En los motores de combustión interna , la inyección de agua , también conocida como inyección antidetonante (ADI), puede rociar agua en el aire entrante o en la mezcla de aire y combustible , o directamente en la cámara de combustión para enfriar ciertas partes del sistema de inducción donde los "puntos calientes" podrían producir una ignición prematura. En los motores a reacción , en particular los primeros turborreactores o motores en los que no es práctico o deseable tener un postquemador , la inyección de agua se puede utilizar para aumentar el empuje del motor , en particular a bajas altitudes y en el despegue.
La inyección de agua se ha utilizado históricamente para aumentar la potencia de salida de los motores de aviación militar durante períodos cortos, como durante el combate aéreo o el despegue . Sin embargo, también se ha utilizado en deportes de motor y, en particular, en carreras de aceleración . En los motores de ciclo Otto , el efecto de enfriamiento de la inyección de agua también permite mayores relaciones de compresión al reducir el golpeteo del motor (detonación). Alternativamente, esta reducción del golpeteo del motor en los motores de ciclo Otto significa que algunas aplicaciones obtienen un rendimiento significativo cuando se utiliza la inyección de agua junto con un supercargador , un turbocompresor o modificaciones como una sincronización de encendido agresiva .
Dependiendo del motor, también se pueden obtener mejoras en potencia y eficiencia de combustible únicamente inyectando agua. [1] La inyección de agua también se puede utilizar para reducir las emisiones de NOx o monóxido de carbono . [1]
Muchos sistemas de inyección de agua utilizan una mezcla de agua y alcohol (a menudo cerca de 50/50), con trazas de aceite soluble en agua. El agua proporciona el efecto de enfriamiento primario debido a su gran densidad y altas propiedades de absorción de calor. El alcohol es combustible y también sirve como anticongelante para el agua. El propósito principal del aceite es prevenir la corrosión de los componentes del sistema de inyección de agua y de combustible. [2]
La inyección de agua se ha utilizado tanto en motores de aeronaves alternativos como de turbina .
En un motor alternativo , el uso de inyección de agua, también llamada inyección antidetonación o ADI, se utiliza para evitar el golpeteo del motor, también conocido como "detonación". [3] Comúnmente encontrado en grandes motores radiales con carburadores de presión , es una mezcla de agua y alcohol inyectada en el carburador en configuraciones de alta potencia. Cuando se usa una mezcla rica , el motor funciona más frío, pero no puede alcanzar la potencia máxima, y una mezcla más pobre significa que es probable que haya detonación. Con el uso de ADI, el agua y el alcohol inyectados (que se mezclan con el agua para evitar que se convierta en hielo) absorben el exceso de calor para evitar la detonación al mismo tiempo que permiten una mezcla más pobre y más potente. [3]
Cuando se utiliza en un motor de turbina, los efectos son similares, excepto que normalmente evitar la detonación no es el objetivo principal. El agua normalmente se inyecta en la entrada del compresor o en el difusor justo antes de las cámaras de combustión. La adición de agua aumenta la masa que se acelera fuera del motor, lo que aumenta el empuje y también sirve para enfriar las turbinas. Dado que la temperatura es normalmente el factor limitante en el rendimiento del motor de turbina a bajas altitudes, el efecto de enfriamiento permite que el motor funcione a mayores RPM con más combustible inyectado y más empuje creado sin sobrecalentarse. [4]
Antes de la adopción generalizada de los motores de postcombustión , algunos aviones de combate de primera generación utilizaban inyección de agua para proporcionar un aumento moderado del rendimiento. Por ejemplo, la variante de último modelo del Lockheed F-80 Shooting Star , el F-80C, utilizaba inyección de agua en su motor Allison J33-A-35 . La inyección de agua aumentó el empuje de 20,5 a 24,0 kN (4600 a 5400 lbf), un aumento del empuje del 17 % (a nivel del mar). [5]
Las primeras versiones del Boeing 707 equipado con turborreactores Pratt & Whitney JT3C utilizaban inyección de agua para obtener más potencia de despegue, al igual que los aviones Boeing 747 -100 y 200 equipados con turborreactores Pratt & Whitney JT9D -3AW y -7AW; [6] este sistema no se incluyó en versiones posteriores equipadas con motores más potentes. El avión de pasajeros BAC One-Eleven también utilizó inyección de agua para sus motores turborreactores Rolls-Royce Spey . El llenado de los tanques con combustible para aviones en lugar de agua provocó el accidente del vuelo 112 de Paninternational . [7]
En 1978, el vuelo 411 de Olympic Airways tuvo que abortar y regresar a su aeropuerto de despegue debido a un fallo en el sistema de inyección de agua o en sus procesos. [8]
Un número limitado de vehículos de carretera con motores de inducción forzada de fabricantes como Chrysler han incluido inyección de agua. El Oldsmobile Jetfire de 1962 se entregó con el motor Turbo Jetfire . [9]
En 2015, BMW presentó una versión de su cupé M4 de alto rendimiento, el M4 GTS, que combina la inyección de agua con el intercooler. El coche se presentó en la temporada 2015 de MotoGP como el coche de seguridad oficial de la serie y se lanzó al mercado comercial en 2016. [10] Siguiendo el ejemplo de BMW , los desarrollos actuales de motores con inyección de agua parecen concentrarse en el efecto de "mejora del rendimiento". Pero a mediados de la década de 2020, el desarrollo de motores cambiará el enfoque también hacia la mejora del consumo de combustible , debido a la presión sobre la reducción de las emisiones de CO2 y las regulaciones relacionadas. [11] [12]
Bosch , que desarrolló la tecnología en colaboración con BMW , ofrece un sistema de inyección de agua denominado WaterBoost para otros fabricantes. La empresa afirma que consigue un aumento de hasta el 5% en el rendimiento del motor, una reducción de hasta el 4% en las emisiones de CO2 y una mejora de hasta el 13% en el ahorro de combustible. [13] Se obtuvieron resultados similares en "Water Injection - High Power and High Efficiency combined" [14]
La inyección de agua y la recirculación de gases de escape refrigerados (EGR) podrían considerarse tecnologías competitivas: se ha demostrado que con carga media, una relación agua-combustible (WFR) del 40-50 % con inyección de agua en el puerto (PWI) tiene el mismo efecto que una tasa de EGR del 10 %, que se considera relativamente limitada incluso para motores de gasolina. [15]
Las encuestas realizadas a los clientes sobre su disposición a cargar regularmente un fluido operativo adicional han demostrado que el nivel de aceptación es limitado. [12] Por lo tanto, la necesidad de recarga se considera una de las principales barreras para la adopción masiva de la inyección de agua. Un factor clave es el desarrollo de un sistema de generación de agua a bordo que funcione en un sistema de circuito cerrado, especialmente para garantizar un nivel bajo y constante de emisiones (las emisiones de CO2 del motor aumentarán si se agota el suministro de agua). Se pueden investigar tres fuentes principales:
Las dos primeras variantes dependen en gran medida de las condiciones climáticas del entorno, con niveles de humedad suficientemente altos, o de los hábitos del conductor (no se desea que funcione el aire acondicionado). Por lo tanto, no se puede garantizar un suministro adecuado de agua. Por el contrario, la condensación del vapor de agua formado durante la combustión de gasolina es una fuente fiable de agua: hay aproximadamente un volumen de vapor de agua en el escape por cada litro de combustible de gasolina consumido. En octubre de 2019, Hanon Systems, junto con FEV, presentó un demostrador Audi TT Sport equipado con inyección de agua que funciona como un sistema cerrado gracias a un "sistema de recolección de agua" de Hanon Systems. [16]
Un estudio de 2016 combinó la inyección de agua con la recirculación de los gases de escape . Se inyectó agua en el colector de escape de un motor diésel y, al abrir la válvula de escape durante la carrera de admisión, el agua inyectada y parte de los gases de escape volvieron al cilindro. El efecto fue una reducción de hasta el 85 % en las emisiones de NOx y también una reducción significativa en las emisiones de hollín. [17]