Temos injeção de combustível, por que não injeção de ar?

Estou terminando o estudo dos sistemas EFI, o que me fez pensar em indução de maneira mais geral.

Injetamos combustível de um trilho comum de alta pressão por muitas boas razões. Somos capazes de fazer queimaduras estratificadas dentro de um cilindro, desde que tenhamos controle total da borboleta do acelerador. Às vezes, usamos a recirculação dos gases de escape para retardar a combustão e diminuir a temperatura do cilindro.

Diante desses cenários, por que não adicionamos um trilho comum de ar atmosférico de alta pressão e usamos injetores para introduzir ar e fazer a exaustão quando necessário, de maneira semelhante ao combustível?

Certamente isso me daria um motor que pode responder mais rapidamente porque não há atraso no fluxo de ar na entrada, possui menos peças mecânicas e potencialmente reduz as emissões, permitindo-me controlar o conteúdo de oxigênio no catalisador mais facilmente?

Razão simples: volume. @ 14.7: 1, sua entrada no cilindro precisaria ser 14,7x maior (ou empurrar muito mais) através de um bico do que o fluido que é combustível.

Você afirma que teria menos peças mecânicas, mas isso é verdade? Você precisaria fornecer um método mecânico para criar o ar de alta pressão e introduzi-lo no sistema. Você precisaria ter algum tipo de tanque que retesse o ar de alta pressão. Então essa "alta pressão" precisaria estar na faixa de 3000-5000 psi, para garantir um fluxo adequado. Pense em um compressor de ar que possa atender à demanda que você está falando.

Digamos que jogamos um pouco de matemática (e suponha que eu não estou sendo completamente estúpido ... embora o júri tenha participado dessa questão):

Um motor de 2L tem um volume varrido de 2L. Se esse mecanismo teórico estivesse funcionando, aspirado naturalmente e atingisse uma eficiência volumétrica de 80% (VE), seria ingerir 0,8L de ar a cada revolução do virabrequim. A matemática:

• 2.0LX .8 = 1.6L - Volume de admissão para todos os quatro cilindros a 80% VE
• 1,8L x 0,5 = 0,8L - Volume de admissão para cada revolução em um motor de 4 ciclos
• 600rpm x .8L = 480L - Quantidade de ar em marcha lenta necessária para manter a velocidade de marcha lenta
• 6000rpm x .8L = 4800L - Quantidade de ar na linha vermelha para manter a velocidade do motor mais rápida

Seu sistema precisaria mover 4800L de ar por minuto para manter a velocidade do motor. Isso é cerca de 170CFM. Se você pode transportar algo assim:

na traseira do seu carro, pode ser possível. O 170CFM é uma figura para a extremidade pequena e mais baixa da equação. E os carros de desempenho em que você tem três vezes mais volume varrido (motor Chevrolet LT1 de 6,3L) com um VE maior (~ 85% em suposição). Esses números são imensamente maiores. Você triplicaria a quantidade de ar necessária, o que significa triplicar a quantidade que rebocaria atrás do veículo.

Sim, isso poderia ser feito, mas a que custo? A maneira como o ar é introduzido no motor agora é muito mais eficiente e introduz muito mais ar do que você poderia continuar a bombear ar de maneira confiável para o motor da maneira sugerida.

Você descreveu quase, mas não completamente, a operação de um turbocompressor ou supercharger. A idéia de que o ar sob pressão seja injetado de um trilho de combustível comum provavelmente não funcionaria, pois seria difícil garantir uma atomização decente.

De várias maneiras, você está descrevendo um mecanismo de 5 tempos

5 Os motores de curso estão usando um pistão para fornecer um meio secundário de compressão para o AFR. Embora, não injetando ar, eles estão comprimindo o ar por meios mecânicos. O que você descreve com a injeção de ar requer grandes volumes de ar.

Pense em um motor de 5,0 litros que exija 5 litros de ar a cada 720 graus de revolução. A 4.000 RPM, você precisaria de 10.000 litros de ar para ser injetado a cada minuto.

Injeção de ar para emissões

A idéia de injetar ar não é única. Muitos fabricantes injetam ar no escapamento para ajudar na oxidação do combustível não queimado a baixas rotações por minuto em conversores catalíticos. Essas eram as primeiras versões, é claro, pense em meados dos anos 70.

Gás de alta pressão é muito difícil de criar, muito mais difícil que o líquido de alta pressão. Isso ocorre porque os líquidos não são compressíveis, para que você possa esguichar virtualmente com a força que desejar, enquanto o gás absorve a maior parte de seu esforço de compressão e converte o restante em calor (aquecimento adiabático). Para comprimir o ar com a pressão necessária, seria necessária uma bomba alternativa um pouco maior que o próprio cilindro. Então, em vez de fazer isso por meio de uma bomba dedicada, comprimimos o ar com um componente que já temos. A compressão no local oferece o benefício adicional de reciclar calor adiabático.

O que você está propondo se encaixaria perfeitamente em um motor a 2 tempos. Ele já possui um trilho comum de ar de pressão moderadamente alta; a admissão de ar no cilindro pode ser controlada pela válvula de entrada (se houver), assim como os injetores comuns de trilho se abrem para injetar combustível. Mas a potência necessária para injetar ar seria enorme, apenas para colocar suas necessidades em perspectiva: o Junkers Jumo 205 de 2 eixos exigiria teoricamente engrenagens muito fortes para transferir metade de sua potência do eixo inferior para a superior onde a energia era consumida, mas o compressor foi acionado pelo eixo inferior e consumiu tanta energia que restou muito pouco. Quase metade da produção bruta foi absorvida por um compressor e esse motor atingiu a pressão do coletor de admissão nem perto do que você precisa.

Aqui está uma variação que eu pensei bastante. Mesmo fazendo algumas das contas preliminares.

Os motores de CI não precisam de ar. Eles precisam de oxigênio . Então ... elimine completamente o valvetrain e tenha dois conjuntos de injetores: um para hidrocarbonetos líquidos e outro para oxigênio líquido.

É verdade que eu não estou considerando as questões de despesas ou segurança neste brainstorm (eu raramente encontro). Também não encontrei realmente um injetor piezo ou tipo solenóide, ou mesmo um tipo diesel HPOP, que operaria nas larguras de freqüência e pulso necessário na temperatura LOx em torno de -300 graus F, com RPM de manivela na faixa de 7000.

No entanto, há mais do que a eliminação do trem de válvulas. Imagine o resfriamento adiabático da LOx retornando a um gás na câmara de combustão. Estou confiante com os materiais corretos de manivela, haste e pistão, você pode executar com segurança uma compressão 15: 1 ou 20: 1 e também ter um perfil de emissões maravilhoso. A cabeça seria reduzida a nada mais do que uma placa de injeção espessa e durável ... sem partes móveis. O escape pode ser manuseado por uma porta de "revelação" ao estilo de dois tempos ou wankel, com um ciclo Atkinson modificado com um curso de escape mais longo.

Isso está muito distante da realidade (como eu), mas acho que ilustra uma variação prática do conceito do OP. Comprimir o ar para injetá-lo através de um orifício muito pequeno provavelmente custaria mais energia do que os ganhos realizados. Mas um tanque de oxigênio líquido já possui o "trabalho", é razoavelmente móvel / portátil e tem esse enorme efeito de resfriamento - talvez tão dramático que reduza ou elimine virtualmente um sistema de resfriamento a água / glicol.

Levarei voluntários em uma década para Pilotos Oficiais de Testes. A glória será sua. porque de jeito nenhum eu vou andar nele ...

Penso que o conceito seria como levar um compressor de pistão para bombear ar para dentro de um motor a pistão, de modo que a energia para bombear os pistões do compressor de ar contraria a energia desenvolvida pelos pistões do motor. Adicionar perda no motor ao calor parece ser um ganho negativo.

Mas é possível que um ganho pudesse ser realizado nesse conceito de forma compacta e autônoma, seria pegar 1/2 dos pistões em um V8 e transformá-los em compressores para bombear o ar para os pistões acionados. Talvez transformar o conjunto coisa em um ciclo de dois com pistões adjacentes usando a porta de limpeza para a entrada amarrada à saída do pistão da bomba.

Direto para o cilindro Os injetores de combustível costumavam adicionar um pouco mais de ar nos cilindros logo após o fechamento das válvulas de entrada e antes que o ar fosse comprimido (que precisa ser ligado / desligado rapidamente), nenhum tanque de ar é necessário se ele funcionar apenas quando o motor estiver funcionando ( através de um cinto). E se parar, não terá efeito sobre o desempenho normal dos motores, porque é uma válvula unidirecional e não interfere. Isso deve fornecer um pouco mais de energia, dependendo do tamanho dos injetores usados.