您的位置:首页 >轿车 >

宝马对喷水燃烧系统的研究 开发大致可以分为三个阶段

宝马最近几年一直在研究喷水燃烧系统,这一系统在增压直喷发动机上的应用为解决发动机效率和排放之间的矛盾提供一个非常有竞争力的解决方案。

宝马对喷水燃烧系统的研究 开发大致可以分为三个阶段

大家肯定觉得很奇怪,通常我们认为水是用来灭火的怎么能够和燃烧系统结合在一起呢?今天我们来简单分析一下宝马这一水火相容的前瞻性的发动机燃烧技术。

▍喷水燃烧系统的历史

说到喷水燃烧系统,其实并不能算是一项新技术,像其他大多数发动机新技术一样,喷水燃烧系统也可以在内燃机的历史中找到渊源。

喷水燃烧技术很早在飞机发动机上就有应用,后来Oldsmobile奥得斯莫比尔在1962年第一次把喷水燃烧系统应用在Jetfire车型的V8增压发动机上(这应该是全球第一款涡轮增压量产车型),后来SAAB萨博在1978年的99Turbo S车型上也有应用。

当时喷水系统的主要作用是降低压气机后压缩空气的温度,从而提升性能,这一目的今天在宝马最新开发中仍然是主要开发目标之一。

Oldsmobile奥得斯莫比尔 1962Jetfire

SAAB99Turbo S

▍宝马对喷水燃烧系统的研究

我们日常的经验是水火不容,那么宝马工程师为什么脑洞大开要在燃烧中加入喷水系统呢?看起来好像很奇怪。其实,工程师们主要是利用了水的另外一个特性,就是在蒸发的时候可以吸收大量的热,从而降低让增压发动机头疼的过热和爆震问题,从而提升性能降低油耗。这个过程就像我们身体出汗时,皮肤上的水分会变成蒸汽,从而降低体温。

宝马对喷水系统的开发大致可以分为三个阶段:进气管喷水系统研究,缸内喷水系统研究,未来批量生产需要的供水系统的开发(见下图)。我们下面简单介绍一下宝马在这三个阶段的研究成果。

第一阶段是宝马M4 GTS赛道安全车上关于进气道喷水系统的研究。

宝马最早在M4 GTS跑车上装备了喷水燃烧系统,这一系统是宝马和博世BOSCH共同开山的研发项目,采用了进气道喷水的形式。

气道喷水就是用喷射器将水雾喷入进气歧管,进气歧管通过蒸发迅速变成水蒸气。当水蒸发的时候,压气机后空气的温度会大负荷降低,从而降低进气温度,提升充气效率,降低爆震倾向。

最终实现性能提升和油耗的降低。得益于与博世共同开发的气道喷水技术,宝马的M4 GTS的马力接近500马力。与普通M4的425马力相比,这是一个相当大的提升。

宝马M4 GTS 赛道安全车和喷水系统的发动机

宝马M4 GTS 发动机气道喷水的位置

气道喷水后水蒸气参与燃烧过程的示意图

宝马展示的带有进气管喷水系统的解剖发动机

第二阶段是在B38发动机匹配宝马1系上进行了缸内喷水系统的研究。

如果说宝马在M4 GTS赛道安全车上采用气道喷水燃烧系统主要是为了提升性能,那么宝马在B38上进行的缸内喷水系统的研究主要是为了批量生产做准备。宝马投入如此大的精力研发喷水系统无非就是三个目标:提升性能,降低油耗,满足排放。

下面我们分别来看看宝马的研究结果:

先说一下这个缸内喷水系统。和M4 GTS上使用的气道喷水系统不同,缸内喷水系统是直接用一个加压水泵将蒸馏水通过过滤器输送到高压燃油泵中,在那里与汽油混合。

传感器监测发动机的速度和温度,以确定当前发动机状况的正确水量。在高速大负荷情况下汽油中最多可以混合多达30%的水。然后在正确的时刻将这种混合物直接喷入燃烧室。

这使得燃烧室在下一次燃烧循环之前能够被大大地冷却,从而降低燃烧温度和爆震倾向,改善性能、油耗和排放。

1、性能提升

(1)减小爆震倾向。缸内喷水可以显著的减小大负荷时汽油机的爆震倾向,减小点火角推迟,点火角在大负荷可以提前很多,这可以极大的提高发动机的热效率。

(2)可以显著的降低汽油机早燃的风险。早燃又叫超级爆震SuperKnock,在增压直喷发动机的低速大负荷容易产生,由于此时气缸内的压力和温度相对都比较高,会出现火花塞还没有点火的情况下汽油就已经超过了自燃温度开始燃烧爆发,这样会产生非常高的压力和温度(最大爆发压力会达到正常燃烧的2-3倍),引起发动机的严重损坏。

喷水系统可以有效的降低压气机后的空气温度,从而在很大程度上避免早燃的产生。

(3)整体性能提升,由于喷水系统降低进气温度,增加充气效率,减小爆震倾向,所以喷水系统对性能提升是非常有帮助的。宝马研究认为可以提升5%-10%的性能。

2、降低油耗

宝马和博世的研究结果显示喷水系统可以有13%的油耗降低潜力。由于降低了爆震倾向,发动机可以采用比较高的压缩比,在宝马B38喷水系统的研究中,喷水系统可以将压缩比从原来的9.5提高到11,这样可以大幅度的提高热效率。

从宝马1系B38 1.5T发动机的实车测试结果来看,在德国高速公路驾驶工况下(80km/h~180 km/h)实车油耗可以降低20.9%。

3、满足排放要求

缸内喷水可以大大的降低排气温度,在不损失功率的情况下可以轻松的满足欧6排放中关于RDE实际道路驾驶工况排放的要求。

因为在欧洲的RDE实际道路驾驶工况必须考虑德国不限速高速公路的情况,这是发动机会在非常高的转速和负荷运转,满足RDE排放法规变成了一个很大的挑战。

喷水燃烧系统正好可以在提升性能的同时满足这一排放法规。同时,排气温度降低可以完全避免零件保护加浓,还可以显著的降低高速大负荷油耗,可谓一举两得。

第三阶段是面向未来,批量生产需要的供水系统的开发

宝马的目标是未来要量产缸内喷水燃烧系统,这就需要解决实际使用过程中需要的蒸馏水从哪里来的问题,如果用户一直需要加水的话将会带来用户抱怨。

同时还需要解决增加了喷水系统带来的其他一系列问题。宝马的工程师提出了一些非常有创意的解决方案,让我们看到了喷水燃烧系统量产的可能。

1、如何获得和储存水

首先宝马增加了一个单独的水箱,用来储存喷水燃烧系统使用的蒸馏水,这个水箱目前被安装在后备箱中,未来不排除安装在其他部位的可能。

宝马的开发目标是在车辆出厂的时候在水箱加满蒸馏水,然后整个保养周期内(20000km或1年)都不用再加水了。工程师是如何实现的呢?

在夏天天气较热的几个月里,这时候喷水系统水的消耗量也是比较大的,因为此时更多的需要喷水系统来给燃烧降温。同时,夏天较热时空调会经常使用。

宝马的工程师巧妙的设计了一个系统,借用通常从空调中滴到路面上的冷凝水,并将其输送到喷水系统的水箱中。

因此,在夏天水箱将永远保持全满的状态。在冬季的几个月里,由于较冷的空气会大大降低使得喷水降低燃烧温度的几率,此时水的消耗辆很小。

宝马声称,5升的水应该可以持续一年左右,中途不需要加水。

空调冷凝水是如何被利用进入喷水燃烧系统的

宝马安装在后备箱的喷水系统水箱

2、如何防止结冰

蒸馏水是不妨冻的,如果冬天结冰了怎么办呢,而且缸内喷水系统直接将水加入高压汽油泵中如果结冰会损坏高压油泵。针对这个问题宝马的工程师也提出了很聪明解决方案:

宝马采用了一个策略,当发动机关闭时,高压泵会将水从系统中排出重新回到喷水系统的水箱,以避免水在高压油泵里面结冰。水可能仍然会在喷水系统水箱中结冰,不过汽车启动后,宝马设计了特殊的加热系统让水能够解冻。

在这一过程中,发动机还处于冷机状态,正好也不需要喷水来冷却来降低燃烧温度和爆震倾向。这一问题就这样完美的解决了。

3、万一真的没水了怎么办?

这个问题宝马的工程师也考虑到了,如果真的没水了,发动机会按照纯汽油燃烧的控制策略进行运行,只是性能和油耗稍微会变差一点,但是不会影响到驾驶。能够保证你去加水或者维修。

▍总结:宝马为何如此痴迷喷水燃烧系统

为何宝马不走寻常路要坚持研发很另类的喷水燃烧系统呢?

分析一下,我们看到面对油耗和RDE排放的挑战,主流的发动机技术路线是米勒循环和阿特金森循环,这些技术采用进气门早关或者晚关的技术来降低泵气损失,同时可以使发动机在比较高的物理压缩比运转从而达到省油和降低排气温度的效果。

但是他们都面临一个问题:发动机的性能会有损失。也就是只有牺牲发动机的极限性能才能满足油耗和排放要求。

宝马的喷水燃烧系统恰恰相反,在大幅度提升性能的情况下仍然能满足油耗和排放要求。如果从这个角度看这一技术将非常有生命力。

宝马开发缸内喷水系统就是不想为了油耗和排放法规而牺牲性能,这与宝马一直追求的极致驾驶乐趣也是一脉相承的。

郑重声明:本文版权归原作者所有,转载文章仅为传播更多信息之目的,如作者信息标记有误,请第一时间联系我们修改或删除,多谢。