L'INIEZIONE D'ACQUA
(Teoria e pratica)

In questa pagina verrà descritta la funzione dell'iniezione d'acqua in un motore a combustione interna, il funzionamento in generale degli impianti preposti a tale scopo ed i benefici che ne derivano, tenendo presente che, come sempre andranno rispettate determinate condizioni di utilizzo....

ATTENZIONE: le spiegazioni ed i consigli riportate in questa pagina sono puramente personali, e non hanno in alcun modo lo scopo di invitare ed incoraggiare qualcuno a metterli in atto.
Gli interventi che effettuate alla vostra auto sono unicamente sotto la vostra responsabilità.
Non mi assumo quindi alcuna responsabilità derivante dall'uso delle informazioni contenute all'interno di queste pagine e dell'intero sito.

Premessa

Quando in un motore turbocompresso vengono raggiunti elevati valori della pressione di sovralimentazione, come più volte spiegato cominciano a verificarsi i distruttivi fenomeni della preaccensione e detonazione. Volendo utilizzare comunque tali pressioni di sovralimentazione, sarà necessario adottare degli accorgimenti per evitare il manifestarsi di questi due temuti fenomeni.
Gli interventi di tipo tradizionale consistono in una drastica riduzione dell'anticipo di accensione, arricchimento spropositato della carburazione, diminuzione del rapporto di compressione lavorando le camere di scoppio.

Tali interventi sono senz'altro molto efficaci, ma spostano non di molto tali limiti e, comunque penalizzano non poco l'erogazione del nostro propulsore lungo tutto l'arco di funzionamento.
A conferma di quanto detto basta pensare ad un'accensione che avviane con notevole ritardo rispetto al momento ideale, un rapporto di compressione molto basso che "svuota" l'erogazione di potenza a basso/medio regime di giri, o ancora una quantità enorme di benzina in camera di scoppio adibita al raffreddamento delle camere stesse e dei pistoni che, oltre ad enormi consumi di carburante provoca un rallentamento nell'accensione della miscela stessa tale da penalizzare potenza e rendimento! (Il propulsore sembrerebbe un aspirato 16V anziché un Turbo!).

Per porre un rimedio a tutto ciò, negli ultimi quindici anni è stata ripresa un'idea nata più di cinquanta anni fa: L'INIEZIONE D'ACQUA.
Infatti se più di cinquanta anni fa poteva diventare relativamente difficile gestire con assoluta precisione determinati parametri, oggi gli enormi progressi effettuati in tutti i settori e in special modo in quello dell'elettronica ci permettono di sfruttare al meglio questa notevole scoperta.

Iniezione d'acqua

L'elemento base di questa soluzione è appunto l'acqua con le sue interessanti proprietà.
Quando questa viene a contatto con il calore, inizia a scaldarsi e le sue molecole cominciano ad espandersi dando inizio ad un assorbimento del calore circostante, successivamente quando l'acqua comincia a passare dallo stato liquido a quello gassoso un ulteriore gran quantità del calore circostante viene assorbita dal processo stesso. Ricordate che il calore latente d'evaporazione dell'acqua è 2256kJ/Kg, quindi circa sei volte superiore rispetto la benzina.

Detto ciò, possiamo dire che la presenza di una piccola percentuale di acqua finemente nebulizzata nel condotto di aspirazione sottrarrà come prima cosa calore all'aria presente nel condotto stesso raffreddandola, mentre una volta arrivata nella camera di scoppio andando in evaporazione continuerà a sottrarre calore dall'ambiente circostante e cioè dalla camera stessa più tutte le parti metalliche che la circondano raffreddandole, allontanando così il fenomeno della preaccensione e detonazione in modo consistente. A questo punto, dopo aver compiuto i suoi benefici effetti di raffreddamento, la percentuale d'acqua immessa passata completamente allo stato gassoso a seguito dell'evaporazione, non interferisce in modo negativo nella fase di combustione (a cui non prende parte, ma viene scaricata appunto come vapore).

Occorre ricordare che l'impianto di iniezione d'acqua dovrà entrare in funzione solamente quando la pressione di sovralimentazione supera certi valori in modo che l'acqua iniettata sarà espulsa interamente dallo scarico sotto forma di vapore. Nel caso in cui l'iniezione d'acqua avvenisse anche al minimo, o comunque entro bassi valori di pressione si formerebbero degli ossidi, ed inoltre con la micidiale combinazione dei sottoprodotti della combustione gli acidi che verrebbero a crearsi sarebbero letali per i metalli e per l'olio di lubrificazione.

Per evitare gli stessi inconvenienti è una buona regola quella di far girare al minimo il motore per qualche minuto prima di spegnerlo, agevolando così la completa eliminazione di ogni più piccolo residuo che si trova nei collettori e nelle camere di scoppio.

Impianti di iniezione d'acqua

Ci sono vari sistemi per immettere acqua nel condotto di aspirazione di un motore che prevedono l'utilizzazione di diverse tipologie d'impianto: dal più elementare al più complesso man mano che si va alla ricerca di maggior precisione.
In un impianto di iniezione d'acqua, è fondamentale la scelta del punto di installazione del getto nebulizzatore lungo il condotto di aspirazione. Infatti da questa scelta non solo dipenderà la tipologia dell'impianto stesso, ma determinerà anche una differente azione dell'acqua nei confronti della riduzione di temperatura dell'aria in aspirazione e nei confronti della riduzione dei fenomeni di preaccensione e detonazione.

Analizziamo ora quali sono le differenze tra un impianto con getto d'acqua a monte del compressore ed uno con getto d'acqua a valle del compressore:

Getto a monte del compressore (NON CONSIGLIATO!!!)

Il getto a monte del compressore può essere considerato come l'impianto elementare per eccellenza, infatti la sua estrema semplicità permette di "spruzzare" acqua finemente nebulizzata nell'ambito della bocca d'aspirazione della girante del compressore, sarà la girante stessa a nebulizzare ulteriormente l'acqua iniettata, comprimendo poi il tutto e "spingendolo" dentro i cilindri del propulsore. Per la realizzazione di questo (troppo) semplice impianto sono solamente necessari qualche metro di cavo elettrico, tubazioni per acqua, serbatoietto per acqua, pompetta elettrica, un nebulizzatore da piazzare sull'aspirazione del compressore, uno switch comandato dalla pressione di sovralimentazione da installare dopo il compressore per comandare l'accensione della pompa.
Ricordo che l'iniezione d'acqua deve entrare in funzione solo dopo aver superato un certo livello di pressione di sovralimentazione (Per esempio 1.1 - 1.15 Bar a seconda dei propulsori).
La pompa elettrica non dovrà essere necessariamente potentissima, poiché essendo quel punto maggiormente in depressione, non ci saranno mai contropressioni che ostacolano il getto d'acqua.

Questo tipo di impianto è tanto semplice ed economico quanto DISTRUTTIVO per la girante del compressore, infatti per quanto vogliamo nebulizzare l'acqua, le goccioline di quest'ultima saranno sempre troppo grandi per l'impatto con la girante che sfiora i 100.000 giri e che nel tempo rimarrebbe danneggiata.
Visto il considerevole problema direi che è meglio evitare l'impiego di questa soluzione!!!

Getto a valle del compressore

Passiamo ora ad un tipo di impianto più serio, e cioè quello che prevede l'installazione del getto di acqua nebulizzata a valle del compressore.
Sicuramente vi starete chiedendo:

Quale è la miglior posizione dello spruzzatore?

La sua posizione migliore è subito dopo l'intercooler, infatti il getto d'acqua come prima cosa rinfrescherà in modo considerevole l'aria; nella rimanente tubazione avrà modo di miscelarsi uniformemente all'aria raggiungendo i cilindri nella stessa percentuale; una volta nei cilindri darà luogo ad un notevole effetto antidetonante. In tutte le altre posizioni verrebbe penalizzato l'uno o l'altro effetto.

Quale angolo di inclinazione deve avere lo spruzzatore rispetto al flusso dell'aria?

L'angolo che lo spruzzatore deve avere rispetto al flusso d'aria è 90° gradi, infatti un liquido iniettato tramite nebulizzazione perpendicolarmente al flusso di un gas (aria nel nostro caso) ottiene l'effetto di essere ulteriormente nebulizzato e miscelato a massimi livelli.

Di che grandezza deve essere il getto dello spruzzatore?

Questo dipende dalle vostre esigenze e dalle condizioni d'utilizzo del vostro propulsore. Tenete presente comunque che il getto sarà relativamente piccolo, e grossomodo con un impianto che pressurizza l'acqua a circa 7 Bar, il getto andrà da 0.5 fino a 0.9 mm in base al tipo di impianto che si sceglie di usare (portata d'acqua fissa o regolabile) e comunque in base alle esigenze del proprio propulsore.

In ogni caso la quantità d'acqua iniettata può variare da un tranquillo 10% ad uno spropositato 25% rispetto alla quantità della benzina!!

E' necessario usare una pompa che arrivi anche fino a 10 Bar?

Non è detto che debba essere per forza 10 Bar, ma tenete presente che come minimo la pressione dell'acqua deve essere almeno il doppio di quella della pressione di sovralimentazione altrimenti non uscirebbe neanche una goccia d'acqua. Detto ciò, tenete poi presente che maggiore è la pressione dell'acqua, più questa viene finemente nebulizzata a vantaggio del rendimento dell'impianto.

A che pressione va tarato lo switch per l'entrata in funzione dell'impianto di iniezione d'acqua?

Anche in questo caso dipende dalle vostre esigenze e dal tipo di propulsore. (1.1 Bar è un'idea).

Esistono vari stadi di professionalità d'impianto: dal più semplice che sempre azionato dallo switch a pressione (tarato in base alle proprie esigenze) prevede l'iniezione di una piccola quantità "fissa" d'acqua in ogni circostanza, al medio che una volta in funzione "dosa" grazie ad un regolatore di pressione la quantità di acqua da immettere secondo le circostanze, al più sofisticato in cui oltre ai soliti necessari componenti, compare addirittura una centralina da cui possiamo programmare in base ad una serie di eventi (pressione, giri motore, ecc. ecc.) l'iniezione dell'acqua elaborando una vera e propria mappa 3D.
Vista la sua complessità e precisione, consiglio a chi volesse adottare quest'ultimo tipo di impianto (veramente ottimo!) con centralina di acquistarlo direttamente, sarebbe molto difficile costruirlo!
Quindi verranno descritte solamente le prime due tipologie: "il semplice" ed "il medio" che non sono affatto da sottovalutare (molti kit in commercio funzionano proprio così! Senza centralina).

Impianto semplice

L'impianto di tipo semplice trova impiego in propulsori in cui la pressione di sovralimentazione è stata aumentata in modo tale da richiedere l'impiego dell'iniezione d'acqua, dove però il valore massimo che la pressione di sovralimentazione può raggiungere non è molto superiore al valore della taratura dello swicth (comandato dalla pressione) che comanda l'accensione dell'impianto di iniezione d'acqua stesso. Questo perché in altre parole la percentuale d'acqua iniettata all'accensione dell'impianto (opportunamente tarato) è adeguata entro un certo range di pressione. (E' un po' lo stesso discorso che si fa per la carburazione ricordate?).

I componenti necessari a realizzare l'impianto sono un serbatoio dell'acqua ventilato, filtro per acqua da inserire tra serbatoio e pompa, pompa dell'acqua tipo race da posizionare a livello inferiore rispetto al serbatoio, tubi per l'acqua da 6 mm prima della pompa e da 4 mm dopo di questa, uno switch (on/off tarabile) comandato a pressione per la messa in funzione dell'impianto stesso, relè di potenza che eccitato dallo swicth mette in funzione la pompa, spruzzatore/nebulizzatore da installare sulla tubazione subito dopo l'intercooler, valvolina unidirezionale da installare sul tubo dell'acqua subito dietro lo spruzzatore, cavetti e connettori vari, interruttore generale per disattivare l'impianto.

Un particolare molto importante è quello di applicare una valvolina unidirezionale (che l'acqua vada solo verso lo spruzzatore) e che comunque anche nella direzione corretta permetta all'acqua di attraversarla solo a partire da una determinata pressione. Valvola unidirezionali

Vediamo di capire il perché:

Unidirezionale perché quando la pressione di sovralimentazione c'è ma rimane comunque al di sotto della soglia di accensione impianto "spingerebbe" l'acqua indietro fino al serbatoio, causando così un ritardo nell'arrivo dell'acqua alla successiva accensione dell'impianto.
Anche nel senso corretto deve permettere all'acqua di attraversarla solo dopo aver raggiunto una certa pressione, poiché nelle lunghe fasi di rilascio dell'acceleratore, la depressione nel condotto potrebbe "autorisucchiare" acqua non desiderata dal motore.

Lo schema dell'impianto di tipo "semplice":

Impianto semplice

Impianto medio

L'impianto di tipo medio trova impiego in propulsori la cui pressione di sovralimentazione è stata aumentata in modo tale da richiedere l'impiego dell'iniezione d'acqua, dove il valore massimo che la pressione di sovralimentazione può raggiungere si discosta di molto dal valore della taratura dello swicth (comandato dalla pressione) che comanda l'accensione dell'impianto di iniezione d'acqua stesso. Questo perché in altre parole la percentuale d'acqua iniettata all'accensione dell'impianto (opportunamente tarato) non è adeguata entro tutto il range di pressione e occorre adottare un regolatore di pressione come quello del carburante (con sistema di ritorno d'acqua in serbatoio) per rendere la percentuale d'acqua proporzionale all'aumentare della pressione della sovralimentazione.

I componenti necessari a realizzare questo impianto sono sostanzialmente uguali a quelli utilizzati per l'impianto di tipo semplice: un serbatoio dell'acqua ventilato, filtro per acqua da inserire tra serbatoio e pompa, pompa dell'acqua tipo race da posizionare a livello inferiore rispetto al serbatoio, tubi per l'acqua da 6 mm prima della pompa e da 4 mm dopo di questa, uno switch (on/off tarabile) comandato a pressione per la messa in funzione dell'impianto stesso, relè di potenza che eccitato dallo swicth mette in funzione la pompa, spruzzatore/nebulizzatore da installare sulla tubazione subito dopo l'intercooler, valvolina unidirezionale da installare sul tubo dell'acqua subito dietro lo spruzzatore, cavetti e connettori vari, interruttore generale di sicurezza per disattivare l'impianto ed in più un regolatore di pressione analogo a quelli utilizzati negli impianti di alimentazione.

Per la valvolina unidirezionale vale quanto già spiegato nell'impianto di tipo semplice.

Ecco lo schema dell'impianto di tipo "medio":

impianto medio

Un attento osservatore potrebbe giungere a questa domanda:

Ma se nell'impianto di tipo "semplice" e quello di tipo "medio" usiamo una pompa dell'acqua con le medesime caratteristiche, avremo nel primo tipo di impianto un getto d'acqua costantemente alla pressione massima raggiungibile dalla pompa, mentre nel secondo tipo di impianto la quantità può solamente diminuire visto l'utilizzo del regolatore di pressione... quindi alla fine la portata massima d'acqua dell'impianto "medio" coincide con la portata "fissa" dell'impianto "semplice"!

Non è così!! Questa osservazione sarebbe valida se adottassimo un getto del medesimo diametro in entrambi gli impianti. Infatti mentre nel primo caso lavorando l'impianto ad una pressione fissa che corrisponde a quella massima, bisognerà adottare un getto relativamente piccolo per non avere un'eccessiva quantità d'acqua nel condotto di aspirazione, nel secondo caso essendo la pressione dell'acqua dell'impianto gestita appunto da un regolatore di pressione, sarà possibile adottare un getto di diametro leggermente superiore, in modo che ad una pressione dell'acqua ridotta rispetto quella massima raggiungibile (comunque sempre dell'ordine di qualche bar!) la portata d'acqua coinciderà con quella dell'impianto tipo "semplice", mentre all'aumentare della pressione di sovralimentazione il regolatore aumenterà proporzionalmente la pressione dell'acqua nell'impianto aumentando di conseguenza la portata e quindi la quantità di acqua iniettata nel condotto di aspirazione, che sarà quindi maggiore rispetto ad un impianto di tipo "semplice".

Additivi nell'acqua

Anche nel campo degli impianti di iniezione d'acqua possiamo parlare di additivi.
Questi vanno miscelati all'acqua contenuta nel serbatoio dell'impianto di iniezione d'acqua in giusta percentuale, ed il risultato che ne consegue è un'ulteriore allontanamento del fenomeno della detonazione e preaccensione, maggior raffreddamento della carica di miscela nei condotti di aspirazione, eliminano la possibilità di congelamento dell'acqua del serbatoio in inverno.

L'additivo che riassume tutto ciò è l'alcool metilico.
Altamente infiammabile allo stato puro, presenta un numero di ottani pari a 113, una resistenza al congelamento fino a -96°C. ed è perfettamente miscelabile con l'acqua.
La percentuale di alcool nell'acqua può variare da 1% fino ad un massimo di 50%, oltre la quale comincerebbero a verificarsi effetti contrari causati da una temperatura del propulsore in aumento piuttosto che in diminuzione (ricordiamoci che l'alcool metilico è infiammabile!).

Quindi, aggiungendo alcool metilico nell'acqua in giusta percentuale (20% circa), otterremo un allontanamento ulteriore della detonazione grazie al suo alto numero di ottani, un migliore raffreddamento della carica d'aria nel condotto di aspirazione, la temperatura di congelamento dell'acqua nel serbatoio del nostro impianto scenderà a circa -20°C.

Accessori d'impianto

Adesso che abbiamo capito il principio di funzionamento dell'iniezione d'acqua e le varie tipologie degli impianti adibiti a tale scopo, occorrerà analizzare per poi adottare qualche dispositivo accessorio che permetterà di tenere sotto controllo il funzionamento dell'iniezione d'acqua, evitando danneggiamenti all'impianto stesso e soprattutto al propulsore in caso di malfunzionamento o comunque in caso ci ritrovassimo senza acqua. Infatti la mancanza di iniezione d'acqua in un motore che lavora in circostanze calcolate come se l'iniezione d'acqua fosse in funzione provoca danni non indifferenti (avete presente una massa di rottami?).

DISPOSITIVO N° 1:
INTERRUTTORE GENERALE DI SICUREZZA.
Il primo dispositivo senz'altro indispensabile è un interruttore (come riportato sullo schema) da posizionare all'interno dell'abitacolo con il quale è possibile escludere l'impianto di iniezione d'acqua, nel caso di guasto, ma soprattutto in caso di mancanza improvvisa d'acqua dal serbatoio, che causerebbe danni irrimediabili alla pompa dell'acqua, girando quest'ultima a vuoto.

DISPOSITIVO N° 2:
SPIA DI IMPIANTO IN SERVIZIO.
Il secondo dispositivo necessario è un led (per es. verde), da posizionare sempre all'interno dell'abitacolo collegando i suoi terminali in parallelo alla pompa dell'acqua (mettendo in serie al led una resistenza); la sua accensione indica l'entrata in funzione della pompa dell'acqua.
Spia di funzionamento

DISPOSITIVO N° 3:
SPIA DEL LIVELLO DELL'ACQUA.
Il terzo dispositivo utile è un'altro led da posizionare nell'abitacolo (rosso) da collegare ad un piccolo circuito che prevede un galleggiante applicato al serbatoio per tenere sotto controllo il livello dell'acqua perché non raggiunga mai il minimo (per i sopracitati motivi).
Spia del livello acqua

Alcune persone suggeriscono di relazionare quest'ultimo circuito con l'alimentazione elettrica della pompa dell'acqua, in modo che quando il livello dell'acqua scende a tal punto da far illuminare il led rosso, la pompa smette di funzionare automaticamente. NON sono d'accordo con questa eventualità poiché i movimenti dell'acqua pur non essendo al livello minimo, a causa di violente accelerazioni ed uscite da curve (tipiche dei turbo) potrebbero causare false letture da parte del galleggiante che bloccherebbe il funzionamento della pompa in modo repentino creando alternate mancanze di iniezione d'acqua magari proprio in fase di accelerazione, quando la pressione del turbo è al massimo livello!!!
Per circolare in tutta sicurezza pur non relazionando i due circuiti (evitando i problemi appena descritti), è sufficiente tarare il galleggiante in modo che quando l'accensione del led diventi "fissa" il livello dell'acqua sia in realtà ancora oltre la soglia di allarme: fate il pieno d'acqua!!

Accortezze periodiche

Anche se i dispositivi appena descritti diano senz'altro buone garanzie di corretto funzionamento, una buona abitudine da mettere in atto periodicamente, è quella di svitare il getto/nebulizzatore installato sulla tubazione di aspirazione e controllare come prima cosa che non sia otturato, come seconda cosa collegarlo al suo tubetto dell'acqua (da 4 mm) tenendolo in mano, senza riavvitarlo sulla tubazione e mettere in funzione "manualmente" l'impianto di iniezione ponticellando il sensore di pressione che lo comanda. Si potrà ammirare in questo caso se il getto/nebulizzatore esegue il suo compito in modo corretto oppure no.