از آب، اسب بخار بگیرید

به گزارش "پدال نیوز" به گزارش پایگاه خبری پدال نیوز، در خودروهای تیونینگ شده، در کنار تکنولوژی‌های مختلفی که برای افزایش توان پیشرانه خودرو به کار می‌رود، گاهی از سیستمی به نام «تزریق آب به داخل سیلندر (ADI یا تزریق ضد انفجار)» نیز بهره می‌گیرند. این سیستم که ‌روی بعضی از خودروهای تیونینگ‌شده موجود در کشور هم نصب شده است، می‌تواند توان پیشرانه خودرو را به شکل قابل ملاحظه‌ای افزایش دهد.
 
هر چند این روزها شرکت‌های تیونینگ با تبلیغات زیاد تلاش می‌کنند سیستم تزریق آب به داخل سیلندر خودروهای تقویت‌شده خود را معرفی کنند، اما این ایده اصلا جدید نیست و بیش از نیم قرن از ابداع آن می‌گذرد. در جنگ جهانی دوم، هواپیماهای آلمانی با استفاده از پیشرانه‌های ب‌ام‌و و دایملر توانستند سریع‌تر پرواز کنند و به ارتفاع بالاتری بروند؛ پیشرانه‌هایی که در کنار تکنولوژی‌های مختلف، از سیستم تزریق آب و اتانول بهره می‌بردند. هر چند آلمان‌ها در جنگ جهانی دوم شکست خوردند، اما این ایده به سرعت در سایر کشورها نیز مشتری پیدا کرد و به آرامی از هوا به زمین رسید تا خودروها نیز از مزایای آن در دستیابی به قدرت‌های بالا بهره‌مند شوند.
 
چرا آب؟
جذب دما و قابلیت خنک‌کنندگی آب بدون‌شک یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های این سیال حیاتی است. در این میان کمیتی به نام ظرفیت گرمایی ویژه مطرح می‌شود که عبارت است از مقدار انرژی که یک گرم از یک ماده دریافت می‌کند تا دمای آن یک درجه افزایش پیدا کند. حال با آگاهی از اینکه آب در میان سایر مایعات یکی از بالاترین ظرفیت‌های گرمایی ویژه را دارد، در‌می‌یابیم که این سیال می‌تواند به عنوان یکی از کاربردی‌ترین مواد در دسترس برای کاهش دما استفاده شود.
 
این گرمای مزاحم
آنچه در پیشرانه خودرو تولید نیرو می‌کند، انفجار مخلوط سوخت و هواست. این انفجار موجب انبساط ناگهانی گاز‌های تولیدشده و در نتیجه ایجاد فشار روی پیستون و حرکت آن رو به پایین می‌شود و در نهایت حرکت پیشرانه را به دنبال دارد. حاصل این انفجار، تولید گاز و گرماست که هر دو باید برای ادامه فرآیند کاری پیشرانه از محفظه احتراق خارج شوند. هرچند به طور معمول در مرحله تخلیه، گاز‌های گرم از محیط احتراق خارج می‌شوند اما گرمای تولیدشده اثرات نامطلوبی بر کار پیشرانه به جای می‌گذارد.
افزایش دما و فشار محفظه احتراق پیشرانه بیش از حد استاندارد که معمولا بنا به دلایلی چون تحت فشار بودن پیشرانه به مدت طولانی (مثلا هنگام طی یک سربالایی طولانی)، ضعف در سیستم خنک‌کاری پیشرانه، استفاده از سوخت نامناسب و ... می‌تواند موجب ایجاد پدیده‌های مختلفی از جمله انفجار
(Detonation)، ضربه یا ناک (Knocking) ‌یا پیش‌جرقه یا جرقه پیش از موعد (Pre-Ignition) شود که همگی این پدیده‌ها بر اثر افزایش فشار و دما اتفاق افتاده و باعث برهم خوردن عملکرد پیشرانه و افت شدید توان تولیدی شده و در درازمدت نیز می‌تواند منجر به آسیب‌دیدگی شدید اجزا و قطعات پیشرانه از جمله سوراخ‌شدن پیستون، شکستن شاتون، یاتاقان زدن، چسباندن اورینگ ‌یا سوختن واشر سرسیلندر شود. یکی از راهکارهای اصلی برای جلوگیری از وقوع این پدیده‌ها استفاده از بنزین با درجه اکتان بالاتر است. بنزین با اکتان بالاتر می‌تواند در مقابل حرارت و فشار تولید شده در مرحله تراکم مقاومت کند و مشتعل نشود. اما در این زمینه دو مشکل وجود دارد؛ یکی آنکه برای پیشرانه‌های پر‌قدرت، بنزین با اکتان بسیار بالا همیشه در دسترس نیست.
از سوی دیگر گاهی پیشرانه به حدی تقویت می‌شود که حتی بنزین با اکتان بالا نیز جوابگو نیست. این مسئله در پیشرانه‌های مسابقه‌ای موجب می‌شود طراحان پیشرانه ناچار شوند ضریب تراکم را کاهش دهند تا پیشرانه بتواند بدون آسیب به کار خود ادامه دهد. راه‌های دیگر جلوگیری از بروز این پدیده ریتارد کردن زمان جرقه است و یا استفاده از مخلوط رقیق‌تر بنزین و هواست که هر دو از قدرت پیشرانه کم می‌کند ضمن آنکه کاهش فشار توربوشارژر یا سوپرشارژر هم راهکار دیگری است که به این منظور استفاده می‌شود؛ هر چند به طور مشخص هیچ یک از آنها راهکار مناسبی نیست.
در کنار اینها، گرم‌تر بودن محفظه احتراق به معنی افزایش آلایندگی اکسید‌های نیتروژن پیشرانه است. این اکسید‌ها در دمای بسیار بالا تشکیل می‌شوند و به این ترتیب هر چه پیشرانه در مرحله احتراق گرم‌تر باشد، احتمال تشکیل این اکسید‌ها که یکی از منابع آلایندگی پیشرانه هستند، بیشتر است.
 
آبی روی آتش
اکنون با دانستن مشکلات ناشی از ایجاد گرما در محفظه احتراق پیشرانه، بهتر می‌توان به اهمیت نقش آب تزریق شده داخل پیشرانه پی‌برد. به طور خلاصه آب با کاهش دمای هوای ورودی به سیلندر و دمای داخلی سیلندر، از بروز پدیده انفجار جلوگیری می‌کند. به این ترتیب با اکتان ثابت بنزین می‌توان بدون آسیب به قطعات، پیشرانه را تا حد امکان آوانس تنظیم کرد و بوست توربوشارژر یا سوپرشارژر را افزایش داد که هر دو در نهایت منجر به افزایش توان می‌شود و به همین دلیل استفاده از این سیستم در پیشرانه‌های تقویت شده عمومیت بیشتری دارد. به این ترتیب می‌توان گفت تزریق آب به داخل پیشرانه به طور مستقیم نمی‌تواند منجر به افزایش توان شود بلکه با جلوگیری از آسیب به قطعات موتور ناشی از پدیده انفجار به پیشرانه اجازه می‌دهد توان بیشتری از خود آزاد کند بدون آنکه آسیب ببیند. به این ترتیب حتی می‌توان از سوخت با اکتان‌های بالاتر از بنزین نیز استفاده کرد چرا که جلوی بروز پدیده انفجار در پیشرانه گرفته شده است و اکتان بالا پیشرانه را دچار مشکل نمی‌کند. سوخت با اکتان بالاتر در کنار پیشرانه با ضریب تراکم بالا در نهایت خودرویی با قدرت بیشتر را به دنبال دارد.
 
آب از کجا وارد پیشرانه می‌شود؟
طبیعتا آب را نمی‌توان همراه با بنزین به داخل پیشرانه فرستاد و باید تزریق آب از منبع جداگانه‌ای انجام شود. برای فرستادن آب به داخل محفظه احتراق به طور معمول از 3راه‌حل مختلف بهره گرفته می‌شود؛ نخستین شکل این کار، استفاده از یک سیستم تزریق آب با فشار بالا مشابه سیستم انژکتور خودرو است به این معنی که آب را از یک محفظه و با کمک یک پمپ فشار بالا به داخل منیفولد هوا تزریق می‌کنند. این راه‌حل کارآیی بالایی دارد و در خودروهای تقویت شده معمولا از این روش استفاده می‌شود. روش دیگر تزریق آب به لوله خروجی اینترکولر خودرو است و در نهایت راه‌حل سوم تزریق آب به ورودی اینترکولر است و طبیعتا دو روش آخر تنها در موتور‌های مجهز به سیستم‌های پرخوران که از اینترکولر برای خنک‌کردن و فشرده‌کردن هوای ورودی بهره می‌برند، کاربرد دارد.
 
نکات اساسی پیرامون عملکرد سیستم تزریق آب
 
تزریق آب در پیشرانه کاری بسیار حساس است که باید تحت شرایط خاص با رعایت بسیاری از نکات حیاتی انجام شود که در غیر این صورت در عوض مفید بودن، نقش قاتل پیشرانه را بازی می‌کند. در ادامه برخی از نکات حیاتی استفاده از سیستم تزریق آب را مرور می‌کنیم.
*پیشرانه خودرو‌های خیابانی به‌گونه‌ای طراحی شده است که بدون بروز پدیده انفجار حداکثر توان خود را عرضه کند. نصب سیستم تزریق آب در این پیشرانه‌ها بدون تغییرات دیگر از جمله برنامه‌ریزی مجدد ECU هیچ کمکی به افزایش توان نمی‌کند و حتی می‌تواند آسیب‌های جدی به همراه داشته باشد. در صنعت خودرو هم نمونه‌های معدودی از این پیشرانه‌ها آن هم به صورت آزمایشی برای استفاده در خیابان‌های شهری تولید شده‌اند که در میان آنها ساب 99 توربو به تولید رسید.
*حتی در پیشرانه‌های مسابقه‌ای هم سیستم تزریق آب از ابتدا به طور پیوسته کار نمی‌کند. این سیستم در صورت نصب صحیح مجهز به سنسوری است که دمای منیفولد ورودی را اندازه‌گیری کرده و در صورت افزایش دما به حد معین سیستم پاشش ورود آب را فعال می‌کند.
*معمولا به جای آب ترکیبی از آب و الکل (معمولا اتانول) استفاده می‌شود تا مانع از یخ‌زدگی آب شود ضمن آنکه اتانول می‌تواند تا حدودی توان پیشرانه را نیز افزایش دهد.
تزریق مقدار بیش از حد آب و تزریق آن در زمان نامناسب نه‌تنها کمکی به کارکرد بهتر پیشرانه نمی‌کند بلکه موجب کاهش حداکثر توان پیشرانه ‌شده و به اجزای داخلی آن آسیب می‌رساند.
 *هر زمانی نمی‌توان آب را به داخل سیلندر تزریق کرد و به همین دلیل در این پیشرانه‌ها یک سیستم دقیق کنترلی مورد نیاز است تا تنها در شرایطی که پیشرانه زیر بار سنگین است و سیستم پرخوران حداکثر کارآیی خود را دارد، آب به داخل پیشرانه تزریق شود.
 
نویسنده: مهندس بابک وفایی