Mamy wtrysk paliwa, dlaczego nie wtrysk powietrza?

29

Kończę studia nad systemami EFI, dzięki czemu myślę o indukcji bardziej ogólnie.

Z wielu dobrych powodów wtryskujemy paliwo z wysokociśnieniowej szyny common rail. Jesteśmy w stanie spowodować straty warstwowe w cylindrze, pod warunkiem, że mamy pełną kontrolę nad motylkiem przepustnicy. Czasami używamy recyrkulacji spalin, aby opóźnić spalanie i obniżyć temperaturę cylindra.

Biorąc pod uwagę te scenariusze, dlaczego nie dodamy wspólnej szyny wysokociśnieniowego powietrza atmosferycznego i nie użyjemy wtryskiwaczy, aby w razie potrzeby wprowadzić powietrze i wydech w podobny sposób jak paliwo?

Z pewnością dałoby mi to silnik, który może szybciej reagować, ponieważ nie ma opóźnień w dopływie powietrza, ma mniej części mechanicznych i potencjalnie zmniejsza emisje, umożliwiając łatwiejszą kontrolę zawartości tlenu w katalizatorze?

Daniel
źródło
4
Zgłoszono patent US 5381760 A.
spicetraders
29
My robimy. Nazywa się to turbo lub doładowaniem .
Chloe
1
Wykorzystanie do tego celu „wspólnej szyny” byłoby niepraktyczne ze względu na objętość powietrza, które należy wtryskiwać w danym momencie.
Moab
1
@Chloe: Żadna z odpowiedzi na to nie wskazuje. Czy byłbyś w stanie napisać jeden?
Lekkość ściga się z Monicą
Inna myśl: czy uważasz, że „wtrysk” to tylko pobór wysokiego ciśnienia (nie ssanie), czy naprawdę z jakimś sterowanym wtryskiwaczem, takim jak wtryskiwacze paliwa?
Benj

Odpowiedzi:

34

Prosty powód: objętość. @ 14,7: 1 stoich, twój wkład do cylindra musiałby być 14,7x większy (lub przepchnąć to znacznie więcej) przez dyszę niż płyn, który jest paliwem.

Twierdzisz, że miałoby mniej części mechanicznych, ale czy to prawda? Trzeba będzie dostarczyć metodę mechaniczną, aby wytworzyć powietrze pod wysokim ciśnieniem, a także wprowadzić je do systemu. Musiałbyś mieć jakiś zbiornik, który utrzymywałby powietrze pod wysokim ciśnieniem. Wtedy to „wysokie ciśnienie” musiałoby mieścić się w zakresie 3000-5000 psi, aby zapewnić właściwy przepływ. Pomyśl o sprężarce powietrza, która może nadążyć za popytem, ​​o którym mówisz.

Powiedzmy, że wrzucamy trochę matematyki do miksu (i załóżmy, że nie jestem po prostu głupi ... chociaż nie ma jury):

Silnik o pojemności 2 litrów ma pojemność skokową 2 litry. Gdyby ten teoretyczny silnik pracował, z wolnossącym napędem i osiągnął 80% wydajność objętościową (VE), pobierałby 0,8 l powietrza na każdy obrót wału korbowego. Matematyka:

  • 2,0 LX. 8 = 1,6 L - Objętość pobierana dla wszystkich czterech cylindrów przy 80% VE
  • 1,8L x .5 = .8L - Objętość dolotowa dla każdego obrotu w silniku 4- cyklowym
  • 600 rpm x .8L = 480L - Ilość powietrza na biegu jałowym potrzebna do utrzymania prędkości biegu jałowego
  • 6000rpm x .8L = 4800L - objętość powietrza na redline do utrzymywania prędkości silnika najszybciej

Twój system musiałby przepuścić 4800 l powietrza na minutę , aby utrzymać tę prędkość silnika. To około 170 CM. Jeśli możesz ciągnąć coś takiego:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

z tyłu samochodu, może to być wykonalne. 170CFM jest liczbą dla małego, niższego końca mocy równania. Co z samochodami wyczynowymi, w których trzy razy większa jest zamiatana objętość (silnik Chevrolet LT1 o pojemności 6,3 litra) z większym VE (~ 85% na pierwszy rzut oka). Te liczby są znacznie większe. Potroiłbyś potrzebną ilość powietrza, co oznacza trzykrotność ilości, którą holowałbyś za pojazdem.

Tak, można to zrobić, ale jakim kosztem? Sposób, w jaki powietrze jest teraz wprowadzane do silnika, jest o wiele bardziej wydajny i wprowadza znacznie więcej powietrza, niż można niezawodnie kontynuować pompowanie powietrza do silnika w sposób sugerowany przez użytkownika.

Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2
źródło
1
Oczywiście, jeśli masz inny sposób dostarczania powietrza , budujesz naprawdę fajne silniki - ale nadal byłyby one niepraktyczne dla większości zastosowań z wykorzystaniem zwykłego silnika spalinowego.
brichins
1
170 CFM nie jest tak dużo przepływu powietrza, jak sugerujesz z tym, co można holować. Lekko przewymiarowane computer case fan może przenieść więcej. W zależności od wymagań dotyczących ciśnienia statycznego taki wentylator może nie być odpowiedni; ale trochę szybkiego googlingu sugeruje kilkaset CFM dla prędkości przepływu powietrza przez turbosprężarkę; który jest nieco większy niż wentylator 120 x 38 mm, ale niewiele.
Dan Neely,
10
@ DanNeely - Mieszasz jabłka i pomarańcze. Nie ma mowy, przypadek fan uniemożliwiłoby lizać różnicy w tym przypadku. Musisz wziąć pod uwagę presję i przepływ. Zwłaszcza, jeśli próbujesz pompować powietrze przez system, który zamierza wstrzyknąć je bezpośrednio do cylindra. Przy jakimkolwiek przeciwciśnieniu wentylator obudowy przestałby całkowicie przepływać powietrze.
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2
1
@AL - matematyka jest ogólna. Wstaw rozmiar silnika, sprawność objętościową silnika i maksymalne prędkości obrotowe silnika, aby odpowiadały każdemu silnikowi, który masz na myśli. Ten przykład dotyczy silnika czterosuwowego. Silnik dwusuwowy będzie obliczany inaczej.
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2
1
@ Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2 W ostatnim komentarzu zastąpiłem słowo „niemożliwe” słowem „praktycznie bardzo trudne”.
AL
26

Prawie, ale nie do końca opisałeś działanie turbosprężarki lub doładowania. Pomysł wtryskiwania powietrza pod ciśnieniem ze wspólnej szyny paliwowej prawdopodobnie nie zadziałałby, ponieważ trudno byłoby zagwarantować przyzwoite rozpylenie.

Steve Matthews
źródło
4
W jaki sposób TC i / lub SC wykorzystują wtryskiwacze do wprowadzenia powietrza do układu. Rozumiem, że OP chce pozbyć się Valvetrane i mieć tylko dwa wtryskiwacze: jeden na paliwo, a drugi na powietrze. Turbo nie zbliża się nawet do robienia tego, co jest potrzebne.
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2
1
Możliwe. Po prostu wybraliśmy różne trasy. Powinien pozwolić OP się wyjaśnić.
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2
1
@ Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2, IMO, ty (a może OP?) Widzisz różnicę, gdy jej nie ma. Gdybym wziął układ wtrysku paliwa w samochodzie, wymieniłem komponenty zajmujące się płynami na środki przeznaczone na gazy (pompa -> sprężarka, zbiornik -> wlot, zmiana konstrukcji zaworów itp.), A następnie rozszerzyłem rury, aby uwzględnić wymagany przepływ powietrza, Myślę, że skończę ze zwykłym systemem turbo. W twojej odpowiedzi nie widzę powodu, dla którego potrzebujesz 2k + psi, kiedy 5-10 psi dobrze wypełnia cylinder w normalnym silniku.
mbrig
1
@mbrig - Nigdy nie jest podejmowany, chyba że jest to osobisty afront. Próbujesz tylko wyjaśnić, tak dobrze na tobie! Zawsze doceniam różne opinie i przemyślenia na ten temat ... Zdecydowanie nie sądzę, żebym miał blokadę na tych rzeczach! Twoja opinia jest równie cenna, jeśli nie bardziej, niż moja. Dzięki za wkład.
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2
2
Czy wspólna szyna nie jest w tym scenariuszu tylko kolektorem wlotowym?
RemarkLima,
16

Pod wieloma względami opisujesz silnik 5-suwowy

Silniki 5- suwowe wykorzystują tłok, aby zapewnić wtórny środek sprężania dla AFR. Chociaż nie wstrzykując powietrza, sprężają je mechanicznie. To, co opisujesz za pomocą wtrysku powietrza, wymaga ogromnych objętości powietrza.

Pomyśl o 5,0-litrowym silniku wymagającym 5 litrów powietrza co 720 stopni obrotu. Przy 4000 obr / min trzeba co 10.000 litrów powietrza „wstrzykiwać”.

Wtrysk powietrza pod kątem emisji

Pomysł wprowadzania powietrza nie jest wyjątkowy. Wielu producentów wstrzykuje powietrze do spalin , aby pomóc w utlenianiu niespalonego paliwa przy niskich obrotach w katalizatorach. Były to oczywiście wczesne wersje, pomyśl o połowie lat 70-tych.

DucatiKiller
źródło
1
Myślę, że tylko ty rozumiesz pytanie.
Moab
1
OP pyta o wtryskiwanie powietrza do komory spalania przed (lub podczas) zapłonem. „5-suwowy” pobiera gazy po spaleniu, po rozprężeniu z komory spalania, aby rozszerzyć je po raz drugi. „Ponowne użycie spalin” jest dokładnie przeciwieństwem „wtrysku powietrza”.
Agent_L,
11

Gaz pod wysokim ciśnieniem jest bardzo trudny do wytworzenia, znacznie trudniejszy niż ciecz pod wysokim ciśnieniem. To dlatego, że płyny nie są ściśliwe, więc możesz je wyciskać praktycznie tak mocno, jak chcesz, podczas gdy gaz po prostu pochłonie większość twojego wysiłku sprężania i przekształci resztę w ciepło (ogrzewanie adiabatyczne). Sprężenie powietrza do niezbędnego ciśnienia wymagałoby pompy tłokowej nieco większej niż sam cylinder. Zamiast tego robić to za pomocą dedykowanej pompy, sprężamy powietrze komponentem, który już mamy. Kompresja w miejscu zapewnia dodatkową korzyść z recyklingu ciepła adiabatycznego.

To, co proponujesz, pasuje dobrze do silnika 2-suwowego. Ma już wspólną szynę powietrza o umiarkowanie wysokim ciśnieniu, dopływ powietrza do cylindra może być kontrolowany przez zawór wlotowy (jeśli taki istnieje), podobnie jak wtryskiwacze Common Rail otwarte w celu wtrysku paliwa. Ale moc potrzebna do wtrysku powietrza byłaby ogromna, po prostu z punktu widzenia twoich potrzeb: perspektywa: 2-wałkowe Junko Jumo 205 powinny teoretycznie wymagać bardzo mocnych kół zębatych, aby przenieść połowę swojej mocy z dolnego wału na górny, na którym pobrano moc, ale sprężarka została spuszczona z dolnego wału i zużyła tyle mocy, że w rzeczywistości pozostało bardzo niewiele. Prawie połowę mocy brutto pochłonęła sprężarka, a silnik osiągnął ciśnienie w kolektorze dolotowym nigdzie w pobliżu tego, czego potrzebujesz.

Agent_L
źródło
9

Oto odmiana, o której myślałam bardzo długo. Nawet trochę wstępnej matematyki.

Silniki spalinowe nie potrzebują powietrza. Potrzebują tlenu . Więc ... całkowicie wyeliminuj Valvetrain i posiadaj dwa zestawy wtryskiwaczy: jeden do ciekłych węglowodorów i drugi do ciekłego tlenu.

To prawda, że ​​nie biorę pod uwagę kosztów ani problemów związanych z bezpieczeństwem podczas tej burzy mózgów (rzadko to robię). Tak naprawdę nie znalazłem też wtryskiwacza typu piezoelektrycznego lub solenoidu, ani nawet silnika wysokoprężnego typu HPOP, który działałby przy częstotliwości i szerokości impulsu potrzebne przy temperaturze LOx około -300 stopni F, z obrotami wału korbowego w zakresie 7000.

Jest jednak coś więcej niż eliminacja ciągu zaworów. Wyobraź sobie adiabatyczne chłodzenie z LOx powracającego do gazu w komorze spalania. Jestem przekonany, że dzięki odpowiednim materiałom korby, tłoczyska i tłoka możesz bezpiecznie pracować z kompresją 15: 1 lub 20: 1, a także mieć wspaniały profil emisji. Głowa zostałaby zredukowana do nic innego jak gruba, trwała płyta wtryskowa ... bez ruchomych części. Wydech może być obsługiwany przez port „odsłonięcia” w stylu dwusuwowym lub wankelowym, ze zmodyfikowanym cyklem Atkinsona z dłuższym skokiem wydechu.

Jest to bardzo daleka od rzeczywistości (podobnie jak ja), ale myślę, że ilustruje praktyczną odmianę koncepcji OP. Sprężanie powietrza w celu wstrzyknięcia go przez bardzo mały otwór prawdopodobnie kosztowałoby więcej energii niż zrealizowane zyski. Ale zbiornik ciekłego tlenu ma już w sobie „pracę”, jest względnie mobilny / przenośny i ma ten ogromny dodatkowy efekt chłodzenia - być może tak dramatyczny, że zmniejsza skalę lub praktycznie eliminuje układ chłodzenia woda / glikol.

Za około dziesięć lat będę przyjmował ochotników na oficjalnych pilotów testowych. Chwała będzie wasza. bo nie ma mowy, żebym tam jeździł ...

SteveRacer
źródło
1
ULA pracuje nad tym w ramach koncepcji zintegrowanych płynów samochodowych (IVF) w odniesieniu do etapu rakietowego ACES: w zasadzie napędzają silnik spalania wewnętrznego z paliwa i paliwa tlenowego etapu rakietowego. ( ulalaunch.com/uploads/docs/Published_Papers/Extended_Duration/… )
Hobbes
Miły! prawdopodobnie nie za mojego życia
SteveRacer,
Dużą wadą używania LOX tutaj na Ziemi jest to, że zbiornik musi być chłodny. Potrzebujesz grubej izolacji i aktywnego układu chłodzenia, aby ograniczyć gotowanie do minimum. Ponadto silniki rakietowe działające nafcie / LOX działają na mieszance ~ 2,2 LOX: 1 nafty, więc na każde 50 litrów paliwa potrzebujesz 110 l LOX. Zbiornik LPG tej wielkości zajmowałby połowę przestrzeni bagażnika, zbiornik izolowany jest jeszcze gorszy.
Hobbes,
3

Myślę, że koncepcja byłaby taka, jak gdyby sprężarka tłokowa pompowała powietrze do silnika tłokowego, więc energia do pompowania tłoków sprężarki powietrza przeciwdziałałaby energii wytwarzanej przez tłoki silnika. Wydaje się, że dodanie straty w silniku do ciepła wydaje się być zyskiem ujemnym.

Ale czy to możliwe, że dzięki tej koncepcji można by osiągnąć zysk w zwartej i niezależnej formie, biorąc 1/2 tłoków w V8 i zamieniając je w sprężarki, aby pompować powietrze do napędzanych tłoków. Może obrócić całość coś w dwóch cyklach z sąsiednimi tłokami za pomocą portu oczyszczania dla wlotu związanego z wydajnością tłoka pompy.

spicetraders
źródło
Naprawdę nie odpowiadam na pytanie OP, ale fajny pomysł :) Potrzebuje nieco obliczenia strat mocy i przegrzania powietrza, być może potrzebuje intercoolera, jak w układach z turbodoładowaniem. Zastanawiam się również, jak radzić sobie z krzywkami i wałkami rozrządu, aby uniknąć niepotrzebnego sprężania tego powietrza w fazie „kompresji”, której można by uniknąć dzięki swojej technice.
Benj
0

Bezpośrednio do cylindra Wtryskiwacze paliwa dodawały nieco więcej powietrza do cylindrów bezpośrednio po zamknięciu zaworów wlotowych i zanim powietrze ulegnie sprężeniu (które musi być szybko włączane / wyłączane), zbiornik powietrza nie jest potrzebny, jeśli działa tylko przy pracującym silniku ( za pomocą paska). A jeśli się zatrzyma, nie będzie to miało wpływu na normalne osiągi silników, ponieważ jest to układ jednokierunkowy, a nie interferencja. To powinno dać nieco więcej mocy w zależności od wielkości zastosowanych wtryskiwaczy.

Mata
źródło