進(jìn)氣歧管噴水技術(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響摘要為了研究進(jìn)氣歧管噴水技術(shù)對汽油發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的提升潛力，在對一款研究型單缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對進(jìn)氣歧管噴水對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的不同噴水比例、不同負(fù)荷工況、不同壓縮比的影響進(jìn)行了比較研究。研究表明，采用進(jìn)氣歧管噴水技術(shù)，CA50在燃料滯燃期和燃燒持續(xù)期增加的同時(shí)，隨著噴水比例的提高，其發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震趨勢可以得到有效的降低，傳熱損失也會(huì)逐漸增加。相對于無噴水(W/OPWI)的結(jié)果而言，雖然引入噴水導(dǎo)致了未燃損失的增加，但有利于大幅降低排氣能量損失，最終以噴水比例增加后的先升后降趨勢中的熱效率提升為熱效率提升后的經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)，最終反應(yīng)為燃油消耗率的表現(xiàn)與熱效率相同的結(jié)果相反；此時(shí)最好的凈指示熱效率(GITE)為43.1%，相比W/OPWI的結(jié)果提高了2.5%；最佳凈指示耗油量(GISFC)為197.9g/(千瓦時(shí))，比W/OPWI的成績低11.8g/(千瓦時(shí))。噴水技術(shù)的高負(fù)荷使用，將實(shí)現(xiàn)熱效率的更顯著提升和油耗的提升效果；同時(shí)，噴淋工藝的推出，讓高壓縮比在發(fā)動(dòng)機(jī)上的運(yùn)用變得游刃有余。關(guān)鍵詞：進(jìn)氣歧管噴水，噴水比例，負(fù)荷，壓縮比，燃燒性能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目錄TOC\o"1-3"\h\u8957第一章緒論 -1-184621.1研究背景 -1-275361.2研究目的 -1-210941.4國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 -3-19792第二章進(jìn)氣歧管噴水技術(shù)原理與系統(tǒng)組成 -5-95982.1引言 -5-319062.2技術(shù)原理與理論基礎(chǔ) -5-268472.2.1水霧化與蒸發(fā)吸熱對進(jìn)氣溫度的影響 -5-238322.2.2燃燒室內(nèi)熱力學(xué)參數(shù)變化機(jī)理 -5-275982.3系統(tǒng)關(guān)鍵組件與工作流程 -6-314822.3.1噴水裝置（噴嘴、泵、儲(chǔ)水系統(tǒng)） -6-254052.3.2控制策略（噴水量、時(shí)序與工況匹配） -6-210102.4技術(shù)參數(shù)對性能的影響因素 -6-50922.4.1噴水壓力、霧化粒徑與分布均勻性 -6-214832.4.2水/燃料比例優(yōu)化與邊界條件 -6-128172.5小結(jié) -6-28891第三章實(shí)驗(yàn)對象和實(shí)驗(yàn)方法 -8-197063.1引言 -8-170443.2實(shí)驗(yàn)對象 -8-24553.3實(shí)驗(yàn)方法 -9-112803.4能量損失的計(jì)算 -10-208103.5小結(jié) -11-8729第四章實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 -12-314644.1引言 -12-104204.2不同條件下性能對比 -12-268434.2.1不同噴水比例對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響研究 -12-136204.2.2不同負(fù)荷下進(jìn)氣歧管噴水對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響研究 -16-116324.2.3不同壓縮比下進(jìn)氣歧管噴水對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響研究 -19-250424.3結(jié)論 -23-37384.4小結(jié) -24-1773第五章結(jié)論與展望 -25-196195.1研究結(jié)論 -25-121315.1.1噴水技術(shù)對燃燒性能的顯著影響總結(jié) -25-275645.1.2技術(shù)適用場景與經(jīng)濟(jì)性評估 -25-185975.2技術(shù)挑戰(zhàn)與改進(jìn)方向 -25-322365.2.1系統(tǒng)耐久性、低溫啟動(dòng)問題與水質(zhì)要求 -25-134255.2.2智能控制策略與混合燃料協(xié)同優(yōu)化 -25-74275.3未來應(yīng)用前景 -26-208255.3.1在混合動(dòng)力、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域的擴(kuò)展?jié)摿?-26-294145.3.2結(jié)合碳中和目標(biāo)的可持續(xù)性分析 -26-308455.4實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)與解決方案 -26-305115.4.1噴水系統(tǒng)的集成與維護(hù) -26-87415.4.2噴水技術(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的影響 -26-275995.5結(jié)論與展望 -27-123195.5.1研究總結(jié)與主要發(fā)現(xiàn) -27-154795.5.2未來研究方向 -27-5127參考文獻(xiàn) -28-15930致謝 -30-第一章緒論1.1研究背景隨著全球工業(yè)的快速推進(jìn)以及機(jī)動(dòng)車數(shù)量的大量增長，能源短缺和生態(tài)污染問題愈發(fā)嚴(yán)峻，基于這一情況，多個(gè)國家逐步實(shí)行了更嚴(yán)格的油耗及排放管控標(biāo)準(zhǔn)REF_Ref4013\r\h[1]，內(nèi)燃機(jī)作為基礎(chǔ)動(dòng)力核心，需面對提升能效與控制排放的雙重任務(wù)，內(nèi)燃機(jī)熱效率提升和排放控制正成為學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)話題REF_Ref4578\r\h[2-REF_Ref5064\r\h5]。結(jié)合渦輪增壓與高壓縮比技術(shù)達(dá)成發(fā)動(dòng)機(jī)緊湊化，熱效率進(jìn)步顯著，爆震是進(jìn)一步提升熱效率的關(guān)鍵阻礙REF_Ref5211\r\h[6-REF_Ref5453\r\h8]，為防止爆震，研究者報(bào)道多種抑制手段，如高膨脹比的Miller循環(huán)和Atkinson循環(huán)REF_Ref5554\r\h[9]、高辛烷值燃料REF_Ref5848\r\h[10-REF_Ref6390\r\h13]、廢氣再循環(huán)技術(shù)（Exhaustgasrecirculation，EGR）REF_Ref6566\r\h[14-REF_Ref6720\r\h15]、稀薄燃燒REF_Ref6883\r\h[16-REF_Ref7112\r\h18]及爆燃轉(zhuǎn)爆轟（DDT）REF_Ref7249\r\h[19]等，從實(shí)際應(yīng)用看相關(guān)技術(shù)有改進(jìn)空間。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管噴水技術(shù)(PortwaterInjection，WPWI)憑借水氣化時(shí)強(qiáng)吸熱特點(diǎn)，通過進(jìn)氣管把水霧化噴出，冷卻氣缸內(nèi)混合氣，進(jìn)而降低燃燒峰值溫度和壓力，是當(dāng)下抑制爆震的先進(jìn)技術(shù)，而且水蒸氣能促進(jìn)混合物稀釋，讓燃燒溫度進(jìn)一步下降，利于減少氮氧化物排放，該技術(shù)正成為國內(nèi)外學(xué)界重點(diǎn)研究課題REF_Ref7507\r\h[21-REF_Ref8470\r\h25]。1.2研究目的本研究聚焦進(jìn)氣歧管噴水技術(shù)影響汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的機(jī)制，通過試驗(yàn)途徑開展系統(tǒng)研究，研究針對的對象如下。1.探究噴水占比的變化，對燃燒階段特征值（如CA50）、燃燒總時(shí)長與滯燃階段的作用，并且分析能量的散失，像傳熱的損耗、排氣端能量損失、燃料未燃損耗，以及燃燒經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。2.剖析噴水技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)不同負(fù)荷工況下對燃燒及排放表現(xiàn)的影響，探究不同負(fù)荷下該技術(shù)對燃燒參數(shù)與排放物的影響特征，同時(shí)驗(yàn)證它對熱效率和燃油消耗性能的改善功效。3.研究噴水技術(shù)在不同壓縮比方面的適應(yīng)情況，分析其在各類壓縮比環(huán)境里對燃燒質(zhì)量的改良程度，探討此技術(shù)在高壓縮比狀態(tài)下的實(shí)際用途有哪些。實(shí)施該研究以改良內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程與排放指標(biāo)，提高熱效率，為運(yùn)用進(jìn)氣歧管噴水技術(shù)積累必要的學(xué)術(shù)成果和實(shí)踐指引。1.3研究意義該研究專注于進(jìn)氣歧管噴水技術(shù)對汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的全面影響，既有理論上的創(chuàng)新，又能在實(shí)踐中起到指導(dǎo)作用，實(shí)際意義集中于以下范圍。1.提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率：憑借水高相變潛熱的特性，通過向進(jìn)氣歧管噴水對缸內(nèi)混合氣降溫，可顯著抑制爆震，這是由于能降低燃燒階段的溫度與壓力峰值，同時(shí)采用此技術(shù)還能提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、推動(dòng)節(jié)能減排。2.降低油耗和排放：實(shí)測資料證實(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用噴水手段后，氮氧化物（NOx）排放量和燃油消耗均明顯減少，采用經(jīng)過優(yōu)化的噴水比例方案，在兼顧動(dòng)力系統(tǒng)性能時(shí)，能讓油耗和尾氣排放都降低，符合當(dāng)前階段性加強(qiáng)的環(huán)保約束條件。3.拓展高壓縮比應(yīng)用：若壓縮比達(dá)到較高數(shù)值，通過噴水技術(shù)能讓發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，增大壓縮比可切實(shí)促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升，利用噴水技術(shù)可有效減少高壓縮比導(dǎo)致的爆震問題，為引擎設(shè)計(jì)拓寬了技術(shù)道路。4.優(yōu)化燃燒過程：本研究聚焦于噴水比例、負(fù)荷工況、壓縮比在燃燒參數(shù)方面的作用規(guī)律，進(jìn)一步弄清楚了噴水技術(shù)對燃燒過程參數(shù)（像CA50、持續(xù)期和滯燃期）的控制特性，此數(shù)據(jù)可當(dāng)作優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)的科學(xué)憑據(jù)，助力發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能進(jìn)步。5.推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用：以堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)研究和理論作支撐，該調(diào)研有效助力進(jìn)氣歧管噴水技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，借助多組實(shí)驗(yàn)探究，驗(yàn)證了噴水技術(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的積極作用，為技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)。研究從理論角度完善了內(nèi)燃機(jī)燃燒過程以及排放治理的技術(shù)辦法，達(dá)成關(guān)鍵技術(shù)的新突破，使發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率得以優(yōu)化，運(yùn)行測試表明，燃料消耗率和排放濃度一同降低，其科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值均十分明顯。1.4國內(nèi)外研究現(xiàn)狀爆燃轉(zhuǎn)爆轟(Deflagrationtodetonationtransition，DDT)REF_Ref7249\r\h[19]、稀薄燃燒REF_Ref6883\r\h[16-REF_Ref7112\r\h18]、廢氣再循環(huán)技術(shù)（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]、高膨脹比Miller循環(huán)和Atkinson循環(huán)REF_Ref5554\r\h[9]等都是發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的抑制手段，而進(jìn)氣歧管噴水技術(shù)因兼顧成本與效果，正成為重點(diǎn)研究方向之一REF_Ref7507\r\h[21-REF_Ref8470\r\h25]。Worm等REF_Ref8640\r\h[26]證實(shí)，對于87AKI、91AKI和110AKI燃料，在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工作的情況下，進(jìn)氣歧管噴水可抑制爆震，采用WPWI技術(shù)能降低發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率單位的燃油用量，讓有效燃料消耗率（BSFC）提升34％。DeBellis等REF_Ref8238\r\h[23]通過數(shù)值模擬得知，當(dāng)水和燃油比例到17%，可有效抑制爆震現(xiàn)象，使BSFC顯著下降，噴水能降低渦輪前溫，基于化學(xué)當(dāng)量比狀態(tài)，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行，Bern等REF_Ref8820\r\h[27]對汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)做進(jìn)氣噴水操作，利用三維CFD仿真完成系統(tǒng)優(yōu)化，借助噴水抑制發(fā)動(dòng)機(jī)爆震趨勢，實(shí)現(xiàn)17%的油耗減少。Harrington等REF_Ref8918\r\h[28]采用對比辦法考察進(jìn)氣道噴液態(tài)水和氣態(tài)水的影響，水引入可有效遏制爆震傾向；液態(tài)水冷卻特性更佳，使點(diǎn)火物理滯后期增長、燃燒階段延長；要是混合液中水占比增大，氮氧化物排放量降低，卻會(huì)因著火不充分導(dǎo)致HC排放量增加。Arturo等REF_Ref7412\r\h[20]對增壓可變氣門SI引擎進(jìn)行噴水實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明噴水能有效抑制爆震，使高負(fù)荷工況下渦輪進(jìn)口溫度降低25-50攝氏度，隨著噴水強(qiáng)度增大，氮氧化物排放減少，未燃燒完全的HC和CO排放稍有增加，抗爆性會(huì)因噴水流量上升而影響點(diǎn)火時(shí)刻，和EGR工藝類似，燃燒時(shí)水分有稀釋作用，Bozza等REF_Ref9084\r\h[29]利用動(dòng)力學(xué)機(jī)理分析，對比噴水與EGR對層流火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，發(fā)現(xiàn)10%水濃度對火焰速率的抑制效果比40%EGR更明顯。圖1.2進(jìn)氣歧管噴水水粉噴射工藝在抑制爆震、優(yōu)化燃燒和排放、提高壓縮比以及改善熱效率方面表現(xiàn)出色，迄今尚未得到涵蓋多種壓縮比和負(fù)載工況的噴水工藝效果的完整研究成果，不同壓縮比和負(fù)載組合時(shí)噴水技術(shù)的效能，以及它提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能的潛力，仍需進(jìn)一步考察，后續(xù)要開展系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)探究，本研究形成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論結(jié)論，對工程應(yīng)用具有基礎(chǔ)支持作用，后續(xù)會(huì)圍繞不同壓縮比和負(fù)荷參數(shù)研究噴水技術(shù)的成效。第二章進(jìn)氣歧管噴水技術(shù)原理與系統(tǒng)組成2.1引言采取進(jìn)氣歧管噴射霧水的辦法，借助水蒸發(fā)吸熱的特性使缸內(nèi)降溫，實(shí)現(xiàn)抑制爆震和改善燃燒過程的雙重功效，本章從熱力學(xué)方面，研究噴水和進(jìn)氣溫度、燃燒峰值壓力之間的作用關(guān)系，噴注壓力、霧化特性、水與燃料混合比例以及系統(tǒng)關(guān)鍵模塊等核心參數(shù)，直接影響著冷卻速率和燃燒充分程度，要通過參數(shù)協(xié)同來實(shí)現(xiàn)性能的突破進(jìn)展。2.2技術(shù)原理與理論基礎(chǔ)2.2.1水霧化與蒸發(fā)吸熱對進(jìn)氣溫度的影響1、借助水分子氣化時(shí)的高比潛熱優(yōu)勢，運(yùn)用霧化噴射方法把水送進(jìn)進(jìn)氣歧管，能實(shí)現(xiàn)對氣缸內(nèi)混合氣的有效冷卻。2、進(jìn)氣端溫度因水分子汽化吸熱而下降，在一定范圍內(nèi)對爆震的出現(xiàn)起到抑制作用。圖2.1進(jìn)氣歧管2.2.2燃燒室內(nèi)熱力學(xué)參數(shù)變化機(jī)理1、將水噴入燃燒室后，水蒸發(fā)的散熱功能，切實(shí)降低了缸內(nèi)的熱負(fù)載，有效抑制了壓縮階段的爆震現(xiàn)象。2、由于燃燒階段水蒸氣形成稀釋作用，燃燒溫度進(jìn)一步下降，進(jìn)而同步改進(jìn)了爆震抑制效果和氮氧化物排放狀況。 2.3系統(tǒng)關(guān)鍵組件與工作流程2.3.1噴水裝置（噴嘴、泵、儲(chǔ)水系統(tǒng)）1、噴頭：為使水分蒸發(fā)表面積增加，采用霧化技術(shù)制造出細(xì)小水顆粒。2、泵：給予充沛壓力，達(dá)成水霧向進(jìn)氣歧管的順暢噴射。3、儲(chǔ)水系統(tǒng)：維持噴水設(shè)施水源留存，達(dá)成不間斷供水目的。2.3.2控制策略（噴水量、時(shí)序與工況匹配）1、噴水量：結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，對噴水量進(jìn)行動(dòng)態(tài)匹配，實(shí)現(xiàn)冷卻工況的最佳效果。2、順序：應(yīng)做到噴水時(shí)間的精準(zhǔn)把握，讓噴水時(shí)機(jī)與進(jìn)氣歧管工作階段精準(zhǔn)契合起來，使液態(tài)水發(fā)揮最好作用。3、工況匹配：為契合發(fā)動(dòng)機(jī)變工況狀況下的需求，依據(jù)工況差別動(dòng)態(tài)調(diào)控噴水參數(shù)。2.4技術(shù)參數(shù)對性能的影響因素2.4.1噴水壓力驅(qū)動(dòng)的霧化顆粒特性1.噴水壓力：噴霧的粒徑分布和射程長短會(huì)被影響，較大的噴淋壓力可讓霧化效果更好。2、霧化粒徑：采用極小粒度的霧化方案，能極大促進(jìn)水分的蒸發(fā)活動(dòng)，同時(shí)同步增進(jìn)冷卻的效果。3.分布均勻性：做到進(jìn)氣里水汽的恰當(dāng)分布，提升冷卻性能的穩(wěn)定性。2.4.2水/燃料比例優(yōu)化與邊界條件1.水/燃料比例：以發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)為依據(jù)，調(diào)校水與燃料的混合比例，來讓熱效率達(dá)到最大值。2.邊界條件：整合發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速及進(jìn)氣溫度等運(yùn)行的參數(shù)，重新組建噴水控制邏輯去適應(yīng)工況的調(diào)整。2.5小結(jié)此部分系統(tǒng)地對wPWI技術(shù)的基本概念、系統(tǒng)構(gòu)建方式以及關(guān)鍵變量和燃燒性能的關(guān)聯(lián)做了分析，依靠霧化水吸收熱量使進(jìn)氣溫度降低，從而阻斷爆震的產(chǎn)生過程，運(yùn)用熱力學(xué)框架來分析噴水技術(shù)，水在進(jìn)氣歧管霧化后，憑借較高汽化潛熱（約2.26MJ/kg）帶走大量熱能，降低缸內(nèi)混合氣溫度，水蒸氣稀釋產(chǎn)生的降溫作用可降低燃燒峰溫，為達(dá)成更高壓縮比打下基礎(chǔ)。水箱單元安裝了過濾和壓力調(diào)節(jié)模塊，水泵壓力處于0.5到1.0兆帕范圍，主要硬件單元采用0.2-0.5mm孔徑的高壓噴頭，可將液體霧化成微米大小的顆粒，控制執(zhí)行時(shí)，通過閉環(huán)反饋系統(tǒng)，結(jié)合負(fù)荷與轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)迅速調(diào)整噴水量，同時(shí)鎖定噴射窗口，實(shí)現(xiàn)各缸水霧均勻分布。測試分析表明，想達(dá)成Dv90≤50μm的霧化效果，噴水壓力是主導(dǎo)因素，燃料中摻水比例（30%-70%）需隨工況變化而調(diào)整，在大負(fù)荷工況增加配比可有效抑制爆震，低負(fù)荷情況減小比例能抑制未燃現(xiàn)象，通過對噴水參數(shù)的優(yōu)化可兼顧冷卻和燃燒效率，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)性能測試構(gòu)建理論根基。第三章實(shí)驗(yàn)對象和實(shí)驗(yàn)方法3.1引言對進(jìn)氣歧管噴水技術(shù)給燃燒特性帶來的實(shí)際影響進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)基于單缸熱力學(xué)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)架構(gòu)把測控組件、噴水系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集裝置組合在一起，做到高精度測試和流程的調(diào)節(jié)，在過量空氣系數(shù)恒定且調(diào)節(jié)點(diǎn)火正時(shí)的前提下，對比不同噴水比例、負(fù)荷和壓縮比在燃燒效率、能量損耗與經(jīng)濟(jì)性方面的影響不同，此模型從方法論角度支撐了量化分析。3.2實(shí)驗(yàn)對象把經(jīng)過改良的單缸直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)作實(shí)驗(yàn)對象，對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行專門改裝，使其擁有進(jìn)氣歧管水霧噴射特點(diǎn)，利用0.55MPa的穩(wěn)定水壓來測試，可達(dá)成壓縮比的無級調(diào)整，測試發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵性能指標(biāo)在表3.1列出，圖3.1為試驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的示意圖。表3.SEQ表3.\*ARABIC1發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)參數(shù)數(shù)值缸數(shù)1沖程數(shù)4缸徑/mm75沖程/mm85排量/L0.375燃油供給系統(tǒng)壓力/MPa35噴水壓力/MPa0.550圖3.SEQ圖3.\*ARABIC1試驗(yàn)臺(tái)架示意圖測試工作借助AVL公司開發(fā)的臺(tái)架測控系統(tǒng)開展，利用AVL365C角標(biāo)器和解碼器組合來輸出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角和上止點(diǎn)信號，通過AVL45C角標(biāo)器及配套解碼器達(dá)成轉(zhuǎn)速控制，依靠AVL515進(jìn)氣增壓模擬裝置把控進(jìn)氣壓力與溫度，運(yùn)用PTU時(shí)序控制單元（可編程時(shí)間單元）來同步噴油開啟位置、噴射流量、噴水間隔和點(diǎn)火相位，采用Scienlab設(shè)備輸出噴油器電流信號，用外觸發(fā)機(jī)制操控噴油器，通過外觸發(fā)可控的變壓模塊調(diào)節(jié)噴水器開關(guān)，由Scienlab控制單元管理噴油器的開閉，使用AVL45C角標(biāo)器執(zhí)行噴油嘴的開閉指令，用AVL55C角標(biāo)儀測量噴頭參數(shù)，采用AVL5C系列角靶，利用AVL54BR型號的傳感器采集缸壓數(shù)據(jù)，借助AVL51S系統(tǒng)精準(zhǔn)調(diào)控燃燒示功圖的采集時(shí)序，設(shè)定0.5°CA的采樣步長，所有工況點(diǎn)都進(jìn)行200次循環(huán)采樣以降低測量誤差，采用HORIBAMEXA-7500D型號分析儀采集發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放參數(shù)。選用Bosch品牌LSU4.9規(guī)格的氧傳感元件，利用ETASES630.1裝置來測量過量空氣系數(shù)，通過HORIBAMEXA-7500D分析儀檢測發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放濃度，能馬上獲取發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣常規(guī)污染物含量數(shù)值，進(jìn)而采集發(fā)動(dòng)機(jī)排放測試結(jié)果。3.3實(shí)驗(yàn)方法研究把2750r/min當(dāng)作發(fā)動(dòng)機(jī)最低油耗工況的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，用噴油脈寬調(diào)節(jié)來控制噴油量，設(shè)定恒定過量空氣系數(shù)λ=1，通過噴油脈寬調(diào)整來掌控發(fā)動(dòng)機(jī)平均指示有效壓力，借助噴油脈寬變化調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)平均指令有效壓力，用AVL35設(shè)備直接測噴水流量，用SAE推薦的稱重法測油量，因水的蒸發(fā)性比汽油低，采用噴油脈寬調(diào)控方式設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力，以此實(shí)現(xiàn)對噴水流量的調(diào)整與精準(zhǔn)采集，該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋噴水流量測試要求，用循環(huán)周期內(nèi)噴水質(zhì)量和水油混合質(zhì)量的比值量化(w/O-w)，質(zhì)量占比和水量占比相同。當(dāng)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)氣溫度穩(wěn)定在28-32℃這個(gè)范圍，冷卻水溫度穩(wěn)定在86-90℃，噴油壓力一直是35MPa，進(jìn)氣歧管噴水壓力設(shè)置成0.55MPa，采用一次性噴射的做法，噴水從壓縮沖程上止點(diǎn)前330°CA開始，燃油噴射起始于壓縮沖程上止點(diǎn)前300°CA，在進(jìn)氣過程最初階段實(shí)施噴油，確保點(diǎn)火瞬間缸內(nèi)混合氣均勻一致。為了讓燃燒達(dá)到理想狀態(tài)，處于爆震邊界或者燃燒重心的理想范圍，可對點(diǎn)火時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整以達(dá)成燃燒目標(biāo)，處在該位置，能夠把燃燒高效率地轉(zhuǎn)化成熱能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出的最大化，相關(guān)研究文獻(xiàn)REF_Ref7017\r\h[17,REF_Ref9179\r\h30]研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)定CA50為壓縮上止點(diǎn)后7度曲軸轉(zhuǎn)角，有利于維持熱功轉(zhuǎn)換的極限效率數(shù)值。讓IMEP在200次循環(huán)中的COV處在3%以內(nèi)，依據(jù)循環(huán)噴油總量得到熱效率的相關(guān)數(shù)值，燃燒持續(xù)期（CA10-90）是累積放熱從達(dá)到10%到90%時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角的差異情況，CA50被定義為曲軸轉(zhuǎn)角中累積放熱完成一半的那個(gè)燃燒中心情形，CA10代表點(diǎn)火時(shí)刻和10%累積放熱點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角距離情形，若熱效率降低，會(huì)出現(xiàn)燃油消耗增大的現(xiàn)象，意味著熱效率減退且耗油量增加；反向數(shù)據(jù)顯示，熱效率和耗油率同步升高，說明燃油效能得以增強(qiáng)。3.4能量損失的計(jì)算運(yùn)用開口系統(tǒng)模型進(jìn)行研究，假設(shè)內(nèi)燃機(jī)處于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)平衡態(tài)，分析燃燒室缸內(nèi)損失采用此模型時(shí)，遵循循環(huán)工況下燃燒室能量守恒設(shè)定，系統(tǒng)輸入能量是燃油燃燒產(chǎn)生的熱能（為燃油完全燃燒理論熱量減去未燃?xì)垷幔┖瓦M(jìn)氣焓流；能量輸出包括工質(zhì)推動(dòng)活塞的指示平均有效功、廢氣攜帶焓值、燃燒室壁面換熱，活塞做功分為曲軸有效功和摩擦功，燃油全部能量呈現(xiàn)為有效功、未燃損失、排氣損失、傳熱損失和摩擦損失。本研究采用的計(jì)算未燃損失變量的做法是： (3.1)式(3.1)中：QUb被定義為未燃燒損失對應(yīng)的功率量，功率以kw計(jì)；MTHC和MCO分別為碳?xì)浠衔锟傮w和CO的連續(xù)排放值，單位是g/h；LHVFuel和LHVCO分別代表燃油跟一氧化碳的低發(fā)熱量，單位為MJ/kg。排氣損失的計(jì)算方式為： (3.2)式(3.2)中：排氣損失功率用QExh表示，排氣定壓比熱容記為CpExh，單位是千焦每千克每開爾文；排氣歧管溫度是TExh，含水分排氣流量為MExh，單位是kg/h；水汽化能用QH2O表示，單位是kJ/kg；水蒸氣定壓比熱容均值為cp，單位是kJ/(kg·K)；排氣與水蒸氣的溫差是t；噴注水量按小時(shí)計(jì)，記為MH2O，單位是kg。從熱傳遞損失的情況來看，冷卻液熱對流、機(jī)油熱傳遞和輻射散熱共同消耗缸內(nèi)的換熱，導(dǎo)致直接計(jì)量難以達(dá)成，輸入總能量與實(shí)際輸出熱效率的差值、未燃組分的差值、廢氣排放能量差、摩擦力矩的偏差量，經(jīng)傳熱損失計(jì)算可得出。3.5小結(jié)為證實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果能否可靠再現(xiàn)，本節(jié)全面介紹了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建方案和測試途徑，測試對象是采用缸內(nèi)直噴技術(shù)的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，它支持壓縮比在（14.8-15.8）動(dòng)態(tài)變動(dòng)，進(jìn)氣系統(tǒng)升級為噴水集成構(gòu)造，噴水壓力穩(wěn)定維持在0.55MPa，以AVLPUMA測功機(jī)為核心設(shè)備，和角標(biāo)器、Kistler壓力傳感器搭配，數(shù)據(jù)采樣步長為0.5°CA，經(jīng)200次循環(huán)采樣取均值以減小波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)采用固定為1.0的過量空氣系數(shù)（λ），利用脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)負(fù)荷，排除空燃比的干擾，噴水起始點(diǎn)設(shè)置于壓縮沖程前330度CA的上止點(diǎn)壓縮階段，采取一次性噴水方式，此能量損失評估模型以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，對未燃（QUB）、排氣（QEXH）、傳熱（QHT）和摩擦等損失分量進(jìn)行細(xì)致分析，依據(jù)水蒸氣潛熱修正的排氣參數(shù)來算出QEXH，圍繞關(guān)鍵指標(biāo)（CA50、燃燒延遲、IMEP循環(huán)變異＜3%）來開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)分析不同工況噴水的成效，讓實(shí)驗(yàn)方案保證數(shù)據(jù)采集的精確性，服務(wù)于燃燒性能的量化分析過程。第四章實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析4.1引言通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，從噴水比率、負(fù)荷狀況和壓縮比等方面系統(tǒng)探究其對燃燒性能的影響規(guī)律，此技術(shù)既能減少傳熱損耗，又能降低排氣能量損失，使CA50明顯提前，既增長了滯燃期，又增加了燃燒時(shí)間，未燃損失隨噴水比率正相關(guān)增加，致使熱效率先升后降，在大負(fù)荷和高壓縮比工作狀態(tài)下，該技術(shù)對性能的提升效果十分顯著，表明其有潛在應(yīng)用價(jià)值。4.2不同條件下性能對比4.2.1不同噴水比例之間發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的對比剖析圖4.1呈現(xiàn)了壓縮比為14.8的高壓平均指示有效壓力下(Indicatedmeaneffectivepressure，IMEP)PIME(h)=8.5bar工況中點(diǎn)火時(shí)刻與CA50隨噴水比例改變的規(guī)律，噴水比例越高，爆震邊界對應(yīng)的點(diǎn)火時(shí)刻越提前，當(dāng)噴水比例調(diào)至74%，點(diǎn)火時(shí)刻定在-46°CAATDC，相較于未采用水噴射的參照工況，比基準(zhǔn)值提前37°CA。CA50作為半程燃燒位置的參數(shù)，其變化和點(diǎn)火時(shí)刻的調(diào)整基本一致，要是油水混合物里水占比64%，CA50就調(diào)整到7°CAATDC這個(gè)功熱轉(zhuǎn)換的最佳時(shí)刻，比未用水噴射時(shí)提前13°CA，原因在于氣缸內(nèi)熱力參數(shù)快速增加，在壓縮階段，從進(jìn)氣歧管往燃燒室噴水，水蒸發(fā)帶走熱量使氣缸內(nèi)溫度降低，對爆震有顯著的抑制作用。圖4.1油水混合中水占比改變時(shí)，點(diǎn)火時(shí)刻與CA50的變化規(guī)律同時(shí)，不可燃的水與可燃混合氣混合，抑制了可燃混合物燃燒，水的蒸發(fā)過程使缸內(nèi)溫度降低，不利于燃料迅速放熱，CA50在較大的噴水比例下變化趨緩，在點(diǎn)火時(shí)刻的結(jié)果小于點(diǎn)火時(shí)，CA50的變化程度比點(diǎn)火時(shí)的變化程度更小，同時(shí)從圖4.2中可以得到，在此影響下，隨著噴水比例的增加，燃料的滯燃期(火焰發(fā)展期)和燃燒持續(xù)期相應(yīng)增加。圖4.2燃燒滯燃期以及燃燒持續(xù)期隨油水混合比例中水占比改變的關(guān)系為研究進(jìn)氣歧管噴水對燃燒特性的作用原理是啥，針對不同噴水比例的工況，對缸內(nèi)壓力和放熱率進(jìn)行比較研究，具體結(jié)果見附圖4.3，基于CA50點(diǎn)火時(shí)點(diǎn)，圖中顯示更多燃料在上止點(diǎn)前就完成了燃燒放熱的動(dòng)作，燃燒壓力的最大值變大，隨著噴水比例的增加，壓力最大值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前，分析熱生成曲線可以了解到，熱釋放階段提前，熱量釋放結(jié)束的時(shí)間提前，水的混合比例提高，最大放熱峰值降低是滯燃期變長、燃燒持續(xù)時(shí)間縮短和水冷卻這三個(gè)因素共同作用的成果。圖4.3缸內(nèi)壓力及放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律當(dāng)處于膨脹做功階段，噴水混合比增大后，水蒸氣膨脹做功的本事更大了，未做功氣體的壓力顯著減弱，燃燒室整體溫度和廢氣溫度一起降低，從而降低排氣溫度，提高熱效率，圖4.4直觀地展現(xiàn)出，水汽膨脹實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)換，水蒸氣殘余壓力會(huì)明顯下降，但隨著噴水強(qiáng)度增大，排氣中的水成分截留了大量的汽化潛熱，所以隨著噴射量占比增加，排氣能量遞減先是緩慢，隨后加快。圖4.4排氣能量損失以及溫度等熱力學(xué)參數(shù)隨水所占比例的變動(dòng)曲線引入噴水能降低缸內(nèi)燃燒溫度，使缸內(nèi)氣體和缸壁間熱交換量減少，圖4.5顯示，提高噴水比例可有效降低傳熱損失，對抑制傳熱損失有好處，采用歧管水噴射方案和W/OWI結(jié)果對比，熱量損耗顯著下降，燃燒室壁面熱流密度降低，采用讓水直接附著在燃燒室壁面的辦法，會(huì)加劇壁面淬熄現(xiàn)象，同時(shí)水蒸氣會(huì)削弱氧濃度，降低燃燒室可燃混合氣的當(dāng)量比，阻礙燃油充分氧化，這兩者的耦合效應(yīng)會(huì)增加未燃損失，從圖4.5可知，采用進(jìn)氣管路水噴射方案，和W/OWI對照組相比，噴水系統(tǒng)采用進(jìn)氣歧管配置會(huì)導(dǎo)致未燃烴排放損失增加。圖4.5水油占比變動(dòng)之際未燃損失與傳熱損失的變化樣式就絕對量值而言，當(dāng)含水率從30%提升到64%，傳熱損失會(huì)遞減；噴水導(dǎo)致燃燒速率降低，進(jìn)而造成燃料殘余損失增多；排氣能量損失先變小后變大，排氣溫度隨噴水強(qiáng)度增大而降低；從經(jīng)濟(jì)角度講，耗油率與熱效率的變化走向相反，隨著噴水占比逐步擴(kuò)大，耗油率前期上升后期回落。一旦水在油水混合里的占比達(dá)到68%后再增加，未燃損失和傳熱損失變糟致使熱效率顯著降低，加大噴水比例，熱效率不斷遞減，二者呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，從單位凈功輸出角度去看，發(fā)動(dòng)機(jī)在燃料能量轉(zhuǎn)化成有效功和耗量管理方面的性能受影響了。圖4.6顯示了凈指示熱效率（GITE）與凈指示油耗率（GISFC）隨噴水比例的對應(yīng)變化情形，當(dāng)燃油按64%比例摻水時(shí)，熱效率和油耗指標(biāo)均得到優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)測量出GITE為43.1%，相較于W/OPWI數(shù)據(jù)上升了2.5個(gè)百分點(diǎn)；測得當(dāng)前GISFC數(shù)值是197.9克每千瓦時(shí)，跟W/OPWI相比降低了11.8g。圖4.6凈指示熱效率與示油耗率隨水占油水比的變化情形相關(guān)數(shù)據(jù)有效地驗(yàn)證了噴水技術(shù)的內(nèi)在機(jī)制和實(shí)施可行性，和《進(jìn)氣歧管噴水技術(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響》研究設(shè)計(jì)及主要發(fā)現(xiàn)一致，上述圖表借助排氣能量損耗、排氣溫度、傳熱效果以及燃燒過程特性等指標(biāo)，全面分析了噴水技術(shù)的作用過程和提升效果，充分揭示了進(jìn)氣歧管噴水技術(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的調(diào)節(jié)規(guī)則。4.2.2探討進(jìn)氣歧管噴水對不同工作負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響將實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)確定為Rc=14.8，結(jié)合三種噴水比例，研究三種不同噴水負(fù)荷時(shí)燃燒與排放的變化規(guī)律，從圖4.7可看出，隨著負(fù)載加重，CA50滯后現(xiàn)象愈發(fā)突出，噴水干預(yù)后，各負(fù)載下CA50都得以優(yōu)化，和不噴水的實(shí)驗(yàn)對比，負(fù)載越高CA50提前幅度越明顯。a)CA50隨負(fù)荷的變化規(guī)律b）CA10-90隨負(fù)荷的變化規(guī)律圖4.7燃燒參數(shù)隨負(fù)荷的變化規(guī)律使用噴水技術(shù)后，燃燒持續(xù)期會(huì)隨負(fù)荷提升而減小，當(dāng)PIMEP(h)=10.5bar時(shí)，與不采用噴水技術(shù)相比，噴水技術(shù)可顯著縮短燃燒持續(xù)期，這是由于負(fù)荷增大，缸內(nèi)燃燒溫度上升，噴水冷卻對燃燒的抑制效果減弱，大負(fù)荷情況下，爆震基礎(chǔ)概率大幅增加，燃燒階段整體靠后，不少燃料在膨脹階段才完成燃燒。若燃燒的等容特性不理想，燃料能量轉(zhuǎn)化效率會(huì)降低，燃燒效果變差，CA50優(yōu)化方案能進(jìn)一步提高燃燒效率，在燃燒反應(yīng)過程中，噴水冷卻會(huì)讓燃燒狀態(tài)有顯著改變，燃燒時(shí)實(shí)施噴水干預(yù)，隨著燃燒過程溫度升高，噴水后燃燒溫度下降，能明顯提升燃燒效果。從圖4.8a）可得知，對于各個(gè)負(fù)荷工況，噴水能顯著抑制傳熱損失，傳熱損失隨負(fù)荷上升表現(xiàn)出更突出的下降傾向，若噴水比例提高到64%，相對于W/OPWI參照組，當(dāng)PIMEP(h)=10.5bar時(shí)，傳熱損失最大能降低31.8%。噴水促使燃燒相位CA50提前抵達(dá)，加快燃燒的進(jìn)度，有助于削減熱傳遞方面的損耗，要是氣缸壁換熱接觸的面積比較小，燃燒階段向前移動(dòng)，接近壓縮行程的頂部，對于降低傳熱損失有積極意義，圖4.8b）呈現(xiàn)的結(jié)果表明，采用噴水技術(shù)時(shí)，未燃損失的增長幅度隨著負(fù)荷的增大而總體增加。未燃損失占比和排氣能量損失比起來明顯要低，各項(xiàng)損耗占比都偏低，原本占比大的排氣能損失改善效果慢慢展現(xiàn)，如附圖4.8c）所示，指示平均有效壓力PIMEP(h)=6.5bar時(shí)，實(shí)施PWI后的排氣能量損失高于未用該技術(shù)的；要是高壓平均指示壓力PIMEP(h)=10.5bar，噴水時(shí)排氣能量損耗小于未噴水的。a）傳熱損失隨負(fù)荷的變化規(guī)律b）未燃損失隨負(fù)荷的變化規(guī)律c）排氣能量損失隨負(fù)荷的變化規(guī)律圖4.8能量損失隨負(fù)荷的變化規(guī)律若系統(tǒng)負(fù)載較小，噴水會(huì)使水蒸氣相變潛熱和排氣溫升吸熱的占比變得突出，從而使排出能量的損耗有所增加，當(dāng)工作負(fù)荷上升，排出煙氣溫度升高，排氣能量占據(jù)主導(dǎo)，噴水引發(fā)的排氣溫降效果比汽化潛熱和顯熱吸收大得多，所以可以降低排氣能量損失，噴水技術(shù)可有效擴(kuò)展發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載范圍，在高負(fù)載情形下采用，對提升熱效率和減少油耗的效果更顯著。圖4.9以及圖4.10體現(xiàn)，噴水在提升熱效率、優(yōu)化油耗方面的優(yōu)勢隨負(fù)荷的加大而逐漸顯著，若PIMEP(h)=10.5bar，與未引入水噴射的原始數(shù)據(jù)相較，采用噴水技術(shù)后，最高熱效率比基準(zhǔn)提高了4.39%，每千瓦時(shí)燃油消耗降低了23.89克。測試顯示8.5barPIMEP(h)對應(yīng)的熱效率提高了2.37%，每千瓦時(shí)燃油消耗減少了11.58克，當(dāng)PIMEP(H)設(shè)定為6.5bar時(shí)，熱效率僅改善了1.27%，單位能耗僅優(yōu)化了6.08g/(kW·h)，若混合液里水體積占40%，對應(yīng)負(fù)荷區(qū)間熱效率會(huì)反向降低。圖4.9凈指示熱效率隨負(fù)荷的變化規(guī)律圖4.10不同負(fù)荷狀態(tài)下凈指示燃油消耗率的演變軌跡采用進(jìn)氣歧管噴水可極大提高燃燒質(zhì)量，體現(xiàn)在平均指示壓力（IMEPH）的提高、有效燃油消耗率（GIFSC）的下降、有效熱效率（GITE）的優(yōu)化以及能量損耗的降低，數(shù)據(jù)分析結(jié)果對解釋噴水技術(shù)的機(jī)理和實(shí)施辦法起著關(guān)鍵作用，契合《進(jìn)氣歧管噴水技術(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響》的研究框架和結(jié)論推導(dǎo)。4.2.3不同壓縮比下進(jìn)氣歧管噴水對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響研究利用前文所講達(dá)到最高熱效率PIMEP(h)=8.5bar負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，探究不同壓縮比對燃燒參數(shù)和尾氣排放的作用效果，分析壓縮比影響程度，研究不同RC條件下燃燒參數(shù)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律、RC變化帶來的能量損失規(guī)律，以及凈指示熱效率隨RC調(diào)整的變化趨勢，從圖4.11至圖4.14可發(fā)現(xiàn)凈指示油耗率隨RC的變動(dòng)情況。a）CA50隨RC的變化規(guī)律b）CA10-90隨RC的變化規(guī)律圖4.11燃燒參數(shù)隨ＲC的變化關(guān)系根據(jù)圖4.11a)的結(jié)果，針對不同的壓縮比，因?yàn)樗軌蛴行Ы档蜏囟?，采用噴水措施都能顯著促使CA50提前，但當(dāng)壓縮比增大時(shí)，燃燒起始階段溫度高，存在明顯的爆震傾向，燃燒階段顯著后移，定容燃燒效果差，相比其他壓縮比，CA50前移對燃燒的優(yōu)化作用更突出。若壓縮比較小，沒噴水前CA50就已經(jīng)相對優(yōu)化，在各個(gè)壓縮比里，噴水技術(shù)的CA50結(jié)果都更有優(yōu)勢，燃燒等容效果明顯，如附圖4.11b)所示，壓縮比和燃燒持續(xù)期形成先升后降的關(guān)聯(lián)曲線，可以觀察到，噴水降溫能很好地抑制爆震，在不同壓縮比的情形下，CA50的數(shù)值變化對噴水比例的調(diào)整更敏感。燃燒持續(xù)期不僅受CA50影響，還會(huì)因噴水降溫和水蒸氣稀釋的雙重作用而受抑制，且這種抑制效應(yīng)隨噴水比例提高而逐漸變強(qiáng)，當(dāng)水占比達(dá)到64%及以上油水比時(shí)，燃燒階段長度差異較小，若壓縮比提升RC=15.8，鑒于CA50后移，若將水占比調(diào)至58%，對比64%和72%油水混合比的結(jié)果，CA10-90沒有明顯的波動(dòng)表現(xiàn)。觀察圖4.12所示的熱傳遞損失、不完全燃燒損失與尾氣能量損失分類圖，當(dāng)壓縮比上升時(shí)，CA50提前對燃燒的積極效果不斷放大，倘若噴水比例超過40%，隨著壓縮比增大，傳熱損耗穩(wěn)步降低；若噴淋比例設(shè)成40%，因?yàn)閴嚎s比升高，缸內(nèi)熱損失逐漸累積，噴淋對燃燒相位影響有限。未燃損失方面，各壓縮比對應(yīng)的數(shù)值差別不大，功率差在0.2kw以內(nèi)，隨著壓縮比上升，CA50對燃燒特性的改善愈發(fā)顯著，和無PWI作用的對照組相比，壓縮比和噴淋能量呈此消彼長關(guān)系，若噴水占比不到58%，因噴淋水流量小，對燃燒溫度抑制有限，水霧蒸發(fā)加劇，噴水吸熱后會(huì)加大排氣能量損失。隨著壓縮比升高、噴水比例上升，燃燒溫度降低，排氣能量損失隨壓縮比上升單調(diào)遞增，隨著壓縮比上升，噴淋水量增加導(dǎo)致排氣能量耗散上升，排氣損失能量隨壓縮比增大漸進(jìn)式增長，若噴水比例提升到64%以上，隨著壓縮比升高，燃燒溫度下降幅度逐漸增大，排氣能損的增量效應(yīng)不斷累積，由于水噴射量增大，排氣系統(tǒng)總能量損失超出基準(zhǔn)值，結(jié)果逐步累積。a）傳熱損失隨ＲC的變化規(guī)律b）未燃損失隨ＲC的變化規(guī)律c)排氣能量損失隨ＲC的變化規(guī)律圖4.12能量損失跟RC值之間的變化關(guān)聯(lián)通過圖4.13和4.14對比分析，跟未引入PWI的方案相比，壓縮比越大，wPWI對熱效率的優(yōu)化成效越顯著，要是壓縮比RC=15.8，利用噴水技術(shù)實(shí)現(xiàn)的熱效率為最優(yōu)，熱效率相較于未用噴水技術(shù)時(shí)提高了2.93%，比油耗降低14.97克/；壓縮比RC=14.8時(shí)，熱效率提升2.42％，比油耗減少11.81g/(kW·h)；當(dāng)壓縮比RC=13.9，熱效率可提高1.73％，燃油消耗減少8.55g/(kW·h)，高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)現(xiàn)得靠噴水技術(shù)的引入。圖4.13凈指示熱效率跟RC參數(shù)變化的相關(guān)性圖4.14凈指示油耗率跟RC的關(guān)聯(lián)關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢和《進(jìn)氣歧管噴水技術(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響》所講“借助調(diào)節(jié)缸內(nèi)溫度分布來優(yōu)化燃油霧化及化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程”的作用機(jī)制相符，說明該技術(shù)擁有優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際燃燒性能的綜合能力。4.3結(jié)論(1)當(dāng)噴淋比重增大時(shí)，著火延遲期和持續(xù)燃燒時(shí)間都明顯延長，同時(shí)噴淋比例與CA50提前量呈同步變化關(guān)聯(lián)。(2)隨著噴淋比例的增加，熱量傳遞的損耗逐漸降低，排氣能量損失程度在前期有所減弱，后期則加劇，熱效率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，二者呈現(xiàn)相反的變化特性，測得GITE的最佳結(jié)果為43.1%，比對照組提高了2.5%；GISFC的最優(yōu)指標(biāo)達(dá)到197.9g/(kW·h)，與w/oPWI相比降低了11.8g/(kW·h)。(3)對照負(fù)荷小的情形，高負(fù)荷條件中施行噴水技術(shù)，提升熱效率與降低油耗的效果會(huì)更明顯，若PIMEP(h)=10.5bar時(shí)，和未引入噴水技術(shù)w/oPWI相比，采用該技術(shù)后最佳熱效率點(diǎn)的熱效率提高了4.39%，每千瓦時(shí)比油耗降低了23.89克。(4)評估PWI促進(jìn)熱效率的作用時(shí)，以w/oPWI為參照標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)壓縮比RC=15.8，相較于沒有使用噴水技術(shù)w/oPWI的對照組，采用噴水技術(shù)后，熱效點(diǎn)優(yōu)化讓熱效率增加了2.93%，實(shí)現(xiàn)了14.97g/(kW·h)的油耗下降，噴水技術(shù)的實(shí)施，為發(fā)動(dòng)機(jī)采用高壓縮比創(chuàng)造了有利契機(jī)。4.4小結(jié)通過實(shí)測數(shù)據(jù)，本章闡釋了wPWI技術(shù)對燃燒性能的復(fù)合作用聯(lián)系，水占比64%是噴水比例的關(guān)鍵臨界值，測得凈指示熱效率為43.1%，燃油消耗減少了11.8g/(kW·h)，在大負(fù)荷和高壓縮比狀態(tài)下，噴水技術(shù)提升熱效率的效果更明顯，能有效阻止爆震發(fā)展，達(dá)成了性能邊界的突破，未燃損失與排氣能量損失的匹配關(guān)系需要優(yōu)化，為技術(shù)突破提供了方向性的提示。第五章結(jié)論與展望5.1研究結(jié)論5.1.1對噴水技術(shù)影響燃燒效能的核心要點(diǎn)進(jìn)行分析運(yùn)用進(jìn)氣歧管噴水工藝會(huì)大幅改變汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性，采用噴水手段能顯著改善發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震狀況，隨著傳熱損失不斷積累，噴水比例與CA50提前量一同增加，燃料的著火延遲期和燃燒持續(xù)時(shí)間也同步增長，采用噴水技術(shù)時(shí)，燃燒損失沒有降低，但能有效抑制排氣過程中的能量損耗。測試曲線顯示，隨著噴水強(qiáng)度增大，燃油消耗率先上升后下降，油耗率和熱效率呈反向波動(dòng)關(guān)系，在最優(yōu)噴水條件當(dāng)中，凈指示熱效率（GITE）的峰值達(dá)到43.1%，比不采用噴水技術(shù)的時(shí)候提升了2.5%，GISFC參數(shù)測定出來是197.9g/(kW·h），和不噴水的工況相比較，減少了11.8g/(kW·h），高負(fù)荷條件下采用噴淋技術(shù)，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)高壓縮比特征，可極大提高熱效率，同時(shí)降低燃油的消耗。5.1.2技術(shù)適用場景與經(jīng)濟(jì)性評估專為高壓縮比、高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)定制的進(jìn)氣歧管噴水技術(shù)，能夠抑制爆震，使發(fā)動(dòng)機(jī)熱效能穩(wěn)步提高，保證其在壓縮比升高后穩(wěn)定運(yùn)行，采用該技術(shù)可增強(qiáng)熱效率、減少燃油消耗，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，適用于汽車及工業(yè)環(huán)境中性能和能效并重的場合，但實(shí)施這一技術(shù)存在挑戰(zhàn)，要兼顧未完全燃燒損失上升和熱傳導(dǎo)損失下降的情況。5.2技術(shù)挑戰(zhàn)與改進(jìn)方向5.2.1系統(tǒng)抵抗衰減的特性、低溫啟動(dòng)挑戰(zhàn)及對水質(zhì)的要求當(dāng)下進(jìn)氣歧管噴水方案有技術(shù)落實(shí)的阻礙，設(shè)備的長期穩(wěn)定性是重要課題，系統(tǒng)噴水的相關(guān)部件（比如噴嘴、管路等）要設(shè)計(jì)成抗腐蝕且經(jīng)久耐用的樣式，讓系統(tǒng)能長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行；再者是在寒冷狀況下的啟動(dòng)問題，低溫噴水會(huì)讓發(fā)動(dòng)機(jī)初始運(yùn)轉(zhuǎn)的效能減弱，要做好預(yù)熱方面的工作；而且對水的干凈程度要求不低，得用無雜質(zhì)水或者去離子水，避免因?yàn)樗负碗s質(zhì)引發(fā)系統(tǒng)的故障。5.2.2智能控制策略與混合燃料協(xié)同優(yōu)化為使噴水技術(shù)性能更佳，需采用智能調(diào)控辦法，根據(jù)工況實(shí)時(shí)找到最佳噴水比例和噴射時(shí)機(jī)，噴水裝置和混合燃料協(xié)同改良是研究的熱點(diǎn)內(nèi)容，調(diào)整燃料組成和噴水占比，可有效改善燃燒狀態(tài)和尾氣排放，建議開展噴水系統(tǒng)與替代燃料（乙醇/氫氣）集成的研究，實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效和減排的雙重效益。5.3未來應(yīng)用前景5.3.1在混合動(dòng)力、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域的擴(kuò)展?jié)摿υ诨旌蟿?dòng)力與航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面，噴水技術(shù)展現(xiàn)出不錯(cuò)的拓展性，在混合動(dòng)力技術(shù)中，噴水技術(shù)可優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，進(jìn)而提升系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換效率，而對于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，噴水既能抑制爆震又能提高熱效率，增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行質(zhì)量和可靠性，此技術(shù)能拓展到船舶、發(fā)電機(jī)組等內(nèi)燃機(jī)使用場合，應(yīng)用潛力可觀。5.3.2結(jié)合碳中和目標(biāo)的可持續(xù)性分析采用歧管噴水途徑對達(dá)成碳中和指標(biāo)很有幫助，實(shí)行噴水技術(shù)能顯著降低碳排量，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的顯著提升，減少燃油消耗和排放狀況，借助噴淋技術(shù)可讓碳排放持續(xù)下降，與生物柴油、地?zé)崮艿惹鍧嵞茉垂餐瑢?shí)施，采用噴水技術(shù)搭配生物燃料和氫燃料等低排放舉措，可使碳排放量減少，對實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供技術(shù)支持，采用噴水技術(shù)可有效增強(qiáng)內(nèi)燃機(jī)性能，同時(shí)大幅降低碳排放水平，為交通領(lǐng)域碳中和的實(shí)現(xiàn)與能源系統(tǒng)的改進(jìn)提供保障。5.4實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)與解決方案5.4.1噴水系統(tǒng)的集成與維護(hù)從實(shí)際應(yīng)用考慮，進(jìn)氣歧管噴水裝置的集成與維護(hù)是關(guān)鍵難題，要讓噴水系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能匹配，保障噴水比例和噴射時(shí)間的控制精準(zhǔn)度，要著重做好噴水系統(tǒng)的維護(hù)工作，像進(jìn)行噴頭除垢、水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測以及管路定期檢查，為解決這些問題，可開展智能診斷與維護(hù)系統(tǒng)的研發(fā)，及時(shí)收集噴水系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)給出維護(hù)方案。5.4.2噴水技術(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的影響噴淋技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的關(guān)聯(lián)不容忽視，水分侵入會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部金屬構(gòu)件被腐蝕，降低其耐用時(shí)間，要處理這個(gè)問題，可采用耐化學(xué)腐蝕的材料制造噴水系統(tǒng)部件，在水霧化系統(tǒng)中加入防腐添加劑，有規(guī)范地對發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零件進(jìn)行巡檢與養(yǎng)護(hù)，盡早更換出現(xiàn)問題的零部件，這是保障發(fā)動(dòng)機(jī)長久運(yùn)行的有效途徑。5.5結(jié)論與展望5.5.1研究總結(jié)與主要發(fā)現(xiàn)研究關(guān)注進(jìn)氣歧管水噴射技術(shù)對汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率的改善情況，借助實(shí)驗(yàn)來分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用水噴射技術(shù)能大幅降低發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的概率，顯著優(yōu)化熱效率并減少油耗；此技術(shù)在高壓縮比和高負(fù)荷條件下能發(fā)揮更大功效，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在高壓縮比狀態(tài)下平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，使熱效率穩(wěn)步上升。5.5.2未來研究方向進(jìn)一步研究應(yīng)著眼于探究噴水技術(shù)和替代燃料的協(xié)同應(yīng)用模式，優(yōu)化燃燒質(zhì)量和排放參數(shù)，達(dá)成智能化的調(diào)控技術(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)控噴淋量的比值，采用進(jìn)氣歧管噴水技術(shù)可大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和燃油效率，為內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的演進(jìn)注入新的活力。參考文獻(xiàn)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.趙華,何邦全.(2008).乘用車高效低污染動(dòng)力總成技術(shù)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)200826(S1):68-76.安宗權(quán),黃昭明,潘金元,等.(2018).高壓縮比米勒循環(huán)對GDI增壓汽油機(jī)性能和排放影響[J].汽車技術(shù)2018(5):25-29.WANGZ,LIUH,REITZRD.(2017).Knockingcombustioninspark-ignitionengines[J].ProgressinEnergyandCombustionScience,201761:78-112.葉彩霞,黃昭明,王利,等.(2023).燃燒室拋光技術(shù)對汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響的研究[J/OL].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2023:1-6[2023-04-28]./10.13433/ki.1003-8728.20230005.尹愛勇,黃昭明,王利,等.(2021).Miller循環(huán)汽油機(jī)稀薄燃燒及排放特性分析[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，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,andCO?foraturbochargeddiengine[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,馮洪慶,劉海峰.(2023).超級爆震中火焰?zhèn)鞑マD(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)2023.41(1):42-51.CHANGY,SZYBISTJP,PIHLJA,etal.(2018).Catalyticexhaustgasrecirculation-loopreformingforhighefficiencyinastoichiometricspark-ignitedenginethroughthermochemicalrecuperationanddilutionlimitextension,Part1:catalystperformance[J].Energy&Fuels,2018,32(2):2245-2256.黃昭明,沈凱,安宗權(quán),等.(2019).不同壓縮比米勒循環(huán)和低壓廢氣再循環(huán)對增壓直噴汽油機(jī)性能影響[J].內(nèi)燃機(jī)工程2019,40(4):13-18.蔡文遠(yuǎn),徐煥祥,馬帥營,等.(2020).采用高能點(diǎn)火的均質(zhì)稀薄燃燒汽油機(jī)試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)2020,38(4):298-303.程章,黃昭明,呂冬梅,等.(2023).絕熱涂層涂覆活塞耦合預(yù)燃室射流點(diǎn)火技術(shù)的試驗(yàn)研究[J/OL].機(jī)械科學(xué)與技