一汽集团喷水发动机专利曝光，这项技术有多牛？

在我们印象中，发动机和水往往是相互排斥的，一旦发动机进水就需要大修了。不过如果有人说，往发动机进气歧管或者气缸内喷水可以增加发动机的热效率，您信吗？

近日，中国第一汽车股份有限公司申请的发明专利被曝光，该专利为喷水发动机的水箱温控系统，是喷水发动机不可或缺的辅助系统。

为什么要向发动机里喷水呢？核心目的还是提高发动机的热效率。

水具有高汽化潜热和高比热容的优点，所以非常合适作为油气混合物的冷却媒介。在发动机燃烧时的压缩末期，喷入适量水，通过水雾来降低进气温度，从而降低燃烧室内的温度，避免爆震或者因为爆震而延后点火提前角造成功率损失，同时水蒸气也有清理积碳的作用。以往水冷系统是借由水将引擎外围的温度降温，无法针对产生热源的燃烧室直接降温。

而一汽所申请的专利想解决什么问题呢？最主要就是让水箱里的水不会冻结！水到达冰点以下就会结冰，因此喷水系统在寒冷环境下会面临结冰的问题，管路内存水结冰也会伤及各种零部件。一汽申请的这种专利技术，能保证车辆长时间在极冷环境下，水箱内的水也不会结冰，保证了喷水系统的稳定工作。

据悉，该系统由用于喷水发动机的水箱温度控制系统，包括水箱、加热模块、采集模块和控制模块几部分组成。加热模块用于对水箱内的水进行加热；采集模块是为了采集水箱内水的温度以及车辆相关的环境温度，控制模块是将其它模块相连接，进行总控。

『图为一汽奔腾T77 PRO搭载的4GB15TD发动机』

对于业内人士而言，或许一汽的专利并不觉得多新鲜，因为宝马现款M4 GTS车型也配备了发动机喷水技术，下面我们以这款车型为例，来解析发动机喷水技术。

M4 GTS身上这台发动机搭载的水喷射系统其实是由博世公司提供的。博世发布的这款水喷射系统名为“Water Injection System”（WIS）。结构上就是在传统进气道中增加了一个水喷射器（Port Water Injector），该喷射器先将水雾化并喷射到进气道与空气进行预混合，当进气门打开时，进入气缸的不再只是空气，而是空气和雾化水的混合气，与博世原有的汽油直喷系统配合增加燃烧效率。

另外，如果水都结成冰了，这套系统还怎么玩？博世管理层成员Dr. Rolf Bulander表示：首先，在发动机启动时及热车阶段，这套喷水系统不会启动；另外，该系统使用了一套加热系统来防止水箱结冰，但并未说明热源是由发动机本身提供还是采用独立的电加热总成。

博世发动机喷水技术

宝马现款M4 GTS车型搭载3.0L双涡轮增压直列六缸发动机，最大功率500马力，最大扭矩600N·m，并且增加水喷射冷却系统，采用双机油泵等；匹配7速双离合变速箱，官方0-100km/h加速时间为3.8秒，而极速可达305km/h。

IND4汽车人APP讲师JZ对发动机喷水技术颇有研究，为详细解析发动机喷水技术原理，今天请各位跟着他的思路（光学燃烧的思路）从以下两方面进行思考：

一、燃油和含有30%水分的燃油其燃烧过程对比。

二、含水百分比的不同对发动机的影响（使用含20%、30%水分的燃油）

可视化燃烧特性对比

在燃料中含有的水分，对其雾化或再微粒化会不会有影响？过热水蒸气与油雾间产生的化学反应对燃油成分是否有影响？由于其黏性的变化，燃烧所需氧含量量的增加，燃烧温度较高等对发动机的性能影响在本文燃烧特性中简单介绍。

下图为可视化发动机（光学发动机）采集到的缸内火焰照片。在相同的实验条件下，变化燃油中的水分含量。如图所示，使用柴油的情况下火花核形成的位置在BTDC 10°CA，燃烧室的中心位置，微弱的火花核通过周围可燃混合气的扩散传播使赤黄色火焰充满燃烧室。图1的（b）和（c）是使用了含有30%水分的燃油呈现出的火焰照片，很明显初期火花核的形成位置比使用柴油时延迟5°CA，喷雾的雾化和混合气的形成较差，形成了壁面着火现象，在火焰周围看到未燃混合气的存在，初期火花核的辉度较暗，残光持续时间较长，火焰呈叠加状、密云状、无层次感，燃烧环境恶化。

含水燃油，在高温高压下水分产生热离解后，发生焰前反应加速，造成初期缸内压力较高，混合气的流动性差很容易使大颗粒燃油密集化，造成不完全燃烧，由照片中看出碳烟以及颗粒物增多；同时，附着在气缸壁的燃油会偶尔形成壁面着火造成冷却水温度异常，热效率降低，功率和扭矩下降，严重时会造成发动机致命故障。可是，宝马公司说性能各方面都有所提升，这是为何？且听我慢慢道来，在使用了空气流动性较强的活塞后，可视化燃烧的数据得出，无论是功率和扭矩在原有基础上均有明显的改善和大幅的增加，约15%-20%。当然，气流加剧混合气的形成，缩短了滞燃期的时间，发动机的运行更加柔顺，燃烧速度加快，热效率提高了，也就是从燃烧的角度控制NVH、控制性能、控制排放。

2、水分量的不同对发动机性能的影响

宝马宣称，喷射30%的水既能提高性能又能满足排放，同时还降低了油耗。很多工程师会有疑问，为什么是30%的水？经过对比实验，接下来验证这个含量是否合理。

为了减少尾气中NOx和颗粒物，需要使燃料中的水分（喷射水分）适量增加，这样做的目的有两个：

1.喷射的水分可以降低燃烧温度，降低尾气NOX的含量；

2.富氧的燃烧环境下，使其燃烧更充分，以至于完全燃烧。但是考虑到燃油经济性，我们实验时采取持续喷水直至无法自燃，不能形成火花核无法燃烧为止。并记录和对比后，其中在喷水20%----30%的条件下其燃油经济性已到最优状态，这时烟气浓度较低，发动机性能最优。比如喷油60mg/st时，发动机的爆发压力在Pe=0.6MPa左右。正如上图所示，在低负荷时，可采取20%水分含量的燃油；中高负荷时采用30%左右的水分含量燃油较为合理。

所以，宝马公司说喷30%的水绝非是拍脑门想出来的，是做了大量的正向研究后得出来的结论。但是，在咱们国家您要是也想喷水增加动力玩改装等等，友情提示：请选择水质较好的水源，避免产生大量水垢和污染物堵塞喷头。

总结

1. 对缸内进行喷水燃烧时，加上良好的空气流动，比如使用产生涡流、挤流较多的活塞等，可以使燃油的消耗率降低10%左右。同时，由于其可燃混合气量的增多，燃烧加速，整个燃烧期大幅缩短；若将喷油提前角提前5°CA，由滞燃期造成的噪音和震动将会明显降低，舒适性有所提升。完美的从燃烧学控制了NVH、性能、油耗。

2. 喷水后燃烧火焰呈红褐色，燃烧温度较低，氮氧化合物的含量明显减少。但若水分较多时，燃烧不完全会使颗粒物和碳烟含量增加；同时，水蒸气的冷凝与热腐蚀对发动机的零部件磨损、防锈也造成很大程度损耗。喷水有利有弊，鱼和熊掌不可兼得。

说明:文中图片原本是彩色照片，由于论文发刊打印问题造成黑白成色，给各位带来视觉不便，望谅解。

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