博世疯了,新发动机系统将往油里掺水

最近正值第36届维也纳汽车研讨会的召开,可谓是汽车发动机爱好者的一次节日。因为全世界1千多家发动机开发商带来了他们最新的发动机技术。各种酷炫到想都不敢想的新技术一下子应接不暇的在研讨会上发布。其中最为疯狂的个人认为是博世BOSCH此次带来的新一代汽油直喷发动机管理系统。在这套系统里竟然将向汽油中掺入水。具体这是个什么样的系统,请各位慢慢往下看。

这套系统的名称为水喷射系统Water Injection System (WIS)。这套系统被用来与传统基于火花点火Spark Ignition的汽油直喷系统进行配合。如下图所示,进气道中增加了一款水喷射器。该喷射器先将水雾化并喷射到进气道与空气进行预混合。然后混合空气随着进气冲程进入气缸。而喷油器直接将汽油喷射到气缸当中。因此在点燃汽油的时刻,汽油其实是在和空气和水雾的混合气体进行反应并做功。那水喷射系统带来什么样的效果呢?可以参考如下图的右侧部分。这是基于一款涡轮增压发动机的测试结果。横轴为水占总燃油质量的比例。纵轴为燃油消耗量。可以看到当水占到总燃油质量的35%时,可以节油13%。并且此时λ=1。此处的λ(Lambda)为汽油燃烧情况的表征。当汽油和空气的比例为1:14.7时能够完全燃烧。完全燃烧时即为λ=1。

根据博世具体的演讲,水喷射系统主要有如下优点。

1. 为充气过程提供冷却。类似于对进入气缸的空气降温。

2. 可以有效的防止爆震的发生。

3. 可以提高发动机的压缩率。从而让发动机产生更多的扭矩。

4. 能够简单而且高效的降低油耗。特别是高负荷和低转速工况。

5. 避免燃油的加浓喷射和降低排气温度。特别是高负荷和高转速工况。

此处要特别提一句,在传统发动机系统里高负荷和高转速工况排气温度会非常高。长时间工作可能损坏排气系统。因此不得已必须进行燃油加浓喷射。用燃烧不掉的汽油对排气系统进行冷却。换句话说高负荷和高转速时有些汽油就白白地被喷出去而根本没有做功。这也是为了保护汽车的一种无奈之举。而有了这套水喷射系统,这个降温的任务就交给水来完成了。

并且在演讲中提及该系统正在与整车厂进行联合开发,有望在不远的将来量产。这套系统主要包括一个水泵,一个输水轨道,一个水喷射器。

其实这套水喷射系统也并不是没有缺点。大家可以想象这套系统必然需要在车上额外增加一套水箱。而且还得给水箱定期加注一定量的水。否则等水耗尽了这套系统就没法继续工作了。而且还要应对极低温度的挑战。温度太低了水箱可能就完全冻住了。

那么既然前面提到了汽油直喷GDI发动机系统,请允许我再简短介绍一下汽油直喷系统和非直喷系统。

首先非直喷系统如其名字的含义汽油不是直接喷射到气缸内的。非直喷系统又称为歧管喷射系统Multi-Port Injection (MPI)。具体来说如下图,喷油器布置在进气管中。汽油雾化并喷射进入进气管。与空气预混合以后形成混合气一起随进气冲程进入气缸。也由于这个原因,在进气冲程以后就是压缩冲程。汽油和空气的混合气一起被压缩,因此混合气的温度随着压力增加而增高。相对来说混合气温度高其燃烧时的燃烧效率就会降低。

相对的汽油直喷系统Gasoline Direct Injection (GDI)其喷油器布置在气缸中。汽油可以控制在压缩冲程的末端被喷射入气缸。这样汽油就没有因压力增大而升温。可以有效的提高燃烧效率。其结构图如下图。

但并不是直喷发动机完全好于非直喷发动机。因为直喷发动机有个非常棘手的问题就是在气缸温度低的时候直喷汽油发动机系统很容易燃烧不充分产生颗粒化物质。就是俗称的冒黑烟。也因此国际的排放法规规定中欧六相比欧五明显加严了对颗粒化物质的限制。因为这个原因出现了下面将非直喷和直喷两套系统混合专配在同一套发动机系统中情况,GDI+MPI。这也是目前被证明为最有效的帮助汽油直喷发动机满足欧六排放标准的手段。这样的系统目前可以在大众集团的第三代EA888发动机系列和丰田集团的FA20发动机系列中看到。这两个系列的发动机都多次获得了近几年的沃德十佳发动机大奖。因此其性能和可靠性得到了广泛的认可。如下图为大众集团的第三代EA888 GDI+MPI发动机系统结构图。

其实大家可能也发现了,本文提到的水喷射系统其实就是类似于将上面的GDI+MPI混合系统中的进气道部分的MPI喷油器换成了水喷射器。因此在结构设计上有很多可以相互借鉴的部分。

希望如上的解析可以帮助你了解博世这款略显疯狂的水喷射汽油直喷系统。