BMW M4 GTS如何在其注水系统中实现低耗水量？

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博世最近宣布计划向其他批量生产的车辆提供M4 GTS的注水系统时引起了轰动。

现在注水已经不是一个新概念了。大约十年前，布鲁斯·克罗（Bruce Crower）将六冲程发动机引人注目，但文章很快指出，这将需要大量的清洁水：

初步估计表明，Crower循环发动机将消耗与燃料一样多的加仑水。

引起这个问题的原因是博世声称水箱需要每1800英里（约2900公里）补充一次。

这是少了一个数量级的水消耗。怎么来的？

从链接文章中的视频来看，他们似乎没有对水进行任何回收/过滤。

当然，可能需要的水量介于青少年之间，但我不知道它如何解释这种博世设计与Crower六冲程设计之间的数量级差异。

engine-theory

— 扎伊德
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好问题！+1

— DucatiKiller

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我相信这里的区别在于，在6冲程发动机中，水是用来提取动力的，因此必须有足够的空间才能真正充分膨胀，以对燃烧室（蒸发室）加压，在该燃烧室中，需要使用四冲程注水。蒸发冷却以防止爆震，这需要更少的水。

— Lathejockey81'9

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Now water injection isn't a new concept; 事实并非如此：它甚至在二战之前就已用于飞机中以提高性能。

— ppeterka '16

@ Lathejockey81您应该将其变成答案

— Zaid

看起来Paulster在我有机会之前就很好地覆盖了它。

— Lathejockey81 2013年

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啊哈，这是我认为是正确的答案。

尽管MotoGP M4是从行李箱中的手动填充水箱抽水的，但是宝马最新的水冷式样车配备了水回收系统，该系统不断补充来自空调系统的冷凝水。

有趣的是，我和我的兄弟正在讨论注水问题，我们提出了使用交流系统中的水的想法。以为我会研究它，以弄清是否有人想到了它，而... tada！

— 匿名2
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现在，这绝对可以解释我的计算无法证明的额外范围：）很棒的发现！

— Zaid

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两种引擎的运行情况都有两个主要区别。

Crower发动机的设计利用六冲程完成其工作。它使用额外的两个冲程来创建额外的动力冲程（因此，曲轴每转三圈将有两个动力冲程，而不是每两圈奥托循环的一次动力冲程）。这个想法是利用已经存在的热能，否则该热能会从尾管中流出或通过散热器被虹吸掉。为了达到这个目的，一直都在用水。

宝马将水用于灌溉的典型想法是。那就是它正在使用它来控制气缸中的爆震。除非发动机在压力大的情况下需要，否则将不会使用水。然后，当使用它时，它仅被少量使用……足以确保抑制爆轰。这允许从发动机输出更高的功率，而不必担心会导致发动机熄火。

关于为什么在两种情况下都这么用水的一些背景知识，有以下几个原因：

水变成蒸汽时的膨胀率。在300°C下，水将以约3300：1的速度膨胀。我的理解是，这远远超过了燃烧时空气/燃料的膨胀。另外，如果您用蒸汽加热时，蒸汽会膨胀得更多。
变成蒸汽的水倾向于清洁燃烧室和气缸。干净的引擎是快乐的引擎。
水起着减少爆炸的作用。这更适用于BMW的处事方式，但仍然适用。水实际上可以为燃料添加大约10个点的辛烷值（使用R + M / 2方法）。您现在拥有101辛烷值燃料，而不是91辛烷值燃料……好东西。
感应系统中的水由于吸收能量而产生更浓的进气。水会吸收很多东西。这再次适用于宝马的做事方式。
由于注水降低了燃烧温度，因此大大降低了当温度过高时产生的氮氧化物（NOx）的量。在燃烧过程中通常产生的三种主要污染物中（其他两种是碳氢化合物[HC]和一氧化碳[CO]），NOx的形成可能对像您或我这样的呼吸者最有害。

可能还有更多的原因，但是其中一些是好的原因。

— Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2
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在此特定设置中可能还有另一个好处：看起来，注水还可以帮助保持进气门清洁...只要有足够的热量来保持油沉积物运动。

— Lathejockey81 2013年

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从http://www.m-power.com/_open/s/varlink2.jsp?id=3301&lang=en：

水箱位于BMW M4 MotoGP安全车的后备箱中，总容积约为5升，里面装有水泵，传感器和阀门。泵，传感器和执行元件的完整系统由发动机电子设备控制，并已相应升级。实际上，泵以十巴的压力将水供给喷射器，从而根据负载，发动机转速和温度提供适当的体积。这样可以确保将耗水量保持在绝对最低水平。为了在赛道上采取严格的措施，每当汽车必须加油时，总是必须加水。在标准操作期间，根据驾驶方式的不同，注水之间的间隔会更长。即使在高速公路上行驶得更快，只需要大约每五站就对水容器加注一次即可进行加油。为确保系统尽可能适合日常使用，不需要任何额外的维护。

换句话说，对于您的汽车正常使用而言，防止发动机爆震所需的水量非常少，以至于5升的油箱足以行驶大量里程。

顺便问一句，顺便说一句。

— 匿名2
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我的沉思

两种方法之间的明显差异不言而喻。它们确实相差几个数量级：

注水平均需要9 cc / min
更少的六冲程平均需要572 cc / min

计算，假设如下所列。

博世的设置

本文声称注水系统可提供额外的80°F（44°C）冷却：

根据系统的设计和尺寸以及车辆的空气动力学，只能使用中冷器在进气室进入进气室之前将进气温度降低多达160°F。这意味着仅通过增加增压压力来增加发动机功率是不可行的，因为这将意味着超过爆震阈值。

这就是BMW M部门解决方案的用武之地：如果将细雾状的水喷入进气室，则可以将进气温度再降低80°F。

大。让我们计算一些数字：

假设M4引擎在正常运行期间的平均转速为1500 RPM。

在此速度下，发动机吸入的风量比率为：

= 2979 cc * 1500 RPM / 2    # divide by 2 because four-stroke
= 2,234,250 cc / min
= 37 liters / second
= 0.037 m3/s

双涡轮增压器在峰值助力时可产生18.1 psi的压力，因此，我们平均可以估计出4-5 psi的助力。
```
Absolute pressure at intake valve = 14.7 + 4 = 18.7 psi
```
假设进气温度合适
```
Air density at 18.7 psi, 50 °C = 1.39 kg/m3
```
（对我们来说幸运的是，这是直接喷射装置，因此WolframAlpha的空气热力学特性很有用）
将两个和两个放在一起，平均质量空气流速（@ 100％容积效率）为：
```
Mass air flow rate = 1.39 kg/m3 * 0.037 m3/s
                   = 0.0514 kg/s
```
（这确实引出了一个问题：这里假设的合理容积效率是多少？稍后会对此进行更多介绍）
在这些条件下，它会使空气改变温度的能量是多少？

显然是719.5 J /（kg-K）。
将水转换成蒸汽需要多少能量？

水汽化潜热= 2,230,000 J / kg

那是史诗般的能量。它使水的比热（4200 J /（kg-°C））相形见war。
那么，所需的平均水流量是多少？

@ 100％VE，将空气温度改变44˚C所需的每秒能量为：
```
= m • Cv • ( T1 - T2 )
= 0.0514 • 719.5 • 44
= 1630 J
```
那不会转化为大量的水：

需要每秒的水流量：
```
= Energy ÷ ( latent heat of vaporization )
= 1630 J / 2,230,000 J/kg
= 0.00073 kg
= 0.73 g
```
换句话说，在100％VE下约为44 cc / min。

如果现实世界中的VE为20％（预计在节气门行驶时），该数字将骤降至9 cc / min。
根据匿名者的回答，水箱为5000 cc

因此，以9 cc / min的速度运行时，水箱应持续约9.25小时。

如果1500 RPM的平均车速约为45 mph，则油箱应持续约40个小时。

4倍差异可能归结为许多假设之一。至少计算出的值在正确的范围内。

克罗尔六冲程

（这很简单）

进行合理的二次动力冲程所需的最少水量...

将是其中蒸汽占据汽缸位移的一种：
```
Steam required = displacement * RPM / 3  # once per three crank revs
               = 2979 cc * 1500 RPM / 3
               = 1,489,500 cc / min
```
大约是1500升/分钟，即0.25立方米/秒
那需要多少水？

取决于汽缸盖温度，但假设0.8 bar和350°F，膨胀比约为2600：1。

因此需要的总水流量为：
```
= 1,489,500 cc / min ÷ 2600
= 572 cc / min
```

— 扎伊德
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