{"id":3023,"date":"2017-12-10T09:46:59","date_gmt":"2017-12-10T07:46:59","guid":{"rendered":"http:\/\/www.mwsteel.eu\/wordpress\/?p=3023"},"modified":"2017-12-10T09:46:59","modified_gmt":"2017-12-10T07:46:59","slug":"water-methanol-injection","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.mwsteel.eu\/en\/information\/technical-articles\/water-methanol-injection\/","title":{"rendered":"Water – methanol injection"},"content":{"rendered":"

<\/a><\/a>1\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Johdanto<\/h1>\n

Polttomoottorin vesi\/vesi-metanoliruiskutus tuodaan aika-ajoin uutena teknologiana markkinoille, jota yritet\u00e4\u00e4n myyd\u00e4 kuluttajille uutena innovatiivisena ratkaisuna. Vesiruiskutusj\u00e4rjestelmi\u00e4 on kuitenkin k\u00e4ytetty jo toisen maailmansodan aikaisissa lentokoneissa, ja autoteollisuudessakin j\u00e4rjestelmi\u00e4 on ollut useilla eri merkeill\u00e4 jo tehdas asenteisesti usealla eri vuosikymmenell\u00e4. Tarkoituksenamme oli tutkia vesi\/metanoli -ruiskutuksen hy\u00f6tyj\u00e4 kilpa-autosovelluksissa, jota on k\u00e4ytetty usean vuosikymmenen ajan eri moottoriurheilu lajien parissa. Kiinnostuksen kohteenamme on my\u00f6s hy\u00f6dyt vesiruiskutuksesta yhdistettyn\u00e4 eri kilpapolttoaineisiin jotka eroavat suuresti normaaleista polttoaineista. Sill\u00e4 monissa eri sarjoissa on tullut mahdolliseksi k\u00e4ytt\u00e4\u00e4 uusia alkoholipitoisia polttoaineita.<\/p>\n

 <\/p>\n

Kautta aikojen polttomoottorien kilpak\u00e4yt\u00f6ss\u00e4 on pyritty etsim\u00e4\u00e4n polttoaineita joilla yritet\u00e4\u00e4n parantaa moottorin hy\u00f6tysuhdetta. Markkinoilla on my\u00f6s lukuisia polttoaineen valmistajia joiden polttoaineet ovat suunniteltu sek\u00e4 luokiteltu eri autourheiluliittojen alla ajettaviin kilpailuihin. N\u00e4iden polttoaineiden koostumuksesta voidaan j\u00e4tt\u00e4\u00e4 joitakin asioita suuren yleis\u00f6n tiet\u00e4m\u00e4tt\u00f6miin. Suurimmassa osassa eri sarjoja ajetaan bensiinill\u00e4, mutta my\u00f6s korkeaseos-alkoholi-polttoaineet ovat lis\u00e4\u00e4ntyneet huomattavasti vihre\u00e4n trendikkyyden my\u00f6t\u00e4. Eri polttoaineilla saadaan suuria eroja niiden kemiallisten eroavaisuuksien takia. N\u00e4m\u00e4 erot mahdollistavat my\u00f6s moottorin suunnitteluun liittyv\u00e4t rakenteelliset muutokset. Kilpa-auto sovelluksessa vesi-\/metanoliruiskutuksen p\u00e4\u00e4asiallinen tarkoitus on est\u00e4\u00e4 \u00e4\u00e4riolosuhteista johtuvat moottorivauriot, mutta lis\u00e4n\u00e4 j\u00e4rjestelm\u00e4st\u00e4 saadaan hy\u00f6tyj\u00e4 kasvaneena moottorin v\u00e4\u00e4nt\u00f6momenttina. Nykysuuntaus kilpapolttoaineissa on ollut selke\u00e4 ja polttoaineiden sis\u00e4ll\u00f6st\u00e4 l\u00f6ytyykin kokoajan enemm\u00e4n alkoholeja. Alkoholien hyvi\u00e4 puolia on lukuisia joista mainittakoon korkeat puristuskest\u00e4vyydet ja matala h\u00f6yrystymisl\u00e4mp\u00f6. Matalat h\u00f6yrystymisl\u00e4mp\u00f6tilat tuovat kuitenkin haasteita polttoaineen siirtoj\u00e4rjestelmiss\u00e4 jotka muutenkin joudutaan mitoittamaan ep\u00e4edullisesti ajatellen polttoaineen l\u00e4mpenemist\u00e4, sill\u00e4 siirtom\u00e4\u00e4r\u00e4t ja ruiskutuspaineet nostavat l\u00e4mp\u00f6tiloja helposti sek\u00e4 alkoholien viskositeetti on bensiini\u00e4 suurempi ja t\u00e4ten taas vaati enemm\u00e4n energiaa pumpattaessa.<\/p>\n

 <\/p>\n

<\/a>2\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Vesi\/metanoliruiskutusj\u00e4rjestelm\u00e4n teorian tarkastelu<\/h1>\n

Tarkasteltaessa kilpak\u00e4yt\u00f6ss\u00e4 olevia eri polttoaineita voimme havaita niiden v\u00e4lill\u00e4 suuriakin eroavaisuuksia ja t\u00e4ten haluttiin selvitt\u00e4\u00e4 ennen ty\u00f6h\u00f6n ryhtymist\u00e4 n\u00e4it\u00e4 eroja. Kilpabensiinin sis\u00e4lt\u00e4ess\u00e4 suuren m\u00e4\u00e4r\u00e4n nafteeneja, voidaan jalostaa edelleen tuottamaan korkeampia oktaanilukuja. T\u00e4m\u00e4n takia tolueeni ei hajoa niin helposti sylinteriss\u00e4 ja palaa siksi osittain vasta pakosarjassa. Kilpabensiinin sis\u00e4lt\u00e4ess\u00e4 suuria m\u00e4\u00e4ri\u00e4 hiilt\u00e4 saadaan t\u00e4m\u00e4n hiilen ja als-j\u00e4rjestelm\u00e4n lis\u00e4hapen avulla turboahtimelle jatkuvaa energiaa.<\/p>\n

Metanolin l\u00e4mp\u00f6arvo on huomattavasti alhaisempi kuin bensiinin. Pienemm\u00e4n ilmantarpeen ja suuremman h\u00f6yrystymisl\u00e4mm\u00f6n takia metanoli-ilmaseoksella saadaan sylinterit\u00e4yt\u00f6ksen energiasis\u00e4lt\u00f6 kuitenkin hieman korkeammaksi kuin bensiinill\u00e4. Metanolin bensiini\u00e4 korkeampi h\u00f6yrystymisl\u00e4mp\u00f6 alentaa polttoaine-ilmaseoksen l\u00e4mp\u00f6tilaa ja siten parantaa moottorin volymetrist\u00e4 hy\u00f6tysuhdetta. Metanolilla saadaan siis korkeampi teho kuin bensiinill\u00e4. Metanolimoottorin tehoa parantaa palamisen yhteydess\u00e4 tapahtuva t\u00e4yt\u00f6ksen tilavuuden laajeneminen, joka on suurempi kuin poltettaessa esimerkiksi bensiini-ilmaseosta. T\u00e4m\u00e4 johtaa tehollisen hy\u00f6tysuhteen paranemiseen. K\u00e4ytett\u00e4ess\u00e4 metanolia vesiruiskutuksen yhteydess\u00e4 j\u00e4\u00e4hdytykseen on hy\u00f6ty\u00e4 metanolin pienest\u00e4 energiatiheydest\u00e4, sill\u00e4 silloin metanolia voidaan ruiskuttaa moottoriin huomattavan suuria m\u00e4\u00e4ri\u00e4 ilman pelkoa moottorin tukehtumisesta liian rikkaaseen seossuhteeseen.<\/p>\n

Etanolin k\u00e4ytt\u00f6 kilpak\u00e4yt\u00f6ss\u00e4 on suosittua ja tarkasteltaessa etanolin ominaisuuksia se onkin helposti selitett\u00e4viss\u00e4, sill\u00e4 etanolin h\u00f6yrynpaine sellaisenaan on alhainen 15-20 kPa (37,8\u00b0C) Etanolin vaikutus bensiinin h\u00f6yrynpaineeseen on kuitenkin ep\u00e4lineaarinen: jo parin prosentin etanolilis\u00e4ys nostaa voimakkaasti h\u00f6yrynpainetta. Etanolin m\u00e4\u00e4r\u00e4\u00e4 edelleen lis\u00e4tt\u00e4ess\u00e4 h\u00f6yrynpaine kuitenkin palautuu kohti bensiinipohjaista seosta. Etanolin palamisnopeus on bensiini\u00e4 nopeampi joka helpottaa polttomoottorin s\u00e4\u00e4t\u00f6toimenpiteit\u00e4 sek\u00e4 stabiloi palotapahtuman ennakointia. Lis\u00e4ksi etanolin puristuskest\u00e4vyys tuo huomattavia etuja moottorin mekaanisiin muutoksiin sek\u00e4 ehk\u00e4isee tehokkaasti detonaatiota. Suurempi pakokaasun m\u00e4\u00e4r\u00e4 my\u00f6s luo suuremman energian turbiinisiivelle. T\u00e4m\u00e4 mahdollistaa alhaisemmat pakokaasun l\u00e4mp\u00f6tilat sek\u00e4 suuremman moottoritehon<\/p>\n

 <\/p>\n

Veden suihkuttamisen tarkoituksena kilpa-auton moottoriin ei suoranaisesti ole tuottaa moottoritehoa. Vaikkakin vesi h\u00f6yrystyess\u00e4\u00e4n laajenee voimakkaasti vesih\u00f6yryksi, tehden n\u00e4in lis\u00e4energiaa ahtimen turbiinisiivelle. Vaikkakin voidaan ajatella sen taas olevan pois pakokaasujen l\u00e4mp\u00f6laajenemisen tuottamasta l\u00e4mp\u00f6energiasta. On kuitenkin selv\u00e4\u00e4, ett\u00e4 polttomoottorin huonon hy\u00f6tysuhteen takia l\u00e4mp\u00f6tiloja on saatava laskettua varsinkin kilpak\u00e4yt\u00f6ss\u00e4. Joten voidaan kuvitella, ett\u00e4 syntyy kaksi hy\u00f6ty\u00e4: laskeneet pakol\u00e4mm\u00f6t sek\u00e4 laajenevan vesih\u00f6yryn tuottama energia. Ihanteellinen tilanne olisi, ett\u00e4 bensiinimoottori pystyisi pilkkomaan veden atomirakenteen niin, ett\u00e4 se saisi vedest\u00e4 eroteltua hapen palotapahtumaan. N\u00e4in ei kuitenkaan tapahdu, mutta on tehty lukuisia testej\u00e4 siit\u00e4 ett\u00e4 dieselmoottorin korkea mekaaninen puristussuhde mahdollistaa t\u00e4m\u00e4n. Imuilman sis\u00e4lt\u00e4ess\u00e4 h\u00f6yry\u00e4 ja vesisumua, imusarjassa kulkevan imuilman inertia ja massa on suurempi kuin pelk\u00e4n kuuman ilman. Joten imuilman massanhitauteen perustuva teoreettinen imuaaltoahtaminen on tehokkaampaa. Suihkutettaessa vett\u00e4 on kuitenkin aina suurena riskin\u00e4 vesih\u00f6yryn ja ahtoilman kastepistel\u00e4mp\u00f6tila. Korkeaviritteisess\u00e4 kilpamoottorissa suuresta ahtopaineesta on hy\u00f6ty\u00e4 sill\u00e4 kaasun paineen nostaminen nostaa my\u00f6s sen kastepistel\u00e4mp\u00f6tilaa. Jos ilmaa puristetaan niin, ett\u00e4 kokonaispaine kaksinkertaistuu, silloin my\u00f6s vesih\u00f6yryn osapaine kaksinkertaistuu Daltonin lain tavalla. Joten suuremman ahtopaineen hy\u00f6tyin\u00e4 voidaan mainita my\u00f6s korkeampi kastepiste.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
<\/td>\nPanta XS<\/td>\nMetanoli<\/td>\nEtanoli C85<\/td>\nVesi H2O<\/td>\nTolueeni<\/td>\n<\/tr>\n
Oktaaniluku (RON)<\/td>\n115<\/td>\n108,7<\/td>\n106<\/td>\n0<\/td>\n121<\/td>\n<\/tr>\n
H\u00f6yrystymisl\u00e4mp\u00f6 (C\u00b0)<\/td>\n149<\/td>\n65<\/td>\n85,6<\/td>\n100<\/td>\n111<\/td>\n<\/tr>\n
Happipitoisuus (%)<\/td>\n4,65<\/td>\n49,9<\/td>\n35<\/td>\n<\/td>\n<\/td>\n<\/tr>\n
Energiatiheys (Mj\/kg)<\/td>\n48<\/td>\n22,7<\/td>\n34<\/td>\n<\/td>\n<\/td>\n<\/tr>\n
H\u00f6yrynpaine (kPa, 20C\u00b0)<\/td>\n99,98<\/td>\n13,02<\/td>\n5,95<\/td>\n0<\/td>\n3,1<\/td>\n<\/tr>\n
Ominaisl\u00e4mp\u00f6kapasiteetti (kJ\/(kg\u00b7\u00b0C))<\/td>\n<\/td>\n2,5<\/td>\n2,43<\/td>\n4,19<\/td>\n<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Kuvio 1. Aineiden ominaisuudet.<\/p>\n

Turboahdetussa kilpa-autossa eri polttoaineiden pakokaasujen massat vaikuttavat turboahtimen pakokaasusta saatavaan energiaan. Kun tutkittiin eri polttoaineiden vaikutusta moottorin v\u00e4\u00e4nt\u00f6momenttiin, p\u00e4\u00e4tettiin samalla my\u00f6s selvitt\u00e4\u00e4 eri polttoaineiden pakokaasujen massat. Helpottaaksemme selvitysty\u00f6t\u00e4, tehtiin muutamia oletuksia:<\/p>\n