Сегодня одним из самых именитых производителей систем впрыска воды является британская фирма Aquamist, именно ее продукция стоит на большинстве раллийных автомобилей. Да-да, машины WRC еще пару лет назад ездили «на воде», пока FIA не ввела запрет, но в некоторых других сериях впрыск воды остался!

А вот что касается гражданских автомобилей, то для них фирмой продано всего около двухсот комплектов!

Сегодня такая система стоит от $200 до $3000, и купить ее вполне реально. Вполне реально даже установить. Сложнее – настроить, еще сложнее – правильно настроить. В любом случае, впрыском закиси азота удивить кого-либо сложно, а впрыск воды, судя по всему, еще долго будет оставаться экзотикой.

Это одна из машин, использующих систему от Aquamist.

На 650-сильном моторе стоят три форсунки сечением 0,7 мм. Согласно рекомендациям производителя, расположены они перед интеркулером. Для хранения воды был специально изготовлен алюминиевый бак (стоит около правой фары) емкостью 3,5 литра, которых хватает почти на 15 минут беспрерывного использования системы. Прирост – примерно в 50 л.с. Повторим: в отличие от закиси, впрыск воды может работать минутами и даже часами!

Железо

От теории перейдем к области практического применения. Чтобы система была эффективной и безопасной, она должна соответствовать следующим требованиям: равномерно распределять поток между цилиндрами и менять расход воды в зависимости от объема воздушного потока. Идеальный вариант – когда максимальное количество воды поступает на пике момента. Правильное соотношение вода/воздух – 1:10…1:14 (если недолить – двигатель будет детонировать, первый признак – сильная вибрация; если перелить – топливно-воздушная смесь будет сгорать не полностью, первый признак – стрельба из глушителя). Вода обязательно должна быть дистиллированной. Посмотри на отложения солей в чайнике – ты же не хочешь, чтобы в цилиндрах была такая же гадость!

Между строк можно заметить, что купить сегодня такую систему особых проблем нет, а вот правильно настроить… таких специалистов по всей России можно по пальцам одной руки пересчитать.

Вода должна подаваться в мелкодисперсном виде – у множества маленьких капель больше площадь теплообмена, соответственно, эффективнее испарение (именно поэтому в блюдце чай стынет быстрее, чем в стакане). Как этого добиться? При помощи достаточно мощного насоса и правильного (!) сопла форсунки. В самодельных системах обычно используется насос от оросительной системы и игла от одноразового шприца. Надежность и эффективность такой конструкции под большим вопросом.

В атмосферных двигателях форсунка устанавливается во впускном коллекторе, рядом с дроссельной заслонкой. Владельцам турбовых моторов повезло еще раз – здесь целых три варианта установки: перед компрессом, между компрессором и интеркулером, после интеркулера. В первом случае вместо насоса используется давление наддува, но требования к форсунке очень высоки и компрессор живет достаточно недолго – на крыльчатке появляются отложения солей. Второй случай – из опыта применения в авиации, где форсунки (порой их было больше десятка) устанавливались непосредственно у выхода из турбины. И наконец, третий вариант хорош тем, что вода играет роль дополнительного интеркулера, снижая температуру воздуха в цилиндре примерно на 500 градусов.

Хотя мы и говорим «впрыск воды», только H2O позволяет, в основном, снизить детонацию (плюс, действуя как антиоксидант, препятствует отложению соединений углерода), на деле же применяется смесь воды и метанола в соотношении 50:50. И сейчас объясним, почему.

Вода имеет очень высокую теплоемкость (именно поэтому вблизи моря изменение температуры происходит более плавно), что способствует снижению температуры поступающего воздуха, а мы знаем из школьного курса физики, что для сжатия более холодного воздуха требуется затратить меньше энергии. То есть, грубо говоря, вода играет роль интеркулера.

Однако что же получается? С одной стороны, теперь мы можем «загнать» в цилиндр больше кислорода, но, с другой, вода испаряется, оставляя меньше места для кислорода. Получается, что оба фактора нейтрализуют друг друга! Если бы не одно приятное «но» — вода, испаряясь, увеличивается в объеме, а значит, увеличивается и давление внутри цилиндра, следовательно, наблюдается и прирост мощности – около 10%.

Кроме того, вода при впрыске становится мелкодисперсной средой с размером частиц – капель – около 0,01 мм, и бензин эти капли сразу обволакивает – примерно так же, как он растекается по поверхности лужи. Камера сгорания, таким образом, получается заполненной более равномерно (более гомогенизированная смесь). Это увеличивает КПД и, опять же, снижает риск детонации.

Не лишним будет напомнить, что ни одна система не может полноценно использоваться без соответствующей настройки двигателя – это или забеднение смеси, или увеличение давления, или более раннее зажигание. «Заточенные» самолетные двигатели времен Люфтваффе имели устройства для автоматического обеднения смеси во время впрыска воды. Если говорить про сегодняшний день, то Saab не так давно стал применять на турбированных двигателях впрыск воды в сочетании с бедной смесью, но здесь это сделано с целью экономии топлива и снижения вредного выброса в атмосферу.

А теперь про метанол. Этот спирт горит гораздо медленнее, нежели бензин, благодаря чему давление в цилиндрах нарастает более плавно и его пик возникает позже. Что происходит? Увеличивается момент, а следовательно, и мощность, которая напрямую зависит от соотношения момента и числа оборотов.

Но самое «вкусное» – правильно установленная и настроенная система совершенно безопасна для двигателя! Более того, как уже было сказано, вода препятствует отложению соединений углерода! Словом, когда сгниет все железо, мотор еще твоим внукам достанется. А гидроудара бояться не стоит – для того чтобы повредить мотор, надо просто утонуть в броде с работающим мотором, а разумные количества воды для движка не страшны.

Большая часть тюнинг — технологий, применяемых сегодня, известны уже чуть ли не сто лет (это наддув, впрыск азота и многое другое), а восемьдесят процентов процессов, происходящих в цилиндре, не изучены до конца и по сей день. Неплохой потенциал, правда? Но в этой статье пойдет речь о непосредственном вспрыске… Впрыске воды!

Вообще, нормальный автолюбитель как огня боится воды (то есть гидроудара), и понятие «впрыск воды в цилиндры» звучит для него абсурдно. Одна только мысль о наличии в цилиндре хотя бы капли самого распространенного на нашей планете соединения может довести до сердечного приступа. Но «нормальные автомобилисты» тем и отличаются, что читают «Приусадебное хозяйство», так что за твое здоровье мы спокойны.

Немного истории

Как было уже замечено, большая часть технологий далеко не нова, и первые опыты с впрыском воды в двигатель начались еще в 30-х годах. А первый патент на такую систему выдан в СССР в 1934 году! В те далекие времена никто еще и не помышлял об использовании этой технологии для получения добавочной мощности – опыты ставились с целью избежать явления детонации в цилиндрах (взрыва топливно-воздушной смеси в цилиндре вместо прогрессивного горения).

Непосредственно для увеличения мощности впрыск воды, наряду с впрыском закиси, был впервые использован во время Второй мировой войны в самолетных двигателях. В Германии «на воде» летали знаменитые «Мессеры», в СССР – Илы и МиГи. Однако новые реактивные двигатели, как ты уже знаешь, убили все перспективные разработки по поршневым моторам.

Так бы и остался впрыск воды забытым, если бы не бедственное положение народного хозяйства в послевоенные годы. Система вновь начала применяться, позволяя использовать бензин с более низким октановым числом без ущерба для двигателя.

Осталось вспомнить и еще об одном важном компоненте многих нагнетателей. Дело в том, что сжатие воздуха приводит к его нагреву. Но чем выше температура, тем меньше плотность газа, а терять драгоценный окислитель ой как не хочется. Для охлаждения сжатого воздуха и применяют так называемый интеркулер.

По своей сути это обычный радиатор, который охлаждается либо потоком набегающего воздуха, либо специальной жидкостью. Последнее, правда, потребует создания отдельной охлаждаю­щей системы. В обязательном порядке такой опцией оснащаются нагнетатели объемного типа. В них, наряду с традиционным нагревом от сжатия, происходит дополнительный нагрев воздушного заряда из за турбулентности в нагнетательном трубопроводе. Бытует мнение о том, что любой нагнетатель пагубно сказывается на ресурсе двигателя. Отчасти эта точка зрения не лишена смысла. С приростом мощности возрастут и нагрузки на стоковые детали двигателя, что потребует их замены на более прочные. С другой стороны, использование наддува на низких и средних оборотах влияет на ресурс вполне благоприятно, ведь поломка, как правило, является следствием эксплуатации на повышенных оборотах. Главное, знать меру.

Еще один способ нагнетать во впуск­ной коллектор воздух под избыточным давлением в свое время предложил инженер Лисхольм (Lysholm). Его детище окрестили винтовым нагнетателем, или «double screw» (двойной винт). Конструкция наддува Лисхольма чем-то напоминает обычную мясорубку.

Внутри корпуса установлены два взаимодополняющих винтовых насоса (шнека) – «папа» и «мама». Вращаясь в разные стороны, они захватывают порцию воздуха, сжимают и загоняют ее в цилиндры. Характерна такая система внутренним сжатием и минимальными потерями, благодаря точно выверенным зазорам. Кроме того, винтовые наддувы эффективны практически во всем диапазоне оборотов двигателя, бесшумны, очень компактны, но чрезвычайно дороги из-за сложности в изготовлении. Однако не брезгуют «турбомясорубками» такие именитые тюнинг-ателье, как AMG или Kleemann. Вообще, принципиальных схем наддува великое множество. Какая-то часть их лучше прижилась в судостроении, что-то и вовсе неоправданно забыто, как, например, лопастные (или шиберные) нагнетатели.

Конструкция их весьма незатейлива: внутри цилиндра с небольшим эксцентриситетом располагается ротор. В канавках ротора установлены плавающие лопатки (шиберы). Под действием центро­бежных сил во время вращения ротора шиберы плотно прилегают к внутренней поверхности цилиндра. Порции воздуха сжимаются благодаря заложенному в конструкцию эксцентриситету. Дешево и сердито, но… не прижилось. Занятный симбиоз приводных нагнетателей с турбонаддувом продемонстрировали инженеры компании Volkswagen на двигателях семейства TSI. Пока турбина вращалась вхолостую на низких оборотах, за наполнение цилиндров отвечал нагнетатель с механическим приводом. На средних же оборотах перепускной клапан перераспределял обязанности с точностью до наоборот. Результат впечатляющий: 140 л.с. с 1,4-литрового мотора.

Типичным представителем объемных нагнетателей является компрессор типа Рутс, о котором мы упоминали в самом начале. Его конструкция напоминает масляный шестеренчатый насос. Два ротора вращаются в противоположные стороны внутри овального корпуса. Оси роторов связаны между собой шестернями. Особенность такой конструкции в том, что воздух сжимается не в компрессоре, а снаружи – в нагнетательном трубопроводе, попадая в пространство между корпусом и роторами.

Основной недостаток – в ограниченном значении наддува. Как бы безупречно ни были подогнаны детали нагнетателя, при достижении определенного давления воздух начинает просачиваться назад, снижая КПД системы. Способов борьбы немного: увеличить скорость вращения роторов либо сделать нагнетатель двух- и даже трехступенчатым. Таким образом можно повысить итоговые значения до приемлемого уровня, однако многоступенчатые конструкции лишены своего главного достоинства – компактности. Еще одним минусом является неравномерное нагнетание на выходе, ведь воздух подается порциями. В современных конст­рукциях применяются трехзубчатые роторы спиральной формы, а впускное и выпускное окна имеют треугольную форму. Благодаря этим ухищрениям нагнетатели объемного типа практически избавились от пульсирующего эффекта. Невысокие скорости вращения роторов, а следовательно, долговечность конструкции вкупе с низким шумом привели к тому, что ими щедро оснащают свою продукцию такие именитые бренды, как DaimlerChrysler, Ford и General Motors. По достоинству оценили рутс-компрессоры и любители «четверть­миль­ных» заездов. Объемные нагнетатели поднимают кривые мощности и крутящего момента, не изменяя их формы. Они эффективны уже на малых и средних оборотах, а это наилучшим образом сказывается на динамике разгона. Проблема лишь в том, что подобные системы очень прихотливы в изготовлении и установке, а значит, несоизмеримо дороги.

С газами разобрались, теперь переведем дух и разложим по полочкам наддувы с механическими приводами. Приводятся они от коленчатого вала двигателя при помощи ременной передачи, что накладывает дополнительные ограничения на размещение узла в подкапотном пространстве. Ведь теперь нужно еще и совместить в одной плоскости шкивы нагнетателя и коленвала. Наибольшую популярность в тюнинге сегодня получили центробежные наддувы.

По конструкции они сильно напоминают турбонаддув. Избыточное давление во впускном коллекторе также создает компрессорное колесо (крыльчатка). Его радиальные лопасти захватывают и отбрасывают воздух в окружной тоннель при помощи центробежной силы. Отличие от турбонаддува лишь в приводе. Центробежные нагнетатели страдают аналогичным, хотя и менее заметным инерционным пороком, но есть и еще одна важная особенность. Фактически величина производимого давления пропорциональна квадрату скорости компрессорного колеса. Не морщи лоб: проще говоря, вращаться оно должно «офигенно» быстро, чтобы надуть в цилиндры необходимый воздушный заряд, порой в десятки раз превышая обороты двигателя. Ременный привод в таких условиях издает характерный свист. Именно этот звук так греет душу любителям острых ощущений. Ну, а те, кому бюджет не позволяет обрадовать мотор своего автомобиля столь полезной инсталляцией, всегда могут раскошелиться на «обманку», имитирующую грозный свист. И на них, как ни странно, держится устойчивый спрос. Напоминает давно забытое детство, когда дворовые мальчишки вешали на велосипеды всевозможные «трещалки» и «гремелки». Эффективен центробежный нагнетатель на высоких оборотах, поэтому если на первом плане стоит не максимальная скорость, а интенсивность разгона, лучше предпочесть турбонаддув. Механические «центробежники» не так капризны в обслуживании и долговечнее газодинамических собратьев, поскольку работают при менее экстремальных температурах. Неприхотливость, а следовательно, и дешевизна конструкции снискали им завидную популярность в сфере любительского тюнинга.

Как уже упоминалось, ряд производителей устанавливают на свои моторы сразу два турбонаддува. Такие системы называют «битурбо» или «твинтурбо». Принципиальной разницы в них нет, за одним лишь исключением. «Битурбо» подразумевает использование разных по диаметру, а следовательно и производительности, турбин. Причем алгоритм их включения может быть как параллельным, так и последовательным (секвентальным). На низких оборотах быстро раскручивается и вступает в работу турбонаддув маленького диаметра, на средних к нему подключается «старший брат» (как на автомобиле Subaru B4). Таким образом, выравнивается разгонная характеристика автомобиля. Система весьма дорогостоящая, поэтому ее можно встретить на престижных автомобилях, например Maserati или Aston Martin. Основная задача «твинтурбо» заключается не в сглаживании «турбо­ямы», а в достижении максимальной производительности. При этом используются две одинаковые турбины. Устанавливаются «твин-» и «битурбо» как на V-образные блоки, так и на рядные моторы. Варианты подключения турбин также идентичны системе «битурбо». В чем же смысл? Дело в том, что производительность турбины напрямую зависит от двух ее параметров: диаметра и скорости вращения. Оба показателя весьма капризны. Увеличение диаметра приводит к повышению инерционности и, как следствие, к пресловутой «турбо­яме». Скорость же турбины ограничивается допустимыми нагрузками на материалы. Поэтому две скромные и менее инерционные турбины могут оказаться эффективнее одной большой. Подобную схему можно встретить на V-образном 6-цилинд­ровом моторе Mitsubishi 3000 VR-4. Два турбонаддува питаются от своих 3 цилиндров и «дуют» в общий коллектор.

«Напряженное» слово, причем расстроить им может не только твоя подружка, но и автомобиль, если на багажнике сверкает шильдик «TURBO». В работе турбонаддува существует немаловажная особенность: связь с оборотами двигателя нелинейная. Другими словами, мощный мотор отзывается на нажатие педали акселератора с запаздыванием. Все потому, что турбина инерционна: при резком увеличении оборотов двигателя она некоторое время раскручивается и лишь потом нагнетает дополнительное давление во впуск­ной коллектор. Такая задержка получила название «турбояма» (или «турболаг»). В качестве способа борьбы некоторые производители используют сразу два турбонаддува. Первый работает на низких оборотах, второй подхватывает на «верхах». По сути, турбояма никуда не исчезла, она лишь стала практически незаметной для обывателя. Такая схема применена на знаменитом Maybach: с помощью двойного турбонаддува инженеры умудрились снять по доброй сотне лошадей с каждого литра объема его силового агрегата. Баварцы же установили на V-образную «шестерку» BMW два одинаковых турбонаддува, каждый из которых работает со своей тройкой цилиндров. Запредельной производительности от них не ждали изначально, зато скромные нагнетатели помогли заметно сэкономить на весе. Но не будем забегать вперед, о «битурбо» чуть позже. Несколько иной путь избрали конструкторы фирмы Porsche: на гордость немецкого автопрома – 911 Turbo – они установили наддув с изменяемой производительностью. Эффект достигнут благодаря применению регулируемых сопел. Они уменьшают площадь проходного сечения на малых оборотах и увеличивают на больших. Таким образом, энергия газа используется максимально эффективно. Как альтернативу автопроизводители применяют так называемый переразмеренный турбонаддув. Спроектирован он изначально с солидным запасом производительности, поэтому начинает работать с самых «низов», а чтобы не разорвать двигатель на высоких оборотах, срабатывает перепускной клапан, ограничивая давление. Преодолев «турбояму», счастливый владелец «надутого» суперкара ощущает значительный толчок в спину. Этот эффект называется «турбоподхват». Нередко в разговорах псевдогонщиков можно услышать выражение «заработал турбонаддув» или «включилась турбина». Тоже не совсем верно. Турбина вращается, пока работает двигатель, просто на холостых оборотах компрессор безучастно месит воздух. «Турбоподхват» ощущается в тот момент, когда компрессор выходит на свои рабочие обороты: 110000-115000 об/мин.