تزریق آب به پیشرانه چطور باعث افزایش قدرت می‌شود؟

شاید عجیب به نظر برسد اما تزریق آب به پیشرانه خودرو می‌تواند راهی برای افزایش قدرت باشد. از این سیستم در پیشرانه‌های با نسبت تراکم بالا و عمدتاً توربوشارژ استفاده می‌شود زیرا در این موتورها تراکم بالا در سیلندرها می‌تواند اثرات مخربی داشته باشد. پیشینه تزریق آب به موتور خودروها به دهه ۶۰ بازمی‌گردد اما خودرویی که این کار را دوباره مطرح کرد، ب‌ام‌و M4 GTS بود که در سال 2015 معرفی شد.

تزریق آب به موتور در خودروهای تولیدی امروزی اصلاً متداول نیست اما ب‌ام‌و از این سیستم در نسخهٔ ویژه‌ای از کوپهٔ اسپرت خود استفاده کرد که در تعداد محدود 700 دستگاه ساخته شد. در این مدل، ب‌ام‌و با استفاده از تزریق آب توانست قدرت پیشرانهٔ 3 لیتری شش سیلندر خطی توئین توربوی M4 را از 430 به 500 اسب بخار افزایش دهد؛ اما چطور یک مخزن سادهٔ آب می‌تواند چنین افزایش قدرت قابل‌توجهی را به همراه داشته باشد؟ در ادامه خواهیم فهمید.

همچنین بخوانید: مروری بر تاریخچه توربوشارژر و اولین خودروهای توربوی جهان

این سیستم به‌صورت پاشش آب به هوای ورودی از منیفولد یا تزریق مستقیم آب به داخل سیلندر کار می‌کند. البته همه میدانیم که ورود آب به محفظهٔ سیلندر آثار بسیار مخربی به دنبال دارد اما در این سیستم، مقدار آبی که تزریق می‌شود آنقدر کم است که هرگز حرکت پیستون‌ها را تحت تأثیر قرار نمی‌دهد. درواقع، آبی که به سیلندر تزریق می‌شود به شکل اسپری است نه جریان سیال و بنابراین به‌سرعت در فرایند احتراق تبخیر می‌شود.

دلیل تزریق آب به موتور، خاصیت خنک‌کنندگی آن است. از این طریق، بجای استفاده از آب برای خنک کردن موتور از بیرون، آب با زمان‌بندی و در لحظه‌ای دقیق به موتور تزریق می‌شود تا دمای هوای ورودی را کاهش داده و محیط احتراق را خنک کند زیرا دمای بالا خصوصاً در موتورهای توربوشارژ می‌تواند باعث ناک زدن یا همان احتراق زودرس شود. احتراق زودرس به این دلیل رخ می‌دهد که دمای محیط داخل سیلندر از جرقهٔ شمع فراتر می‌رود و درنتیجه مخلوط سوخت و هوا پیش از زمانی که باید محترق می‌شود. این مشکل به‌مرور می‌تواند آسیب‌هایی جدی به پیستون‌ها وارد کند؛ بنابراین، با تزریق آب و خنک کردن محیط داخل سیلندر، می‌توان از ناک زدن جلوگیری کرد و نسبت تراکم موتور را افزایش داد.

علاوه بر این، در پیشرانه‌های تراکم بالا، برای جلوگیری از احتراق زودرس، زمان جرقه‌زنی شمع معمولاً به تأخیر انداخته می‌شود اما با اضافه شدن خنک‌کنندگی آب، می‌توان زمان جرقه‌زنی را در جایی از سیکل کاری موتور تنظیم کرد که تولید گشتاور بسیار بیشتر است و درنتیجه، قدرت افزایش پیدا خواهد کرد. تزریق آب به موتور اما مزایای دیگری هم دارد که عبارت‌اند از افزایش چگالی هوای ورودی و درنتیجه ورود هوای بیشتر به موتور، کاهش تولید گازهای گلخانه‌ای به دلیل جذب گرمای حاصل از فرایند احتراق توسط آب و افزایش عمر موتور با جذب گرمایی که وارد دیوارهٔ سیلندرها می‌شود.

آبی که به داخل سیلندرها تزریق می‌شود همان آب معمولی لوله‌کشی نیست بلکه مخلوطی 50-50 از آب مقطر و الکل (متانول) و درصد کمی روغن است. در این ترکیب، الکل به‌عنوان ضدیخ عمل می‌کند و کاملاً قابل‌احتراق است درحالی‌که روغن هم اثرات خوردگی آب روی قطعات فلزی را کاهش می‌دهد.

زمانی که توربوشارژر برای اولین بار وارد صنعت خودروسازی شد، سیستم تزریق آب را هم همراه خود آورد زیرا پیشرانه‌های توربوشارژ اولیه به دلیل تکنولوژی ابتدایی و فقدان سنسورهای تشخیص ناک با مشکل احتراق زودرس مواجه بودند. به همین دلیل، الدزمبیل جت فایر که اولین خودروی توربوشارژ تولیدی جهان بود و در سال 1962 معرفی شد، از سیستم تزریق آب استفاده می‌کرد. تزریق محلول آب مقطر و متانول به پیشرانهٔ V8 این خودرو ضروری بود زیرا بدون وجود سنسورهای ناک که سال‌ها بعد اختراع شدند و از احتراق زودرس جلوگیری کردند، توربوشارژر باعث ناک زدن موتور می‌شد.

بعداً ساب هم کیت تزریق آب را برای مدل 99 توربو ارائه کرد اما ظهور اینترکولر در دهه‌های پایانی قرن بیستم، باعث شد خودروسازان سیستم تزریق آب را کنار بگذارند زیرا این سیستم پیچیدگی زیادی را به خودرو تحمیل می‌کرد. بااین‌حال، برخی تیونرها برای بیرون کشیدن قدرت بالا از پیشرانه‌ها همچنان از تزریق آب استفاده می‌کردند. در حال حاضر نیز ازآنجایی‌که خودروسازان به دنبال استخراج قدرت بیشتر از پیشرانه‌های کوچک و کاهش آلایندگی موتورهای توربو هستند، سیستم تزریق آب دوباره می‌تواند متداول شود.

همان‌طور که در ابتدا گفته شد، ب‌ام‌و M4 GTS خودرویی بود که دوباره توجهات را به سیستم تزریق آب به موتور جلب کرد. این سیستم که توسط بوش ساخته شده و در اختیار خودروسازانی مثل ب‌ام‌و قرار گرفته است، از طریق سه انژکتور، آب سرد را به داخل منیفولد هوای موتور اسپری می‌کند. این آب بلافاصله در منیفولد تبخیر می‌شود و دمای هوا را کاهش می‌دهد که این کار هم به جلوگیری از احتراق زودرس کمک می‌کند و هم چگالی هوا را افزایش می‌دهد. به لطف این سیستم، مهندسان ب‌ام‌و توانستند بدون نگرانی از ناک زدن، بوست توربو را افزایش داده و زمان‌بندی جرقه‌زنی شمع‌ها را جلو بیندازند. به گفتهٔ بوش، این سیستم تا 13 درصد کاهش مصرف سوخت و تا 4 درصد کاهش تولید دی‌اکسید کربن را به همراه دارد. البته لازم به ذکر است که پورشه هم در 911 GT2 RS از یک سیستم تزریق آب استفاده کرده اما سیستم پورشه آب را روی اینترکولرها می‌پاشد.