范亚东，吴天宝，李雪松，许敏，张勃

(1.上海交通大学汽车电子控制技术国家工程实验室，上海 200240;2.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400)

近年来，全球汽车保有量不断增长带来的能源消耗和环境污染问题，以及以纯电动汽车为代表的新能源汽车取得的长足进步和发展，都对传统汽车动力系统中占据主导地位的汽油机造成了巨大冲击。

具体对于中国来说，空前严峻的挑战主要体现在下面两点：一是国家油耗法规的不断收紧。2016年10月 30 日，中华人民共和国工业和信息化部正式发布了《节能与新能源汽车技术路线图》，明确规定了乘用车企业平均燃油消耗量(CAFC)的目标值将由2020年的 5 L/100 km降为2025年的4 L/100 km[1]。二是环保标准的日益严苛。2018年7月3日，国务院发布了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，计划明确规定了从2019年7月1日开始，全国重点区域将提前实施轻型车第六阶段排放标准[2]，其中国六排放法规里引入了欧盟的实际行驶污染物排放测试(Real Driving Emission)[3]。将不同排放测试循环下发动机工况点分布进行对比[4]，可以看出实际行驶污染物排放测试(RDE)加强了车辆的动态测试过程，更真实地反映了汽车在实际使用过程中的排放水平，这也对发动机尾气排放物中的氮氧化物(NOx)和颗粒物数量(PN)提出了更严苛的要求[5]。

尽管面对严峻挑战，但汽油机的发展潜力仍然不容小觑，主要原因有两点。其一，当前汽油机的热效率还远没有到达物理极限，业界内已上市量产的汽油机热效率峰值最高也仅达41%[6]。实验室研究结果表明，对于汽油机而言，如将稀薄燃烧+高能点火、火花塞控制压燃(SPCCI)、可变压缩比(VCT)、米勒(Miller)循环、停缸(CDA)、外部冷却EGR、缸内喷水等技术进行有效的组合应用后，可以在很大程度内改善燃油经济性，从而有望将峰值热效率提高到50%以上[7-12]。其二，对于排放来说，目前汽油机在技术上已经可以实现将污染物排放数量降低到不再对环境空气质量产生负面影响的水平，有望实现真正的近零排放[13]。日本马自达创驰蓝天技术的创始人人见光夫对传统内燃机和纯电动车的全生命周期内碳排放总量进行了对比[14]，发现传统内燃机并不是大众传统观念里的绝对高碳，电动车的碳排放数量很大程度上取决于其所用电能的来源，而中国的能源结构一直以高碳的煤电为主，短期内难以扭转。

因此，就当前形式来看，汽油机仍然具有诸多优势，并且潜力巨大，通过新技术应用来面对机遇和挑战，最终就会带来新的可能。在众多乘用车新技术之中，缸内喷水技术是当下的研究热点。对于汽油机来说，增压小排量(downsizing)技术仍然是主要的节能手段，其中增压可以提高发动机的进气充量，小排量可以减少部分负荷工况时的泵气损失，这些都为燃油经济性的改善提供了基础[15-16]。但是随着增压比的不断提高以及发动机负荷的不断加大，汽油机常会伴随着爆震现象的产生[17]，为此不得不采取推迟点火的措施。而对于直喷汽油机来说，颗粒物数量(PN)的高排放水平一直以来都是个棘手的问题[18]。由于水在常见的液体物质中具有较高的汽化潜热值[19]，因此可以通过缸内喷水达到降低燃烧温度的目的，从而同时有效地抑制汽油机爆震以及高PN排放的问题[20]。

相比于国际学术界和工业界，目前国内对汽油机喷水的研究鲜有人提及，因此笔者将对当前汽油机喷水技术的研究进展进行综述。

1 汽油机缸内喷水系统分类及机理研究

1.1 缸内喷水系统分类

喷水技术最早是应用在航空发动机，直到20世纪80年代才引入到乘用车内燃机[21]。目前汽油机喷水系统主要分为进气道喷水和缸内直接喷水两大类[22]，其中缸内直接喷水又根据燃油和水是否共用一个喷嘴分为缸内油水分离直接喷水和缸内油水混合直接喷水两种方式(见图1)。

图1 汽油机缸内喷水系统分类

进气道喷水系统的喷水器安装在进气道上，喷水压力一般不会太高(0.4～1.0 MPa)，结构和传统PFI发动机的喷油系统类似，因此不需要对发动机硬件系统做出较大的额外改造，成本低是其显著的优势。但是由于在进气道内进行喷水，喷水器安装位置以及喷水时间都会造成部分水滴在随气流进入燃烧室内的过程中就已提前蒸发，并且还会有水滴湿壁的现象，这些不仅会影响最终缸内的冷却效果，同时也会带来耗水量较大的缺点。

缸内直接喷水系统的喷水器通常安装在燃烧室顶部，可以将水直接喷入燃烧室，一般需要较高的喷射压力(10～30 MPa)。由于不受限于进气门开启和关闭的时间，所以进气和压缩冲程都可以进行喷射，喷射时间较灵活。并且由于没有进气道和进气阀门壁面上的水滴湿壁现象，所以耗水量较少，缸内的冷却效果也较好。但是对于缸内油水分离直接喷水来说，额外的喷水器带来的缸盖封装体积增大以及独立的高压喷射系统都会导致喷水系统结构的复杂性增强，从而可能会带来较低的收益。对于缸内油水混合直接喷水来说，虽然不需要增加新的喷水器，但是油水混合物的腐蚀性以及燃烧室内高温、高压的恶劣环境对喷嘴的制造工艺都提出了严格特殊的要求，额外的油水预混装置也会带来成本的增加。另外，缸内直接喷水系统的复杂性也会增加控制难度，从而带来较差的瞬态响应以及较低的鲁棒性。

相比进气道喷水而言，缸内直接喷水的耗水量少、降温效果好是其显著特点，但是系统的复杂性又是限制其大规模推广的重要原因。任何形式的缸内喷水技术均会给活塞、燃烧室壁面等发动机零部件带来腐蚀性和可靠性的问题，喷水带来的机油乳化现象也会严重地影响发动机润滑效果，从而缩短零部件的使用寿命，另外，机油乳化也会影响曲轴箱通风，可能会恶化颗粒物数量的排放。因此，在大规模推广喷水技术应用之前，喷水带来的腐蚀性和可靠性问题仍亟待解决。

1.2 汽油机喷水策略研究

如前所述，喷水带来缸内燃烧温度的降低，主要来自于其蒸发吸热，因此选择尽可能保证大部分水滴顺利蒸发吸热的喷水策略显得尤为重要。

进气道喷水虽然具有较长的蒸发时间，但是其喷水时间会极大地受限于进气阀门开启和关闭的时间窗口。F. Berni等[23]通过CFD仿真发现，当喷水时刻在250°曲轴转角(约进气阀门开启前100°)时，能顺利进入到缸内的水滴质量最多，此时缸内的降温效果也最好。但是密西根工业大学的J. Worm[24]通过试验研究发现，当固定点火角后，在进气阀关闭时刻附近喷水时，燃烧速度会突然变快，认为在此时进行喷水更合适。因此关于最优喷水时间的研究，目前尚未有统一定论。此外喷水器的安装位置也会影响水雾在进气道和进气阀门壁面上的湿壁现象。博世公司[25]对比了5 000 r/min@2 MPa工况下，不同喷水器的安装位置在完全取消加浓时所需的耗水量，发现当喷水器位置越靠近进气阀门时所需的耗水量也越少，间接证明了此时缸内冷却效果最好。与此结果类似的是，马瑞利公司[26]通过CFD对比了不同喷水器位置对进气道壁面水滴湿壁现象的影响(见图2)，指出在靠近进气阀门位置进行喷水时，进气道壁面上的水膜质量最少，对应的进入到缸内的水滴质量也最多。因此如何减少进气道壁面上的湿壁现象是选择喷水器安装位置的重要原则。

图2 进气道喷水器位置对湿壁现象的影响[26]

对于缸内直接喷水来说，虽然喷水时间较灵活(进气阀门关闭后也可以喷射)，但是由于喷射背压较高，加上雾化时间较短，都最终会影响水滴的蒸发吸热过程。J. Kim[19]通过对缸内温度和压力计算分析(见图3)，指出在压缩冲程早期进行喷水时，缸内环境温度低于此时水滴的饱和温度，所以会造成部分水滴难以完全蒸发，并指出如果优化喷射策略使得缸内环境温度线高于图中的饱和蒸发线，就会带来较理想的降温效果。另外相比于进气道喷水，缸内直接喷水的压力工作范围较大，因此喷射压力也是重要的影响因素。M. Cordier等[27-28]通过试验发现，在一定范围内提高喷射压力有利于水滴的雾化和蒸发，最终会带来排气温度的差异。

图3 缸内直接喷水蒸发过程分析[19]

就目前研究结果来看，喷射时间和喷水器安装位置是影响进气道喷水能否顺利进入缸内进行蒸发吸热的重要因素，而对于缸内直接喷水来说，喷射时间和喷射压力又决定着喷射后的水滴在缸内是否处在“蒸发区”，从而进行充分的蒸发。但是目前对于喷水器的安装角度、喷水器的雾化特性(贯穿距、喷雾锥角)等特性参数的研究还鲜有人提及，因此在今后的研究工作中，如何准确、系统性地探明不同喷射策略对缸内水滴蒸发过程的影响仍然是十分有意义的。

2 喷水对缸内燃烧过程的影响

2.1 喷水抑制爆震

爆震是缸内末端混合气在火焰前锋面到达之前就已经达到自燃温度而发生非正常燃烧的现象[15,17]。因此，从缸内热力学状态参数来说，缸内喷水蒸发吸热带来燃烧温度的降低可以有效地延长末端混合气发生自燃的时间，从而抑制爆震的发生。A. Iacobacci等[29-32]在双缸汽油机内研究了进气道喷水在高负荷时对爆震的影响(见图4)，发现当点火角保持和不喷水状态一样时，喷水会导致燃烧相位推迟以及最大缸压峰值的降低，这是因为缸内燃烧温度的降低导致火焰传播速度变慢。但是将点火角提前到喷水状态下的爆震限制点火提前角(Knock limited spark advance)，可以看出相比不喷水的状态，爆震限制的点火提前角大幅提前，燃烧相位推迟的现象也得到改善，爆震的抑制最终带来燃烧效率6%～12%的改善。喷水降温会减慢火焰的传播速度，造成燃烧持续期变长，延迟了火焰前锋面传播到达末端混合气的时间，不利于爆震的抑制。F. Berni等[23,31]研究了点火角对燃烧持续期的影响，发现随着点火角的提前火焰的传播速度又会变快。因此喷水对燃烧持续期的影响，一方面缸内燃烧温度的降低以及稀释燃烧会带来火焰传播速度变慢，另一方面爆震得到抑制后点火角的提前又会缩短燃烧持续期，二者相互制衡，综合影响着燃烧持续期的发展。这也解释了天津大学付雪青等[33]的研究结论，即随着喷水比例的增加，燃烧持续期相比不喷水的情况反而有所缩短。

图4 喷水对燃烧相位的改善[29-32]

喷水对爆震的抑制使得增压发动机的高压缩比应用成为了可能。法国标致(PSA)公司[27]在高负荷下对比了高压缩比(CR=12.5)不喷水、低压缩比(CR=10.5)不喷水、高压缩比(CR=12.5)进气道喷水、高压缩比(CR=12.5)缸内直接喷水4种条件下的油耗以及排放表现(见图5)，结果表明将发动机压缩比从12.5降低到10.5以后，油耗反而得到了6.6%的改善。这是因为原机的高压缩比(CR=12.5)虽然提高了理论热效率，但也同时导致爆震现象严重，所以燃烧相位的推迟恶化了最终的消耗表现。但在仍然维持原机高压缩比(CR=12.5)不变的情况下，通过喷水抑制爆震，燃烧相位的提前以及壁面传热损失减少进一步改善了燃油经济性(相比原机改善了10.3%～13.1%)，并且相比进气道喷水，缸内直接喷水的油耗改善情况略占优。

图5 喷水抑制爆震结合高压缩比试验结果[27]

此外喷水对爆震的抑制也使得汽油机对燃油的抗爆性指数(AKI)要求有所降低。密西根工业大学的J. Worm等[34]对比了3种不同抗爆性指数(AKI=87、AKI=91、AKI=110)的燃油对缸内燃烧参数的影响，指出低抗爆性指数(AKI=87)的燃油结合喷水技术对燃烧相位的改善程度和单独使用高抗爆性指数(AKI=110)的燃油结果比较接近，并且二者都好于原机状态(AKI=91)。

2.2 喷水取消燃油加浓

在高速全负荷工况发动机对外做功最多，此时排出的废气中含有大量的热量，为保护涡轮叶片和三元催化器不被高温烧结，常采用燃油加浓的措施来进行降温，但同时会带来燃油经济性和排放水平的恶化(尤其是PN)。而缸内喷水技术在高负荷工况通过抑制爆震可以带来燃烧相位的提前，大幅降低了排气温度，因此取消燃油加浓降温的策略也成为了可能。博世、宝马、FEV等公司[25,35-38]在保证排气温度不变的情况下，通过增加喷水比例逐步取消了燃油加浓，实现了发动机全负荷MAP图中的理论化学当量比燃烧的概念。对于氮氧化合物(NOx)排放来说，当混合气浓度没有变化时(见图6)，喷水带来缸内温度的降低有利于减慢生成氮氧化物的速度，最终带来NOx排放量的下降。而当混合气浓度发生变化时(见图6a)，此时影响NOx变化的主导因素是缸内氧浓度，混合气中氧浓度的增加最终导致了NOx排放的增加；对于未燃碳氢(HC)来说，在混合气浓度不变的情况下(见图6)，喷水的加入常会带来缸内最大燃烧压力的增加(见图4)，这会增加未燃混合气在压缩冲程中窜逃入燃烧室壁缝中的可能性，来不及参加燃烧的混合气在膨胀冲程中会被释放出来，最终形成了HC排放，并且缸内温度的降低也会进一步增加HC的排放。对于一氧化碳(CO)来说(见图6b)，在取消燃油加浓的过程中，混合气浓度的改善占主导作用，最终大幅降低了CO的排放。

图6 喷水取消燃油加浓对排放的影响[39]

2.3 喷水扩大压燃运行区域

压燃燃烧(CI)的热效率明显高于火花塞点火燃烧(SI)，其中最重要的原因是燃烧速度。常规汽油机中的火焰是通过火花塞点火，是由点到面进行扩散燃烧，而压燃燃烧(CI)不局限于某一个点，是缸内多个自燃点同时进行燃烧，缸内燃烧反应进程明显快于点燃燃烧[40]。汽油机中的预混合压燃点火(Homogeneous Charge Compression Ignition)概念就以此应运而生，但是压燃着火的起始时刻、缸内的放热速率由于受到发动机负荷和外界环境的制约难以控制，导致汽油机中压燃点火只能在较窄的工况区域内实现，因此如何扩大汽油机中预混合压燃点火的运行工况范围是当下的研究热点。西班牙瓦伦西亚大学J. Valero-Marco等[40]通过缸内喷水在保证燃烧稳定性的前提下，降低了混合气的热环境，最终将发动机可承受压燃的最大负荷从最初的IMEP 0.35 MPa提升到最终的IMEP 1 MPa。Y. Iwashiro等[41]在保证较低NOx排放的前提下，通过缸内喷水技术实现稀混合气浓度下(λ=3)的压燃燃烧，指示热效率最终改善了约2%。关于喷水对压燃着火起始时刻的影响，M. Rahimi Boldaji等[42-43]研究了喷水质量、压力、时间对压燃燃烧参数的影响，指出增加喷水质量可以推迟燃烧相位，从而可以进一步控制缸内的放热进程，但是也指出在带来NOx排放减少的同时，也会恶化未燃HC和CO的排放，主要和壁面温度的降低有关。

2.4 基于目标的缸内喷水技术路线

对当前点燃式汽油机缸内喷水对燃烧过程的影响进行归纳总结(见图7)，可以看出喷水对缸内燃烧过程最重要的影响是通过降温来抑制爆震，并以此衍生出六条技术路线。其中关于技术线路3，在标定功率工况下排气温度的降低会提高最大进气压力的限值，因此增压压力的增加最终会带来性能上的提升，目前多应用于赛车或性能车上。

图7 缸内喷水技术路线

3 喷水技术和EGR技术对比

在抑制爆震改善燃烧相位、冷却降温减少壁面传热损失、稀释混合气浓度增加工质比热比等方面，传统的EGR技术和缸内喷水技术有着相同的原理[44-45]，但二者也有着些许区别。F. Bozza等[46]对全负荷工况下不同转速区间内的最佳油耗进行了对比分析，指出随着转速和负荷的提高，缸内喷水技术的节油优势较外部冷却EGR技术更明显。天津大学付雪青等[33]对二者影响热效率的不同因素进行了单独分析，指出在同一工况下由于喷水的冷却效果更好，较少的废热能量损失是导致其油耗表现更占优的主要原因。另外F. Bozza等[46]也指出，在控制同样的负荷下，EGR需要更高的增压压力，这可能会带来PM排放的恶化[47]，而喷水不会带来此技术缺陷。韩国现代公司[7]系统性地对比了外部冷却EGR技术和缸内喷水技术在结合米勒循环、停缸技术后对油耗改善的表现差异(见图8)，指出在高负荷区间内，喷水结合高压缩比技术节油优势更明显，而外部冷却EGR技术在中负荷区域内节油优势更明显，L. Teodosio等[48]通过仿真也得到相似的结论。

图8 喷水和EGR技术对比[7]

4 喷水技术在整车上的应用

早在2013年，宝马公司就已经将喷水技术应用在其性能车M4 GTS上，使得原直列6缸发动机的最大功率从317 kW提升到368 kW[37]，性能得到了极大的提升。但是在大规模推广喷水技术应用在整车之前，整车的耗水量以及水源的获取路线仍亟待解决和讨论。

整车的耗水量一般会受到众多因素的影响，驾驶的路况、发动机(整车)的配置参数以及驾驶习惯都会影响到最终的耗水量。FEV公司[28]通过仿真对比了3种不同测试循环下(NEDC、WLTC、RTS 95)的耗水量，其中RTS 95测试循环中由于高负荷工况点占比最多，因此平均耗水量也最大(约2.96 L/100 km)，对应的平均油耗改善比例也最多(约5.53%)。博世公司[25]对比了在同一测试循环下,3种不同类型的乘用车耗水量差异，指出功率最大的家用乘用车(130 kW)耗水量也相应最大，约2.8 L/100 km。

因此考虑到整车的空间限制，可持续循环的水源获取手段显得尤为重要，目前主要有三种技术路线[25,37]。第一种是最简单的技术路线，由终端客户手动填充用水，优点是水质量可靠，缺点是需要较大尺寸的水箱。第二种是通过空调压缩系统获取，优点是可自动填充以及水箱体积小，缺点是当环境温度过低时回收难度大。最后一种是回收废气中的水蒸气，优点和第二种基本相同，缺点是结构复杂、成本高[49]。因此结构简单、水质量可靠、环保的供水系统仍亟待解决。

5 结束语

汽油机喷水系统主要分为进气道喷水和缸内直接喷水两大类，其中缸内直接喷水根据燃油和水是否共用同一个喷嘴又分为缸内油水分离直接喷水和缸内油水混合直接喷水两种方式。选择尽可能保证大部分水滴顺利蒸发吸热的喷水策略十分重要，对于进气道喷水来说，喷射时间和喷水器安装位置是重要的影响因素，而对于缸内直接喷水来说，喷射时间和喷射压力是重要的影响因素。

喷水对缸内燃烧过程最重要的影响是通过降温来抑制爆震，并以此衍生出六条技术路线。

在高负荷区间内，喷水技术节油优势更明显，而外部冷却EGR技术在中负荷区域内节油优势更明显。

在大规模推广喷水技术应用在整车之前，结构简单、质量可靠、可循环的供水系统仍亟待解决。