کیت واتر متانول ؛ معجونی برای قدرت بیشتر پیشرانه

تزریق واتر متانول با تکیه‌ بر اصول ترمودینامیکی و شیمی احتراق، به‌عنوان راهکاری پیشرفته برای کاهش دمای ورودی هوا به موتور شناخته می شود.

در عصر حاضر، افزایش توان خروجی، کنترل دقیق دمای احتراق و ارتقا راندمان کلی موتور از چالش‌های اساسی در توسعه پیشرانه‌های پرفورمنس بالا محسوب می‌شود. یکی از فناوری‌های مؤثر در این حوزه، کیت تزریق واتر – متانول است که باتکیه‌بر اصول ترمودینامیکی و شیمی احتراق، به‌عنوان راهکاری پیشرفته برای کاهش دمای ورودی هوا و مقابله با پدیده ناک  شناخته می‌شود. در این مقاله، به‌صورت تخصصی به ساختار، عملکرد، مزایا، معایب و جنبه‌های کاربردی این سامانه پرداخته خواهد شد.

واتر متانول چیست؟

واتر متانول به ترکیبی از آب مقطر و الکل متانول (گاهی اتانول یا ایزوپروپانول) گفته می‌شود که به‌صورت اسپری ریز در مسیر ورودی هوا یا مستقیماً داخل منیفولد هوا تزریق می‌شود. نسبت ترکیب متداول معمولاً ۵۰٪ آب و ۵۰٪ متانول است، اما این نسبت بسته به نوع موتور و نیاز سیستم قابل‌ تغییر است. تاریخچه استفاده از کیت واترمتانول به دهه ۱۹۴۰ میلادی بازمی گردد. نخستین بار این فناوری توسط نیروی هوایی ارتش ایالات متحده در جنگ جهانی دوم استفاده شد. هدف آن افزایش قدرت موتور هواپیماهای نظامی در ارتفاع بالا بود. پس از پایان جنگ، این سیستم در خودروهای مسابقه ای و تیونینگ شده مورد توجه قرار گرفت. نخستین کاربرد رسمی آن در صنعت خودروسازی غیرنظامی به دهه ۱۹۶۰ بازمی گردد، زمانی که روی خودروی SAAB 99 Turbo نصب شد که از اولین خودروهای توربوشارژ تولید انبوه با سیستم تزریق واترمتانول بود. در حال حاضر، کیت واترمتانول بیشتر به صورت افترمارکت برای تیونینگ موتورهای توربو شارژ استفاده می‌ شود، نه به‌ صورت رسمی از سوی خودروسازان روی مدل‌ های تولید انبوه، تنها استثناهایی مثل BMW M4 GTS وجود دارند.

ساختار سیستم

یک کیت استاندارد تزریق واتر – متانول معمولاً از اجزای زیر تشکیل می‌شود: مخزن ذخیره‌سازی محلول واتر – متانول با ظرفیت معمول ۱ تا ۵ لیتر که معمولا در صندوق عقب قرار دارد، پمپ فشار بالا با توانایی تأمین فشار بیش از ۱۰ بار، نازل‌های دقیق با طراحی میکرونی جهت ایجاد پاشش یکنواخت، واحد کنترل الکترونیکی جهت هماهنگ‌سازی تزریق بر اساس فشار بوست یا پارامترهای ECU، و همچنین خطوط فشار بالا، فیلتر و سنسورهای حفاظتی جهت تضمین ایمنی و عملکرد صحیح.

مکانیسم عملکرد

در شرایطی که موتور تحت بار سنگین یا فشار بوست بالا عمل می‌کند، واحد کنترل، پمپ را فعال کرده و محلول واتر – متانول از طریق نازل به داخل مسیر ورودی هوا یا منیفولد تزریق می‌شود. این تزریق باعث کاهش دمای هوای ورودی، افزایش چگالی هوا و در نتیجه بهبود راندمان حجمی موتور می‌شود. تبخیر سریع آب و متانول با جذب گرمای نهان منجر به افت محسوس دمای احتراق و کاهش احتمال بروز پدیده ناک می‌گردد.

ناک چیست و چگونه به پیشرانه آسیب می‌زند؟

ناک در فرایند احتراق درون موتور، وقتی پیستون به سمت بالا حرکت می‌کند، مخلوط هوا و سوخت فشرده می‌شود. با فشرده‌شدن، دمای مخلوط نیز افزایش پیدا می‌کند. حال اگر: دمای هوای ورودی به دلیل عملکرد توربوشارژر بالا باشد، و سوخت مصرفی دارای اکتان پایین باشد، مخلوط هوا – سوخت ممکن است پیش از جرقه‌زنی شمع و به‌صورت خودبه‌خود منفجر شود. به این پدیده که به‌صورت کنترل‌نشده و زودهنگام رخ می‌دهد، ناک (Detonation) یا پیش‌سوزی گفته می‌شود.

در هنگام وقوع ناک، انفجار مخلوط در زمانی رخ می‌دهد که پیستون هنوز به نقطه مرگ بالا (TDC) نرسیده و در حال بالا آمدن است. در این لحظه، موج فشار ناشی از احتراق، مانند ضربه یک پتک سنگین بر سر پیستون وارد می‌شود و آن را به سمت پایین هل می‌دهد، برخلاف جهت حرکتش. این نیروهای مخرب می‌توانند در طول زمان یا حتی در یک‌لحظه، آسیب‌های شدیدی ایجاد کنند. از پیامد های ناک می توان به شکستگی پیستون، خم‌شدن یا شکستن شاتون، خط افتادن یا خراش در جداره سیلندر و … شود.

مزایای فنی کیت واتر متانول

با کاهش دمای محفظه احتراق، امکان استفاده از نسبت تراکم بالاتر یا بوست بیشتر فراهم می‌شود، بدون آنکه موتور دچار ضربه یا پیش احتراق شود. این موضوع به‌تنهایی می‌تواند توان خروجی موتور را تا ۱۵ الی ۲۰ درصد افزایش دهد. از دیگر مزایای واتر – متانول می‌توان به افزایش عدد اکتان معادل سوخت اشاره کرد، به‌گونه‌ای که در بسیاری موارد دیگر نیازی به استفاده از مکمل‌های اکتان بوستر نیست. به‌علاوه، دمای کلی محفظه احتراق کاهش‌یافته و در نتیجه قطعاتی مانند پیستون، سوپاپ‌ها، رینگ‌ها و حتی واشر سرسیلندر تحت‌فشار و دمای کمتری قرار می‌گیرند که همین امر باعث افزایش عمر مفید آن‌ها خواهد شد.

این سیستم همچنین نقش پاک‌کننده دارد و با عبور از مسیر ورودی، باعث شستشوی مداوم دریچه گاز، سوپاپ‌های ورودی و سطح بالایی پیستون می‌شود، مانع از تشکیل رسوبات کربنی شده و به تمیز ماندن موتور کمک می‌کند. در خودروهای توربوشارژ، تزریق واتر – متانول تأثیر چشمگیری در کاهش دمای گازهای خروجی دارد. این کاهش دما باعث می‌شود توربوشارژر در شرایط بهتری کار کند و دچار استهلاک کمتری شود. همچنین دمای منیفولد دود نیز کاهش می‌یابد که منجر به افزایش دوام قطعات اگزوز، کاهش احتمال ترک‌خوردگی و کاهش حرارت منتقل‌شده به محیط اطراف موتور می‌شود. در نهایت، تمامی این مزایا منجر به کاهش استهلاک کلی موتور خودرو خواهد شد.

محدودیت‌ها و چالش‌ها

رایج‌ترین چالش کیت‌های واتر متانول پدیده زنگ‌زدگی و خوردگی قطعات است. زمانی که آب به داخل محفظه احتراق اسپری می‌شود به‌صورت یک مهریز پاشیده شده و با اینکه شرکت‌های مختلف هزاران ساعت را صرف بهینه‌سازی طراحی کیت‌های خود به‌منظور کاهش زنگ‌زدگی قطعات می‌کنند؛ اما رطوبت آب امکان دارد روی برخی سطوح باقی بماند. البته با استفاده از برخی افزودنی‌ها در ترکیب آب و متانول می‌توان از این پدیده جلوگیری کرد. مشکل دیگر به زمانی مربوط می‌شود که مالکان از آب برای خنک‌کردن موتور استفاده می‌کنند. درصورتی‌که آب این کیت تمام شود شاید قطعات داخلی موتور بسوزند. یکی از دیگر از چالش ها حساسیت موتور به نسبت دقیق آب و الکل بوده که نیازمند کنترل دقیق است.

بهترین میزان ترکیب آب و متانول چقدر است؟

ساخت مخلوط واتر – متانول کار حساسی است و به کنترل دقیق نیاز دارد. رایج‌ترین و استانداردترین ترکیب، نسبت ۵۰/۵۰ متانول و آب مقطر است. این نسبت به‌گونه‌ای انتخاب شده که ضمن جلوگیری از اشتعال‌پذیری خالص متانول، همچنان بتواند به‌عنوان سوخت مکمل عمل کرده و عملکرد موتور را بهبود دهد. درصورتی‌که نسبت یادشده رعایت نشود، مخلوط به‌دست‌آمده می‌تواند اشتعال‌پذیری بالاتری داشته باشد و در نتیجه ایمنی سیستم را کاهش دهد؛ بنابراین پایبندی به نسبت ۵۰/۵۰ از جنبه ایمنی و عملکردی اهمیت ویژه‌ای دارد. یکی از سؤالات کلیدی در استفاده از این سیستم، محل مناسب برای تزریق این مخلوط در موتور است. رایج‌ترین و درعین‌حال مؤثرترین محل تزریق، پس از اینتر کولر و در داخل منیفولد ورودی هوا است. این موقعیت، اختلاط مناسب آب و متانول با جریان هوای ورودی را تضمین کرده و شرایط احتراق را بهبود می‌بخشد. از سوی دیگر، تزریق مخلوط بلافاصله قبل از سوپاپ‌های ورودی نیز رایج است. این روش باعث می‌شود که فرایند تبخیر و جذب گرما مستقیماً در محفظه احتراق صورت گیرد که منجر به افزایش کارایی خنک‌کنندگی می‌شود. بااین‌حال، باید توجه داشت که حتی با تزریق دقیق و کنترل‌شده، دمای هوای ورودی به سیلندر تفاوت چندانی باحالت بدون تزریق نخواهد داشت، اما اثرگذاری آن بر جلوگیری از پیش احتراق و افزایش ضریب تراکم موتور کاملاً مشهود است.

مقایسه با اینتر کولر

در مقایسه با اینتر کولرهای سنتی، کیت تزریق واتر – متانول مستقل از شرایط محیطی عمل می‌کند. درحالی‌که کارایی اینتر کولرهای هوا به هوا در هوای گرم کاهش می‌یابد، تزریق واتر – متانول با اتکا بر تبخیر سریع مایع، عملکرد پایدار و خنک‌کاری مؤثری حتی در شرایط سخت عملیاتی ارائه می‌دهد. همچنین کنترل‌پذیری بالا و تأثیر مستقیم بر فرایند احتراق، این فناوری را نسبت به روش‌های سنتی متمایز کرده است. اما به دلیل چالش هایی که برای موتور ایجاد می کند استفاده آن محدود تر است و بیشتر خودرو سازان انواع اینترکولر را ترجیح می دهند.

در نهایت، می‌توان گفت سیستم تزریق واتر – متانول به‌عنوان یک فناوری مکمل در خودروهای تقویت‌شده، نقش مؤثری در ارتقا عملکرد حرارتی و دینامیکی پیشرانه ایفا می‌کند. اگرچه بهره‌برداری صحیح از آن نیازمند دقت مهندسی، تجهیزات مناسب و نگهداری منظم است، اما با توسعه سیستم‌های کنترل دیجیتال و ECUهای هوشمند، انتظار می‌رود این فناوری در آینده‌ای نزدیک به یکی از ارکان اصلی طراحی پیشرانه‌های پرفورمنس تبدیل شود.

خواندنی: الوند کروزر ؛ زمانی که در ایران تویوتا ساخته می شد