一汽集團噴水發動機專利曝光,這項技術有多牛?

在我們印象中，發動機和水往往是相互排斥的，一旦發動機進水就需要大修了。不過如果有人說，往發動機進氣歧管或者氣缸內噴水可以增加發動機的熱效率，您信嗎？

近日，中國第一汽車股份有限公司申請的發明專利被曝光，該專利為噴水發動機的水箱溫控系統，是噴水發動機不可或缺的輔助系統。

為什麼要向發動機裡噴水呢？核心目的還是提高發動機的熱效率。

水具有高汽化潛熱和高比熱容的優點，所以非常合適作為油氣混合物的冷卻媒介。在發動機燃燒時的壓縮末期，噴入適量水，通過水霧來降低進氣溫度，從而降低燃燒室內的溫度，避免爆震或者因為爆震而延後點火提前角造成功率損失，同時水蒸氣也有清理積碳的作用。以往水冷系統是藉由水將引擎外圍的溫度降溫，無法針對產生熱源的燃燒室直接降溫。

而一汽所申請的專利想解決什麼問題呢？最主要就是讓水箱裡的水不會凍結！水到達冰點以下就會結冰，因此噴水系統在寒冷環境下會面臨結冰的問題，管路內存水結冰也會傷及各種零部件。一汽申請的這種專利技術，能保證車輛長時間在極冷環境下，水箱內的水也不會結冰，保證了噴水系統的穩定工作。

據悉，該系統由用於噴水發動機的水箱溫度控制系統，包括水箱、加熱模塊、採集模塊和控制模塊幾部分組成。加熱模塊用於對水箱內的水進行加熱；採集模塊是為了採集水箱內水的溫度以及車輛相關的環境溫度，控制模塊是將其它模塊相連接，進行總控。

『圖為一汽奔騰T77 PRO搭載的4GB15TD發

對於業內人士而言，或許一汽的專利並不覺得多新鮮，因為寶馬現款M4 GTS車型也配備了發動機噴水技術，下面我們以這款車型為例，來解析發動機噴水技術。

M4 GTS身上這臺發動機搭載的水噴射系統其實是由博世公司提供的。博世發布的這款水噴射系統名為「Water Injection System」（WIS）。結構上就是在傳統進氣道中增加了一個水噴射器（Port Water Injector），該噴射器先將水霧化並噴射到進氣道與空氣進行預混合，當進氣門打開時，進入氣缸的不再只是空氣，而是空氣和霧化水的混合氣，與博世原有的汽油直噴系統配合增加燃燒效率。

另外，如果水都結成冰了，這套系統還怎麼玩？博世管理層成員Dr. Rolf Bulander表示：首先，在發動機啟動時及熱車階段，這套噴水系統不會啟動；另外，該系統使用了一套加熱系統來防止水箱結冰，但並未說明熱源是由發動機本身提供還是採用獨立的電加熱總成。

博世發動機噴水技術

寶馬現款M4 GTS車型搭載3.0L雙渦輪增壓直列六缸發動機，最大功率500馬力，最大扭矩600N·m，並且增加水噴射冷卻系統，採用雙機油泵等；匹配7速雙離合變速箱，官方0-100km/h加速時間為3.8秒，而極速可達305km/h。

IND4汽車人講師JZ對發動機噴水技術頗有研究，為詳細解析發動機噴水技術原理，今天請各位跟著他的思路（光學燃燒的思路）從以下兩方面進行思考：

一、燃油和含有30%水分的燃油其燃燒過程對比。

二、含水百分比的不同對發動機的影響（使用含20%、30%水分的燃油）

可視化燃燒特性對比

在燃料中含有的水分，對其霧化或再微粒化會不會有影響？過熱水蒸氣與油霧間產生的化學反應對燃油成分是否有影響？由於其黏性的變化，燃燒所需氧含量量的增加，燃燒溫度較高等對發動機的性能影響在本文燃燒特性中簡單介紹。

下圖為可視化發動機（光學發動機）採集到的缸內火焰照片。在相同的實驗條件下，變化燃油中的水分含量。如圖所示，使用柴油的情況下火花核形成的位置在BTDC 10°CA，燃燒室的中心位置，微弱的火花核通過周圍可燃混合氣的擴散傳播使赤黃色火焰充滿燃燒室。圖1的（b）和（c）是使用了含有30%水分的燃油呈現出的火焰照片，很明顯初期火花核的形成位置比使用柴油時延遲5°CA，噴霧的霧化和混合氣的形成較差，形成了壁面著火現象，在火焰周圍看到未燃混合氣的存在，初期火花核的輝度較暗，殘光持續時間較長，火焰呈疊加狀、密雲狀、無層次感，燃燒環境惡化。

含水燃油，在高溫高壓下水分產生熱離解後，發生焰前反應加速，造成初期缸內壓力較高，混合氣的流動性差很容易使大顆粒燃油密集化，造成不完全燃燒，由照片中看出碳煙以及顆粒物增多；同時，附著在氣缸壁的燃油會偶爾形成壁面著火造成冷卻水溫度異常，熱效率降低，功率和扭矩下降，嚴重時會造成發動機致命故障。可是，寶馬公司說性能各方面都有所提升，這是為何？且聽我慢慢道來，在使用了空氣流動性較強的活塞後，可視化燃燒的數據得出，無論是功率和扭矩在原有基礎上均有明顯的改善和大幅的增加，約15%-20%。當然，氣流加劇混合氣的形成，縮短了滯燃期的時間，發動機的運行更加柔順，燃燒速度加快，熱效率提高了，也就是從燃燒的角度控制NVH、控制性能、控制排放。

2、水分量的不同對發動機性能的影響

寶馬宣稱，噴射30%的水既能提高性能又能滿足排放，同時還降低了油耗。很多工程師會有疑問，為什麼是30%的水？經過對比實驗，接下來驗證這個含量是否合理。

為了減少尾氣中NOx和顆粒物，需要使燃料中的水分（噴射水分）適量增加，這樣做的目的有兩個：

1.噴射的水分可以降低燃燒溫度，降低尾氣NOX的含量；

2.富氧的燃燒環境下，使其燃燒更充分，以至於完全燃燒。但是考慮到燃油經濟性，我們實驗時採取持續噴水直至無法自燃，不能形成火花核無法燃燒為止。並記錄和對比後，其中在噴水20%----30%的條件下其燃油經濟性已到最優狀態，這時煙氣濃度較低，發動機性能最優。比如噴油60mg/st時，發動機的爆發壓力在Pe=0.6MPa左右。正如上圖所示，在低負荷時，可採取20%水分含量的燃油；中高負荷時採用30%左右的水分含量燃油較為合理。

所以，寶馬公司說噴30%的水絕非是拍腦門想出來的，是做了大量的正向研究後得出來的結論。但是，在咱們國家您要是也想噴水增加動力玩改裝等等，友情提示：請選擇水質較好的水源，避免產生大量水垢和汙染物堵塞噴頭。

總結

1. 對缸內進行噴水燃燒時，加上良好的空氣流動，比如使用產生渦流、擠流較多的活塞等，可以使燃油的消耗率降低10%左右。同時，由於其可燃混合氣量的增多，燃燒加速，整個燃燒期大幅縮短；若將噴油提前角提前5°CA，由滯燃期造成的噪音和震動將會明顯降低，舒適性有所提升。完美地從燃燒學控制了NVH、性能、油耗。

2. 噴水後燃燒火焰呈紅褐色，燃燒溫度較低，氮氧化合物的含量明顯減少。但若水分較多時，燃燒不完全會使顆粒物和碳煙含量增加；同時，水蒸氣的冷凝與熱腐蝕對發動機的零部件磨損、防鏽也造成很大程度損耗。噴水有利有弊，魚和熊掌不可兼得。

說明:文中圖片原本是彩色照片，由於論文發刊列印問題造成黑白成色，給各位帶來視覺不便，望諒解。

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