při každém pátém čerpání paliva. Systém nevyžaduje žádnou další údržbu, takže je vhodný i pro každodenní provoz.
Maximální bezpečnost
Vstřikování vody BMW M pracuje z bezpečnostních důvodů s propracovaným automatickým diagnostickým systémem. Po vyprázdnění nádrže s vodou nebo poruše částí systému jsou přijata příslušná opatření na ochranu poháněcí jednotky. Dojde k úpravě hodnot plnicího tlaku a předstihu zapalování, aby mohl motor pracovat dál bez jakýchkoli omezení s výjimkou poklesu výkonových parametrů.
Široká škála opatření také zajišťuje funkčnost systému během normálního provozu. Po vypnutí motoru se voda vrátí z potrubí zpátky do nádrže, aby se zabránilo zamrznutí komponent systému v mrazivém počasí. I samotná nádrž s vodou je mrazuvzdorná.
Další články
© 2024 autoweek.cz. Veškerá práva vyhrazena | O autoweek.cz