Vatteninsprutning är ett mirakel – snart i en bil nära dig

Med vatteninsprutning kan motorn ge högre toppeffekt, få väsentligt lägre förbrukning och bättre avgasutsläpp. Vilket låter som en dröm. Men det handlar bara om att tillföra vatten, på ett smart sätt. Här är alla fakta som du måste veta om vatteninsprutning!
Annons

Chansen är stor att du snart kör du en bil med vatteninsprutning som ger högre toppeffekt, lägre förbrukning och bättre avgasvärden.

Vatten innehåller ingen energi som vanligt fordonsbränsle och därför låter det kanske underligt när man hävdar att vatteninsprutning ökar toppeffekten. Men det finns en teknisk förklaring till varför vatten har en sådan gynnsam påverkan, läs vidare så ska vi förklara allt.

Redan de gamla grekerna använde vatteninsprutning, brukar man skoja. Det är förstås inte helt sant men vatteninsprutning är en idé som funnits väldigt länge, ända från början av förra seklet.

Vatteninsprutning började användas på allvar under andra världskriget. I jakten på ständigt mera kraftfulla flygmotorer insåg ingenjörerna att vatteninsprutning kunde ge jaktflygplanen högre topphastighet, samtidigt som tungt lastade bombplan orkade lyfta från korta landningsbanor.

Även bilmotorer har haft vatteninsprutning. 60-talets första försök med turbomotorer – Oldsmobile Jetfire – hade vatteninsprutning. Man kallade blandningen för ”Turbo Rocket Fluid” då det var en mix av destillerat vatten och metanol. Även Saab sålde ett ”originaltillbehör” under 70- och 80-talen med vatteninsprutning för att öka toppeffekten från 145 till 160–165 hk.

Vatteninsprutningen återvände dock till historieböckerna när Porsche 1978 införde laddluftkylaren på 911 Turbo. Även Saab började använda intercooler på sina turbomodeller och då behövdes inte längre vatteninsprutning för att bemästra höga temperaturer i insugsluften.

När luften komprimeras i turboaggregatet stiger temperaturen. För hög temperatur är något man till varje pris vill undvika eftersom det kan leda till knackningar och förtändning, något som i sin tur kan ge motorskador och i värsta fall totalhaveri. Vatteninsprutning användes därför på de tidiga turbomotorerna för att få ner temperaturen på insugsluften.

I sammanhanget kan nämnas att även bränsle går att använda som ”kylning” i en turbomotor. Genom att öka på mängden bränsle vid maxbelastning uppnås en kylande effekt i förbränningen men bara till en viss gräns. Dessutom ökar ju bränsleförbrukningen.

Vad är då hemligheten med att spruta in vatten i en motor? Vatten innehåller som sagt inget som går att förbränna som bränsle men då vattendimman övergår till ånga inne i förbränningsrummet drar vattenmolekylerna till sig värme, vilket kyler omgivningen och temperaturen sjunker. Det är en kunskap som alltså använts långt tillbaka, men nu kan få en ny renässans.

Vatteninsprutning är ett mirakel – snart i en bil nära dig
Bilden visar hur vattnet sprutar in i insuget på BMW M4 GTS, den första serieproducerade bilmodellen i modern tid med vatteninsprutning.

Att konstruera en motor är alltid en kompromiss där ingenjörerna vill att flera motstridiga egenskaper ska maximeras. Kraven på allt lägre bränsleförbrukning har gjort att turbomotorerna numera är helt dominerande. En del av energin i avgaserna – som annars bara eldar för kråkorna – tas tillvara i turboaggregatet som tvingar in mer luft i motorn. Det gör en turbomotor effektivare än en sugmotor (eller högre verkningsgrad, om man så vill).

Men turbomotorn har också en stor nackdel. Den upplevs av i stort sett alla bilförare och det är att motorn drar väsentligt mer soppa än vad som anges i de officiella siffrorna för bränsleförbrukning. Vi har belyst detta i många artiklar, bland annat i en serie med namnet ”Bränslebluffen”.

Små turbomotorer drar i praktiken mer bränsle än stora sugmotorer. Något som vi visade i ett test nyligen med rubriken ”Bränsleduell – V8 mot trepip – vem tror du vinner?” Där ställdes en Ford Mustang med 5,0-liters V8 mot Ford Mondeo med 1,0-liters EcoBoost turbomotor.

För att förstå varför det blivit så tokigt måste vi sätta oss in i konstruktionsarbetet.

En motor konstrueras för att tåla max belastning och den högsta toppeffekten man kan få ut. Men i praktiken är det mycket sällan som vi behöver maxeffekten, framför allt inte i familjebilar som sällan varvas över 4.000 rpm. Det leder till kompromisser där motoringenjörerna måste anpassa till exempel kompressionsförhållandet i turbomotorn för toppeffekten, vilket obönhörligen leder till bränsleeffektiviteten på lägre motorvarv inte blir så bra som den skulle kunna vara. Vid lägre effektuttag kan kompressionsförhållandet mycket väl vara högre, utan risk för motorskador.

Det idealiska vore en motor med variabelt kompressionsförhållande och som vi berättat tidigare i år är dessa på väg. Porsche har ett patent på vevstakar med variabel längd och Renault/Nissan (via Infiniti) säger sig också ha hittat en teknisk lösning för att skapa motorer med variabelt kompressionsförhållande.

Även Koenigseggs arbete med de så kallade ”fria ventilerna” är ett stort kliv på vägen mot effektivare motorer. Det är inte riktigt samma sak som ett variabelt kompressionsförhållande, men på sätt och vis halvvägs då de variabla ventiltiderna gör att förbränningstrycket kan varieras efter effektbehov och olika varvtal.

Vatteninsprutning är ett mirakel – snart i en bil nära dig
Det nya ventilstyrningssystem som Koenigsegg och FreeValve utvecklat innehåller inga kamaxlar. Ventilerna är alltså ”fria” att röra sig hur de vill, så länge inte kolven kommer i vägen. Det ger mycket stora fördelar att optimera motorns egenskaper. KLICKA PÅ BILDEN FÖR STÖRRE VERSION
Vatteninsprutning är ett mirakel – snart i en bil nära dig
Motorrummet i BMW M4 GTS är välpackat. Uppe till höger i bild ser vi laddluftkylaren, som i det här fallet kyler luft/vatten. Tidigare brukar intercoolern kylas med fartvinden (luft/luft) och sitta framför vattenkylaren i fronten på bilen. KLICKA PÅ BILDEN FÖR STÖRRE VERSION

För att en vanlig familjebil ska bli riktigt bränsleeffektiv i de varvtal där den i praktiken används behöver kompressionsförhållandet ökas. Men skulle den lilla turbomotorn köra om en långtradare och använda högsta varvtal – då sprängs den.

Såvida man nu inte sprutar in vatten och sänker de skadligt höga temperaturerna.

Om en turbomotor redan från början konstrueras med vatteninsprutning är det möjligt att använda ett högre kompressionsförhållande, vilket är lika med bättre verkningsgrad.

Vatteninsprutning kan användas på två sätt, vilket BMW visat. I specialmodellen BMW M4 GTS används vatteninsprutning för att tillåta ett högre turbotryck. Turbosexan i M4:an ger 431 hk men med hjälp av vatteninsprutningen ökar toppeffekten till 500 hk i M4 GTS.

BMW M4 GTS är för övrigt den första, serieproducerade personbilsmodellen i modern tid med vatteninsprutning som standard. Vill man vara lite elak så kan man säga att den här varianten av vatteninsprutning ”bara” används för att höja toppeffekten, men det kan ju vara skäl nog i många fall.

Nästa sätt att använda vatteninsprutning är ännu så länge kvar på prototypstadiet och även här är det BMW som visar framfötterna.

Under sommaren 2015 visade BMW upp en 1-serie prototyp med 1,5-liters trepip, B38-motorn som ingår i den nya modulfamiljen av tre-, fyr- och sexcylindriga motorer. Genom att blanda bensin och vatten i speciella spridare kunde BMW i det här exemplet, på ett säkert sätt, öka kompressionsförhållandet i den lilla turbomotorn från 9,5:1 till 11,0:1.

Med hjälp av högre kompressionsförhållande och vatteninblandning blev toppeffekten 220 hk i den här prototypmotorn (det finns andra versioner av B38 som ger mer än så). Enligt BMW går det att öka toppeffekten med fem–tio procent med hjälp av vatteninblandningen men viktigare ändå är att vid ”normal körning” så förbättras bränsleförbrukningen tre–åtta procent. Under vissa körförhållanden kan motorn dra upp till 21 procent mindre bränsle.

När BMW använder uttrycket ”normal körning” så menar man en minskad bränsleförbrukning som verkligen märks. Den körcykel som EU använder för att mäta bränsleförbrukning är så trubbig som mätmetod att den berättar väldigt lite om verklig körning.

Förutom kylningen har vatteninsprutningen en annan fördel och det är att förbränningsprocessen kan startas tidigare. Det maximala förbränningstrycket uppnås då när kolven precis har passerat övre vändpunkten.

BMW använder en ganska fiffig jämförelse och det är tramporna på en cykel. Man får ut mest av muskelkraften om den läggs på när pedalen står rakt upp. Kommer kraften på slutet, när pedalen nästan gått ner i botten, har cyklisten inte lika mycket nytta av den.

När vatten blandas med bränsle i BMW:s prototypmotor börjar vatteninsprutningen att öka på allvar vid 2.500 rpm och når sitt max strax över 4.000 rpm. Vattenmängden kan vara upp till 30 procent av den mix som sprutas in och som mest kan det behövas 1,7–1,9 liter vatten per timme. På låga varvtal och lite belastning är dock vattenförbrukningen mycket mindre.

I BMW:s prototypbil används en vattenbehållare på fem liter. Genom att återanvända och rena vatten som kommer från luftkonditioneringen (som annars bara rinner ner på marken) är BMW övertygade om att femliterstanken ska räcka. Förmodligen behöver den bara fyllas på några gånger per år. Även när luftkonditioneringen inte kyler avfuktar den kupéluften.

Att göra systemet frostsäkert för exempelvis nordiskt klimat är delvis löst. När bilen parkeras vänder elmotorn i vattenpumpen och drar tillbaka vattnet i ledningarna till tanken. Det ska förhindra att vattnet fryser och spränger sönder komponenterna.

Vad som händer när det är –30 grader återstår dock att se. Kanske borde man blanda i etanol, precis som med spolarvätska?

Vatteninsprutning är ett mirakel – snart i en bil nära dig
Som vi ser sprutas det in olika mycket vatten beroende på varvtal i BMW:s trecylindriga prototypmotor. KLICKA PÅ BILDEN FÖR STÖRRE VERSION
Vatteninsprutning är ett mirakel – snart i en bil nära dig
Med vatteninsprutning kan förbränningen starta tidigare, vilket gör att den hamnar i ”det effektiva området” – direkt efter övre vändpunkten. BMW använder liknelsen med tramporna på en cykel. KLICKA PÅ BILDEN FÖR STÖRRE VERSION
Vatteninsprutning är ett mirakel – snart i en bil nära dig
Bosch levererar komponenter till BMW:s vattenpinsprutning. Här används ett separat munstycke för vattnet. KLICKA PÅ BILDEN FÖR STÖRRE VERSION

Bosch GmbH är ett av de företag som levererar komponenter till BMW:s vatteninsprutning. Bosch har utvecklat tekniken parallellt med BMW och hävdar att vatteninsprutning kan ge upp till 13 procent lägre bränsleförbrukning (alltså betydligt mer än BMW angett).

När det gäller förbättringar av emissioner i avgaserna är BMW inte lika detaljerade. Styrelsemedlemmen och utvecklingschefen Klaus Fröhlich har sagt att vatteninsprutning kan ge ”väsentligt lägre emissionsnivåer” men har inte gett några siffror. Fördelarna med vatteninsprutning finns inte bara i förbränningstemperatur utan ger också lägre termisk belastning på turboaggregat, katalysator, eventuellt partikelfilter, och så vidare.

Alla biltillverkare är dock inte lika positiva till vatteninsprutning som BMW. I en intervju för ett år sedan sa Mercedes utvecklingschef Thomas Weber att man tittat på tekniken vid ett flertal tillfällen, men alltid funnit att nackdelarna övervägt.

”Investeringen i teknik måste betala sig i fördelar,” sa Thomas Weber, ”och den ekvationen går inte ihop, helt enkelt. Sen måste vattnet fyllas på regelbundet.”

Är man van att hålla koll på spolarvätska borde det inte vara speciellt svårt att även fylla på destillerat vatten till motorn. Om uppgifterna från BMW och Bosch stämmer och går att överföra till serieproduktion blir det nog svårt i längden att tack nej till en så pass stor sänkning av bränsleförbrukningen (åtta–tretton procent i snitt).

Ur marknadssynpunkt har vatten en bra, välbekant laddning och det går förmodligen att lansera tekniken som positiv och miljöskonsam.

Vad tror ni läsare – är vatteninsprutning något ni vill ha nästa gång ni köper ny bil?

 

Annons
Annons
Rulla till toppen