ウォーターインジェクション（エンジン）

内燃機関では、水噴射（アンチデトナント噴射（ADI）とも呼ばれる）は、流入する空気または燃料と空気の混合物に、または燃焼室に直接水を噴霧して、過早点火を引き起こす可能性のある「ホットポイント」がある誘導システムの特定の部分を冷却することができます。ジェットエンジン（特に初期のターボジェットまたはアフターバーナーを持つことが実用的ではないか望ましくないエンジン）では、水噴射は、特に低高度および離陸時にエンジンの推力を高めるために使用されることがあります。

水噴射は歴史的に、空中戦や離陸時などの短時間に軍用航空機エンジンの出力を高めるために使用されてきた。しかし、モータースポーツ、特にドラッグレースでも使用されている。オットーサイクルエンジンでは、水噴射の冷却効果により、エンジンのノッキング（爆発）が減少し、圧縮比を高めることも可能になる。また、オットーサイクルエンジンでのエンジンノッキングの減少は、水噴射をスーパーチャージャー、ターボチャージャー、または積極的な点火時期などの変更と組み合わせて使用​​すると、一部のアプリケーションで大幅なパフォーマンスの向上が実現することを意味する。

エンジンによっては、水を噴射するだけで出力と燃費の向上が得られることもあります。^{[1]水噴射は}NOxや一酸化炭素の排出量を削減するために使用されることもあります。^[1]

多くのウォーターインジェクションシステムでは、水とアルコールの混合物（多くの場合50/50に近い）と微量の水溶性オイルを使用しています。水は、その高い密度と高い熱吸収性により、主な冷却効果を発揮します。アルコールは可燃性であり、水の不凍液としても機能します。オイルの主な目的は、ウォーターインジェクションと燃料システムコンポーネントの腐食を防ぐことです。 ^[2]

水噴射は、レシプロエンジンとタービンエンジンの両方の 航空機エンジンで使用されています。

レシプロエンジンでは、アンチデトネーション噴射またはADIとも呼ばれる水噴射が、エンジンのノッキング（「デトネーション」とも呼ばれる）を防止するために使用されます。^[3]圧力キャブレターを備えた大型星型エンジンで一般的に見られるもので、高出力設定時にキャブレターに噴射される水とアルコールの混合物です。濃い混合気を使用すると、エンジンはより低温で動作しますが、最大出力には達せず、薄い混合気はデトネーションの可能性を意味します。ADIを使用すると、噴射された水とアルコール（水が氷になるのを防ぐために水と混合されます）が余分な熱を吸収してデトネーションを防ぎながら、より希薄でより強力な混合気を可能にします。^[3]水燃料噴射を備えた著名なエンジン：BMW 801、ダイムラーベンツDB 605、ユンカースユモ213。

タービンエンジンで使用する場合、効果は同様ですが、通常はデトネーションの防止が主な目的ではありません。水は通常、コンプレッサーの入口または燃焼室の直前のディフューザーに噴射されます。水を追加すると、エンジンから加速される質量が増加し、推力が増加するとともに、タービンを冷却する役割も果たします。通常、低高度でのタービンエンジンの性能は温度によって制限されるため、冷却効果により、エンジンは過熱することなく、より多くの燃料を噴射してより多くの推力を生み出し、より高い回転数で稼働できます。^[4]

アフターバーニングエンジンが広く採用される前は、第一世代のジェット戦闘機の中には、性能を適度に向上させるために水噴射を採用していたものもあった。例えば、ロッキードF-80シューティングスターの後期型であるF-80Cは、アリソンJ33-A-35エンジンに水噴射を採用していた。水噴射により推力が20.5kNから24.0kN（4,600lbfから5,400lbf）に増加し、海面で17%の推力増加となった。^[5]

プラット・アンド・ホイットニー JT3Cターボジェットエンジンを搭載したボーイング 707の初期型は、離陸時の出力を高めるために水噴射装置を使用していた。プラット・アンド・ホイットニー JT9D -3AW および -7AW ターボファンエンジンを搭載したボーイング 747 -100 および 200も同様であった。 ^[6]このシステムは、より強力なエンジンを搭載した後期型には搭載されていなかった。BACワンイレブン旅客機も、ロールスロイス スペイターボファンエンジンに水噴射装置を使用していた。タンクに水ではなくジェット燃料を充填したことが、パンインターナショナル 112 便の墜落につながった。^[7]

1978年、オリンピック航空411便は、水注入システムまたはそのプロセスの故障により、飛行を中止し、離陸空港に戻らざるを得なかった。^[8]

クライスラーなどのメーカーの強制吸気エンジンを搭載した道路車両の中には、水噴射装置を搭載したものが限られている。1962年のオールズモビル・ジェットファイアにはターボ・ジェットファイア・エンジンが搭載された。^[9]

BMWは 2015年に493馬力のS55エンジン（N55エンジンの高性能バージョン）を搭載し、50馬力アップしたM4で、水噴射とインタークーリングを組み合わせた高性能クーペのバージョンであるM4 GTSを発表しました。 BMWのウォーターインジェクションは、BMW 801からのパワーブーストの歴史を表しています。この車は2015年のMotoGPシーズンでシリーズの公式セーフティカーとして登場し、2016年に市販されました。^[10] BMWの例によると、ウォーターインジェクションを特徴とする現在のエンジン開発は_、「パフォーマンス向上」の効果に集中しているようです。 しかし、2020年代半ばまでに、CO2排出量削減と関連規制への圧力により、エンジン開発は燃費向上にも焦点を移します。^{[11] [12]}

Bosch WaterBoost技術はBMWと共同開発され、すべてのメーカーにWaterBoostというウォーターインジェクションシステムを提供しています。Boschは過去にDaimler-Benz DB 605でウォーターインジェクションMW50設計の伝統を持っています。今日、メーカーはエンジン性能が最大5％向上し、 _CO2排出量が最大4％減少し、燃費が最大13％改善したと主張しています。^[13]同様の結果が「ウォーターインジェクション - 高出力と高効率の組み合わせ」でも報告されました^[14]

水噴射と冷却排気ガス再循環（EGR）は競争力のある技術とみなすことができます。中負荷では、ポート水噴射（PWI）による40〜50％の水燃料比（WFR）は、ガソリンエンジンでも比較的限られているとされる10％のEGR率と同じ効果を持つことが実証されています。^[15]

顧客に対して、定期的に作動液を補充する意思があるかどうかを尋ねた調査では、その受け入れレベルは限られていることが示されています。^[12]そのため、補充の必要性はウォーターインジェクションの大量導入における主な障壁の 1 つと考えられています。重要な実現要因は、特に一貫して低いレベルの排出量を保証するために、クローズドループシステムで動作する車載水生成システムの開発です (水供給が枯渇すると、エンジンの CO2_排出量が増加します)。調査できる主な発生源は 3 つあります。

• 周囲空気から湿度を採取する（例：エアコンの凝縮水）
• 表面水（例：車体から集めた雨水）
• 排気ガス凝縮液

最初の2つのバリエーションは、湿度が十分に高い天候の周囲条件やドライバーの習慣（エアコン操作は不要）に大きく依存します。その結果、十分な水の供給が保証されません。対照的に、ガソリンの燃焼中に生成される水蒸気の凝縮は、信頼できる水源です。消費されるガソリン燃料1リットルあたり、排気ガスには約1リットルの水蒸気が含まれています。2019年10月、ハノンシステムズはFEVと共同で、ハノンシステムズの「ウォーターハーベスティングシステム」によりクローズドシステムとして動作するウォーターインジェクションを備えたアウディTTスポーツのデモンストレーターを発表しました。 ^[16]

2016年の研究では、水噴射と排気ガス再循環を組み合わせた。ディーゼルエンジンの排気マニホールドに水を噴射し、吸気行程中に排気バルブを開くことで、噴射された水と排気ガスの一部がシリンダー内に戻された。その効果はNOx排出量が最大85%削減され、煤排出量も大幅に削減された。^[17]

• クロワー 6ストローク

• Daggett, David L.; Fucke, Lars; Hendricks, Robert C.; Eames, David JH (2010)。「空港の窒素酸化物を減らすための民間航空機への水噴射」( PDF)。NASA 。
• Daggett, David L.; Ortanderl, Silvio; Eames, David; Snyder, Chris; Berton, Jeff (2004)。「ウォーターインジェクション: 航空機の排出量とメンテナンスコストを削減する画期的な技術」。SAE Transactions。113 : 1547–1556。ISSN 0096-736X  。
• ガンストン、ビル(1952)。「ガスタービンのブースティング」。フライト。2018年9月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• Heinicke, Orville H.; Vandeman, Jack E. (1945 年 8 月)。「水アルコール噴射と最大経済スパークアドバンスが大型空冷シリンダーのノック制限性能と燃費に与える影響」。NACA戦時覚書レポート E5H12。NASA。
• Kroes, M; Wild, T (1995).航空機動力装置(第 7 版). Glencoe. p. 143.
• Rowe, MR; Ladd, GT (1946). 「航空機エンジン用ウォーターインジェクション」 SAE Transactions 54 : 26–37, 44 . 2021年10月12日閲覧。

• 航空機技術者（2021 年 3 月 12 日）。航空機エンジンへの注水（ビデオ）– YouTube 経由。