Вода может быть введена в камеру сгорания через отдельные сопла, смонтированные в одной форсунке, через отдельную форсунку, установленную в крышку цилиндра, или расслоенным впрыском воды и топлива через сопла одной форсунки.
Фирма Wärtsilä в своих разработках пошла по пути непосредственного впрыска воды в камеру сгорания серийных двигателей. Объем подаваемой воды составляет 15...70% от цикловой подачи топлива. Для впрыска воды была разработана форсунка с двумя сопловыми наконечниками (рис. 6.3) для раздельного подвода топлива и воды, а также система подачи воды к форсунке (рис. 6.4). Для впрыска воды использовался топливный насос высокого давления, выполняющий роль генератора импульсов для поршневого разделителя, который и осуществляет подачу воды к форсунке под давлением 21 МПа.
Электронная система управления позволяет изменять подачу воды в зависимости от режима работы двигателя в широких пределах и обеспечить аварийное отключение ее подачи в случае зависания иглы распылителя. Испытания системы показали, что ее использование дает возможность снизить выбросы NOx на 50...60% без заметного снижения мощности.
Данная система сегодня предлагается фирмой Wärtsilä как дополнительная опция для новых двигателей и для модернизации двигателей, уже находящихся в эксплуатации, которые оснащены топливными системами с одной центральной форсункой.
Для модификаций двигателей, оснащенных двумя форсунками (рис. 5.29), была разработана аккумуляторная система раздельного впрыска воды и топлива с электронным управлением подачи воды. Схема расположения основных элементов данной системы представлена на рисунке 6.5. Для впрыска воды использовалась форсунка, установленная периферийно в крышке рабочего цилиндра. Впрыск жидкого топлива осуществлялся штатной топливной системой двигателя через форсунку, установленную вдоль оси цилиндра.
В 1999 г. фирма оснастила системами раздельного впрыска воды семь судов типа ро-ро для компании Transfennica. Суда дейдветом 7100...7250 т были построены на немецкой верфи J. J. Sietas и оборудованы 12- и 16-цилиндровыми двигателями 46-й серии фирмы Wärtsilä.
Более чем десятилетняя эксплуатация судов показала, что данная технология позволила сократить выбросы NOx на 50...60%, а потеря экономичности при этом не превышала 2...3 г/(кВт-ч). Характер протекания рабочего процесса двигателя с впрыском воды представлен на рисунке 6.6.
Как видно из рисунка 6.6, впрыск воды начинается за 45° до ВМТ и заканчивается непосредственно перед началом впрыска топлива за 10° до ВМТ.
Испарение водяного аэрозоля сопровождается снижением температуры в камере сгорания, а наличие большого количества водяного пара в заряде приводит к повышению его теплоемкости. Совместное действие этих двух факторов ведет к снижению температур в локальных очагах горения и сокращению образования оксидов азота.
Прямой впрыск воды обеспечивал оптимальную комбинацию хорошей экономичности и снижение вредных выбросов с выхлопными газами. Это достигнуто одноразовой, относительно невысокой инвестицией и незначительным увеличением эксплуатационных затрат без снижения надежности и фактически без дополнительных требований по размещению оборудования.
Фирма Mitsubishi Heavy Industries исследовала расслоенный впрыск топлива и воды (SFWI) через один распылитель, оборудованный специальным клапанным устройством, позволяющим в периоды между впрысками заполнять водой часть внутренней полости трубопровода высокого давления (рис. 6.7а). Таким образом, в потоке топлива, подводимого к форсунке, формировались четко выраженные зоны чередования воды и топлива. При впрыске последовательно вытеснялись топливо, вода и снова топливо, формируя в факеле распыливания четко выраженные слои (рис. 6.7б). Устройство обеспечивало стабильную работу малооборотного двигателя Mitsubishi UEC 52/ 105 на всех режимах работы. Отмечавшееся сокращение выбросов NOx было прямо пропорционально количеству введенной воды.
Для высокооборотных двигателей в качестве перспективных рассматриваются системы расслоенного впрыска топлива и воды через один распылитель, оборудованный специальным золотниковым устройством, позволяющим в периоды между впрысками заполнять водой часть внутренней полости, прилегающей к игле форсунки. Схема такого распылителя показана на рисунке 6.8.
При закрытом игольчатом клапане канал подвода воды в корпусе распылителя совпадает с каналом в теле игольчатого клапана. Давление подводимой воды несколько выше, чем остаточное давление в топливной магистрали, поэтому часть воды попадает в надыголочное пространство, вытесняя топливо и формируя водяную прослойку в надыголочной камере. При нагнетании топлива ТНВД канал подвода воды перекрывается обратным клапаном, а при поднятии игольчатого клапана происходит дополнительное разъединение водяной и топливной полостей за счет перекрытия канала подвода воды в корпусе распылителя образующей игольчатого клапана.
В результате в факеле распыливания, формируемого форсункой, образуются четко выделенные зоны топлива и воды.
