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2017上海车展

如何从太极拳之诡,看待“喷水发动机”这件事?

2018-02-19 09:53:40
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来源:童济仁的汽车评论 作者:吴邪
标签:笃定 中国作家网 镐京北

这要从当年骗惨全中国的“水变油”事件说起。从1984年开始,到1996年为止,王洪成仅靠“水变油”的荒谬把戏,横行了十余年之久,期间不乏学者、政界和媒体为之背书,裹挟其中。科学的荒漠是可怖的,“伪科学”成了摇钱树,这是一个时代的悲哀。

既然“水不可以变成油”,那么今天要聊的“喷水发动机”又是怎么一回事?且听我慢慢道来。

蒙蔽全国的“水变油”事件 

2018-02-19,《经济日报》曾刊登一篇4000余字的文章,称赞王洪成的“水变油”技术,甚至有意将其归为中国“第五大发明”。在此之前,《人民日报》甚至明确登出数据,表示“水变油”技术的节油率达到了44.84%。“水变油”后来席卷全国,与媒体的推波助澜不无关系。

其实,站在今天的立场上,“水变油”明显就是无稽之谈,也是赤裸裸的伪科学。难道就因为水是由氢氧素构成的,就可以做燃料吗?有一点化学常识的,应该都不会轻易相信这个骗局。王洪成所声称的“膨化燃料”,其实也就是大跃进时代燃油掺水的变种,本是用来“放卫星”的自我迷幻,其中加入的肥皂乳化剂,对缸体腐蚀尤为严重。

之所以提到“水变油”这件事,原本是想作为“喷水发动机”的一个过渡。巧合的是,网络上最近爆出了“太极与格斗术擂台PK”的热点新闻,传统武术被质疑为“骗术”的舆论甚嚣尘上。姑且不加入“武术真伪”的辩论赛,其实只想提一点,某些“武术伪宗师”的招摇撞骗,又何尝不是“水变油”骗局的翻版,再联想到曾经的“气功热”,没有科学的荒漠着实是可怖的。

为了减排,船用发动机选择“喷水” 

首先需要明确一个前提,“水的确不能变成油”,向发动机缸内喷水,绝不是把水当做燃料来使用的。如果“故纸堆”,在历史上也曾出现过发动机喷水的“实际案例”。

诸如,二战时期,各国空军通过缸内喷水的手段压榨出发动机更多的动力输出;到了上世纪60年代,美国通用就曾在名为Oldsmobile品牌的V8发动机中采用这一技术,但喷入的其实是水与酒精的混合物;即使在今天的改装圈,“进气道喷水”也是一招常见的改装大法,改装派的发烧友并不陌生。

船用发动机,也常常采用“缸内喷水”的办法以实现氮氧化物减排的效果。以瓦锡兰NSD公司开发的船用柴油机为例,通过特殊的结构设计,可以向发动机的燃烧室内直接喷水。柴油机的一大污染物就是“氮氧化物”,而氮氧化物生成的必要条件之一是高温,向缸内喷水,可以利用蒸发吸热的原理达到降温的效果,从而抑制氮氧化物的生成,降低比例为50%至60%。

宝马M4的水喷射系统  

真正令很多人认可“水喷射系统”的,还是要追溯于宝马曾在2015年2月份推出的改装版M4。这款M4主要应用于MotoGP赛事的安全车。发动机的特别之处在于加装了一套水喷射系统,但值得注意的是,水雾喷嘴仍然布置在进气歧管的位置。当涡轮吸入了高压空气之后,进气气流途经进气歧管,水雾顺势喷出并高温气化,由此带走部分热量,以帮助进气气流降温。

进气气流降温有啥好处呢?简单理解,“热胀冷缩”,类似于中冷器,在降温之后,空气的密度增大,可吸入的空气体积也就更多,燃烧也就更充分。具体来讲,主要有以下两个方面的优势。

其一,消除爆震。爆震其实就是“不可控的燃烧”,在高温高压的情况下,油气混合物意外自燃,对经济性和动力性造成负面影响。喷水的核心要义仍然是“降温”,温度降低之后,在一定程度上抑制了爆震。一方面,我们可以将点火时间适当提前,以提高动力输出;另一方面,我们也可以优先使用辛烷值标号更低的汽油。

其二,提高压缩比。压缩比的直接制约条件就是爆震影响,所以说,当爆震被抑制之后,压缩比也可以适当“再提高”。而高压缩比,意味着更高的动力输出,也意味着油气混合物的燃烧将会更加充分。即使落脚到减排层面上,类似于上文提到的“船用发动机”,氮氧化物的排放也会得到一定程度的改观。

红圈标示为水雾喷射

实验室中的兰金循环 

这个时候,有人就会发出疑问,既然“喷水”这么好,这样的发动机为什么不尽快量产,并投向市场呢?最大的拦路虎是“成本”,也包括一些喷水的弊端:1、加入喷水设备,首先需要再设计一个水箱,而且,所喷入的水也绝不是从自来水管上接来的,需要纯净水。也有方案提出与空调冷凝水形成一个循环,可以去尝试;2、水与氮氧化物仍不可避免地会生成酸,对缸体有腐蚀之嫌。

然而,这并不是说,“喷水发动机”的研发就没有实际意义了。从科研的层面来看,围绕“喷水”技术,仍有很多前沿性的研发成果。以基于兰金循环的二氧化碳回收动力系统为例,参考于如下这张图:

基于兰金循环的二氧化碳回收动力系统

E表示取消了扫气过程的二冲程往复式发动机,功热转换原理依据于兰金循环。在这套系统中,助燃剂不是空气,而是纯氧(最初为液态),在进入E之前,势必要气化吸热,同时可以将最后排放出的二氧化碳“凝华”为干冰。而干冰本身就是可以“卖钱”的,比如注入碳酸饮料,用于人造雨或者舞台表演等。

FH是给水加热器,也就是说,在E中反应之后的“热产物”(二氧化碳和水),将会流过FH并加热其中的水。重点提到的“喷水”功能,就是由FH通过途径3向E中喷射实现的,这样做的优势还是在于降温,因为纯氧与燃料的反应速度很快,需要降温来把反应速度“压下来”、“控制住”。

FP作为给水泵,可以把“热产物”中分离出的水,反向供给到FH中,实现一个有效的循环。这套系统暂时还是处于实验室层面的研究设想,如果走向量产,仍是一条很长的路。但是,起码可以证明,发动机技术并没有“陨落”,其实还有很多方面可以深入研究。

兰金循环P-V图(二冲程)?

反思:

写这篇文章有一个初衷:节能与减排已是大势所趋,在这样的背景下,以电动化为主的新能源成为所关注的热点。但随之而来的,也有对于“电动化是否真正环保”的尖锐质疑,毕竟,如果解决不了“电怎么来的”这一源头问题,“电动即环保”很难服众。

我一直坚信,汽车的未来没有“一家独大”,针对动力系统,也应该多管齐下,电动车可以搞,氢燃料电池也不能落后,但发动机技术亦不可就此“荒废”。有人说,电动化是一种弯道超车,足以帮助中国跳过发动机技术的百年壁垒,然而,这样真的好吗?国内发动机技术的研发就要“浅尝辄止”了吗?

预计2025年,发动机的效率将会达到50%,那个时候,中国准备好了吗?在技术的突围战中,一个都不能少。

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