进气歧管喷水技术对发动机燃烧性能的影响

进气歧管喷水技术对发动机燃烧性能的影响摘要为了研究进气歧管喷水技术对汽油发动机热效率的提升潜力，在对一款研究型单缸汽油发动机进行试验的基础上，对进气歧管喷水对发动机燃烧性能的不同喷水比例、不同负荷工况、不同压缩比的影响进行了比较研究。研究表明，采用进气歧管喷水技术，CA50在燃料滞燃期和燃烧持续期增加的同时，随着喷水比例的提高，其发动机的爆震趋势可以得到有效的降低，传热损失也会逐渐增加。相对于无喷水(W/OPWI)的结果而言，虽然引入喷水导致了未燃损失的增加，但有利于大幅降低排气能量损失，最终以喷水比例增加后的先升后降趋势中的热效率提升为热效率提升后的经济表现，最终反应为燃油消耗率的表现与热效率相同的结果相反；此时最好的净指示热效率(GITE)为43.1%，相比W/OPWI的结果提高了2.5%；最佳净指示耗油量(GISFC)为197.9g/(千瓦时)，比W/OPWI的成绩低11.8g/(千瓦时)。喷水技术的高负荷使用，将实现热效率的更显著提升和油耗的提升效果；同时，喷淋工艺的推出，让高压缩比在发动机上的运用变得游刃有余。关键词：进气歧管喷水，喷水比例，负荷，压缩比，燃烧性能TheinfluenceofintakemanifoldwaterinjectiontechnologyonenginecombustionperformanceAbstractInordertoinvestigatethepotentialimprovementofthermalefficiencyofgasolineenginesbyintakemanifoldwaterinjectiontechnology,acomparativestudywasconductedontheeffectsofdifferentwaterinjectionratios,loadconditions,andcompressionratiosofintakemanifoldwaterinjectiononthecombustionperformanceofaresearch-orientedsinglecylindergasolineenginebasedonexperiments.Researchhasshownthatusingintakemanifoldwaterinjectiontechnology,thedetonationtendencyofCA50enginecanbeeffectivelyreducedandtheheattransferlosswillgraduallyincreasewiththeincreaseofwaterinjectionratioduringthefuellagperiodandcombustiondurationperiod.Comparedtotheresultswithoutwaterspray(W/OPWI),althoughtheintroductionofwatersprayresultedinanincreaseinunburnedlosses,itwasbeneficialforsignificantlyreducingexhaustenergylosses.Ultimately,theeconomicperformanceaftertheimprovementofthermalefficiencywasreflectedinthetrendoffirstincreasingandthendecreasingwiththeincreaseofwatersprayratio,whichwasreflectedastheoppositeoftheperformanceoffuelconsumptionratewiththesamethermalefficiency;Atthispoint,thebestnetindicatedthermalefficiency(GITE)is43.1%,whichis2.5%higherthantheresultsofW/OPWI;Theoptimalnetindicatedfuelconsumption(GISFC)is197.9g/(kWh),whichis11.8g/(kWh)lowerthantheperformanceofW/OPWI.Thehighloaduseofwatersprayingtechnologywillachieveamoresignificantimprovementinthermalefficiencyandfuelconsumption;Atthesametime,theintroductionofspraytechnologyhasmadetheapplicationofhighcompressionratioinengineseffortless.KeyWords：Inletmanifoldspray;sprayratio;load;compressionratio;combustionperformance目录TOC\o"1-3"\h\u8957第一章绪论 -1-184621.1研究背景 -1-275361.2研究目的 -1-210941.4国内外研究现状 -3-19792第二章进气歧管喷水技术原理与系统组成 -5-95982.1引言 -5-319062.2技术原理与理论基础 -5-268472.2.1水雾化与蒸发吸热对进气温度的影响 -5-238322.2.2燃烧室内热力学参数变化机理 -5-275982.3系统关键组件与工作流程 -6-314822.3.1喷水装置（喷嘴、泵、储水系统） -6-254052.3.2控制策略（喷水量、时序与工况匹配） -6-210102.4技术参数对性能的影响因素 -6-50922.4.1喷水压力、雾化粒径与分布均匀性 -6-214832.4.2水/燃料比例优化与边界条件 -6-128172.5小结 -6-28891第三章实验对象和实验方法 -8-197063.1引言 -8-170443.2实验对象 -8-24553.3实验方法 -9-112803.4能量损失的计算 -10-208103.5小结 -11-8729第四章实验结果与分析 -12-314644.1引言 -12-104204.2不同条件下性能对比 -12-268434.2.1不同喷水比例对发动机燃烧性能的影响研究 -12-136204.2.2不同负荷下进气歧管喷水对发动机燃烧性能的影响研究 -16-116324.2.3不同压缩比下进气歧管喷水对发动机燃烧性能的影响研究 -19-250424.3结论 -23-37384.4小结 -24-1773第五章结论与展望 -25-196195.1研究结论 -25-121315.1.1喷水技术对燃烧性能的显著影响总结 -25-275645.1.2技术适用场景与经济性评估 -25-185975.2技术挑战与改进方向 -25-322365.2.1系统耐久性、低温启动问题与水质要求 -25-134255.2.2智能控制策略与混合燃料协同优化 -25-74275.3未来应用前景 -26-208255.3.1在混合动力、航空发动机等领域的扩展潜力 -26-294145.3.2结合碳中和目标的可持续性分析 -26-308455.4实际应用中的挑战与解决方案 -26-305115.4.1喷水系统的集成与维护 -26-87415.4.2喷水技术对发动机寿命的影响 -26-275995.5结论与展望 -27-123195.5.1研究总结与主要发现 -27-154795.5.2未来研究方向 -27-5127参考文献 -28-15930致谢 -30-第一章绪论1.1研究背景随着全球工业的快速推进以及机动车数量的大量增长，能源短缺和生态污染问题愈发严峻，基于这一情况，多个国家逐步实行了更严格的油耗及排放管控标准REF_Ref4013\r\h[1]，内燃机作为基础动力核心，需面对提升能效与控制排放的双重任务，内燃机热效率提升和排放控制正成为学界关注的焦点话题REF_Ref4578\r\h[2-REF_Ref5064\r\h5]。结合涡轮增压与高压缩比技术达成发动机紧凑化，热效率进步显著，爆震是进一步提升热效率的关键阻碍REF_Ref5211\r\h[6-REF_Ref5453\r\h8]，为防止爆震，研究者报道多种抑制手段，如高膨胀比的Miller循环和Atkinson循环REF_Ref5554\r\h[9]、高辛烷值燃料REF_Ref5848\r\h[10-REF_Ref6390\r\h13]、废气再循环技术（Exhaustgasrecirculation，EGR）REF_Ref6566\r\h[14-REF_Ref6720\r\h15]、稀薄燃烧REF_Ref6883\r\h[16-REF_Ref7112\r\h18]及爆燃转爆轰（DDT）REF_Ref7249\r\h[19]等，从实际应用看相关技术有改进空间。发动机进气管喷水技术(PortwaterInjection，WPWI)凭借水气化时强吸热特点，通过进气管把水雾化喷出，冷却气缸内混合气，进而降低燃烧峰值温度和压力，是当下抑制爆震的先进技术，而且水蒸气能促进混合物稀释，让燃烧温度进一步下降，利于减少氮氧化物排放，该技术正成为国内外学界重点研究课题REF_Ref7507\r\h[21-REF_Ref8470\r\h25]。1.2研究目的本研究聚焦进气歧管喷水技术影响汽油发动机燃烧特性的机制，通过试验途径开展系统研究，研究针对的对象如下。1.探究喷水占比的变化，对燃烧阶段特征值（如CA50）、燃烧总时长与滞燃阶段的作用，并且分析能量的散失，像传热的损耗、排气端能量损失、燃料未燃损耗，以及燃烧经济性指标。2.剖析喷水技术在发动机不同负荷工况下对燃烧及排放表现的影响，探究不同负荷下该技术对燃烧参数与排放物的影响特征，同时验证它对热效率和燃油消耗性能的改善功效。3.研究喷水技术在不同压缩比方面的适应情况，分析其在各类压缩比环境里对燃烧质量的改良程度，探讨此技术在高压缩比状态下的实际用途有哪些。实施该研究以改良内燃机的燃烧过程与排放指标，提高热效率，为运用进气歧管喷水技术积累必要的学术成果和实践指引。1.3研究意义该研究专注于进气歧管喷水技术对汽油发动机燃烧过程的全面影响，既有理论上的创新，又能在实践中起到指导作用，实际意义集中于以下范围。1.提高发动机热效率：凭借水高相变潜热的特性，通过向进气歧管喷水对缸内混合气降温，可显著抑制爆震，这是由于能降低燃烧阶段的温度与压力峰值，同时采用此技术还能提升发动机热效率、推动节能减排。2.降低油耗和排放：实测资料证实，发动机采用喷水手段后，氮氧化物（NOx）排放量和燃油消耗均明显减少，采用经过优化的喷水比例方案，在兼顾动力系统性能时，能让油耗和尾气排放都降低，符合当前阶段性加强的环保约束条件。3.拓展高压缩比应用：若压缩比达到较高数值，通过喷水技术能让发动机正常运行，增大压缩比可切实促进发动机热效率提升，利用喷水技术可有效减少高压缩比导致的爆震问题，为引擎设计拓宽了技术道路。4.优化燃烧过程：本研究聚焦于喷水比例、负荷工况、压缩比在燃烧参数方面的作用规律，进一步弄清楚了喷水技术对燃烧过程参数（像CA50、持续期和滞燃期）的控制特性，此数据可当作优化发动机燃烧技术的科学凭据，助力发动机综合性能进步。5.推动技术进步和应用：以坚实的基础研究和理论作支撑，该调研有效助力进气歧管喷水技术实现产业化，借助多组实验探究，验证了喷水技术对发动机性能的积极作用，为技术实践应用夯实基础。研究从理论角度完善了内燃机燃烧过程以及排放治理的技术办法，达成关键技术的新突破，使发动机热效率得以优化，运行测试表明，燃料消耗率和排放浓度一同降低，其科学意义与应用价值均十分明显。1.4国内外研究现状爆燃转爆轰(Deflagrationtodetonationtransition，DDT)REF_Ref7249\r\h[19]、稀薄燃烧REF_Ref6883\r\h[16-REF_Ref7112\r\h18]、废气再循环技术（Exhaustgasrecirculation，EGR）REF_Ref6566\r\h[14-REF_Ref6720\r\h15]、高辛烷值燃料REF_Ref5848\r\h[10-REF_Ref6390\r\h13]、高膨胀比Miller循环和Atkinson循环REF_Ref5554\r\h[9]等都是发动机爆震的抑制手段，而进气歧管喷水技术因兼顾成本与效果，正成为重点研究方向之一REF_Ref7507\r\h[21-REF_Ref8470\r\h25]。Worm等REF_Ref8640\r\h[26]证实，对于87AKI、91AKI和110AKI燃料，在发动机全负荷工作的情况下，进气歧管喷水可抑制爆震，采用WPWI技术能降低发动机有效功率单位的燃油用量，让有效燃料消耗率（BSFC）提升34％。DeBellis等REF_Ref8238\r\h[23]通过数值模拟得知，当水和燃油比例到17%，可有效抑制爆震现象，使BSFC显著下降，喷水能降低涡轮前温，基于化学当量比状态，有利于发动机高负荷运行，Bern等REF_Ref8820\r\h[27]对汽油直喷发动机做进气喷水操作，利用三维CFD仿真完成系统优化，借助喷水抑制发动机爆震趋势，实现17%的油耗减少。Harrington等REF_Ref8918\r\h[28]采用对比办法考察进气道喷液态水和气态水的影响，水引入可有效遏制爆震倾向；液态水冷却特性更佳，使点火物理滞后期增长、燃烧阶段延长；要是混合液中水占比增大，氮氧化物排放量降低，却会因着火不充分导致HC排放量增加。Arturo等REF_Ref7412\r\h[20]对增压可变气门SI引擎进行喷水实验，结果表明喷水能有效抑制爆震，使高负荷工况下涡轮进口温度降低25-50摄氏度，随着喷水强度增大，氮氧化物排放减少，未燃烧完全的HC和CO排放稍有增加，抗爆性会因喷水流量上升而影响点火时刻，和EGR工艺类似，燃烧时水分有稀释作用，Bozza等REF_Ref9084\r\h[29]利用动力学机理分析，对比喷水与EGR对层流火焰传播特性的影响，发现10%水浓度对火焰速率的抑制效果比40%EGR更明显。图1.2进气歧管喷水水粉喷射工艺在抑制爆震、优化燃烧和排放、提高压缩比以及改善热效率方面表现出色，迄今尚未得到涵盖多种压缩比和负载工况的喷水工艺效果的完整研究成果，不同压缩比和负载组合时喷水技术的效能，以及它提升发动机性能的潜力，仍需进一步考察，后续要开展系统性实验探究，本研究形成的实验数据和理论结论，对工程应用具有基础支持作用，后续会围绕不同压缩比和负荷参数研究喷水技术的成效。第二章进气歧管喷水技术原理与系统组成2.1引言采取进气歧管喷射雾水的办法，借助水蒸发吸热的特性使缸内降温，实现抑制爆震和改善燃烧过程的双重功效，本章从热力学方面，研究喷水和进气温度、燃烧峰值压力之间的作用关系，喷注压力、雾化特性、水与燃料混合比例以及系统关键模块等核心参数，直接影响着冷却速率和燃烧充分程度，要通过参数协同来实现性能的突破进展。2.2技术原理与理论基础2.2.1水雾化与蒸发吸热对进气温度的影响1、借助水分子气化时的高比潜热优势，运用雾化喷射方法把水送进进气歧管，能实现对气缸内混合气的有效冷却。2、进气端温度因水分子汽化吸热而下降，在一定范围内对爆震的出现起到抑制作用。图2.1进气歧管2.2.2燃烧室内热力学参数变化机理1、将水喷入燃烧室后，水蒸发的散热功能，切实降低了缸内的热负载，有效抑制了压缩阶段的爆震现象。2、由于燃烧阶段水蒸气形成稀释作用，燃烧温度进一步下降，进而同步改进了爆震抑制效果和氮氧化物排放状况。 2.3系统关键组件与工作流程2.3.1喷水装置（喷嘴、泵、储水系统）1、喷头：为使水分蒸发表面积增加，采用雾化技术制造出细小水颗粒。2、泵：给予充沛压力，达成水雾向进气歧管的顺畅喷射。3、储水系统：维持喷水设施水源留存，达成不间断供水目的。2.3.2控制策略（喷水量、时序与工况匹配）1、喷水量：结合发动机的负荷、转速等参数，对喷水量进行动态匹配，实现冷却工况的最佳效果。2、顺序：应做到喷水时间的精准把握，让喷水时机与进气歧管工作阶段精准契合起来，使液态水发挥最好作用。3、工况匹配：为契合发动机变工况状况下的需求，依据工况差别动态调控喷水参数。2.4技术参数对性能的影响因素2.4.1喷水压力驱动的雾化颗粒特性1.喷水压力：喷雾的粒径分布和射程长短会被影响，较大的喷淋压力可让雾化效果更好。2、雾化粒径：采用极小粒度的雾化方案，能极大促进水分的蒸发活动，同时同步增进冷却的效果。3.分布均匀性：做到进气里水汽的恰当分布，提升冷却性能的稳定性。2.4.2水/燃料比例优化与边界条件1.水/燃料比例：以发动机工作参数为依据，调校水与燃料的混合比例，来让热效率达到最大值。2.边界条件：整合发动机负荷、转速及进气温度等运行的参数，重新组建喷水控制逻辑去适应工况的调整。2.5小结此部分系统地对wPWI技术的基本概念、系统构建方式以及关键变量和燃烧性能的关联做了分析，依靠雾化水吸收热量使进气温度降低，从而阻断爆震的产生过程，运用热力学框架来分析喷水技术，水在进气歧管雾化后，凭借较高汽化潜热（约2.26MJ/kg）带走大量热能，降低缸内混合气温度，水蒸气稀释产生的降温作用可降低燃烧峰温，为达成更高压缩比打下基础。水箱单元安装了过滤和压力调节模块，水泵压力处于0.5到1.0兆帕范围，主要硬件单元采用0.2-0.5mm孔径的高压喷头，可将液体雾化成微米大小的颗粒，控制执行时，通过闭环反馈系统，结合负荷与转速数据迅速调整喷水量，同时锁定喷射窗口，实现各缸水雾均匀分布。测试分析表明，想达成Dv90≤50μm的雾化效果，喷水压力是主导因素，燃料中掺水比例（30%-70%）需随工况变化而调整，在大负荷工况增加配比可有效抑制爆震，低负荷情况减小比例能抑制未燃现象，通过对喷水参数的优化可兼顾冷却和燃烧效率，为后续实验性能测试构建理论根基。第三章实验对象和实验方法3.1引言对进气歧管喷水技术给燃烧特性带来的实际影响进行验证，试验基于单缸热力学缸内直喷汽油机进行，实验架构把测控组件、喷水系统和数据采集装置组合在一起，做到高精度测试和流程的调节，在过量空气系数恒定且调节点火正时的前提下，对比不同喷水比例、负荷和压缩比在燃烧效率、能量损耗与经济性方面的影响不同，此模型从方法论角度支撑了量化分析。3.2实验对象把经过改良的单缸直喷汽油发动机当作实验对象，对进气系统进行专门改装，使其拥有进气歧管水雾喷射特点，利用0.55MPa的稳定水压来测试，可达成压缩比的无级调整，测试发动机的关键性能指标在表3.1列出，图3.1为试验平台整体结构的示意图。表3.SEQ表3.\*ARABIC1发动机主要参数参数数值缸数1冲程数4缸径/mm75冲程/mm85排量/L0.375燃油供给系统压力/MPa35喷水压力/MPa0.550图3.SEQ图3.\*ARABIC1试验台架示意图测试工作借助AVL公司开发的台架测控系统开展，利用AVL365C角标器和解码器组合来输出发动机转角和上止点信号，通过AVL45C角标器及配套解码器达成转速控制，依靠AVL515进气增压模拟装置把控进气压力与温度，运用PTU时序控制单元（可编程时间单元）来同步喷油开启位置、喷射流量、喷水间隔和点火相位，采用Scienlab设备输出喷油器电流信号，用外触发机制操控喷油器，通过外触发可控的变压模块调节喷水器开关，由Scienlab控制单元管理喷油器的开闭，使用AVL45C角标器执行喷油嘴的开闭指令，用AVL55C角标仪测量喷头参数，采用AVL5C系列角靶，利用AVL54BR型号的传感器采集缸压数据，借助AVL51S系统精准调控燃烧示功图的采集时序，设定0.5°CA的采样步长，所有工况点都进行200次循环采样以降低测量误差，采用HORIBAMEXA-7500D型号分析仪采集发动机废气排放参数。选用Bosch品牌LSU4.9规格的氧传感元件，利用ETASES630.1装置来测量过量空气系数，通过HORIBAMEXA-7500D分析仪检测发动机尾气排放浓度，能马上获取发动机尾气常规污染物含量数值，进而采集发动机排放测试结果。3.3实验方法研究把2750r/min当作发动机最低油耗工况的基准转速，用喷油脉宽调节来控制喷油量，设定恒定过量空气系数λ=1，通过喷油脉宽调整来掌控发动机平均指示有效压力，借助喷油脉宽变化调整发动机平均指令有效压力，用AVL35设备直接测喷水流量，用SAE推荐的称重法测油量，因水的蒸发性比汽油低，采用喷油脉宽调控方式设定发动机平均有效压力，以此实现对喷水流量的调整与精准采集，该标准涵盖喷水流量测试要求，用循环周期内喷水质量和水油混合质量的比值量化(w/O-w)，质量占比和水量占比相同。当进行试验时，进气温度稳定在28-32℃这个范围，冷却水温度稳定在86-90℃，喷油压力一直是35MPa，进气歧管喷水压力设置成0.55MPa，采用一次性喷射的做法，喷水从压缩冲程上止点前330°CA开始，燃油喷射起始于压缩冲程上止点前300°CA，在进气过程最初阶段实施喷油，确保点火瞬间缸内混合气均匀一致。为了让燃烧达到理想状态，处于爆震边界或者燃烧重心的理想范围，可对点火时间点进行调整以达成燃烧目标，处在该位置，能够把燃烧高效率地转化成热能，进而实现动力输出的最大化，相关研究文献REF_Ref7017\r\h[17,REF_Ref9179\r\h30]研究发现，设定CA50为压缩上止点后7度曲轴转角，有利于维持热功转换的极限效率数值。让IMEP在200次循环中的COV处在3%以内，依据循环喷油总量得到热效率的相关数值，燃烧持续期（CA10-90）是累积放热从达到10%到90%时曲轴转角的差异情况，CA50被定义为曲轴转角中累积放热完成一半的那个燃烧中心情形，CA10代表点火时刻和10%累积放热点的曲轴转角距离情形，若热效率降低，会出现燃油消耗增大的现象，意味着热效率减退且耗油量增加；反向数据显示，热效率和耗油率同步升高，说明燃油效能得以增强。3.4能量损失的计算运用开口系统模型进行研究，假设内燃机处于稳态流动平衡态，分析燃烧室缸内损失采用此模型时，遵循循环工况下燃烧室能量守恒设定，系统输入能量是燃油燃烧产生的热能（为燃油完全燃烧理论热量减去未燃残热）和进气焓流；能量输出包括工质推动活塞的指示平均有效功、废气携带焓值、燃烧室壁面换热，活塞做功分为曲轴有效功和摩擦功，燃油全部能量呈现为有效功、未燃损失、排气损失、传热损失和摩擦损失。本研究采用的计算未燃损失变量的做法是： (3.1)式(3.1)中：QUb被定义为未燃烧损失对应的功率量，功率以kw计；MTHC和MCO分别为碳氢化合物总体和CO的连续排放值，单位是g/h；LHVFuel和LHVCO分别代表燃油跟一氧化碳的低发热量，单位为MJ/kg。排气损失的计算方式为： (3.2)式(3.2)中：排气损失功率用QExh表示，排气定压比热容记为CpExh，单位是千焦每千克每开尔文；排气歧管温度是TExh，含水分排气流量为MExh，单位是kg/h；水汽化能用QH2O表示，单位是kJ/kg；水蒸气定压比热容均值为cp，单位是kJ/(kg·K)；排气与水蒸气的温差是t；喷注水量按小时计，记为MH2O，单位是kg。从热传递损失的情况来看，冷却液热对流、机油热传递和辐射散热共同消耗缸内的换热，导致直接计量难以达成，输入总能量与实际输出热效率的差值、未燃组分的差值、废气排放能量差、摩擦力矩的偏差量，经传热损失计算可得出。3.5小结为证实实验结果能否可靠再现，本节全面介绍了实验平台的搭建方案和测试途径，测试对象是采用缸内直喷技术的单缸发动机，它支持压缩比在（14.8-15.8）动态变动，进气系统升级为喷水集成构造，喷水压力稳定维持在0.55MPa，以AVLPUMA测功机为核心设备，和角标器、Kistler压力传感器搭配，数据采样步长为0.5°CA，经200次循环采样取均值以减小波动。实验采用固定为1.0的过量空气系数（λ），利用脉宽调制方式调节负荷，排除空燃比的干扰，喷水起始点设置于压缩冲程前330度CA的上止点压缩阶段，采取一次性喷水方式，此能量损失评估模型以热力学第一定律为基础，对未燃（QUB）、排气（QEXH）、传热（QHT）和摩擦等损失分量进行细致分析，依据水蒸气潜热修正的排气参数来算出QEXH，围绕关键指标（CA50、燃烧延迟、IMEP循环变异＜3%）来开展实验设计，系统分析不同工况喷水的成效，让实验方案保证数据采集的精确性，服务于燃烧性能的量化分析过程。第四章实验结果与分析4.1引言通过实验数据支持，从喷水比率、负荷状况和压缩比等方面系统探究其对燃烧性能的影响规律，此技术既能减少传热损耗，又能降低排气能量损失，使CA50明显提前，既增长了滞燃期，又增加了燃烧时间，未燃损失随喷水比率正相关增加，致使热效率先升后降，在大负荷和高压缩比工作状态下，该技术对性能的提升效果十分显著，表明其有潜在应用价值。4.2不同条件下性能对比4.2.1不同喷水比例之间发动机燃烧特性的对比剖析图4.1呈现了压缩比为14.8的高压平均指示有效压力下(Indicatedmeaneffectivepressure，IMEP)PIME(h)=8.5bar工况中点火时刻与CA50随喷水比例改变的规律，喷水比例越高，爆震边界对应的点火时刻越提前，当喷水比例调至74%，点火时刻定在-46°CAATDC，相较于未采用水喷射的参照工况，比基准值提前37°CA。CA50作为半程燃烧位置的参数，其变化和点火时刻的调整基本一致，要是油水混合物里水占比64%，CA50就调整到7°CAATDC这个功热转换的最佳时刻，比未用水喷射时提前13°CA，原因在于气缸内热力参数快速增加，在压缩阶段，从进气歧管往燃烧室喷水，水蒸发带走热量使气缸内温度降低，对爆震有显著的抑制作用。图4.1油水混合中水占比改变时，点火时刻与CA50的变化规律同时，不可燃的水与可燃混合气混合，抑制了可燃混合物燃烧，水的蒸发过程使缸内温度降低，不利于燃料迅速放热，CA50在较大的喷水比例下变化趋缓，在点火时刻的结果小于点火时，CA50的变化程度比点火时的变化程度更小，同时从图4.2中可以得到，在此影响下，随着喷水比例的增加，燃料的滞燃期(火焰发展期)和燃烧持续期相应增加。图4.2燃烧滞燃期以及燃烧持续期随油水混合比例中水占比改变的关系为研究进气歧管喷水对燃烧特性的作用原理是啥，针对不同喷水比例的工况，对缸内压力和放热率进行比较研究，具体结果见附图4.3，基于CA50点火时点，图中显示更多燃料在上止点前就完成了燃烧放热的动作，燃烧压力的最大值变大，随着喷水比例的增加，压力最大值对应的曲轴转角提前，分析热生成曲线可以了解到，热释放阶段提前，热量释放结束的时间提前，水的混合比例提高，最大放热峰值降低是滞燃期变长、燃烧持续时间缩短和水冷却这三个因素共同作用的成果。图4.3缸内压力及放热率随曲轴转角的变化规律当处于膨胀做功阶段，喷水混合比增大后，水蒸气膨胀做功的本事更大了，未做功气体的压力显著减弱，燃烧室整体温度和废气温度一起降低，从而降低排气温度，提高热效率，图4.4直观地展现出，水汽膨胀实现了能量的转换，水蒸气残余压力会明显下降，但随着喷水强度增大，排气中的水成分截留了大量的汽化潜热，所以随着喷射量占比增加，排气能量递减先是缓慢，随后加快。图4.4排气能量损失以及温度等热力学参数随水所占比例的变动曲线引入喷水能降低缸内燃烧温度，使缸内气体和缸壁间热交换量减少，图4.5显示，提高喷水比例可有效降低传热损失，对抑制传热损失有好处，采用歧管水喷射方案和W/OWI结果对比，热量损耗显著下降，燃烧室壁面热流密度降低，采用让水直接附着在燃烧室壁面的办法，会加剧壁面淬熄现象，同时水蒸气会削弱氧浓度，降低燃烧室可燃混合气的当量比，阻碍燃油充分氧化，这两者的耦合效应会增加未燃损失，从图4.5可知，采用进气管路水喷射方案，和W/OWI对照组相比，喷水系统采用进气歧管配置会导致未燃烃排放损失增加。图4.5水油占比变动之际未燃损失与传热损失的变化样式就绝对量值而言，当含水率从30%提升到64%，传热损失会递减；喷水导致燃烧速率降低，进而造成燃料残余损失增多；排气能量损失先变小后变大，排气温度随喷水强度增大而降低；从经济角度讲，耗油率与热效率的变化走向相反，随着喷水占比逐步扩大，耗油率前期上升后期回落。一旦水在油水混合里的占比达到68%后再增加，未燃损失和传热损失变糟致使热效率显著降低，加大喷水比例，热效率不断递减，二者呈明显的负相关关系，从单位净功输出角度去看，发动机在燃料能量转化成有效功和耗量管理方面的性能受影响了。图4.6显示了净指示热效率（GITE）与净指示油耗率（GISFC）随喷水比例的对应变化情形，当燃油按64%比例掺水时，热效率和油耗指标均得到优化，实验测量出GITE为43.1%，相较于W/OPWI数据上升了2.5个百分点；测得当前GISFC数值是197.9克每千瓦时，跟W/OPWI相比降低了11.8g。图4.6净指示热效率与示油耗率随水占油水比的变化情形相关数据有效地验证了喷水技术的内在机制和实施可行性，和《进气歧管喷水技术对发动机燃烧性能的影响》研究设计及主要发现一致，上述图表借助排气能量损耗、排气温度、传热效果以及燃烧过程特性等指标，全面分析了喷水技术的作用过程和提升效果，充分揭示了进气歧管喷水技术对发动机燃烧性能的调节规则。4.2.2探讨进气歧管喷水对不同工作负荷发动机燃烧特性的影响将实验基准确定为Rc=14.8，结合三种喷水比例，研究三种不同喷水负荷时燃烧与排放的变化规律，从图4.7可看出，随着负载加重，CA50滞后现象愈发突出，喷水干预后，各负载下CA50都得以优化，和不喷水的实验对比，负载越高CA50提前幅度越明显。a)CA50随负荷的变化规律b）CA10-90随负荷的变化规律图4.7燃烧参数随负荷的变化规律使用喷水技术后，燃烧持续期会随负荷提升而减小，当PIMEP(h)=10.5bar时，与不采用喷水技术相比，喷水技术可显著缩短燃烧持续期，这是由于负荷增大，缸内燃烧温度上升，喷水冷却对燃烧的抑制效果减弱，大负荷情况下，爆震基础概率大幅增加，燃烧阶段整体靠后，不少燃料在膨胀阶段才完成燃烧。若燃烧的等容特性不理想，燃料能量转化效率会降低，燃烧效果变差，CA50优化方案能进一步提高燃烧效率，在燃烧反应过程中，喷水冷却会让燃烧状态有显著改变，燃烧时实施喷水干预，随着燃烧过程温度升高，喷水后燃烧温度下降，能明显提升燃烧效果。从图4.8a）可得知，对于各个负荷工况，喷水能显著抑制传热损失，传热损失随负荷上升表现出更突出的下降倾向，若喷水比例提高到64%，相对于W/OPWI参照组，当PIMEP(h)=10.5bar时，传热损失最大能降低31.8%。喷水促使燃烧相位CA50提前抵达，加快燃烧的进度，有助于削减热传递方面的损耗，要是气缸壁换热接触的面积比较小，燃烧阶段向前移动，接近压缩行程的顶部，对于降低传热损失有积极意义，图4.8b）呈现的结果表明，采用喷水技术时，未燃损失的增长幅度随着负荷的增大而总体增加。未燃损失占比和排气能量损失比起来明显要低，各项损耗占比都偏低，原本占比大的排气能损失改善效果慢慢展现，如附图4.8c）所示，指示平均有效压力PIMEP(h)=6.5bar时，实施PWI后的排气能量损失高于未用该技术的；要是高压平均指示压力PIMEP(h)=10.5bar，喷水时排气能量损耗小于未喷水的。a）传热损失随负荷的变化规律b）未燃损失随负荷的变化规律c）排气能量损失随负荷的变化规律图4.8能量损失随负荷的变化规律若系统负载较小，喷水会使水蒸气相变潜热和排气温升吸热的占比变得突出，从而使排出能量的损耗有所增加，当工作负荷上升，排出烟气温度升高，排气能量占据主导，喷水引发的排气温降效果比汽化潜热和显热吸收大得多，所以可以降低排气能量损失，喷水技术可有效扩展发动机的负载范围，在高负载情形下采用，对提升热效率和减少油耗的效果更显著。图4.9以及图4.10体现，喷水在提升热效率、优化油耗方面的优势随负荷的加大而逐渐显著，若PIMEP(h)=10.5bar，与未引入水喷射的原始数据相较，采用喷水技术后，最高热效率比基准提高了4.39%，每千瓦时燃油消耗降低了23.89克。测试显示8.5barPIMEP(h)对应的热效率提高了2.37%，每千瓦时燃油消耗减少了11.58克，当PIMEP(H)设定为6.5bar时，热效率仅改善了1.27%，单位能耗仅优化了6.08g/(kW·h)，若混合液里水体积占40%，对应负荷区间热效率会反向降低。图4.9净指示热效率随负荷的变化规律图4.10不同负荷状态下净指示燃油消耗率的演变轨迹采用进气歧管喷水可极大提高燃烧质量，体现在平均指示压力（IMEPH）的提高、有效燃油消耗率（GIFSC）的下降、有效热效率（GITE）的优化以及能量损耗的降低，数据分析结果对解释喷水技术的机理和实施办法起着关键作用，契合《进气歧管喷水技术对发动机燃烧性能的影响》的研究框架和结论推导。4.2.3不同压缩比下进气歧管喷水对发动机燃烧性能的影响研究利用前文所讲达到最高热效率PIMEP(h)=8.5bar负荷点进行试验，探究不同压缩比对燃烧参数和尾气排放的作用效果，分析压缩比影响程度，研究不同RC条件下燃烧参数的实验规律、RC变化带来的能量损失规律，以及净指示热效率随RC调整的变化趋势，从图4.11至图4.14可发现净指示油耗率随RC的变动情况。a）CA50随RC的变化规律b）CA10-90随RC的变化规律图4.11燃烧参数随ＲC的变化关系根据图4.11a)的结果，针对不同的压缩比，因为水能够有效降低温度，采用喷水措施都能显著促使CA50提前，但当压缩比增大时，燃烧起始阶段温度高，存在明显的爆震倾向，燃烧阶段显著后移，定容燃烧效果差，相比其他压缩比，CA50前移对燃烧的优化作用更突出。若压缩比较小，没喷水前CA50就已经相对优化，在各个压缩比里，喷水技术的CA50结果都更有优势，燃烧等容效果明显，如附图4.11b)所示，压缩比和燃烧持续期形成先升后降的关联曲线，可以观察到，喷水降温能很好地抑制爆震，在不同压缩比的情形下，CA50的数值变化对喷水比例的调整更敏感。燃烧持续期不仅受CA50影响，还会因喷水降温和水蒸气稀释的双重作用而受抑制，且这种抑制效应随喷水比例提高而逐渐变强，当水占比达到64%及以上油水比时，燃烧阶段长度差异较小，若压缩比提升RC=15.8，鉴于CA50后移，若将水占比调至58%，对比64%和72%油水混合比的结果，CA10-90没有明显的波动表现。观察图4.12所示的热传递损失、不完全燃烧损失与尾气能量损失分类图，当压缩比上升时，CA50提前对燃烧的积极效果不断放大，倘若喷水比例超过40%，随着压缩比增大，传热损耗稳步降低；若喷淋比例设成40%，因为压缩比升高，缸内热损失逐渐累积，喷淋对燃烧相位影响有限。未燃损失方面，各压缩比对应的数值差别不大，功率差在0.2kw以内，随着压缩比上升，CA50对燃烧特性的改善愈发显著，和无PWI作用的对照组相比，压缩比和喷淋能量呈此消彼长关系，若喷水占比不到58%，因喷淋水流量小，对燃烧温度抑制有限，水雾蒸发加剧，喷水吸热后会加大排气能量损失。随着压缩比升高、喷水比例上升，燃烧温度降低，排气能量损失随压缩比上升单调递增，随着压缩比上升，喷淋水量增加导致排气能量耗散上升，排气损失能量随压缩比增大渐进式增长，若喷水比例提升到64%以上，随着压缩比升高，燃烧温度下降幅度逐渐增大，排气能损的增量效应不断累积，由于水喷射量增大，排气系统总能量损失超出基准值，结果逐步累积。a）传热损失随ＲC的变化规律b）未燃损失随ＲC的变化规律c)排气能量损失随ＲC的变化规律图4.12能量损失跟RC值之间的变化关联通过图4.13和4.14对比分析，跟未引入PWI的方案相比，压缩比越大，wPWI对热效率的优化成效越显著，要是压缩比RC=15.8，利用喷水技术实现的热效率为最优，热效率相较于未用喷水技术时提高了2.93%，比油耗降低14.97克/；压缩比RC=14.8时，热效率提升2.42％，比油耗减少11.81g/(kW·h)；当压缩比RC=13.9，热效率可提高1.73％，燃油消耗减少8.55g/(kW·h)，高压缩比发动机的实现得靠喷水技术的引入。图4.13净指示热效率跟RC参数变化的相关性图4.14净指示油耗率跟RC的关联关系实验数据的变化趋势和《进气歧管喷水技术对发动机燃烧性能的影响》所讲“借助调节缸内温度分布来优化燃油雾化及化学反应进程”的作用机制相符，说明该技术拥有优化发动机实际燃烧性能的综合能力。4.3结论(1)当喷淋比重增大时，着火延迟期和持续燃烧时间都明显延长，同时喷淋比例与CA50提前量呈同步变化关联。(2)随着喷淋比例的增加，热量传递的损耗逐渐降低，排气能量损失程度在前期有所减弱，后期则加剧，热效率呈现先上升后下降的趋势，二者呈现相反的变化特性，测得GITE的最佳结果为43.1%，比对照组提高了2.5%；GISFC的最优指标达到197.9g/(kW·h)，与w/oPWI相比降低了11.8g/(kW·h)。(3)对照负荷小的情形，高负荷条件中施行喷水技术，提升热效率与降低油耗的效果会更明显，若PIMEP(h)=10.5bar时，和未引入喷水技术w/oPWI相比，采用该技术后最佳热效率点的热效率提高了4.39%，每千瓦时比油耗降低了23.89克。(4)评估PWI促进热效率的作用时，以w/oPWI为参照标准，当压缩比RC=15.8，相较于没有使用喷水技术w/oPWI的对照组，采用喷水技术后，热效点优化让热效率增加了2.93%，实现了14.97g/(kW·h)的油耗下降，喷水技术的实施，为发动机采用高压缩比创造了有利契机。4.4小结通过实测数据，本章阐释了wPWI技术对燃烧性能的复合作用联系，水占比64%是喷水比例的关键临界值，测得净指示热效率为43.1%，燃油消耗减少了11.8g/(kW·h)，在大负荷和高压缩比状态下，喷水技术提升热效率的效果更明显，能有效阻止爆震发展，达成了性能边界的突破，未燃损失与排气能量损失的匹配关系需要优化，为技术突破提供了方向性的提示。第五章结论与展望5.1研究结论5.1.1对喷水技术影响燃烧效能的核心要点进行分析运用进气歧管喷水工艺会大幅改变汽油发动机的燃烧特性，采用喷水手段能显著改善发动机的爆震状况，随着传热损失不断积累，喷水比例与CA50提前量一同增加，燃料的着火延迟期和燃烧持续时间也同步增长，采用喷水技术时，燃烧损失没有降低，但能有效抑制排气过程中的能量损耗。测试曲线显示，随着喷水强度增大，燃油消耗率先上升后下降，油耗率和热效率呈反向波动关系，在最优喷水条件当中，净指示热效率（GITE）的峰值达到43.1%，比不采用喷水技术的时候提升了2.5%，GISFC参数测定出来是197.9g/(kW·h），和不喷水的工况相比较，减少了11.8g/(kW·h），高负荷条件下采用喷淋技术，结合发动机高压缩比特征，可极大提高热效率，同时降低燃油的消耗。5.1.2技术适用场景与经济性评估专为高压缩比、高负荷发动机定制的进气歧管喷水技术，能够抑制爆震，使发动机热效能稳步提高，保证其在压缩比升高后稳定运行，采用该技术可增强热效率、减少燃油消耗，提高发动机的燃油经济性，适用于汽车及工业环境中性能和能效并重的场合，但实施这一技术存在挑战，要兼顾未完全燃烧损失上升和热传导损失下降的情况。5.2技术挑战与改进方向5.2.1系统抵抗衰减的特性、低温启动挑战及对水质的要求当下进气歧管喷水方案有技术落实的阻碍，设备的长期稳定性是重要课题，系统喷水的相关部件（比如喷嘴、管路等）要设计成抗腐蚀且经久耐用的样式，让系统能长时间稳定运行；再者是在寒冷状况下的启动问题，低温喷水会让发动机初始运转的效能减弱，要做好预热方面的工作；而且对水的干净程度要求不低，得用无杂质水或者去离子水，避免因为水垢和杂质引发系统的故障。5.2.2智能控制策略与混合燃料协同优化为使喷水技术性能更佳，需采用智能调控办法，根据工况实时找到最佳喷水比例和喷射时机，喷水装置和混合燃料协同改良是研究的热点内容，调整燃料组成和喷水占比，可有效改善燃烧状态和尾气排放，建议开展喷水系统与替代燃料（乙醇/氢气）集成的研究，实现节能增效和减排的双重效益。5.3未来应用前景5.3.1在混合动力、航空发动机等领域的扩展潜力在混合动力与航空发动机方面，喷水技术展现出不错的拓展性，在混合动力技术中，喷水技术可优化发动机热效率，进而提升系统能源转换效率，而对于喷气发动机，喷水既能抑制爆震又能提高热效率，增强发动机运行质量和可靠性，此技术能拓展到船舶、发电机组等内燃机使用场合，应用潜力可观。5.3.2结合碳中和目标的可持续性分析采用歧管喷水途径对达成碳中和指标很有帮助，实行喷水技术能显著降低碳排量，实现发动机热效率的显著提升，减少燃油消耗和排放状况，借助喷淋技术可让碳排放持续下降，与生物柴油、地热能等清洁能源共同实施，采用喷水技术搭配生物燃料和氢燃料等低排放举措，可使碳排放量减少，对实现碳中和目标提供技术支持，采用喷水技术可有效增强内燃机性能，同时大幅降低碳排放水平，为交通领域碳中和的实现与能源系统的改进提供保障。5.4实际应用中的挑战与解决方案5.4.1喷水系统的集成与维护从实际应用考虑，进气歧管喷水装置的集成与维护是关键难题，要让喷水系统和发动机系统实现功能匹配，保障喷水比例和喷射时间的控制精准度，要着重做好喷水系统的维护工作，像进行喷头除垢、水质实时监测以及管路定期检查，为解决这些问题，可开展智能诊断与维护系统的研发，及时收集喷水系统的运行数据，实时给出维护方案。5.4.2喷水技术对发动机寿命的影响喷淋技术和发动机寿命的关联不容忽视，水分侵入会导致发动机内部金属构件被腐蚀，降低其耐用时间，要处理这个问题，可采用耐化学腐蚀的材料制造喷水系统部件，在水雾化系统中加入防腐添加剂，有规范地对发动机内部零件进行巡检与养护，尽早更换出现问题的零部件，这是保障发动机长久运行的有效途径。5.5结论与展望5.5.1研究总结与主要发现研究关注进气歧管水喷射技术对汽油发动机燃烧效率的改善情况，借助实验来分析，实验结果表明：采用水喷射技术能大幅降低发动机爆震的概率，显著优化热效率并减少油耗；此技术在高压缩比和高负荷条件下能发挥更大功效，可实现发动机在高压缩比状态下平稳运转，使热效率稳步上升。5.5.2未来研究方向进一步研究应着眼于探究喷水技术和替代燃料的协同应用模式，优化燃烧质量和排放参数，达成智能化的调控技术，实时调控喷淋量的比值，采用进气歧管喷水技术可大幅提高发动机的性能和燃油效率，为内燃机技术的演进注入新的活力。参考文献ALAGUMALAIA.(2014).Internalcombustionengines:progressandprospects[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2014,38:561-571.PODEVINP,CLENCIA,DESCOMBESG.(2011).Influenceofthelubricatingoilpressureandtemperatureontheperformanceatlowspeedsofacentrifugalcompressorforanautomotiveengine[J].AppliedThermalEngineering,2011,31(2-3):194-201.TRUNGKN.(2022).Effectofvariouscontrolstrategiesongasolinecompressionignitionengine:areview[J].InternationalEnergyJournal,2022,22(1):97-110.赵华,何邦全.(2008).乘用车高效低污染动力总成技术[J].内燃机学报200826(S1):68-76.安宗权,黄昭明,潘金元,等.(2018).高压缩比米勒循环对GDI增压汽油机性能和排放影响[J].汽车技术2018(5):25-29.WANGZ,LIUH,REITZRD.(2017).Knockingcombustioninspark-ignitionengines[J].ProgressinEnergyandCombustionScience,201761:78-112.叶彩霞,黄昭明,王利,等.(2023).燃烧室抛光技术对汽油机经济性影响的研究[J/OL].机械科学与技术,2023:1-6[2023-04-28]./10.13433/ki.1003-8728.20230005.尹爱勇,黄昭明,王利,等.(2021).Miller循环汽油机稀薄燃烧及排放特性分析[J].汽车安全与节能学报，2021，12(3):402-409.ZHAOJX.(2017).Researchandapplicationofover-expansioncycle(AtkinsonandMiller)engines-Areview[J].AppliedEnergy,2017,185:300-319.LEONETG,OLINED,ANDERSONJE,etal.(2014).Effectsoffueloctaneratingandethanolcontentonknock,fueleconomy,andCO₂foraturbochargeddiengine[J].SAEInternationalJournalofFuelsandLubricants,2014,7(1):9-28.ANDERSONJE,DICICCODM,GINDERJM,etal.(2012).Highoctanenumberethanol-gasolineblends:QuantifyingthepotentialbenefitsintheUnitedStates[J].Fuel,2012,97:585-594.WENMS,ZHANGCQ,YUEZY,etal.(2020).EffectsofgasolineoctanenumberonfuelconsumptionandemissionsintwovehiclesequippedwithGDIandPFIspark-ignitionengine[J].JournalofEnergyEngineering,2020,146(6):04020069.魏佳男,冯洪庆,刘海峰.(2023).超级爆震中火焰传播转爆轰现象的研究[J].内燃机学报2023.41(1):42-51.CHANGY,SZYBISTJP,PIHLJA,etal.(2018).Catalyticexhaustgasrecirculation-loopreformingforhighefficiencyinastoichiometricspark-ignitedenginethroughthermochemicalrecuperationanddilutionlimitextension,Part1:catalystperformance[J].Energy&Fuels,2018,32(2):2245-2256.黄昭明,沈凯,安宗权,等.(2019).不同压缩比米勒循环和低压废气再循环对增压直喷汽油机性能影响[J].内燃机工程2019,40(4):13-18.蔡文远,徐焕祥,马帅营,等.(2020).采用高能点火的均质稀薄燃烧汽油机试验[J].内燃机学报2020,38(4):298-303.程章,黄昭明,吕冬梅,等.(2023).绝热涂层涂覆活塞耦合预燃室射流点火技术的试验研究[J/OL].机械科学与技