Impianti di iniezione d'acqua ERL
Introduzione
L’iniezione d’acqua, attuata dapprima durante la seconda guerra mondiale sui Messerschmith tedeschi e portata a notorietà nel 1982 dalle Ferrari 126 C2 di Formula 1, che disponevano di circa 1000 HP in configurazione prova, e non rompevano mai, grazie alla adozione di questo sistema, è un espediente da anni utilizzato sui motori da competizione e non degli USA, laddove esistono benzine a basso numero d’ottano che non permettono prestazioni particolarmente spinte senza incorrere nel “battito della morte", la famigerata e temuta detonazione.
Nel corso degli anni, spinti soprattutto dalla tecnologia sempre più avanzata delle competizioni si è passati dagli artigianali e poco efficaci impianti costituiti da un serbatoio con pompetta lavavetri e spruzzatori grossolani ad impianti gestiti interamente per via elettronica ed affidabili al punto da essere utilizzati nel WRC.
E’ questo il caso degli impianti Aquamist della britannica ERL che equipaggiano Subaru, Seat, Ford, Skoda, Hyundai e Toyota nel WRC 1999 mentre anche Mitsubishi e Peugeot stanno per entrare a far parte della "famiglia".
Gli stessi impianti sono disponibili adesso per applicazioni su vetture stradali per permettere un controllo delle temperature nella camera di combustione con evidenti vantaggi ai fini delle prestazioni finali e della affidabilità.
Opzioni disponibili
ERL propone essenzialmente due tipi di kit, identificati con i nomi System-1 e System-2.
I kit sono destinati ad applicazioni diverse per tipologia, costi, difficoltà di installazione, ma risultano entrambi funzionali e, cosa più importante, efficaci.
Quali vantaggi?
Andando sul concreto, quali sono i vantaggi derivanti dall'adozione di un impianto di iniezione d'acqua?
Essi sono essenzialmente di due tipi, tecnici ed economici, e sono strettamente legati fra loro. Vediamo perchè, iniziando a dare uno sguardo alla tabella sottostante:
Calore specificokJ/kgK Calore latentekJ/kg Energia caloriferaBHP (kW)
Acqua 4,18 2256 7,58 (5,65)
Metanolo 2,51 1109 3,73 (2,78)
Etanolo 2,43 904 3,04 (2,26)
Benzina 2,02 350 1,18 (0,87)
Da quanto riportato si nota innanzitutto che l'acqua é l'unico liquido non carburante presente in tabella, mentre metanolo ed etanolo sono degli alcool e la benzina un idrocarburo.
L'acqua ha il più alto calore latente di evaporazione, in parole povere per fare evaporare un grammo di acqua sarà necessario somministrarle più energia rispetto agli altri liquidi e ciò si tradurrà in sottrazione di calore alle camere di scoppio, con evidenti vantaggi ai fini della detonazione.
L'acqua ha ancora il maggior calore specifico e all'atto pratico ciò si traduce in un effetto di ulteriore raffreddamento ed aumento di densità dell'aria aspirata.
Nell'ultima colonna viene indicata, sia in cavalli che in chilowatt, l'energia calorifera equivalente sottratta durante l'evaporazione nelle camere di scoppio e si nota che per l'acqua essa raggiunge un valore ben sei volte superiore a quello della benzina.
Passando dalla sterile teoria ai fatti, possiamo così riassumere i vantaggi tecnici:
l'iniezione d'acqua, se ben tarata, porta ad una diminuzione della temperatura dell'aria in ingresso al collettore (una sorta di effetto intercooler supplementare), con conseguente aumento della densità e quindi delle prestazione.Ciò é unito alla sottrazione di calore una volta raggiunte le camere di scoppio, ad opera del processo di evaporazione, e questo incide sulle temperature dei gas di scarico abbassandole drasticamente.Da qui tutta una serie di vantaggi per il preparatore, che potrà aumentare i parametri di anticipo e smagrire la miscela riducendo i tempi di iniezione pur incrementando la pressione di sovralimentazione.Come si vede l'esatto contrario che avviene per una modifica turbo di base.
Strettamente collegati ai vantaggi tecnici sono i risvolti economici. Aumentare la pressione del turbo a sproposito senza adeguare accensione, iniezione e le parti meccaniche del motore in genere é quanto di più dannoso si possa pensare di fare.Se vogliamo alzare la pressione di sovralimentazione del nostro motore di in maniera consistente dobbiamo necessariamente intervenire sulla testata e sul blocco con guarnizioni speciali o anelli Cooper, sostituire i pistoni di serie con elementi stampati, abbassando il rapporto di compressione, bisogna magari cambiare le valvole di scarico con speciali in Nimonik e dobbiamo infine serrare il tutto con bulloni rinforzati.Non é detto che si trovi tutto sul mercato, é possibile che alcuni pezzi vadano creati da zero e un preparatore in grado di fare tutto per benino non si trova sempre dietro l'angolo.
Il risultato finale é un fermo macchina di svariati giorni ed una spesa che fra pezzi e manodopera supera di certo i 10 milioni. Con l'iniezione d'acqua questo problema viene superato da quanto detto prima, al limite può essere consigliabile un intervento a livello di bulloni rinforzati e nient'altro in più, perchè rapporto di compressione, temperature di esercizio, detonazione saranno tutte variabili controllate, adesso, dall'acqua evaporata.
Adottando miscele più magre si riducono i costi di esercizio, perchè sicuramente la benzina costa più dell'acqua.Si evitano inoltre imbrattamenti delle candele e delle camere di scoppio per via di uno spesso indiscriminato aumento dei tempi di iniezione, situazione agevolata dall'effetto lavaggio del vapore alle alte pressioni della camera di combustione.
Ecco che il risparmio effettivo diventa dell'ordine dei milioni, mantenendo un motore praticamente di serie, con evidenti vantaggi relativi anche al valore sul mercato dell'auto (in caso si decidesse di venderla) e alla sua manutenzione ordinaria.
Centralina di gestione iniezione d'acqua MF-2
Aquamist System-1
System-1, il modello base, é costituito da una pompa ad alta pressione (standard 75 psi, race 100 psi e in questo caso il kit assume la denominazione di System-1s), da un pressostato, dai cavi di collegamento, da tre spruzzatori di differente portata e dalla raccorderia, ed usa il principio molto semplice secondo cui l'iniezione d'acqua ha inizio nel momento in cui la pressione del collettore di aspirazione supera il valore impostato sul pressostato chiudendo il circuito e fornendo tensione alla pompa.La quantità di acqua iniettata dipende in questo caso dalla sezione del foro dello spruzzatore e dalla pressione di esercizio dell'acqua.
Il kit é molto semplice da installare ed é indirizzato verso applicazioni turbo di tipo stradale, laddove si voglia ottenere un buon compromesso efficienza/costi.
Aquamist System-2s (il mio)
Il kit comprende una pompa ad alta pressione di tipo Race, un filtro, un gruppo iniettore con valvola a solenoide e pressostato, una centralina di controllo in tecnologia SMD e dalle dimensioni ridottissime, un cablaggio con spina a 9 pin, tubo in nylon ad alta pressione da 4 e da 6 mm, tre spruzzatori da 0,7 0,8 e 0,9 mm, un relay da 40A, fusibili, staffette e viti di fissaggio.
Il sistema permette di effettuare una mappatura della iniezione d’acqua in 3D (vedere figura in basso a sinistra) riferendosi ad un segnale di RPM che può essere preso dal primario bobina, ma anche dall’alternatore, dal pick-up magnetico ed in genere da qualunque sensore giri presente nell’impianto iniezione originale, e da un segnale di carico che può essere dato dal sensore MAP o dal flussometro a filo caldo, nei motori turbocompressi, o dal potenziometro farfalla, esclusivamente sugli aspirati.
Nel caso in cui l’impianto iniezione non comprenda sensori di questo tipo (ad esempio Fiat Uno Turbo) è possibile applicare un sensore MAP esterno, tipo Weber 3 bar, e risolvere così ogni problema.
La quantità d'acqua iniettata dipende inoltre da altre due variabili: la pressione di esercizio dell'impianto e le dimensioni del getto. Come si può notare dal grafico in basso a destra, la portata aumenta all'aumentare delle dimensioni del getto, permettendo di diminuire la pressione di esercizio dell'acqua.
La traccia color rosso é relativa ad una pompa race da 100 psi, mentre la traccia blue si riferisce ad una pompa standard da 75 psi, dalla portata nettamente inferiore.
System 2 è dotato di una funzione di autodiagnosi con LED, che permette di tenere sotto controllo la funzionalità dell’impianto e di tutta una serie di caratteristiche che rendono la sua taratura semplice e sicura.
Esempio di System-2 su Nissan
Nel caso di questa vettura, una Nissan 200 SX l’impianto di iniezione ad acqua adottato è del tipo a controllo interamente elettronico con pompa tipo Race ed è stato installato a complemento di una trasformazione meccanica radicale, che ha interessato il motore nel suo complesso, con importanti modifiche anche a livello elettronico.
Il kit installato consiste in una pompa ad alta pressione, un filtro, un gruppo iniettore con valvola a solenoide e pressostato, una centralina di controllo, un cablaggio con spina a 9 pin, tubo in nylon ad alta pressione da 4 e da 6 mm e uno spruzzatore da 0,8 mm. Il gruppo iniettore (A), che comprende una elettrovalvola comandata dalla centralina, e la pompa (B) sono installati nel posto dove originariamente vi era il cassoncino di aspirazione, ora sostituito da un filtro aria diretto. Un sensore di pressione assoluta Weber 3 bar viene usato per rilevare il carico e fornire l’informazione alla centralina di controllo che poi elaborerà la durata dell’impulso di iniezione. Questo sensore viene utilizzato solo per l’iniezione ad acqua, in quanto la centralina TDD che gestisce il funzionamento del motore è dotata di un proprio sensore MAP interno. Lo spruzzatore (C), stadio finale del gruppo iniettore, trova invece posto sul grosso condotto in alluminio, sempre costruito artigianalmente, che convoglia l’aria dall’intercooler al collettore di aspirazione, in posizione angolata di 45° rispetto allo stesso condotto. E’ stata scelta questa posizione dello spruzzatore in modo tale che l’aria proveniente dall’intercooler possa beneficiare di un ulteriore raffreddamento ad opera dell’acqua finemente nebulizzata e quindi possa arrivare più densa all’interno del collettore.
Il serbatoio dell’acqua è stato costruito in alluminio ed alloggiato nel cofano posteriore.La capacità del serbatoio è di circa 9 lt, in modo da permettere rabbocchi di acqua distillata ragionevolmente distanziati nel tempo.
La centralina di controllo (MF-2), dalle dimensioni estremamente ridotte grazie alla tecnologia SMD, riceve i segnali di carico e di velocità motore rispettivamente dal sensore MAP Weber 3 bar e dalla bobina consentendo una mappatura 3D ed assolvendo anche a specifiche funzioni di diagnosi dell’impianto ed é alloggiata nel vano portafusibili vicino la pedaliera.
I risultati sono notevoli e così quantificabili:
1) diminuzione della temperatura dell’aria in ingresso al collettore di aspirazione;
2) diminuzione della temperatura dei gas di scarico fino a 40-50 °C a massimo overboost;
3) conseguente possibilità di adozione di miscele più magre e mappature di anticipo più spinte;
4) possibilità di adottare pressioni di sovralimentazione più alte senza rischi di detonazione;
5) effetto washing (lavaggio) all’interno delle camere di scoppio da parte del vapore generato;
E’ ovvio che un risultato di questo tipo sarà possibile solo a patto che il motore in origine sia stato modificato da persone competenti e che particolare cura dovrà essere prestata alla mappatura della iniezione ad acqua ed al montaggio dell’impianto sulla vettura. In definitiva possiamo dire che l’iniezione ad acqua costituisce un valido accessorio nel campo del tuning automobilistico, che può contribuire ad accrescere l’affidabilità di un motore preparato anche in modo pesante ed esaltarne ulteriormente le caratteristiche di potenza e brillantezza.Su determinati modelli come le Subaru Impreza, che soffrono della posizione orizzontale dell’intercooler, può essere addirittura determinante nella ricerca di quei cavalli che altrimenti andrebbero irrimediabilmente persi.
Tutto ciò a patto che venga installata da mani sapienti ed esperte, che sappiano ottimizzare l’utilizzo di una sostanza così semplice e nello stesso tempo preziosa qual è l’acqua all’interno di motori sicuramente complessi e potenti, ma, proprio per questo, costosi e delicati.