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

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?

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:

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.

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.

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.

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.

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 ...

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.

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.