范亞?wèn)|，吳天寶，李雪松，許敏，張勃

(1.上海交通大學(xué)汽車電子控制技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，上海 200240;2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)，天津 300400)

近年來(lái)，全球汽車保有量不斷增長(zhǎng)帶來(lái)的能源消耗和環(huán)境污染問(wèn)題，以及以純電動(dòng)汽車為代表的新能源汽車取得的長(zhǎng)足進(jìn)步和發(fā)展，都對(duì)傳統(tǒng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位的汽油機(jī)造成了巨大沖擊。

具體對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，空前嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在下面兩點(diǎn)：一是國(guó)家油耗法規(guī)的不斷收緊。2016年10月 30 日，中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部正式發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，明確規(guī)定了乘用車企業(yè)平均燃油消耗量(CAFC)的目標(biāo)值將由2020年的 5 L/100 km降為2025年的4 L/100 km[1]。二是環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)苛。2018年7月3日，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》，計(jì)劃明確規(guī)定了從2019年7月1日開(kāi)始，全國(guó)重點(diǎn)區(qū)域?qū)⑻崆皩?shí)施輕型車第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)[2]，其中國(guó)六排放法規(guī)里引入了歐盟的實(shí)際行駛污染物排放測(cè)試(Real Driving Emission)[3]。將不同排放測(cè)試循環(huán)下發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)分布進(jìn)行對(duì)比[4]，可以看出實(shí)際行駛污染物排放測(cè)試(RDE)加強(qiáng)了車輛的動(dòng)態(tài)測(cè)試過(guò)程，更真實(shí)地反映了汽車在實(shí)際使用過(guò)程中的排放水平，這也對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放物中的氮氧化物(NOx)和顆粒物數(shù)量(PN)提出了更嚴(yán)苛的要求[5]。

盡管面對(duì)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，但汽油機(jī)的發(fā)展?jié)摿θ匀徊蝗菪∮U，主要原因有兩點(diǎn)。其一，當(dāng)前汽油機(jī)的熱效率還遠(yuǎn)沒(méi)有到達(dá)物理極限，業(yè)界內(nèi)已上市量產(chǎn)的汽油機(jī)熱效率峰值最高也僅達(dá)41%[6]。實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果表明，對(duì)于汽油機(jī)而言，如將稀薄燃燒+高能點(diǎn)火、火花塞控制壓燃(SPCCI)、可變壓縮比(VCT)、米勒(Miller)循環(huán)、停缸(CDA)、外部冷卻EGR、缸內(nèi)噴水等技術(shù)進(jìn)行有效的組合應(yīng)用后，可以在很大程度內(nèi)改善燃油經(jīng)濟(jì)性，從而有望將峰值熱效率提高到50%以上[7-12]。其二，對(duì)于排放來(lái)說(shuō)，目前汽油機(jī)在技術(shù)上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)將污染物排放數(shù)量降低到不再對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響的水平，有望實(shí)現(xiàn)真正的近零排放[13]。日本馬自達(dá)創(chuàng)馳藍(lán)天技術(shù)的創(chuàng)始人人見(jiàn)光夫?qū)鹘y(tǒng)內(nèi)燃機(jī)和純電動(dòng)車的全生命周期內(nèi)碳排放總量進(jìn)行了對(duì)比[14]，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)并不是大眾傳統(tǒng)觀念里的絕對(duì)高碳，電動(dòng)車的碳排放數(shù)量很大程度上取決于其所用電能的來(lái)源，而中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)一直以高碳的煤電為主，短期內(nèi)難以扭轉(zhuǎn)。

因此，就當(dāng)前形式來(lái)看，汽油機(jī)仍然具有諸多優(yōu)勢(shì)，并且潛力巨大，通過(guò)新技術(shù)應(yīng)用來(lái)面對(duì)機(jī)遇和挑戰(zhàn)，最終就會(huì)帶來(lái)新的可能。在眾多乘用車新技術(shù)之中，缸內(nèi)噴水技術(shù)是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。對(duì)于汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，增壓小排量(downsizing)技術(shù)仍然是主要的節(jié)能手段，其中增壓可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣充量，小排量可以減少部分負(fù)荷工況時(shí)的泵氣損失，這些都為燃油經(jīng)濟(jì)性的改善提供了基礎(chǔ)[15-16]。但是隨著增壓比的不斷提高以及發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的不斷加大，汽油機(jī)常會(huì)伴隨著爆震現(xiàn)象的產(chǎn)生[17]，為此不得不采取推遲點(diǎn)火的措施。而對(duì)于直噴汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，顆粒物數(shù)量(PN)的高排放水平一直以來(lái)都是個(gè)棘手的問(wèn)題[18]。由于水在常見(jiàn)的液體物質(zhì)中具有較高的汽化潛熱值[19]，因此可以通過(guò)缸內(nèi)噴水達(dá)到降低燃燒溫度的目的，從而同時(shí)有效地抑制汽油機(jī)爆震以及高PN排放的問(wèn)題[20]。

相比于國(guó)際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界，目前國(guó)內(nèi)對(duì)汽油機(jī)噴水的研究鮮有人提及，因此筆者將對(duì)當(dāng)前汽油機(jī)噴水技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 汽油機(jī)缸內(nèi)噴水系統(tǒng)分類及機(jī)理研究

1.1 缸內(nèi)噴水系統(tǒng)分類

噴水技術(shù)最早是應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)，直到20世紀(jì)80年代才引入到乘用車內(nèi)燃機(jī)[21]。目前汽油機(jī)噴水系統(tǒng)主要分為進(jìn)氣道噴水和缸內(nèi)直接噴水兩大類[22]，其中缸內(nèi)直接噴水又根據(jù)燃油和水是否共用一個(gè)噴嘴分為缸內(nèi)油水分離直接噴水和缸內(nèi)油水混合直接噴水兩種方式(見(jiàn)圖1)。

圖1 汽油機(jī)缸內(nèi)噴水系統(tǒng)分類

進(jìn)氣道噴水系統(tǒng)的噴水器安裝在進(jìn)氣道上，噴水壓力一般不會(huì)太高(0.4～1.0 MPa)，結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油系統(tǒng)類似，因此不需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)硬件系統(tǒng)做出較大的額外改造，成本低是其顯著的優(yōu)勢(shì)。但是由于在進(jìn)氣道內(nèi)進(jìn)行噴水，噴水器安裝位置以及噴水時(shí)間都會(huì)造成部分水滴在隨氣流進(jìn)入燃燒室內(nèi)的過(guò)程中就已提前蒸發(fā)，并且還會(huì)有水滴濕壁的現(xiàn)象，這些不僅會(huì)影響最終缸內(nèi)的冷卻效果，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)耗水量較大的缺點(diǎn)。

缸內(nèi)直接噴水系統(tǒng)的噴水器通常安裝在燃燒室頂部，可以將水直接噴入燃燒室，一般需要較高的噴射壓力(10～30 MPa)。由于不受限于進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間，所以進(jìn)氣和壓縮沖程都可以進(jìn)行噴射，噴射時(shí)間較靈活。并且由于沒(méi)有進(jìn)氣道和進(jìn)氣閥門(mén)壁面上的水滴濕壁現(xiàn)象，所以耗水量較少，缸內(nèi)的冷卻效果也較好。但是對(duì)于缸內(nèi)油水分離直接噴水來(lái)說(shuō)，額外的噴水器帶來(lái)的缸蓋封裝體積增大以及獨(dú)立的高壓噴射系統(tǒng)都會(huì)導(dǎo)致噴水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增強(qiáng)，從而可能會(huì)帶來(lái)較低的收益。對(duì)于缸內(nèi)油水混合直接噴水來(lái)說(shuō)，雖然不需要增加新的噴水器，但是油水混合物的腐蝕性以及燃燒室內(nèi)高溫、高壓的惡劣環(huán)境對(duì)噴嘴的制造工藝都提出了嚴(yán)格特殊的要求，額外的油水預(yù)混裝置也會(huì)帶來(lái)成本的增加。另外，缸內(nèi)直接噴水系統(tǒng)的復(fù)雜性也會(huì)增加控制難度，從而帶來(lái)較差的瞬態(tài)響應(yīng)以及較低的魯棒性。

相比進(jìn)氣道噴水而言，缸內(nèi)直接噴水的耗水量少、降溫效果好是其顯著特點(diǎn)，但是系統(tǒng)的復(fù)雜性又是限制其大規(guī)模推廣的重要原因。任何形式的缸內(nèi)噴水技術(shù)均會(huì)給活塞、燃燒室壁面等發(fā)動(dòng)機(jī)零部件帶來(lái)腐蝕性和可靠性的問(wèn)題，噴水帶來(lái)的機(jī)油乳化現(xiàn)象也會(huì)嚴(yán)重地影響發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑效果，從而縮短零部件的使用壽命，另外，機(jī)油乳化也會(huì)影響曲軸箱通風(fēng)，可能會(huì)惡化顆粒物數(shù)量的排放。因此，在大規(guī)模推廣噴水技術(shù)應(yīng)用之前，噴水帶來(lái)的腐蝕性和可靠性問(wèn)題仍亟待解決。

1.2 汽油機(jī)噴水策略研究

如前所述，噴水帶來(lái)缸內(nèi)燃燒溫度的降低，主要來(lái)自于其蒸發(fā)吸熱，因此選擇盡可能保證大部分水滴順利蒸發(fā)吸熱的噴水策略顯得尤為重要。

進(jìn)氣道噴水雖然具有較長(zhǎng)的蒸發(fā)時(shí)間，但是其噴水時(shí)間會(huì)極大地受限于進(jìn)氣閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間窗口。F. Berni等[23]通過(guò)CFD仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴水時(shí)刻在250°曲軸轉(zhuǎn)角(約進(jìn)氣閥門(mén)開(kāi)啟前100°)時(shí)，能順利進(jìn)入到缸內(nèi)的水滴質(zhì)量最多，此時(shí)缸內(nèi)的降溫效果也最好。但是密西根工業(yè)大學(xué)的J. Worm[24]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固定點(diǎn)火角后，在進(jìn)氣閥關(guān)閉時(shí)刻附近噴水時(shí)，燃燒速度會(huì)突然變快，認(rèn)為在此時(shí)進(jìn)行噴水更合適。因此關(guān)于最優(yōu)噴水時(shí)間的研究，目前尚未有統(tǒng)一定論。此外噴水器的安裝位置也會(huì)影響水霧在進(jìn)氣道和進(jìn)氣閥門(mén)壁面上的濕壁現(xiàn)象。博世公司[25]對(duì)比了5 000 r/min@2 MPa工況下，不同噴水器的安裝位置在完全取消加濃時(shí)所需的耗水量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴水器位置越靠近進(jìn)氣閥門(mén)時(shí)所需的耗水量也越少，間接證明了此時(shí)缸內(nèi)冷卻效果最好。與此結(jié)果類似的是，馬瑞利公司[26]通過(guò)CFD對(duì)比了不同噴水器位置對(duì)進(jìn)氣道壁面水滴濕壁現(xiàn)象的影響(見(jiàn)圖2)，指出在靠近進(jìn)氣閥門(mén)位置進(jìn)行噴水時(shí)，進(jìn)氣道壁面上的水膜質(zhì)量最少，對(duì)應(yīng)的進(jìn)入到缸內(nèi)的水滴質(zhì)量也最多。因此如何減少進(jìn)氣道壁面上的濕壁現(xiàn)象是選擇噴水器安裝位置的重要原則。

圖2 進(jìn)氣道噴水器位置對(duì)濕壁現(xiàn)象的影響[26]

對(duì)于缸內(nèi)直接噴水來(lái)說(shuō)，雖然噴水時(shí)間較靈活(進(jìn)氣閥門(mén)關(guān)閉后也可以噴射)，但是由于噴射背壓較高，加上霧化時(shí)間較短，都最終會(huì)影響水滴的蒸發(fā)吸熱過(guò)程。J. Kim[19]通過(guò)對(duì)缸內(nèi)溫度和壓力計(jì)算分析(見(jiàn)圖3)，指出在壓縮沖程早期進(jìn)行噴水時(shí)，缸內(nèi)環(huán)境溫度低于此時(shí)水滴的飽和溫度，所以會(huì)造成部分水滴難以完全蒸發(fā)，并指出如果優(yōu)化噴射策略使得缸內(nèi)環(huán)境溫度線高于圖中的飽和蒸發(fā)線，就會(huì)帶來(lái)較理想的降溫效果。另外相比于進(jìn)氣道噴水，缸內(nèi)直接噴水的壓力工作范圍較大，因此噴射壓力也是重要的影響因素。M. Cordier等[27-28]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)提高噴射壓力有利于水滴的霧化和蒸發(fā)，最終會(huì)帶來(lái)排氣溫度的差異。

圖3 缸內(nèi)直接噴水蒸發(fā)過(guò)程分析[19]

就目前研究結(jié)果來(lái)看，噴射時(shí)間和噴水器安裝位置是影響進(jìn)氣道噴水能否順利進(jìn)入缸內(nèi)進(jìn)行蒸發(fā)吸熱的重要因素，而對(duì)于缸內(nèi)直接噴水來(lái)說(shuō)，噴射時(shí)間和噴射壓力又決定著噴射后的水滴在缸內(nèi)是否處在“蒸發(fā)區(qū)”，從而進(jìn)行充分的蒸發(fā)。但是目前對(duì)于噴水器的安裝角度、噴水器的霧化特性(貫穿距、噴霧錐角)等特性參數(shù)的研究還鮮有人提及，因此在今后的研究工作中，如何準(zhǔn)確、系統(tǒng)性地探明不同噴射策略對(duì)缸內(nèi)水滴蒸發(fā)過(guò)程的影響仍然是十分有意義的。

2 噴水對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的影響

2.1 噴水抑制爆震

爆震是缸內(nèi)末端混合氣在火焰前鋒面到達(dá)之前就已經(jīng)達(dá)到自燃溫度而發(fā)生非正常燃燒的現(xiàn)象[15,17]。因此，從缸內(nèi)熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)來(lái)說(shuō)，缸內(nèi)噴水蒸發(fā)吸熱帶來(lái)燃燒溫度的降低可以有效地延長(zhǎng)末端混合氣發(fā)生自燃的時(shí)間，從而抑制爆震的發(fā)生。A. Iacobacci等[29-32]在雙缸汽油機(jī)內(nèi)研究了進(jìn)氣道噴水在高負(fù)荷時(shí)對(duì)爆震的影響(見(jiàn)圖4)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)點(diǎn)火角保持和不噴水狀態(tài)一樣時(shí)，噴水會(huì)導(dǎo)致燃燒相位推遲以及最大缸壓峰值的降低，這是因?yàn)楦變?nèi)燃燒溫度的降低導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟?。但是將點(diǎn)火角提前到噴水狀態(tài)下的爆震限制點(diǎn)火提前角(Knock limited spark advance)，可以看出相比不噴水的狀態(tài)，爆震限制的點(diǎn)火提前角大幅提前，燃燒相位推遲的現(xiàn)象也得到改善，爆震的抑制最終帶來(lái)燃燒效率6%～12%的改善。噴水降溫會(huì)減慢火焰的傳播速度，造成燃燒持續(xù)期變長(zhǎng)，延遲了火焰前鋒面?zhèn)鞑サ竭_(dá)末端混合氣的時(shí)間，不利于爆震的抑制。F. Berni等[23,31]研究了點(diǎn)火角對(duì)燃燒持續(xù)期的影響，發(fā)現(xiàn)隨著點(diǎn)火角的提前火焰的傳播速度又會(huì)變快。因此噴水對(duì)燃燒持續(xù)期的影響，一方面缸內(nèi)燃燒溫度的降低以及稀釋燃燒會(huì)帶來(lái)火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟?，另一方面爆震得到抑制后點(diǎn)火角的提前又會(huì)縮短燃燒持續(xù)期，二者相互制衡，綜合影響著燃燒持續(xù)期的發(fā)展。這也解釋了天津大學(xué)付雪青等[33]的研究結(jié)論，即隨著噴水比例的增加，燃燒持續(xù)期相比不噴水的情況反而有所縮短。

圖4 噴水對(duì)燃燒相位的改善[29-32]

噴水對(duì)爆震的抑制使得增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓縮比應(yīng)用成為了可能。法國(guó)標(biāo)致(PSA)公司[27]在高負(fù)荷下對(duì)比了高壓縮比(CR=12.5)不噴水、低壓縮比(CR=10.5)不噴水、高壓縮比(CR=12.5)進(jìn)氣道噴水、高壓縮比(CR=12.5)缸內(nèi)直接噴水4種條件下的油耗以及排放表現(xiàn)(見(jiàn)圖5)，結(jié)果表明將發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比從12.5降低到10.5以后，油耗反而得到了6.6%的改善。這是因?yàn)樵瓩C(jī)的高壓縮比(CR=12.5)雖然提高了理論熱效率，但也同時(shí)導(dǎo)致爆震現(xiàn)象嚴(yán)重，所以燃燒相位的推遲惡化了最終的消耗表現(xiàn)。但在仍然維持原機(jī)高壓縮比(CR=12.5)不變的情況下，通過(guò)噴水抑制爆震，燃燒相位的提前以及壁面?zhèn)鳠釗p失減少進(jìn)一步改善了燃油經(jīng)濟(jì)性(相比原機(jī)改善了10.3%～13.1%)，并且相比進(jìn)氣道噴水，缸內(nèi)直接噴水的油耗改善情況略占優(yōu)。

圖5 噴水抑制爆震結(jié)合高壓縮比試驗(yàn)結(jié)果[27]

此外噴水對(duì)爆震的抑制也使得汽油機(jī)對(duì)燃油的抗爆性指數(shù)(AKI)要求有所降低。密西根工業(yè)大學(xué)的J. Worm等[34]對(duì)比了3種不同抗爆性指數(shù)(AKI=87、AKI=91、AKI=110)的燃油對(duì)缸內(nèi)燃燒參數(shù)的影響，指出低抗爆性指數(shù)(AKI=87)的燃油結(jié)合噴水技術(shù)對(duì)燃燒相位的改善程度和單獨(dú)使用高抗爆性指數(shù)(AKI=110)的燃油結(jié)果比較接近，并且二者都好于原機(jī)狀態(tài)(AKI=91)。

2.2 噴水取消燃油加濃

在高速全負(fù)荷工況發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外做功最多，此時(shí)排出的廢氣中含有大量的熱量，為保護(hù)渦輪葉片和三元催化器不被高溫?zé)Y(jié)，常采用燃油加濃的措施來(lái)進(jìn)行降溫，但同時(shí)會(huì)帶來(lái)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放水平的惡化(尤其是PN)。而缸內(nèi)噴水技術(shù)在高負(fù)荷工況通過(guò)抑制爆震可以帶來(lái)燃燒相位的提前，大幅降低了排氣溫度，因此取消燃油加濃降溫的策略也成為了可能。博世、寶馬、FEV等公司[25,35-38]在保證排氣溫度不變的情況下，通過(guò)增加噴水比例逐步取消了燃油加濃，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷MAP圖中的理論化學(xué)當(dāng)量比燃燒的概念。對(duì)于氮氧化合物(NOx)排放來(lái)說(shuō)，當(dāng)混合氣濃度沒(méi)有變化時(shí)(見(jiàn)圖6)，噴水帶來(lái)缸內(nèi)溫度的降低有利于減慢生成氮氧化物的速度，最終帶來(lái)NOx排放量的下降。而當(dāng)混合氣濃度發(fā)生變化時(shí)(見(jiàn)圖6a)，此時(shí)影響NOx變化的主導(dǎo)因素是缸內(nèi)氧濃度，混合氣中氧濃度的增加最終導(dǎo)致了NOx排放的增加；對(duì)于未燃碳?xì)?HC)來(lái)說(shuō)，在混合氣濃度不變的情況下(見(jiàn)圖6)，噴水的加入常會(huì)帶來(lái)缸內(nèi)最大燃燒壓力的增加(見(jiàn)圖4)，這會(huì)增加未燃混合氣在壓縮沖程中竄逃入燃燒室壁縫中的可能性，來(lái)不及參加燃燒的混合氣在膨脹沖程中會(huì)被釋放出來(lái)，最終形成了HC排放，并且缸內(nèi)溫度的降低也會(huì)進(jìn)一步增加HC的排放。對(duì)于一氧化碳(CO)來(lái)說(shuō)(見(jiàn)圖6b)，在取消燃油加濃的過(guò)程中，混合氣濃度的改善占主導(dǎo)作用，最終大幅降低了CO的排放。

圖6 噴水取消燃油加濃對(duì)排放的影響[39]

2.3 噴水?dāng)U大壓燃運(yùn)行區(qū)域

壓燃燃燒(CI)的熱效率明顯高于火花塞點(diǎn)火燃燒(SI)，其中最重要的原因是燃燒速度。常規(guī)汽油機(jī)中的火焰是通過(guò)火花塞點(diǎn)火，是由點(diǎn)到面進(jìn)行擴(kuò)散燃燒，而壓燃燃燒(CI)不局限于某一個(gè)點(diǎn)，是缸內(nèi)多個(gè)自燃點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行燃燒，缸內(nèi)燃燒反應(yīng)進(jìn)程明顯快于點(diǎn)燃燃燒[40]。汽油機(jī)中的預(yù)混合壓燃點(diǎn)火(Homogeneous Charge Compression Ignition)概念就以此應(yīng)運(yùn)而生，但是壓燃著火的起始時(shí)刻、缸內(nèi)的放熱速率由于受到發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和外界環(huán)境的制約難以控制，導(dǎo)致汽油機(jī)中壓燃點(diǎn)火只能在較窄的工況區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)，因此如何擴(kuò)大汽油機(jī)中預(yù)混合壓燃點(diǎn)火的運(yùn)行工況范圍是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。西班牙瓦倫西亞大學(xué)J. Valero-Marco等[40]通過(guò)缸內(nèi)噴水在保證燃燒穩(wěn)定性的前提下，降低了混合氣的熱環(huán)境，最終將發(fā)動(dòng)機(jī)可承受壓燃的最大負(fù)荷從最初的IMEP 0.35 MPa提升到最終的IMEP 1 MPa。Y. Iwashiro等[41]在保證較低NOx排放的前提下，通過(guò)缸內(nèi)噴水技術(shù)實(shí)現(xiàn)稀混合氣濃度下(λ=3)的壓燃燃燒，指示熱效率最終改善了約2%。關(guān)于噴水對(duì)壓燃著火起始時(shí)刻的影響，M. Rahimi Boldaji等[42-43]研究了噴水質(zhì)量、壓力、時(shí)間對(duì)壓燃燃燒參數(shù)的影響，指出增加噴水質(zhì)量可以推遲燃燒相位，從而可以進(jìn)一步控制缸內(nèi)的放熱進(jìn)程，但是也指出在帶來(lái)NOx排放減少的同時(shí)，也會(huì)惡化未燃HC和CO的排放，主要和壁面溫度的降低有關(guān)。

2.4 基于目標(biāo)的缸內(nèi)噴水技術(shù)路線

對(duì)當(dāng)前點(diǎn)燃式汽油機(jī)缸內(nèi)噴水對(duì)燃燒過(guò)程的影響進(jìn)行歸納總結(jié)(見(jiàn)圖7)，可以看出噴水對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程最重要的影響是通過(guò)降溫來(lái)抑制爆震，并以此衍生出六條技術(shù)路線。其中關(guān)于技術(shù)線路3，在標(biāo)定功率工況下排氣溫度的降低會(huì)提高最大進(jìn)氣壓力的限值，因此增壓壓力的增加最終會(huì)帶來(lái)性能上的提升，目前多應(yīng)用于賽車或性能車上。

圖7 缸內(nèi)噴水技術(shù)路線

3 噴水技術(shù)和EGR技術(shù)對(duì)比

在抑制爆震改善燃燒相位、冷卻降溫減少壁面?zhèn)鳠釗p失、稀釋混合氣濃度增加工質(zhì)比熱比等方面，傳統(tǒng)的EGR技術(shù)和缸內(nèi)噴水技術(shù)有著相同的原理[44-45]，但二者也有著些許區(qū)別。F. Bozza等[46]對(duì)全負(fù)荷工況下不同轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的最佳油耗進(jìn)行了對(duì)比分析，指出隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的提高，缸內(nèi)噴水技術(shù)的節(jié)油優(yōu)勢(shì)較外部冷卻EGR技術(shù)更明顯。天津大學(xué)付雪青等[33]對(duì)二者影響熱效率的不同因素進(jìn)行了單獨(dú)分析，指出在同一工況下由于噴水的冷卻效果更好，較少的廢熱能量損失是導(dǎo)致其油耗表現(xiàn)更占優(yōu)的主要原因。另外F. Bozza等[46]也指出，在控制同樣的負(fù)荷下，EGR需要更高的增壓壓力，這可能會(huì)帶來(lái)PM排放的惡化[47]，而噴水不會(huì)帶來(lái)此技術(shù)缺陷。韓國(guó)現(xiàn)代公司[7]系統(tǒng)性地對(duì)比了外部冷卻EGR技術(shù)和缸內(nèi)噴水技術(shù)在結(jié)合米勒循環(huán)、停缸技術(shù)后對(duì)油耗改善的表現(xiàn)差異(見(jiàn)圖8)，指出在高負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，噴水結(jié)合高壓縮比技術(shù)節(jié)油優(yōu)勢(shì)更明顯，而外部冷卻EGR技術(shù)在中負(fù)荷區(qū)域內(nèi)節(jié)油優(yōu)勢(shì)更明顯，L. Teodosio等[48]通過(guò)仿真也得到相似的結(jié)論。

圖8 噴水和EGR技術(shù)對(duì)比[7]

4 噴水技術(shù)在整車上的應(yīng)用

早在2013年，寶馬公司就已經(jīng)將噴水技術(shù)應(yīng)用在其性能車M4 GTS上，使得原直列6缸發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率從317 kW提升到368 kW[37]，性能得到了極大的提升。但是在大規(guī)模推廣噴水技術(shù)應(yīng)用在整車之前，整車的耗水量以及水源的獲取路線仍亟待解決和討論。

整車的耗水量一般會(huì)受到眾多因素的影響，駕駛的路況、發(fā)動(dòng)機(jī)(整車)的配置參數(shù)以及駕駛習(xí)慣都會(huì)影響到最終的耗水量。FEV公司[28]通過(guò)仿真對(duì)比了3種不同測(cè)試循環(huán)下(NEDC、WLTC、RTS 95)的耗水量，其中RTS 95測(cè)試循環(huán)中由于高負(fù)荷工況點(diǎn)占比最多，因此平均耗水量也最大(約2.96 L/100 km)，對(duì)應(yīng)的平均油耗改善比例也最多(約5.53%)。博世公司[25]對(duì)比了在同一測(cè)試循環(huán)下,3種不同類型的乘用車耗水量差異，指出功率最大的家用乘用車(130 kW)耗水量也相應(yīng)最大，約2.8 L/100 km。

因此考慮到整車的空間限制，可持續(xù)循環(huán)的水源獲取手段顯得尤為重要，目前主要有三種技術(shù)路線[25,37]。第一種是最簡(jiǎn)單的技術(shù)路線，由終端客戶手動(dòng)填充用水，優(yōu)點(diǎn)是水質(zhì)量可靠，缺點(diǎn)是需要較大尺寸的水箱。第二種是通過(guò)空調(diào)壓縮系統(tǒng)獲取，優(yōu)點(diǎn)是可自動(dòng)填充以及水箱體積小，缺點(diǎn)是當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)回收難度大。最后一種是回收廢氣中的水蒸氣，優(yōu)點(diǎn)和第二種基本相同，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高[49]。因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、水質(zhì)量可靠、環(huán)保的供水系統(tǒng)仍亟待解決。

5 結(jié)束語(yǔ)

汽油機(jī)噴水系統(tǒng)主要分為進(jìn)氣道噴水和缸內(nèi)直接噴水兩大類，其中缸內(nèi)直接噴水根據(jù)燃油和水是否共用同一個(gè)噴嘴又分為缸內(nèi)油水分離直接噴水和缸內(nèi)油水混合直接噴水兩種方式。選擇盡可能保證大部分水滴順利蒸發(fā)吸熱的噴水策略十分重要，對(duì)于進(jìn)氣道噴水來(lái)說(shuō)，噴射時(shí)間和噴水器安裝位置是重要的影響因素，而對(duì)于缸內(nèi)直接噴水來(lái)說(shuō)，噴射時(shí)間和噴射壓力是重要的影響因素。

噴水對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程最重要的影響是通過(guò)降溫來(lái)抑制爆震，并以此衍生出六條技術(shù)路線。

在高負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，噴水技術(shù)節(jié)油優(yōu)勢(shì)更明顯，而外部冷卻EGR技術(shù)在中負(fù)荷區(qū)域內(nèi)節(jié)油優(yōu)勢(shì)更明顯。

在大規(guī)模推廣噴水技術(shù)應(yīng)用在整車之前，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量可靠、可循環(huán)的供水系統(tǒng)仍亟待解決。