汽油機缸內噴水技術研究現狀與進展

范亞東，吳天寶，李雪松，許敏，張勃

(1.上海交通大學汽車電子控制技術國家工程實驗室，上海 200240;2.中國北方發動機研究所(天津)，天津 300400)

近年來，全球汽車保有量不斷增長帶來的能源消耗和環境污染問題，以及以純電動汽車為代表的新能源汽車取得的長足進步和發展，都對傳統汽車動力系統中占據主導地位的汽油機造成了巨大沖擊。

具體對于中國來說，空前嚴峻的挑戰主要體現在下面兩點：一是國家油耗法規的不斷收緊。2016年10月 30 日，中華人民共和國工業和信息化部正式發布了《節能與新能源汽車技術路線圖》，明確規定了乘用車企業平均燃油消耗量(CAFC)的目標值將由2020年的 5 L/100 km降為2025年的4 L/100 km[1]。二是環保標準的日益嚴苛。2018年7月3日，國務院發布了《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》，計劃明確規定了從2019年7月1日開始，全國重點區域將提前實施輕型車第六階段排放標準[2]，其中國六排放法規里引入了歐盟的實際行駛污染物排放測試(Real Driving Emission)[3]。將不同排放測試循環下發動機工況點分布進行對比[4]，可以看出實際行駛污染物排放測試(RDE)加強了車輛的動態測試過程，更真實地反映了汽車在實際使用過程中的排放水平，這也對發動機尾氣排放物中的氮氧化物(NOx)和顆粒物數量(PN)提出了更嚴苛的要求[5]。

盡管面對嚴峻挑戰，但汽油機的發展潛力仍然不容小覷，主要原因有兩點。其一，當前汽油機的熱效率還遠沒有到達物理極限，業界內已上市量產的汽油機熱效率峰值最高也僅達41%[6]。實驗室研究結果表明，對于汽油機而言，如將稀薄燃燒+高能點火、火花塞控制壓燃(SPCCI)、可變壓縮比(VCT)、米勒(Miller)循環、停缸(CDA)、外部冷卻EGR、缸內噴水等技術進行有效的組合應用后，可以在很大程度內改善燃油經濟性，從而有望將峰值熱效率提高到50%以上[7-12]。其二，對于排放來說，目前汽油機在技術上已經可以實現將污染物排放數量降低到不再對環境空氣質量產生負面影響的水平，有望實現真正的近零排放[13]。日本馬自達創馳藍天技術的創始人人見光夫對傳統內燃機和純電動車的全生命周期內碳排放總量進行了對比[14]，發現傳統內燃機并不是大眾傳統觀念里的絕對高碳，電動車的碳排放數量很大程度上取決于其所用電能的來源，而中國的能源結構一直以高碳的煤電為主，短期內難以扭轉。

因此，就當前形式來看，汽油機仍然具有諸多優勢，并且潛力巨大，通過新技術應用來面對機遇和挑戰，最終就會帶來新的可能。在眾多乘用車新技術之中，缸內噴水技術是當下的研究熱點。對于汽油機來說，增壓小排量(downsizing)技術仍然是主要的節能手段，其中增壓可以提高發動機的進氣充量，小排量可以減少部分負荷工況時的泵氣損失，這些都為燃油經濟性的改善提供了基礎[15-16]。但是隨著增壓比的不斷提高以及發動機負荷的不斷加大，汽油機常會伴隨著爆震現象的產生[17]，為此不得不采取推遲點火的措施。而對于直噴汽油機來說，顆粒物數量(PN)的高排放水平一直以來都是個棘手的問題[18]。由于水在常見的液體物質中具有較高的汽化潛熱值[19]，因此可以通過缸內噴水達到降低燃燒溫度的目的，從而同時有效地抑制汽油機爆震以及高PN排放的問題[20]。

相比于國際學術界和工業界，目前國內對汽油機噴水的研究鮮有人提及，因此筆者將對當前汽油機噴水技術的研究進展進行綜述。

1 汽油機缸內噴水系統分類及機理研究

1.1 缸內噴水系統分類

噴水技術最早是應用在航空發動機，直到20世紀80年代才引入到乘用車內燃機[21]。目前汽油機噴水系統主要分為進氣道噴水和缸內直接噴水兩大類[22]，其中缸內直接噴水又根據燃油和水是否共用一個噴嘴分為缸內油水分離直接噴水和缸內油水混合直接噴水兩種方式(見圖1)。

圖1 汽油機缸內噴水系統分類

進氣道噴水系統的噴水器安裝在進氣道上，噴水壓力一般不會太高(0.4～1.0 MPa)，結構和傳統PFI發動機的噴油系統類似，因此不需要對發動機硬件系統做出較大的額外改造，成本低是其顯著的優勢。但是由于在進氣道內進行噴水，噴水器安裝位置以及噴水時間都會造成部分水滴在隨氣流進入燃燒室內的過程中就已提前蒸發，并且還會有水滴濕壁的現象，這些不僅會影響最終缸內的冷卻效果，同時也會帶來耗水量較大的缺點。

缸內直接噴水系統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)。由于不受限于進氣門開啟和關閉的時間，所以進氣和壓縮沖程都可以進行噴射，噴射時間較靈活。并且由于沒有進氣道和進氣閥門壁面上的水滴濕壁現象，所以耗水量較少，缸內的冷卻效果也較好。但是對于缸內油水分離直接噴水來說，額外的噴水器帶來的缸蓋封裝體積增大以及獨立的高壓噴射系統都會導致噴水系統結構的復雜性增強，從而可能會帶來較低的收益。對于缸內油水混合直接噴水來說，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高溫、高壓的惡劣環境對噴嘴的制造工藝都提出了嚴格特殊的要求，額外的油水預混裝置也會帶來成本的增加。另外，缸內直接噴水系統的復雜性也會增加控制難度，從而帶來較差的瞬態響應以及較低的魯棒性。

相比進氣道噴水而言，缸內直接噴水的耗水量少、降溫效果好是其顯著特點，但是系統的復雜性又是限制其大規模推廣的重要原因。任何形式的缸內噴水技術均會給活塞、燃燒室壁面等發動機零部件帶來腐蝕性和可靠性的問題，噴水帶來的機油乳化現象也會嚴重地影響發動機潤滑效果，從而縮短零部件的使用壽命，另外，機油乳化也會影響曲軸箱通風，可能會惡化顆粒物數量的排放。因此，在大規模推廣噴水技術應用之前，噴水帶來的腐蝕性和可靠性問題仍亟待解決。

1.2 汽油機噴水策略研究

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

進氣道噴水雖然具有較長的蒸發時間，但是其噴水時間會極大地受限于進氣閥門開啟和關閉的時間窗口。F. Berni等[23]通過CFD仿真發現，當噴水時刻在250°曲軸轉角(約進氣閥門開啟前100°)時，能順利進入到缸內的水滴質量最多，此時缸內的降溫效果也最好。但是密西根工業大學的J. Worm[24]通過試驗研究發現，當固定點火角后，在進氣閥關閉時刻附近噴水時，燃燒速度會突然變快，認為在此時進行噴水更合適。因此關于最優噴水時間的研究，目前尚未有統一定論。此外噴水器的安裝位置也會影響水霧在進氣道和進氣閥門壁面上的濕壁現象。博世公司[25]對比了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所需的耗水量，發現當噴水器位置越靠近進氣閥門時所需的耗水量也越少，間接證明了此時缸內冷卻效果最好。與此結果類似的是，馬瑞利公司[26]通過CFD對比了不同噴水器位置對進氣道壁面水滴濕壁現象的影響(見圖2)，指出在靠近進氣閥門位置進行噴水時，進氣道壁面上的水膜質量最少，對應的進入到缸內的水滴質量也最多。因此如何減少進氣道壁面上的濕壁現象是選擇噴水器安裝位置的重要原則。

圖2 進氣道噴水器位置對濕壁現象的影響[26]

對于缸內直接噴水來說，雖然噴水時間較靈活(進氣閥門關閉后也可以噴射)，但是由于噴射背壓較高，加上霧化時間較短，都最終會影響水滴的蒸發吸熱過程。J. Kim[19]通過對缸內溫度和壓力計算分析(見圖3)，指出在壓縮沖程早期進行噴水時，缸內環境溫度低于此時水滴的飽和溫度，所以會造成部分水滴難以完全蒸發，并指出如果優化噴射策略使得缸內環境溫度線高于圖中的飽和蒸發線，就會帶來較理想的降溫效果。另外相比于進氣道噴水，缸內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]通過試驗發現，在一定范圍內提高噴射壓力有利于水滴的霧化和蒸發，最終會帶來排氣溫度的差異。

圖3 缸內直接噴水蒸發過程分析[19]

就目前研究結果來看，噴射時間和噴水器安裝位置是影響進氣道噴水能否順利進入缸內進行蒸發吸熱的重要因素，而對于缸內直接噴水來說，噴射時間和噴射壓力又決定著噴射后的水滴在缸內是否處在“蒸發區”，從而進行充分的蒸發。但是目前對于噴水器的安裝角度、噴水器的霧化特性(貫穿距、噴霧錐角)等特性參數的研究還鮮有人提及，因此在今后的研究工作中，如何準確、系統性地探明不同噴射策略對缸內水滴蒸發過程的影響仍然是十分有意義的。

2 噴水對缸內燃燒過程的影響

2.1 噴水抑制爆震

爆震是缸內末端混合氣在火焰前鋒面到達之前就已經達到自燃溫度而發生非正常燃燒的現象[15,17]。因此，從缸內熱力學狀態參數來說，缸內噴水蒸發吸熱帶來燃燒溫度的降低可以有效地延長末端混合氣發生自燃的時間，從而抑制爆震的發生。A. Iacobacci等[29-32]在雙缸汽油機內研究了進氣道噴水在高負荷時對爆震的影響(見圖4)，發現當點火角保持和不噴水狀態一樣時，噴水會導致燃燒相位推遲以及最大缸壓峰值的降低，這是因為缸內燃燒溫度的降低導致火焰傳播速度變慢。但是將點火角提前到噴水狀態下的爆震限制點火提前角(Knock limited spark advance)，可以看出相比不噴水的狀態，爆震限制的點火提前角大幅提前，燃燒相位推遲的現象也得到改善，爆震的抑制最終帶來燃燒效率6%～12%的改善。噴水降溫會減慢火焰的傳播速度，造成燃燒持續期變長，延遲了火焰前鋒面傳播到達末端混合氣的時間，不利于爆震的抑制。F. Berni等[23,31]研究了點火角對燃燒持續期的影響，發現隨著點火角的提前火焰的傳播速度又會變快。因此噴水對燃燒持續期的影響，一方面缸內燃燒溫度的降低以及稀釋燃燒會帶來火焰傳播速度變慢，另一方面爆震得到抑制后點火角的提前又會縮短燃燒持續期，二者相互制衡，綜合影響著燃燒持續期的發展。這也解釋了天津大學付雪青等[33]的研究結論，即隨著噴水比例的增加，燃燒持續期相比不噴水的情況反而有所縮短。

圖4 噴水對燃燒相位的改善[29-32]

噴水對爆震的抑制使得增壓發動機的高壓縮比應用成為了可能。法國標致(PSA)公司[27]在高負荷下對比了高壓縮比(CR=12.5)不噴水、低壓縮比(CR=10.5)不噴水、高壓縮比(CR=12.5)進氣道噴水、高壓縮比(CR=12.5)缸內直接噴水4種條件下的油耗以及排放表現(見圖5)，結果表明將發動機壓縮比從12.5降低到10.5以后，油耗反而得到了6.6%的改善。這是因為原機的高壓縮比(CR=12.5)雖然提高了理論熱效率，但也同時導致爆震現象嚴重，所以燃燒相位的推遲惡化了最終的消耗表現。但在仍然維持原機高壓縮比(CR=12.5)不變的情況下，通過噴水抑制爆震，燃燒相位的提前以及壁面傳熱損失減少進一步改善了燃油經濟性(相比原機改善了10.3%～13.1%)，并且相比進氣道噴水，缸內直接噴水的油耗改善情況略占優。

圖5 噴水抑制爆震結合高壓縮比試驗結果[27]

此外噴水對爆震的抑制也使得汽油機對燃油的抗爆性指數(AKI)要求有所降低。密西根工業大學的J. Worm等[34]對比了3種不同抗爆性指數(AKI=87、AKI=91、AKI=110)的燃油對缸內燃燒參數的影響，指出低抗爆性指數(AKI=87)的燃油結合噴水技術對燃燒相位的改善程度和單獨使用高抗爆性指數(AKI=110)的燃油結果比較接近，并且二者都好于原機狀態(AKI=91)。

2.2 噴水取消燃油加濃

在高速全負荷工況發動機對外做功最多，此時排出的廢氣中含有大量的熱量，為保護渦輪葉片和三元催化器不被高溫燒結，常采用燃油加濃的措施來進行降溫，但同時會帶來燃油經濟性和排放水平的惡化(尤其是PN)。而缸內噴水技術在高負荷工況通過抑制爆震可以帶來燃燒相位的提前，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，通過增加噴水比例逐步取消了燃油加濃，實現了發動機全負荷MAP圖中的理論化學當量比燃燒的概念。對于氮氧化合物(NOx)排放來說，當混合氣濃度沒有變化時(見圖6)，噴水帶來缸內溫度的降低有利于減慢生成氮氧化物的速度，最終帶來NOx排放量的下降。而當混合氣濃度發生變化時(見圖6a)，此時影響NOx變化的主導因素是缸內氧濃度，混合氣中氧濃度的增加最終導致了NOx排放的增加；對于未燃碳氫(HC)來說，在混合氣濃度不變的情況下(見圖6)，噴水的加入常會帶來缸內最大燃燒壓力的增加(見圖4)，這會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，來不及參加燃燒的混合氣在膨脹沖程中會被釋放出來，最終形成了HC排放，并且缸內溫度的降低也會進一步增加HC的排放。對于一氧化碳(CO)來說(見圖6b)，在取消燃油加濃的過程中，混合氣濃度的改善占主導作用，最終大幅降低了CO的排放。

圖6 噴水取消燃油加濃對排放的影響[39]

2.3 噴水擴大壓燃運行區域

壓燃燃燒(CI)的熱效率明顯高于火花塞點火燃燒(SI)，其中最重要的原因是燃燒速度。常規汽油機中的火焰是通過火花塞點火，是由點到面進行擴散燃燒，而壓燃燃燒(CI)不局限于某一個點，是缸內多個自燃點同時進行燃燒，缸內燃燒反應進程明顯快于點燃燃燒[40]。汽油機中的預混合壓燃點火(Homogeneous Charge Compression Ignition)概念就以此應運而生，但是壓燃著火的起始時刻、缸內的放熱速率由于受到發動機負荷和外界環境的制約難以控制，導致汽油機中壓燃點火只能在較窄的工況區域內實現，因此如何擴大汽油機中預混合壓燃點火的運行工況范圍是當下的研究熱點。西班牙瓦倫西亞大學J. Valero-Marco等[40]通過缸內噴水在保證燃燒穩定性的前提下，降低了混合氣的熱環境，最終將發動機可承受壓燃的最大負荷從最初的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，通過缸內噴水技術實現稀混合氣濃度下(λ=3)的壓燃燃燒，指示熱效率最終改善了約2%。關于噴水對壓燃著火起始時刻的影響，M. Rahimi Boldaji等[42-43]研究了噴水質量、壓力、時間對壓燃燃燒參數的影響，指出增加噴水質量可以推遲燃燒相位，從而可以進一步控制缸內的放熱進程，但是也指出在帶來NOx排放減少的同時，也會惡化未燃HC和CO的排放，主要和壁面溫度的降低有關。

2.4 基于目標的缸內噴水技術路線

對當前點燃式汽油機缸內噴水對燃燒過程的影響進行歸納總結(見圖7)，可以看出噴水對缸內燃燒過程最重要的影響是通過降溫來抑制爆震，并以此衍生出六條技術路線。其中關于技術線路3，在標定功率工況下排氣溫度的降低會提高最大進氣壓力的限值，因此增壓壓力的增加最終會帶來性能上的提升，目前多應用于賽車或性能車上。

圖7 缸內噴水技術路線

3 噴水技術和EGR技術對比

在抑制爆震改善燃燒相位、冷卻降溫減少壁面傳熱損失、稀釋混合氣濃度增加工質比熱比等方面，傳統的EGR技術和缸內噴水技術有著相同的原理[44-45]，但二者也有著些許區別。F. Bozza等[46]對全負荷工況下不同轉速區間內的最佳油耗進行了對比分析，指出隨著轉速和負荷的提高，缸內噴水技術的節油優勢較外部冷卻EGR技術更明顯。天津大學付雪青等[33]對二者影響熱效率的不同因素進行了單獨分析，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致其油耗表現更占優的主要原因。另外F. Bozza等[46]也指出，在控制同樣的負荷下，EGR需要更高的增壓壓力，這可能會帶來PM排放的惡化[47]，而噴水不會帶來此技術缺陷。韓國現代公司[7]系統性地對比了外部冷卻EGR技術和缸內噴水技術在結合米勒循環、停缸技術后對油耗改善的表現差異(見圖8)，指出在高負荷區間內，噴水結合高壓縮比技術節油優勢更明顯，而外部冷卻EGR技術在中負荷區域內節油優勢更明顯，L. Teodosio等[48]通過仿真也得到相似的結論。

圖8 噴水和EGR技術對比[7]

4 噴水技術在整車上的應用

早在2013年，寶馬公司就已經將噴水技術應用在其性能車M4 GTS上，使得原直列6缸發動機的最大功率從317 kW提升到368 kW[37]，性能得到了極大的提升。但是在大規模推廣噴水技術應用在整車之前，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受到眾多因素的影響，駕駛的路況、發動機(整車)的配置參數以及駕駛習慣都會影響到最終的耗水量。FEV公司[28]通過仿真對比了3種不同測試循環下(NEDC、WLTC、RTS 95)的耗水量，其中RTS 95測試循環中由于高負荷工況點占比最多，因此平均耗水量也最大(約2.96 L/100 km)，對應的平均油耗改善比例也最多(約5.53%)。博世公司[25]對比了在同一測試循環下,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)耗水量也相應最大，約2.8 L/100 km。

因此考慮到整車的空間限制，可持續循環的水源獲取手段顯得尤為重要，目前主要有三種技術路線[25,37]。第一種是最簡單的技術路線，由終端客戶手動填充用水，優點是水質量可靠，缺點是需要較大尺寸的水箱。第二種是通過空調壓縮系統獲取，優點是可自動填充以及水箱體積小，缺點是當環境溫度過低時回收難度大。最后一種是回收廢氣中的水蒸氣，優點和第二種基本相同，缺點是結構復雜、成本高[49]。因此結構簡單、水質量可靠、環保的供水系統仍亟待解決。

5 結束語

汽油機噴水系統主要分為進氣道噴水和缸內直接噴水兩大類，其中缸內直接噴水根據燃油和水是否共用同一個噴嘴又分為缸內油水分離直接噴水和缸內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吸熱的噴水策略十分重要，對于進氣道噴水來說，噴射時間和噴水器安裝位置是重要的影響因素，而對于缸內直接噴水來說，噴射時間和噴射壓力是重要的影響因素。

噴水對缸內燃燒過程最重要的影響是通過降溫來抑制爆震，并以此衍生出六條技術路線。

在高負荷區間內，噴水技術節油優勢更明顯，而外部冷卻EGR技術在中負荷區域內節油優勢更明顯。

在大規模推廣噴水技術應用在整車之前，結構簡單、質量可靠、可循環的供水系統仍亟待解決。