寶馬三缸發動機水霧直噴系統

你沒有看錯標題，確實不是汽油直噴系統，而是水霧直噴系統Direct Water Injection（官方譯名為直接水噴射系統）。在7月初的2015年度寶馬集團創新日上寶馬發布了配備水霧直噴冷卻系統的新一代三缸汽油發動機原型。這套新的三缸發動機將最先在寶馬1系車型中得到應用。今天我們就來仔細看一下這套水霧直噴冷卻系統是如何讓水火相容並且發揮出更強性能的。

如下圖一所示三根亮藍色的管道即為水霧直噴冷卻系統的輸水管。這款新一代的三缸發動機是以現款寶馬2系AT配備的代號B38 1.5T三缸發動機為原型。三根輸水管分別將冷卻水送入黑色的進氣歧管中。輸水管的上方長方體金屬容器就是中冷器。進氣空氣先通過中冷器冷卻，再有電控單元控制由水霧直噴冷卻系統降低進氣溫度。

從下圖二的角度即可看到輸水管延伸到了進氣歧管中。但這裡細心的讀者可能會發現輸水管的出口是開發形式的。實際上水霧噴射出去的時機、噴水量都要進行精確的控制。這就需要使用精確的電控噴射器。可能是為了演示方便或者隱去技術細節的原因，此次創新日演示的原型機並沒有配備這種電控噴射器。那麼讓我們來借鑒一下稍早德國博世BOSCH發布的水噴射系統的內容。來看一下配合電控噴射器後的冷卻系統是什麼樣的。

在幾個月前的第36屆維也納汽車研討會上，博世BOSCH發布的新一代汽油直噴發動機管理系統。這套系統的名稱為水噴射系統Water Injection System (WIS)。被用來與傳統基於火花點火SparkIgnition的汽油直噴系統進行配合。如下圖所示，進氣道中增加了一款水噴射器。該噴射器先將水霧化並噴射到進氣道與空氣進行預混合。然後混合空氣隨著進氣衝程進入氣缸。而噴油器直接將汽油噴射到氣缸當中。因此在點燃汽油的時刻，汽油其實是在和空氣和水霧的混合氣體進行反應並做功。

按照寶馬的匯總，該水霧直噴冷卻系統在發動機滿負荷的時候可以顯著提高效率。其對燃燒過程的積極影響包括：

1. 效率提升：避免燃油的加濃噴射和降低排氣溫度。最多能夠將日常行駛中的油耗降低8%

2. 降低排放：較低的排氣溫度減少了有害物質的產生

3. 減少爆震：由不受控燃燒（即所謂爆震）產生的危險因溫度下降而減少

4. 更高的壓縮比：由於爆震減少，原型車中三缸發動機的壓縮比從9.5：1提高到了11.0:1；因此也優化了部分負荷區的效率。

5. 動力：更早的點火時間和更高的增壓壓力將發動機功率和扭矩提高了10%；冷卻進氣空氣中更高的氧氣比例實現了額外的功率提高。

6. 燃油兼容性：使用低辛烷值的標號95號燃油也能實現最佳的功率輸出；因此帶有水霧直噴系統的渦輪增壓發動機適合在世界各地使用。（確實95號汽油在中國已經算比較好的汽油了，要找到加98號汽油的加油站還真難）

7. 熱負荷：該系統的冷卻效果減少了溫度對活塞、閥門、催化器和渦輪增壓器的影響。

此處要特別提一句，在傳統發動機系統里高負荷和高轉速工況排氣溫度會非常高。長時間工作可能損壞排氣系統。因此不得已必須進行燃油加濃噴射。用燃燒不掉的汽油對排氣系統進行冷卻。換句話說高負荷和高轉速時有些汽油就白白地被噴出去而根本沒有做功。這也是為了保護汽車的一種無奈之舉。而有了這套水霧直噴系統，這個降溫的任務就交給水來完成了。

大家是不是覺得有點奇怪，水霧直噴系統以直噴為名但是展示的原型機確實將水霧噴射到進氣歧管的，有點不符合直噴的定義啊。其實寶馬官方發布的新聞稿中提到，該水霧直噴系統主要將冷卻水直接噴射進入了發動機氣缸燃燒室，只有少部分是噴入進氣歧管跟隨空氣一起進入燃燒室的。由於某些原因寶馬並沒有展示這部分的細節。但在某些技術論壇的講演時，寶馬曾表示該水霧直噴冷卻系統將冷卻水通過特殊的裝置與汽油混合然後通過主燃油噴射器直接噴進了燃燒室。因此理論上還是符合直噴的定義的，只不過細節上可能由於某些技術還未定型因此並未詳細披露。

其實這並不是類似的水噴射冷卻系統的第一次使用。早在上世紀六七十年代，在中冷器出現之前，車輛普遍使用噴水的方式對進氣空氣進行冷卻。但隨著技術進一步發展，中冷器的誕生最終代替了噴水冷卻系統。對了賽車等高性能汽車日益增長的性能需求，中冷器的冷卻能力已經不再能夠完全滿足要求，半個多世紀以後噴水冷卻系統又被在此啟用。2015年的MotoGP賽事中，寶馬提供的M4安全車就採用了該水霧直噴冷卻系統。由於賽車比賽中基本都是全油門的滿負荷工況，因此這種冷卻系統可以有效地提高發動機的效率。不過也因此，寶馬的這款M4安全車配備了一個5升的水箱來存儲冷卻用的純凈水。每次添加燃油的時候都會一同對水箱進行蓄水。為了能將這項技術應用到新一代寶馬1系以及其他的量產車型中，新的水霧直噴冷卻系統中為冷卻用純凈水設計了一套車載水回收系統。除了某些極端氣候條件下，在日常行駛中可以無需蓄水。其主要的原理就是利用將蒸發而進入空調設備的水收集起來，然後輸送給發動機的冷卻噴射系統。每次發動機停機以後，水從管道系統回到水箱中，從而避免系統組件在溫度低於零度時結冰以及發動機鏽蝕。水箱本身的安裝位置同樣考慮了防凍的需求。

在當今發動機越來越小型化得大背景下，更小排量的發動機被用於更大級別的車輛中。比如目前的Mini Cooper、寶馬i8和寶馬2系AT都開始使用1.5T三缸發動機。雖然發動機小型化降低了油耗，但也帶來了發動機長期工作在高負荷區等問題。相信此次介紹的水霧直噴系統可以幫助小型發動機在高負荷區有更高的效率和可靠性。這也使得這類發動機可以用在更多的車型中，比如本文提到的新一代1系。甚至有消息稱下一代的3系和5系都有可能會出現配備1.5T三缸發動機的車型。

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