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汽车内燃机水喷射系统的原理

2023-05-05 07:44    艾森ECU升级(北京运营中心)


发动机增压是提高发动机强化程度和改善燃油经济性的重要技术手段,但是新鲜空气在经过增压器后,温度会急剧上升,使发动机的爆震倾向增加,限制了发动机升功率和压缩比的进一步增加。而水喷射系统则依靠水的蒸发吸热,可有效地降低发动机的进气和燃烧温度,进而降低发动机爆震的可能性。进气道水喷射具有改善发动机燃油经济性和动力性,受到了广泛的关注。
 

原理:

       进气温度是决定引擎输出的一个重要因素之一,降温对于增压车型更为重要,水喷射系统最主要的目的是降低缸内温度。而水分子气化所需的能量是汽油的六倍,因此在同样的环境下水的降温远远大于汽油,可以带走大量的温度。水喷射系统将雾化的水雾喷入气缸后,就能有效降低气缸内的温度,一旦温度降低后,便能有效的增强引擎能效。
透过加压泵浦的推送,使得水得以相当细小分子的方式,进入汽缸内与汽油一同燃烧,由于水比汽油重,因此喷入汽缸内的水分子便会被汽油包住,不但增加汽油的燃烧面积,汽化后的水分子还能带走高热,并增加压缩比。

 


 

发动机水喷冷却系统的优势以及应用价值:
 

1. 高效降温: 进气温度是决定发动机输出效能的重要因素之一,尤其在带有涡轮增压的车辆上更为重要,水分子气化所需要的能量是汽油气化所需能量的6倍,同样环境下水的降温效能远远大于汽油。

2. 提高燃油效率:带有发动机水喷冷却系统的车辆的燃油效率跟不带该系统发动机水喷冷却系统由水箱,传感器,加热器,管路,喷嘴,泵模块单元以及智能控制单元等多部件组成,如右图就是布置在整车上的一套水冷系统的车辆的燃油效率相比较,可以有13%的燃油效率提高。

3. 车辆扭矩以及动力提升:带有水喷冷却系统的车辆的扭矩明显增大,动力对比没有水喷冷却系统的车辆可以提升5%。

4. 降低CO2排放:由于降低了进气温度,提高了空气密度,所以燃烧更为充分,搭载水喷冷却系统的CO2排放量可以降低4%。

5. 解决积碳问题:由于水喷系统不停的冲刷,积碳的问题会比没有水喷冷却系统的车辆有显著的改善。
6.降低爆震的几率,我们都知道加有涡轮增压技术的发动机,缸内温度与缸内压力会更高,导致了气缸内的油气混和物在气缸压缩时易发生自燃,再加上后续火花塞点火的燃烧,燃烧点不止一处,这个时候就会发生爆震,对发动机的损害比较大,同时舒适性也不好。如果往气缸内喷水,可以降低气缸内的温度,抑制爆震的产生,会大大改善发动机的工作条件,降低发动机损害的几率。
7.可以提高压缩比,没有喷水的发动机提高压缩比,会导致爆震,而喷水的发动机会抑制爆震,这样就使得提高压缩比成为可能,提高压缩比的好处,就是能够提高发动机的输出动力。

 

既然这么完美,其他发动机厂商难道没有想到这办法,是有什么难点么?

当然想到了。

这么说吧,其实现代汽车的技术,雏形和概念,绝大多数都在50-80年前,都已经提出了。

只不过因为电子电控系统的发展,很多技术才真的能用起来。

发动机喷水这一个技术最早的应用可以追溯到二战,之后陆陆续续也有很多研究。

但是知难行易,道理我都懂,就是做不做得出来的问题

就比如最简单的一个问题,水分怎么喷射?

要是缸内直喷,水分的雾化,扩散,流动

这些要怎么设计,才能达到预期的效果呢?

进气歧管喷射呢?也一样,

流场要计算,怎么通过进气产生的涡流让水分更均匀分布...等等

这些都是非常难的课题,比看上去难多了。

流体动力学仿真本来就是很头大的一件事情

何况这都可以算多项热流体动力学了

而且计算流体动力学不能替代试验,而发动机气缸内的流场测量,也是件很头大的事情。

这么说吧,光讲道理的话,听上去非常好的技术,研究院里一抓一大把。

但是如果要说到应用上,那就还有很长很长的路要走。

不是说有什么难点,而是难点多了去了

还有一个问题,就是各个公司的策略不同

大多数汽车公司都没办法把所有可能的好技术都来研究一遍

这种前沿科技,很多都是浅尝则止,所谓技术储备,有一小撮人在稍微跟进

只有那些被公司挑中,要用来赌一波未来发展的技术,才会大张旗鼓的研发。

就好像当年新能源之争——混合动力,纯电电动机,燃料电池,世界各大势力纷纷选择不同的方向押宝。

其次就是对用户日常使用便利性和成本的影响: 任何进入发动机内的东西都是需要严格控制质量的,就算是水,也绝不是自来水加满就成。它必须是经过精细处理的去离子纯净水,或者是去离子纯净水与高纯度甲醇勾兑出来的溶液,可以想象这东西一定不便宜,可以参考柴油车的尿素溶液。
而且作为一款性能车,即便不考虑车身设计上已经很难找到位置去塞多一个水壶,单单考虑增重问题,都意味着这个水壶体积绝对是有限的。情况一下子就又变成了跟高排放标准柴油车的尿素瓶一样了: 需知道大众在北美柴油车排放作弊一事,很大的原因就在于添加尿素的的确确会让用户感到厌烦,甚至已经到了影响购买决定的程度,所以大众才不得不铤而走险宁愿作弊也不加尿素罐的。

当然,上述问题以后会不会因为技术的升级而有改进呢?我们不确定,只是短期内,这技术也只能是专属于非常特定的场合了。


 

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