发动机|抑制爆燃——喷水系统在发动机上的应用与发展研究人员|乳状液|发动机|喷水

喷水技术一直被研究人员认为是提升发动机有效功率的可靠方式之一。早在20世纪上半叶，相关研究人员通过这1方式可使航空发动机功率在短期内得以迅速增加。在20世纪80年代早期，逐步提升的动力性能也是推动一级方程式（Formula 1）赛车发展的重要因素。第1款量产的涡轮增压汽车（Saab 99）通过喷水系统替代了进气冷却器。近年来，宝马也为其旗下的M4 GTS车型上配装了1个喷水系统。

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目前，研究人员主要通过小型化和涡轮增压等方式来减少汽油机的燃油消耗。然而，过高的燃烧温度、爆燃现象和随机早燃等问题限制了功率的增加。喷水技术除了可有效提升功率，也能用来改善涡轮增压和直喷发动机的热效率。
充气冷却
进气系统和燃烧室可通过水的汽化焓（vaporization enthalpy）来冷却，其比燃油的汽化焓高出数倍。由此可通过其冷却效果来缓解爆燃发生可能性，且能通过采用更大的点火提前角来改善中高负荷区的燃烧效率。
此外，为减小爆燃趋势，研究人员适度增加了发动机的压缩比，在整个运转特性区内可以减少整机油耗。而且，通过喷水可有效去除混合物加浓的需求，并能在所有运行工况下实现充分燃烧。
除了减少燃油耗，还可实现三元催化器（TWC）的相关功能，从而能有效满足实际驾驶循环（RDE）法规。同时，较低的缸内温度也可减少缸壁热损失。对1台满足欧6排放的4缸火花点火直接喷射（SIDI）涡轮增压发动机而言，该方案在全负荷工况下能使其整机热效率提高12%。该款机型的升功率可达90 kW，并已在特里尔（Trier）应用科技大学的发动机试验室内展出。

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发动机的小型化进程同样受到早燃现象的限制。通常而言，早燃现象会在全负荷和低发动机转速下随机出现。此类现象被部分研究人员称为低速随机早燃（SPI）。SPI现象较少出现，但是一旦出现即会产生严重的后果。目前，根据许多调查报告的研究结果显示，燃烧室中的液态或固态颗粒物可能是触发早燃的重要原因。
研究人员针对SPI现象进行了喷水试验。该试验在转速为2 000 r/min且节气门全开的工况下进行，并使发动机开展了1个长达45 min的测试循环。研究人员为试验发动机匹配了1款专用活塞来触发SPI现象。随着喷射出的水雾进入进气区域（低压喷射），SPI现象的发生次数由19次（基础方案、无喷水、加浓）减少为4次。之后，研究人员采用油水混合物进行直接喷射，SPI现象的发生次数进一步减少为1次。在发动机以化学当量比混合气运行时，缸内最大压力明显较低。虽然目前低速早燃的根本原因并未得以完全研究出来，但目前可以表明的是喷水过程能有效减弱早燃趋势。

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系统方法
根据相关研究，喷水过程如发生在进气区域，意味着仅需配备1个低压储水系统。为使冷却区域更靠近燃烧室，可采用歧管喷射的方法。
为了增强冷却效果，研究人员可调整技术方案，以便直接将水喷入气缸中。通过采用该类方法，能使水的全部汽化焓用于冷却缸内进气充量，但由此需要配备1个高压供水系统。
喷水过程会由侧向喷射器来完成，由于其提供了独立的喷水正时控制功能，部分研究人员更倾向于采用该方法。总体而言，大多数方法均依赖于燃油-水乳化液的形成过程，此类燃料可通过1个处于中心位置的喷射器直接喷射。
在初始试验中，研究人员采用了1种微乳状液，同时也准备了表面活性添加剂。由于表面活性剂更易于促进爆燃现象的发生，其使用过程并不理想，但即便如此，其使用成本依然较低。出于这种考虑，研究人员选择采用粗滴乳状液。需要注意的是，这些粗滴乳状液仅能在极短的时间内维持稳定状态，通常会在1 min以后开始发生分离。
乳化过程能在高压泵内完成，并且具有较高的成本效益，为此仅需匹配1个泵。然而，该类方法需要将大量的乳化液储存在燃油管中，在储存过程中仍需防止发动机负荷变化及怠速过程的出现。在发动机停机时，由于乳化液会出现分离现象，由此使问题进一步复杂化。因此，任何单泵系统的安全起动性能需要进一步测算，以阻止分离后的乳化液过于接近喷射器。
为了解决上述问题且保有一定储量的乳状液，研究人员为发动机配备了2个高压泵，其中1个高压泵由于喷水，另1个则用于喷射燃油。水与燃油会在靠近喷射器的油轨中进行混合，也可在喷射器中进行混合。其最终的喷射任务是将乳状液转化为喷雾，从而能进一步减小油滴的尺寸分布。然而，对每个循环的喷射量而言，供应至喷射器的乳状液必须有1个确定的油水混合比例。