Но вначале — несколько теоретических посылов к такой проблеме. Я столкнулся с тем, что большинство автолюбителей считает, что впрыск воды в цилиндр делается для того, чтобы: «Уменшить детонацию и тем самым повысить степень сжатия. А увеличение степени сжатия — это значительное увеличение КПД…» В этом опять проявляется старое заблуждение, что эффективность двигателя можно прежде всего повысить, усиливая степень сжатия в нем…
Во первых, при достижении степени сжатия определенных степеней, интенсивность повышения КПД двигателя падает. Т.е. после достижения определенных уровней степени сжатия, повышать ее уже не имеет смысла, так как конструктивные и технологические затраты на повышение степени сжатия «съедят» мизерные «прибыли» от небольшого повышения КПД.
Во — вторых, воду в цилиндр впрыскивают не для этого. Уменьшение детонации — это второстепенный результат. Главное (хотя и небольшое) повышение КПД при впрыске воды идет не из-за этого.

Давайте рассмотрим, отчего и зачем нужно впрыскивать воду в рабочее пространство — в камеру сгорания. Но вначале — немного теории.
Итак- сгорающие пары топлива в смеси с воздухом превращают энергию химических связей распадающихся от окисления углеводородов в два типа энергии:
— высокое давление газов горения (газы вырабатываются в большом количестве — и их давление может совершать работу расширения);
— высокая температура этих газов горения и выделение лучистой энергии;

Повышенное давление газов горения совершает основную работу в механической системе двигателя и приводит в действие главный вал, с которого и снимается мощность. Это потенциальная энергия, в которую переводится часть энергии горения топлива.
Высокая температура от горения газов почти никак не работает в двигателе и в основном теряется, да еще и норовит навредить деталям и механизмам мотора, поэтому его и приходится охлаждать. Это внутренняя энергия, в которую переходит другая часть энергии горения топлива.

Надо заметить интересную особенность — что в поршневых двигателях ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, в полезную работу переводится потенциальная часть энергии топлива — энергия повышенного давления. Эти газы высокого давления и давят на поршни поршневых ДВС. В газовых турбинах работает иной вид энергии — кинетическая энергия потока горячих газов, которая и вращает колеса газовых турбин.
А вот внутренняя энергия повышенной температуры от горения топлива, в ДВС практически слабо используется, при этом ее стараются как можно быстрее рассеять, и выделить в окружающее пространство через систему охлаждения.
В двигателях ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ (паровых машинах)- наоборот, работает только повышенная температура от сгорания топлива, которая нагревает и создает давление в рабочем теле — паре. А вот повышенное давление газов горения не превращается в работу (правдо при медленном горении топлива при атмосферном давлении оно невелико), и это давление сбрасывается через дымовую трубу. В отличие от ДВС паровые машины не имеют системы охлаждения. Наоборот — их стараются сильнее теплоизолировать, чтобы предотвратить потери тепла в окружающее пространство.
Чувствуете — как проявляется совершенно противоположная идеология и радикально разные схемы работы с теплом от горения топлива в двух разных типах двигателя.

Паровой роторный двигатель

Так вот — впрыск воды в цилиндр автомобильных ДВС — это попытка хоть как — то утилизировать тепло сгорания топлива, превратив эту температуру в дополнительные «порции давления» и тем самым повысить КПД. Другое дело, что в поршневом двигателе это очень непросто сделать, за счет больших недостатков самой идеи его конструкции.
А вот в совершенном роторном двигателе это сделать будет гораздо легче и добиться при этом существенного роста общего КПД такого двигателя.

Еще отвлечемся немного на теорию:
Итак- тепловой КПД современных ДВС – это 30-35 %. Остальные 65-70% тепла от сгорания топлива греют окружающую среду.
Для резкого повышения КПД и улучшения условий работы двигателя надо решить две проблемы:
— найти способ переводить высокую температуру рабочих газов и деталей мотора в повышенное давление рабочего тела;
— найти способ охлаждать излишне нагреваемые движущиеся детали двигателя, для того чтобы обеспечить приемлемые условия их длительной работы;

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ решение этой проблемы было найдено еще более 100 лет назад – на заре эры двигателей внутреннего сгорания. Это решение — впрыск в рабочую область двигателя (заполненную горячими газами рабочего тела) воды. При переходе в пар вода увеличивает свой объем в 1600 раз. Т.е. 1 грамм (1 миллилитр) воды даёт 1,6 литра пара при атмосферном давлении. А 1 грамм (1 миллилитр) воды- это от 6 до 8 относительно крупных капель. Таким образом — вода испаряясь, должна превращаться в пар высокого давления, который в состоянии выполнять дополнительную работу и одновременно должно происходить резкое охлаждение как самих газов рабочего тела, так и внутренних поверхностей двигателя. Казалось бы – найдено идеальное решение трудной проблемы… Но при реализации на практике этого принципа оказалось – что существующие поршневые двигатели внутреннего сгорания практически не позволяют реализовать в своей конструкции схему такого способа работы.

Попытки были сделаны в нескольких направлениях, давайте их рассмотрим.
1) – подача воды с газообразной Рабочей Смесью в цилиндры двигателя на такте «Впуск» через впускной коллектор
2) – подача воды в цилиндр через отдельную форсунку на периоде такта «Горение — Расширение»;
3) — подача воды через специальный клапан в отдельно устроенном для этого такте;

Сразу скажу, что все беды поршневых двигателей в части попыток ввести в них паровую фазу происходят из-за несовершенной организации их технологического цикла, когда процессы «Горение» и «Расширение» совмещены в одном рабочем такте.

Итак – подход №1 – «Подача воды с газообразной Рабочей Смесью в цилиндры двигателя на такте «Впуск» через впускной коллектор». При такой организации дела мельчайшие капли воды всасываются вместе с парами Рабочей Смеси через впускной коллектор в цилиндры на такте «Впуск». Для этого во впускном тракте ставят простейший инжектор, а умельцы — самодельщики вообще- ставили иголку от шприца , и она работала по принципу пульверизатора….
Т.е водяная пыль присутствовала в свежем заряде Рабочей Смеси, которую надо было поджечь. При ее поджиге и первой фазе выделения тепла часть воды мгновенно переходила в пар, давление в цилиндре поднималось а температура падала… Естественно – такое уменьшение температуры, да еще заполнение цилиндра паром и испряющейся водой мешало дальнейшему нормальному процессу горения оставшейся части рабочей смеси… Особенно на последней стадии горения- на линии скоростного расширения объема камеры сгорания. В итоге- несколько увеличивая термический КПД процесса, получаем значительную часть несгоревших паров топлива, т.е. малую топливную эффективность и грязный выхлоп, со значительным содержанием паров топлива.

Далее – подход №2 – «Подача воды в цилиндр через отдельную форсунку в начальном периоде такта «Горение — Расширение». В этом случае процесс организации паровой фазы осуществляется так, чтобы он как можно меньше мешал процессу горения. Т.е. на головке цилиндра — рядом с обычными клапанами впуска и выпуска, ставилась дополнительная форсунка для подачи воды. В этом случае впрыск воды должен осуществляться уже после завершения процесса горения Рабочей Смеси, чтобы не мешать ему. Величина продолжительности сгорания паров топлива в поршневом ДВС равна 40-60 град. поворота коленчатого вала. Если принять, что поджиг и горение начинается при определенном «раннем зажигании» за 10 градусов до ВМТ, то основной процесс горения заканчивается в среднем на значении в 40 градусов от ВМТ. Тут –то и надо подавать воду.
Но при этом возникают серьезные сложности.
— во первых, в это время давление в цилиндре составляет от 90 до 60 атмосфер, и чтобы впрыснуть туда через форсунку несколько капель воды надо ставить большой и сложный насос высокого давления, на подобнее дизельного ТНВД… И для его привода тратить немало энергии от коленвала двигателя. Кроме того, для образования пара нужно некоторое время, пусть малое- но все же время. За этот время поршень активно уходит вниз и путь для срабатывания добавочного давления остается совсем малым. Т.е. дополнительное давление просто не имеет возможности проявить себя для преобразования в полезную работу. Особенно это характерно для попыток схитрить и постараться подать воду после прохождения коленвалом расстояния в 45 градусов от ВМТ – чтобы миновать необходимость впрыска воды в среду с самым высоким давлением. Но в этом случае места и времени для расширения пара от поданной воды совсем не остается….
Тут еще надо добавить, что степень расширения в традиционном поршневом ДВС равна степени сжатия, поэтому даже сами выхлопные газы от классического цикла ДВС не успевают преобразовать свое давление в полезную работу и идут на выхлоп с давлением в 6-8 атмосфер статуэтки по фото. Поэтому добавочное давление от паровой фазы совсем не будет иметь «места- объема» чтобы проявить себя — для этого нужна значительная продожительность рабочего хода, а его в поршневом ДВС в нужной мере нет.

Паровой роторный двигатель

Для такого дела нужно создавать двигатель, где степень расширения была на 50-70% больше степени сжатия (как минимум), а это при использовании классической схемы поршневого мотора практически невозможно.
В итоге при таком режиме работы пар высокого давления будет идти преимущественно на выхлоп, и КПД такого процесса будет близок к КПД паровоза, легендарного своей минимальностью. Будет много клубов пара, много шума, а эффект — почти ноль…

И последнее — подход №3 – «Подача воды через специальный клапан в отдельно устроенном для этого такте». Для этого рабочий цикл удлиняют на целых 2 такта. Т.е. он становится не 4-х тактным, а 6-ти тактным. В этом случае он выглядит так: — «впуск Рабоч Смеси» — «Сжатие Рабоч Смеси» — «Горение- Расширение» — «Выпуск отработавших газов» — «Впрыск воды- расширение пара» — «Выпуск пара». При этом рабочий цикл совершается уже за 3-и полных обоорота коленвала, а не за 2-а как в стандартном 4-х тактном цикле. Т.е после выпуска из цилиндра отработавших горячих газов, происходит впрыск в цилиндр воды. От соприкосновения с горячими стенками камеры сгорания, вода переходит в пар и этот пар теперь давит на поршень и совершает дополнительный рабочий ход. Затем происходит выпуск пара. У рационального на первый взгляд способа организации рабочих процессов тут есть один серьезный недостаток. На 4-м такте «Выпуск отработавших газов» происходит выхлоп «за борт» основной части раскаленных газов рабочего тела. И паровая фаза это тепло никак не использует, а превращает в работу давления пара только температуру нагрева поверхностей двигателя. Т.е. этот способ сразу намерен пытаться превратить в работу не более 50% потерь тепла поршневого ДВС.
Конечно – делаются ухищрения, выпускать в выпускной коллектор не все отработавшие газы, а закрыть клапан выпуска чуть ранее – чтобы сэкономить горячие газы для паровой фазы. Но при этом приходилось совершать дополнительную работу на сжатие порции отработавших газов. И даже при таком способе удавалось заставить работать лишь небольшую часть горячих газов выхлопа – основная их часть все — равно уходила в выхлопную трубу. При этом в таком варианте работы приходилось делать очень сложным механизм газораспределения с двумя дополнительными кланами на каждый цилиндр, дополнительными распредвалами и пр. Но даже все такие ухищрения не снимали главной сложности встраивания паровой фазы в поршневой двигатель – хода расширения катастрофически не хватало, чтобы получившийся пар смог проявить себя и дополнительное давление полноценно смогло преобразоваться в работу через поршень на коленвал.
Таким образом — сама конструкция поршневого ДВС остается абсолютно враждебной к попыткам вмонтировать в его рабочий цикл паровую фазу.