博世瘋了,新發動機系統將往油里摻水

最近正值第36屆維也納汽車研討會的召開,可謂是汽車發動機愛好者的一次節日。因為全世界1千多家發動機開發商帶來了他們最新的發動機技術。各種酷炫到想都不敢想的新技術一下子應接不暇的在研討會上發布。其中最為瘋狂的個人認為是博世BOSCH此次帶來的新一代汽油直噴發動機管理系統。在這套系統里竟然將向汽油中摻入水。具體這是個什么樣的系統,請各位慢慢往下看。

這套系統的名稱為水噴射系統Water Injection System (WIS)。這套系統被用來與傳統基于火花點火Spark Ignition的汽油直噴系統進行配合。如下圖所示,進氣道中增加了一款水噴射器。該噴射器先將水霧化并噴射到進氣道與空氣進行預混合。然后混合空氣隨著進氣沖程進入氣缸。而噴油器直接將汽油噴射到氣缸當中。因此在點燃汽油的時刻,汽油其實是在和空氣和水霧的混合氣體進行反應并做功。那水噴射系統帶來什么樣的效果呢?可以參考如下圖的右側部分。這是基于一款渦輪增壓發動機的測試結果。橫軸為水占總燃油質量的比例??v軸為燃油消耗量??梢钥吹疆斔嫉娇側加唾|量的35%時,可以節油13%。并且此時λ=1。此處的λ(Lambda)為汽油燃燒情況的表征。當汽油和空氣的比例為1:14.7時能夠完全燃燒。完全燃燒時即為λ=1。

根據博世具體的演講,水噴射系統主要有如下優點。

1. 為充氣過程提供冷卻。類似于對進入氣缸的空氣降溫。

2. 可以有效的防止爆震的發生。

3. 可以提高發動機的壓縮率。從而讓發動機產生更多的扭矩。

4. 能夠簡單而且高效的降低油耗。特別是高負荷和低轉速工況。

5. 避免燃油的加濃噴射和降低排氣溫度。特別是高負荷和高轉速工況。

此處要特別提一句,在傳統發動機系統里高負荷和高轉速工況排氣溫度會非常高。長時間工作可能損壞排氣系統。因此不得已必須進行燃油加濃噴射。用燃燒不掉的汽油對排氣系統進行冷卻。換句話說高負荷和高轉速時有些汽油就白白地被噴出去而根本沒有做功。這也是為了保護汽車的一種無奈之舉。而有了這套水噴射系統,這個降溫的任務就交給水來完成了。

并且在演講中提及該系統正在與整車廠進行聯合開發,有望在不遠的將來量產。這套系統主要包括一個水泵,一個輸水軌道,一個水噴射器。

其實這套水噴射系統也并不是沒有缺點。大家可以想象這套系統必然需要在車上額外增加一套水箱。而且還得給水箱定期加注一定量的水。否則等水耗盡了這套系統就沒法繼續工作了。而且還要應對極低溫度的挑戰。溫度太低了水箱可能就完全凍住了。

那么既然前面提到了汽油直噴GDI發動機系統,請允許我再簡短介紹一下汽油直噴系統和非直噴系統。

首先非直噴系統如其名字的含義汽油不是直接噴射到氣缸內的。非直噴系統又稱為歧管噴射系統Multi-Port Injection (MPI)。具體來說如下圖,噴油器布置在進氣管中。汽油霧化并噴射進入進氣管。與空氣預混合以后形成混合氣一起隨進氣沖程進入氣缸。也由于這個原因,在進氣沖程以后就是壓縮沖程。汽油和空氣的混合氣一起被壓縮,因此混合氣的溫度隨著壓力增加而增高。相對來說混合氣溫度高其燃燒時的燃燒效率就會降低。

相對的汽油直噴系統Gasoline Direct Injection (GDI)其噴油器布置在氣缸中。汽油可以控制在壓縮沖程的末端被噴射入氣缸。這樣汽油就沒有因壓力增大而升溫??梢杂行У奶岣呷紵?。其結構圖如下圖。

但并不是直噴發動機完全好于非直噴發動機。因為直噴發動機有個非常棘手的問題就是在氣缸溫度低的時候直噴汽油發動機系統很容易燃燒不充分產生顆?;镔|。就是俗稱的冒黑煙。也因此國際的排放法規規定中歐六相比歐五明顯加嚴了對顆?;镔|的限制。因為這個原因出現了下面將非直噴和直噴兩套系統混合專配在同一套發動機系統中情況,GDI+MPI。這也是目前被證明為最有效的幫助汽油直噴發動機滿足歐六排放標準的手段。這樣的系統目前可以在大眾集團的第三代EA888發動機系列和豐田集團的FA20發動機系列中看到。這兩個系列的發動機都多次獲得了近幾年的沃德十佳發動機大獎。因此其性能和可靠性得到了廣泛的認可。如下圖為大眾集團的第三代EA888 GDI+MPI發動機系統結構圖。

其實大家可能也發現了,本文提到的水噴射系統其實就是類似于將上面的GDI+MPI混合系統中的進氣道部分的MPI噴油器換成了水噴射器。因此在結構設計上有很多可以相互借鑒的部分。

希望如上的解析可以幫助你了解博世這款略顯瘋狂的水噴射汽油直噴系統。