BMW M4 GTSは、水注入システムでどのように低水消費量を達成していますか？

ボッシュは最近、M4 GTSの水噴射システムを他の量産車に提供する計画を発表したとき、波を打ちました。

現在、注水は新しい概念ではありません。ブルース・クロワーは約10年前に6ストロークエンジンを脚光を浴びましたが、きれいな水を大量に供給する必要があることをすぐに指摘しました。

予備的な推定では、Crowerサイクルエンジンは燃料とほぼ同じガロンの水を使用することを示唆しています。

この質問を引き起こしたのは、1800マイル（約2900 km）ごとに1回水タンクを補充する必要があるというボッシュの主張です。

これは、水の消費量が1桁少なくなっています。どうして？

リンクされた記事のビデオからは、彼らが水のリサイクル/ろ過を行っているようには見えません。

もちろん、必要な水の量はわずかなものかもしれませんが、このBoschデザインとCrowerの6ストロークの大きさの違いをどのように説明するのかわかりません。

ああ、ここが本当の答えだと思う。

しかし、MotoGP M4はブーツ内の手動で満たされたタンクから水を引き出しますが、BMWの最新の水冷プロトタイプには、空調システムからの凝縮水を常に補充する水回収システムが装備されています。

面白いことに、兄と私は水注入について話し合っていたので、ACシステムの水を使用するというアイデアを提案しました。誰かがそれを考えていたかどうかを調べるためにそれを研究すると思いました、そして...多田！

どちらのエンジンで何が起こっているかには、2つの大きな違いがあります。

Crowerエンジンの設計では、6ストロークを使用して、実行していることを実行します。余分な2つのストロークを使用して余分なパワーストロークを作成します（したがって、2回転ごとにオットーサイクルの単一のパワーストロークの代わりに、クランクシャフトの3回転ごとに2つのパワーストロークがあります）。アイデアは、すでに存在する熱エネルギーを利用することです。そうしないと、テールパイプから出て行くか、ラジエーターを介してサイフォンが鳴ります。これを達成するために常に水が使用されています。

BMWが水を使用しているのは、水注入のより一般的なアイデアです。それがシリンダーの爆発を制御するためにそれを使用しているということです。ストレスの多い状況でエンジンが必要としない限り、水は使用されません。それが使用されるとき、それは控えめに使用されます...爆発がスケルチされることを保証するのにちょうど十分です。これにより、エンジンを殺すことを恐れることなく、エンジンからの高出力が可能になります。

どちらの状況でも水を使用するのが良い理由の背景については、いくつかの理由があります。

1. 蒸気に変わるときの水の膨張率。300°Cでは、水は約3300：1の割合で膨張します。私の理解では、これは燃えた空気/燃料の膨張をはるかに超えています。また、蒸気で高温になると、さらに膨張します。
2. 蒸気に変わる水は、燃焼室とシリンダーをきれいにする傾向があります。クリーンなエンジンは幸せなエンジンです。
3. 水は爆発抑制剤として機能します。これは、物事のBMWの方法により多く適用されますが、それでも適用可能です。水は事実上、燃料に約10ポイントのオクタンを追加します（R + M / 2メソッドを使用）。91オクタン燃料の代わりに、101オクタン燃料があります...良いものです。
4. 誘導システム内の水は、エネルギーの吸収により、より高密度の吸入電荷を生成します。水はそれをたくさん吸い込むことができます。これもまた、BMWの物事のやり方にもっと当てはまります。
5. 水を噴射すると燃焼温度が低下するため、物が熱くなりすぎたときに生成される窒素酸化物（NOx）の量が大幅に減少します。燃焼プロセスで一般的に生成される3つの主要な汚染物質（炭化水素[HC]と一酸化炭素[CO]は他の2つ）のうち、NOx形成はおそらくあなたや私のような呼吸器にとって最も有害です。

おそらくもっと多くの理由がありますが、これらはいくつかの良い理由です。

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

BMW M4 MotoGPセーフティカーのブーツには、総容量約5リットルの水タンクがあり、水ポンプ、センサー、バルブが収容されています。ポンプとセンサーおよび作動要素の完全なシステムは、それに応じてアップグレードされたエンジンエレクトロニクスによって制御されます。実際には、ポンプは10 barの圧力でインジェクターに水を送ります。これにより、負荷、エンジン速度、温度に応じて適切な量が供給されます。これにより、水の消費量を最小限に抑えることができます。競馬場での厳しい行動では、車に燃料を補給しなければならないときは常に給水を補充する必要があります。標準運転中、運転スタイルに応じて、水の補充の間隔はかなり長くなります。高速道路をより速く運転する場合でも、給油のために約5停止ごとに水容器を補充する必要があります。システムが可能な限り毎日の使用に適していることを確認するために、追加のメンテナンスは必要ありません。

言い換えれば、あなたの車での通常の使用では、エンジンのノッキングを防ぐために必要な水の量は非常に少ないため、5リットルのタンクで十分な燃費を達成できます。

いい質問ですね、ところで。

私の黙想

2つのアプローチの明確な違いは自明です。彼らは本当に離れて桁違いです：

• 注水には平均9 cc / minが必要です
• Crower 6ストロークには平均572 cc / minが必要です

以下にリストされている計算、仮定。

ボッシュのセットアップ

この記事では、注水システムがさらに80°F（44°C）の冷却を提供すると主張しています。

システムの設計とサイズ、および車両の空力特性に応じて、インタークーラーを使用して、プレナムチャンバーに入る前に吸気温度を最大160°F下げることができます。これは、ノックしきい値を超えることを意味するため、ブースト圧を上げることでエンジン出力を単純に上げることはオプションではないことを意味します。

これがBMW M部門のソリューションの出番です。水が細かいスプレーミストで吸気プレナムチャンバーに注入されると、吸気の温度をさらに80°F下げることができます。

すごい。いくつかの数字を計算しましょう：

• M4エンジンが通常の操作中に平均1500 RPMであると仮定しましょう。

  この速度でエンジンが摂取する空気量の割合は次のとおりです。

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

• ツインターボは、ピークブースト時に18.1 psiを発生するため、平均で4〜5 psiのブーストを推測しましょう。

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

  まともな吸気温度を想定

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

  （幸いなことに、これは直接注入のセットアップであるため、WolframAlphaの空気に対する熱力学的特性が役立ちます）

• 2つと2つを合わせると、平均質量空気流量（@ 100％体積効率）は次のとおりです。

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

  （これは、ここで仮定する合理的な体積効率とは何ですか？それについては後で説明します）

• これらの条件下で、空気はどのくらいのエネルギーで温度を変化させますか？

  どうやら719.5 J /（kg-K）。

• そして、水を蒸気に変換するにはどれくらいのエネルギーが必要ですか？

  水の蒸発の潜熱= 2,230,000 J / kg

  それは壮大なエネルギー量です。それは水の比熱、4200 J /（kg-°C）をd小化します。

• それで、必要な平均水流量は何ですか？

  @ 100％VEで、気温を44℃変化させるのに必要な1秒あたりのエネルギーは次のとおりです。

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

  それは多くの水に変換されません：

  1秒あたりの水の質量流量が必要です。

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

  つまり、約44 cc /分@ 100％VEです。

  現実のVEが20％である場合（これは部分スロットルで予想される）、その数値は約9 cc /分に急落します。

• パーanonymous2の答え水槽は5000 ccで

  したがって、9 cc / minで、水タンクは9.25時間ほど持続します。

  1500 RPMでの平均車両速度が45 mphのような場合、タンクは約40時間持続するはずです。

  4倍の不一致は、多くの仮定の1つにまで及ぶ可能性があります。少なくとも計算された値は正しい球場にあります。

Crower 6ストローク

（これは非常に簡単です）

• 合理的な二次パワーストロークを実現するために必要な水の最小量...

  蒸気がシリンダーの変位を占有するものになります。

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

  それはおよそ1500 l /分、または0.25 m3 / sです

• そのためにどれくらいの水が必要ですか？

  シリンダーヘッドの温度に依存しますが、0.8 barおよび350°Fと仮定すると、膨張比は約2600：1です。

  したがって、必要な総水流量：

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