Tenemos inyección de combustible, ¿por qué no inyección de aire?

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Estoy terminando de estudiar los sistemas EFI, lo que me hizo pensar en la inducción de manera más general.

Inyectamos combustible de un riel común de alta presión por muchas buenas razones. Somos capaces de hacer quemaduras estratificadas dentro de un cilindro, siempre que tengamos el control total de la mariposa del acelerador. A veces utilizamos la recirculación de gases de escape para retrasar la combustión y bajar la temperatura del cilindro.

Dados estos escenarios, ¿por qué no agregamos un riel común de aire atmosférico de alta presión y usamos inyectores para introducir aire y escape cuando sea necesario, de manera similar al combustible?

¿Seguramente esto me daría un motor que puede responder más rápido porque no hay retraso en el flujo de aire de entrada, tiene menos piezas mecánicas y potencialmente reduce las emisiones al permitirme controlar el contenido de oxígeno en el catalizador más fácilmente?

Daniel
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La patente US 5381760 A había sido presentada.
spicetraders
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Hacemos. Se llama turbo o sobrealimentador .
Chloe
1
Usar un "riel común" para hacer todo esto no sería práctico debido al volumen de aire que se inyectará en un momento dado.
Moab
1
@Chloe: Ninguna de las respuestas señala esto. ¿Serías capaz de escribir uno?
Lightness compite con Monica el
Otro pensamiento: ¿considera la "inyección" solo una toma de alta presión (no succión) o realmente con algún tipo de inyector controlado como los inyectores de combustible?
Benj

Respuestas:

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Razón simple: volumen. @ 14.7: 1 stoich, su entrada en el cilindro debería ser 14.7 veces más grande (o empujar mucho más) a través de una boquilla que el fluido que es combustible.

Usted afirma que tendría menos partes mecánicas, pero ¿es eso cierto? Tendría que proporcionar un método mecánico para crear el aire a alta presión, así como introducirlo en el sistema. Tendría que tener algún tipo de tanque que contenga el aire a alta presión. Entonces esa "alta presión" necesitaría estar en el rango de 3000-5000 psi en un supuesto para asegurar un flujo adecuado. Piense en un compresor de aire que pueda satisfacer la demanda de la que está hablando.

Digamos que agregamos algunas matemáticas en la mezcla (y supongamos que no solo estoy siendo completamente estúpido ... aunque el jurado no está en eso):

Un motor de 2L tiene un volumen barrido de 2L. Si este motor teórico funcionara, aspirara naturalmente y alcanzara una eficiencia volumétrica (VE) del 80%, estaría absorbiendo .8L de aire cada revolución del cigüeñal. Las matemáticas:

  • 2.0LX .8 = 1.6L - Volumen de admisión para los cuatro cilindros @ 80% VE
  • 1.8L x .5 = .8L - Volumen de admisión para cada revolución en un motor de 4 tiempos
  • 600 rpm x .8L = 480L - Cantidad de aire en ralentí necesaria para mantener la velocidad en ralentí
  • 6000 rpm x .8L = 4800L - Cantidad de aire en la línea roja para mantener la velocidad más rápida del motor

Su sistema necesitaría mover 4800L de aire por minuto para mantener esa velocidad del motor. Eso es aproximadamente 170CFM. Si puedes transportar algo como esto:

ingrese la descripción de la imagen aquí

en la parte trasera de su automóvil, podría ser factible. El 170CFM es una figura para el extremo pequeño y de menor potencia de la ecuación. ¿Qué pasa con los autos de alto rendimiento donde tiene un volumen barrido tres veces mayor (motor Chevrolet LT1 de 6.3L) con un VE mayor (~ 85%, supongo)? Esos números son enormemente mayores. Estaría triplicando la cantidad de aire necesario, lo que significa triplicar la cantidad que remolcaría detrás del vehículo.

Sí, podría hacerse, pero ¿a qué costo? La forma en que se introduce el aire en el motor ahora es mucho más eficiente e introduce mucho más aire del que podría continuar bombeando aire de manera confiable en un motor de la manera que sugiere.

Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2
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1
Por supuesto, si tuviera una forma diferente de suministrar aire , construiría algunos motores realmente geniales , pero seguirían siendo poco prácticos para la mayoría de las aplicaciones que usan un motor de combustión regular.
brichins
1
170 CFM no es tanto el flujo de aire que implicas con ese remolcable, sea lo que sea. Un ventilador de caja de computadora ligeramente sobredimensionado puede moverse más que eso. Dependiendo de los requisitos de presión estática, un ventilador como ese podría no ser adecuado; pero un poco de búsqueda rápida en Google sugiere unos pocos cientos de CFM para el flujo de aire de un turbocompresor; que es un poco más grande que un ventilador de 120x38 mm pero no tanto.
Dan Neely
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@DanNeely - Estás mezclando manzanas y naranjas. De ninguna manera un ventilador de la caja del ventilador haría una lamida de la diferencia en este caso. Tienes presión y flujo para considerar. Especialmente si está tratando de bombear aire a través de un sistema que lo inyectará directamente en un cilindro. Con cualquier contrapresión, el ventilador de la caja dejaría de fluir por completo.
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2
1
@AL: las matemáticas son generales. Inserte el tamaño del motor, la eficiencia volumétrica del motor y las velocidades máximas del motor para corresponder al motor que tenga en mente. Sin embargo, este ejemplo es para un motor de 4 tiempos. Un motor de 2 tiempos se calculará de manera diferente.
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2
1
@ Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2 Reemplacé "imposible" con "prácticamente muy difícil" en mi último comentario.
AL
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Casi no ha descrito del todo el funcionamiento de un Turbocompresor o Supercharger. La idea de que el aire bajo presión se inyecte desde un riel de combustible común probablemente no funcionaría, ya que sería difícil garantizar una atomización decente.

Steve Matthews
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¿Cómo utiliza TC y / o SC inyectores para introducir aire en el sistema? Tengo entendido que el OP quiere eliminar el flujo de válvulas y solo tener dos inyectores: uno para combustible y otro para aire. Un turbo ni siquiera se acerca a hacer lo que se quiere.
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2
1
Podría ser. Simplemente tomamos diferentes rutas, supongo. Debería dejar que el OP aclare.
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2
1
@ Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2, IMO, usted (¿y quizás OP?) Está viendo una diferencia donde no la hay. Si tomé el sistema de inyección de combustible de un automóvil, reemplacé los componentes que contenían fluidos con los destinados a gases (bomba -> compresor, tanque -> admisión, diseños de válvulas de cambio, etc.), luego expandí las tuberías para acomodar el flujo de aire requerido, Creo que terminaría con un sistema turbo ordinario. No veo una razón en su respuesta por la que necesitaría 2k + psi, cuando 5-10psi llena el cilindro perfectamente en un motor normal.
mbrig
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@mbrig: nunca se toma a menos que sea una afrenta personal. Solo estás tratando de explicar, ¡tan bueno en ti! Siempre aprecio las diferentes opiniones y pensamientos al respecto ... ¡Definitivamente no creo tener nada que ver con estas cosas! Su opinión es tan valiosa, si no más, que la mía. Gracias por el aporte.
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2
2
¿No es el riel común en este escenario solo el múltiple de entrada?
Observación Lima
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En muchos sentidos, estás describiendo un motor de 5 tiempos

Los motores de 5 tiempos están utilizando un pistón para proporcionar un medio secundario de compresión para el AFR. Aunque, al no inyectar aire, están comprimiendo el aire por medios mecánicos. Lo que describe con la inyección de aire requiere grandes volúmenes de aire.

Piense en un motor de 5.0 litros que requiere 5 litros de aire cada 720 grados de revolución. A 4.000 RPM, necesitaría "inyectar" 10.000 litros de aire por minuto.

Inyección de aire por emisiones

La idea de inyectar aire no es única. Muchos fabricantes han estado inyectando aire en el escape para ayudar con la oxidación del combustible no quemado a bajas RPM en los convertidores catalíticos. Estas fueron las primeras versiones, por supuesto, creo que a mediados de los 70.

DucatiKiller
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Creo que eres el único que entiende la pregunta.
Moab
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OP pregunta sobre la inyección de aire en la cámara de combustión antes (o durante) el encendido. "5 tiempos" toma gases post-quemados y post-expansión de la cámara de combustión para expandirlos por segunda vez. La "reutilización del escape" es exactamente lo contrario de la "inyección de aire".
Agent_L
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El gas a alta presión es muy difícil de crear, mucho más difícil que el líquido a alta presión. Esto se debe a que los líquidos no son compresibles, por lo que puede arrojarlos casi tan fuerte como lo desee, mientras que el gas absorberá la mayor parte de su esfuerzo de compresión y convertirá el resto en calor (calentamiento adiabático). Para comprimir el aire a la presión necesaria se requeriría una bomba alternativa ligeramente más grande que el cilindro mismo. Entonces, en lugar de hacerlo mediante una bomba dedicada, comprimimos el aire con un componente que ya tenemos. La compresión en el lugar brinda el beneficio adicional de reciclar el calor adiabático.

Lo que está proponiendo encajaría bien en un motor de 2 tiempos. Ya tiene un riel común de aire de presión moderadamente alta, la admisión de aire en el cilindro puede controlarse mediante la válvula de entrada (si hay una) al igual que los inyectores de riel común se abren para inyectar combustible. Pero la potencia requerida para inyectar aire sería enorme, solo para poner sus necesidades en perspectiva: el Junkers Jumo 205 de 2 ejes teóricamente debería requerir engranajes muy fuertes para transferir la mitad de su potencia del eje inferior al superior donde se tomó la potencia, pero el compresor funcionó fuera del eje inferior y tomó tanta potencia que realmente quedó muy poco. Casi la mitad de la producción bruta fue tomada por un compresor y ese motor alcanzó la presión del múltiple de admisión de ninguna manera cerca de lo que necesita.

Agent_L
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Aquí hay una variación en la que he pensado mucho. Incluso haciendo algunas de las matemáticas preliminares.

Los motores IC no necesitan aire. Necesitan oxigeno . Entonces ... elimine el tren de válvulas por completo y tenga dos juegos de inyectores: uno para hidrocarburos líquidos y otro para oxígeno líquido.

De acuerdo, no estoy considerando el gasto o los problemas de seguridad en esta lluvia de ideas (rara vez lo hago). Tampoco he encontrado realmente un inyector de tipo piezoeléctrico o solenoide, o incluso un tipo diesel HPOP, que funcione a la frecuencia y al ancho de pulso necesario a la temperatura LOx alrededor de -300 grados F, con RPM de manivela en el rango de 7000.

Sin embargo, hay más que la eliminación del tren de válvulas. Imagine que el enfriamiento adiabático de LOx regresa a un gas en la cámara de combustión. Estoy seguro de que con los materiales correctos de manivela, vástago y pistón, podría ejecutar de forma segura una compresión de 15: 1 o 20: 1, y también tener un maravilloso perfil de emisiones. La cabeza se reduciría a nada más que una gruesa placa de inyección duradera ... sin partes móviles. El escape podría manejarse mediante un puerto de "revelado" de dos tiempos o estilo wankel, con un ciclo Atkinson modificado con un recorrido de escape más largo.

Esto está muy lejos de la realidad (como yo), pero creo que ilustra una variación práctica en el concepto del OP. Comprimir el aire para inyectarlo a través de un orificio muy pequeño probablemente costaría más energía que las ganancias obtenidas. Pero un tanque de oxígeno líquido ya tiene el "trabajo" puesto, es razonablemente móvil / portátil y tiene ese enorme efecto de enfriamiento adicional, quizás tan dramático como para reducir o eliminar virtualmente un sistema de enfriamiento de agua / glicol.

Llevaré voluntarios en una década más o menos para los Pilotos de prueba oficiales. La gloria será tuya. porque de ninguna manera voy a montar en él ...

SteveRacer
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1
ULA está trabajando en esto como parte de su concepto de Fluidos Integrados de Vehículos (FIV), para su etapa de cohete ACES: básicamente operan un motor de combustión interna fuera del suministro de propulsores y oxígeno de una etapa de cohete. ( ulalaunch.com/uploads/docs/Published_Papers/Extended_Duration/… )
Hobbes
¡Agradable! probablemente no en mi vida
SteveRacer
El gran inconveniente de usar LOX aquí en la Tierra es que el tanque debe mantenerse frío. Necesita un aislamiento grueso y un sistema de enfriamiento activo para mantener la ebullición al mínimo. Además, los motores de cohete que funcionan con queroseno / LOX, funcionan con una mezcla de ~ 2.2 LOX: 1 queroseno, por lo que por cada 50 litros de combustible necesita 110 l de LOX. Un tanque de GLP de ese tamaño ocuparía la mitad del espacio del maletero, un tanque aislado es aún peor.
Hobbes
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Creo que el concepto sería como tomar un compresor de pistón para bombear aire a un motor de pistón, por lo que la energía para bombear los pistones del compresor de aire contrarrestaría la energía desarrollada por los pistones del motor. Agregar pérdida en el motor al calor parecería ser una ganancia negativa.

Pero es posible que se obtenga una ganancia en este concepto en una forma compacta y autónoma: tomar la mitad de los pistones en un V8 y convertirlos en compresores para bombear el aire a los pistones accionados. en un ciclo de dos ciclos con pistones adyacentes usando el puerto de barrido para la entrada vinculada a la salida del pistón de la bomba.

spicetraders
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Realmente no responde la pregunta del OP, pero es una buena idea :) De alguna manera necesita un cálculo de la pérdida de potencia y el sobrecalentamiento del aire, tal vez necesite un intercooler como en los sistemas turboalimentados. También me pregunto cómo lidiar con las levas y los árboles de levas para evitar la compresión innecesaria de este aire en la fase de "compresión" que se evitaría con su técnica.
Benj
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Directo al cilindro Los inyectores de combustible se utilizan para agregar un poco más de aire a los cilindros justo después de que se cierren las válvulas de entrada y antes de que el aire se comprima (que tiene que ser de encendido / apagado rápido), no se necesita tanque de aire si funciona solo cuando el motor funciona ( a través de un cinturón). Y si se detiene, no tendrá ningún efecto en el rendimiento normal de los motores porque es unidireccional y no interferencia. Eso debería dar un poco más de potencia según el tamaño de los inyectores utilizados.

Estera
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