抑制爆燃——噴水系統在發動機上的應用與發展
噴水技術一直被研究人員認為是提升發動機有效功率的可靠方式之一。早在20世紀上半葉，相關研究人員通過這1方式可使航空發動機功率在短期內得以迅速增加。在20世紀80年代早期，逐步提升的動力性能也是推動一級方程式（Formula 1）賽車發展的重要因素。第1款量產的渦輪增壓汽車（Saab 99）通過噴水系統替代了進氣冷卻器。近年來，寶馬也為其旗下的M4 GTS車型上配裝了1個噴水系統。
目前，研究人員主要通過小型化和渦輪增壓等方式來減少汽油機的燃油消耗。然而，過高的燃燒温度、爆燃現象和隨機早燃等問題限制了功率的增加。噴水技術除了可有效提升功率，也能用來改善渦輪增壓和直噴發動機的熱效率。
充氣冷卻
進氣系統和燃燒室可通過水的汽化焓（vaporization enthalpy）來冷卻，其比燃油的汽化焓高出數倍。由此可通過其冷卻效果來緩解爆燃發生可能性，且能通過採用更大的點火提前角來改善中高負荷區的燃燒效率。
此外，為減小爆燃趨勢，研究人員適度增加了發動機的壓縮比，在整個運轉特性區內可以減少整機油耗。而且，通過噴水可有效去除混合物加濃的需求，並能在所有運行工況下實現充分燃燒。
除了減少燃油耗，還可實現三元催化器（TWC）的相關功能，從而能有效滿足實際駕駛循環（RDE）法規。同時，較低的缸內温度也可減少缸壁熱損失。對1台滿足歐6排放的4缸火花點火直接噴射（SIDI）渦輪增壓發動機而言，該方案在全負荷工況下能使其整機熱效率提高12%。該款機型的升功率可達90 kW，並已在特里爾（Trier）應用科技大學的發動機試驗室內展出。
發動機的小型化進程同樣受到早燃現象的限制。通常而言，早燃現象會在全負荷和低發動機轉速下隨機出現。此類現象被部分研究人員稱為低速隨機早燃（SPI）。SPI現象較少出現，但是一旦出現即會產生嚴重的後果。目前，根據許多調查報告的研究結果顯示，燃燒室中的液態或固態顆粒物可能是觸發早燃的重要原因。
研究人員針對SPI現象進行了噴水試驗。該試驗在轉速為2 000 r/min且節氣門全開的工況下進行，並使發動機開展了1個長達45 min的測試循環。研究人員為試驗發動機匹配了1款專用活塞來觸發SPI現象。隨着噴射出的水霧進入進氣區域（低壓噴射），SPI現象的發生次數由19次（基礎方案、無噴水、加濃）減少為4次。之後，研究人員採用油水混合物進行直接噴射，SPI現象的發生次數進一步減少為1次。在發動機以化學當量比混合氣運行時，缸內最大壓力明顯較低。雖然目前低速早燃的根本原因並未得以完全研究出來，但目前可以表明的是噴水過程能有效減弱早燃趨勢。
系統方法
根據相關研究，噴水過程如發生在進氣區域，意味着僅需配備1個低壓儲水系統。為使冷卻區域更靠近燃燒室，可採用歧管噴射的方法。
為了增強冷卻效果，研究人員可調整技術方案，以便直接將水噴入氣缸中。通過採用該類方法，能使水的全部汽化焓用於冷卻缸內進氣充量，但由此需要配備1個高壓供水系統。
噴水過程會由側向噴射器來完成，由於其提供了獨立的噴水正時控制功能，部分研究人員更傾向於採用該方法。總體而言，大多數方法均依賴於燃油-水乳化液的形成過程，此類燃料可通過1個處於中心位置的噴射器直接噴射。
在初始試驗中，研究人員採用了1種微乳狀液，同時也準備了表面活性添加劑。由於表面活性劑更易於促進爆燃現象的發生，其使用過程並不理想，但即便如此，其使用成本依然較低。出於這種考慮，研究人員選擇採用粗滴乳狀液。需要注意的是，這些粗滴乳狀液僅能在極短的時間內維持穩定狀態，通常會在1 min以後開始發生分離。
乳化過程能在高壓泵內完成，並且具有較高的成本效益，為此僅需匹配1個泵。然而，該類方法需要將大量的乳化液儲存在燃油管中，在儲存過程中仍需防止發動機負荷變化及怠速過程的出現。在發動機停機時，由於乳化液會出現分離現象，由此使問題進一步複雜化。因此，任何單泵系統的安全起動性能需要進一步測算，以阻止分離後的乳化液過於接近噴射器。
為了解決上述問題且保有一定儲量的乳狀液，研究人員為發動機配備了2個高壓泵，其中1個高壓泵由於噴水，另1個則用於噴射燃油。水與燃油會在靠近噴射器的油軌中進行混合，也可在噴射器中進行混合。其最終的噴射任務是將乳狀液轉化為噴霧，從而能進一步減小油滴的尺寸分佈。然而，對每個循環的噴射量而言，供應至噴射器的乳狀液必須有1個確定的油水混合比例。
量產考慮
就其實際應用而言，系統必須在日常使用中具有較高的可靠性。例如，需要採取相應措施以防止儲存的水在冬季結冰。如果乳狀液過於接近噴射器，研究人員必須設計出相應的解決方案以確保發動機的起動能力，可通過附加的發動機關閉程序及相應的分流方案來解決這些問題。此外，研究人員還需要考慮噴射水的來源和品質。
在夏季階段，研究人員應作好大量引入噴水系統的準備，由此可採用1個低壓系統，採用該方法可使發動機更清潔、更高效，且動力性更強。
作者：CHRISTOPH HEINRICH
整理：王少輝
編輯：伍賽特
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