Регистрация Войти
Вопрос

У нас есть впрыск топлива, почему бы не сделать впрыск воздуха?

Я заканчиваю изучать системы EFI, и это заставило меня задуматься о системах впуска в целом.



Мы впрыскиваем топливо из общей топливной рампы высокого давления по многим веским причинам. Мы можем обеспечить послойное сгорание в цилиндре при условии, что у нас есть полный контроль над дроссельной заслонкой. Иногда мы используем рециркуляцию выхлопных газов, чтобы замедлить сгорание и снизить температуру в цилиндре.



Учитывая эти сценарии, почему бы нам не добавить общую магистраль для подачи атмосферного воздуха под высоким давлением и не использовать инжекторы для подачи воздуха и отвода выхлопных газов, когда это необходимо, по аналогии с подачей топлива?



Конечно, это позволило бы мне создать двигатель, который будет реагировать быстрее, поскольку на входе в двигатель не будет задержки воздушного потока, в нём будет меньше механических деталей, и он потенциально будет меньше загрязнять окружающую среду, поскольку мне будет проще контролировать содержание кислорода в катализаторе?
Авто и транспорт

Перевод вопроса с Mechanics Stack Exchange
Лицензия: CC BY-SA (2.5–4.0)
Оригинальный вопрос: https://mechanics.stackexchange.com/questions/35659/we-have-fuel-injection-why-not-air-injection
1
+ Читать

43 Комментария

  1. Непосредственный впрыск в цилиндр. Топливные форсунки добавляют немного воздуха в цилиндры сразу после закрытия впускных клапанов и до сжатия воздуха (которое должно происходить быстро). Воздушный резервуар не нужен, если система работает только при работающем двигателе (через ремень). Если система перестанет работать, это никак не повлияет на нормальную работу двигателя, поскольку это односторонняя система, а не интерференционная. Это должно немного увеличить мощность в зависимости от размера используемых форсунок.


  1. Вот вариант, над которым я долго размышлял. Я даже провёл некоторые предварительные расчёты.



    Двигателям внутреннего сгорания не нужен воздух. Им нужен кислород. Поэтому... полностью исключите клапанный механизм и установите два комплекта форсунок: один для жидких углеводородов, другой для жидкого кислорода.



    Конечно, в этом мозговом штурме я не учитываю расходы или вопросы безопасности (я редко это делаю). Я также не нашёл пьезоэлектрическую или электромагнитную форсунку или даже дизельную форсунку с высокой степенью сжатия, которая работала бы с частотой и длительностью импульсов, необходимыми при температуре жидкого кислорода около -300 градусов по Фаренгейту и частоте вращения коленчатого вала в диапазоне 7000.



    Однако дело не только в отказе от клапанного механизма. Представьте себе адиабатическое охлаждение при возвращении жидкого кислорода в газообразное состояние в камере сгорания. Я уверен, что при правильном выборе материалов для кривошипа, шатуна и поршня можно безопасно использовать степень сжатия 15:1 или 20:1 и при этом получить отличный профиль выбросов. Головка блока цилиндров будет представлять собой не более чем толстую прочную пластину для впрыска... без движущихся частей. Выхлопные газы могли отводиться через двухтактный или роторный выпускной клапан с модифицированным циклом Аткинсона и увеличенным ходом поршня.



    Это очень далеко от реальности (как и я сам), но я думаю, что это иллюстрирует практическую вариацию концепции, предложенной автором. Сжатие воздуха для его подачи через очень маленькое отверстие, скорее всего, потребует больше энергии, чем даст в результате. Но в резервуаре с жидким кислородом уже есть «работа», он достаточно мобилен/переносим и обладает огромным дополнительным охлаждающим эффектом — возможно, настолько значительным, что можно сократить или практически полностью исключить систему охлаждения водой/гликолем.



    Примерно через десять лет я буду набирать добровольцев в качестве официальных пилотов-испытателей. Слава будет твоей. потому что я ни за что на ней не поеду ...

  1. Вы почти, но не совсем, описали принцип работы турбокомпрессора или нагнетателя. Идея впрыска воздуха под давлением из общей топливной рампы, скорее всего, не сработает, так как будет сложно обеспечить надлежащее распыление.
  1. Круто! наверное, при моей жизни такого не будет
  1. Компания ULA работает над этим в рамках своей концепции Integrated Vehicle Fluids (IVF) для ракетной ступени ACES: по сути, они используют двигатель внутреннего сгорания, работающий на топливе и кислороде ракетной ступени. (ulalaunch.com/uploads/docs/Published_Papers/Extended_Durati‌​on/…)
  1. OP спрашивает о подаче воздуха в камеру сгорания до (или во время) воспламенения. «Пятитактный» двигатель использует отработавшие газы из камеры сгорания для повторного расширения. «Повторное использование выхлопных газов» — это практически полная противоположность «подаче воздуха».
  1. Думаю, вы единственный, кто понимает суть вопроса.
  1. Это не совсем ответ на вопрос автора, но идея хорошая :) Нужно будет рассчитать потери мощности и перегрев воздуха, возможно, потребуется интеркулер, как в системах с турбонаддувом. Мне также интересно, как поступить с кулачками и распределительными валами, чтобы избежать ненужного сжатия воздуха в фазе «сжатия», чего можно было бы избежать с помощью вашего метода.

  1. Во многом вы описываете 5-тактный двигатель



    В 5-тактных двигателях поршень используется в качестве дополнительного средства сжатия для AFR. Однако они не впрыскивают воздух, а сжимают его механическим способом. Для впрыска воздуха требуются большие объёмы.



    Представьте себе двигатель объёмом 5 литров, которому требуется 5 литров воздуха на каждые 720 градусов поворота. При 4000 оборотах в минуту вам потребуется «впрыскивать» 10 000 литров воздуха в минуту.



    Впрыск воздуха для снижения выбросов



    Идея подачи воздуха не нова. Многие производители подавали воздух в выхлопную систему, чтобы способствовать окислению несгоревшего топлива на низких оборотах в каталитических нейтрализаторах. Конечно, это были ранние версии, примерно середины 70-х годов.


  1. Создать газ под высоким давлением очень сложно, гораздо сложнее, чем жидкость под высоким давлением. Это связано с тем, что жидкости несжимаемы, поэтому их можно сжимать практически до любого давления, в то время как газ поглотит большую часть энергии, затраченной на сжатие, а остальная часть преобразуется в тепло (адиабатический нагрев). Чтобы сжать воздух до необходимого давления, потребуется поршневой насос, который немного больше самого цилиндра. Поэтому вместо того, чтобы использовать специальный насос, мы сжимаем воздух с помощью уже имеющегося у нас компонента. Сжатие на месте обеспечивает дополнительное преимущество в виде рекуперации адиабатического тепла.



    То, что вы предлагаете, отлично подошло бы для двухтактного двигателя. В нём уже есть общая магистраль для подачи воздуха под умеренно высоким давлением, а поступление воздуха в цилиндр можно регулировать с помощью впускного клапана (если он есть), точно так же, как открываются форсунки общей магистрали для подачи топлива. Но мощность, необходимая для нагнетания воздуха, будет огромной, просто для сравнения: двухвальный двигатель Junkers Jumo 205 теоретически должен был иметь очень мощные шестерни для передачи половины своей мощности с нижнего вала на верхний, где она забиралась, но компрессор работал от нижнего вала и потреблял так много мощности, что её почти не оставалось. Почти половина общей мощности уходила на компрессор, и давление во впускном коллекторе этого двигателя было далеко от необходимого.


  1. Я думаю, что эта концепция похожа на использование поршневого компрессора для подачи воздуха в поршневой двигатель, то есть энергия, затрачиваемая на работу поршней воздушного компрессора, будет противодействовать энергии, вырабатываемой поршнями двигателя. Добавление потерь в двигателе из-за нагрева, скорее всего, приведёт к отрицательному результату.



    Но возможно ли реализовать эту концепцию в компактной и автономной форме, взяв 1/2 поршней из V8 и превратив их в компрессоры для подачи воздуха в ведомые поршни?
    Может быть, стоит сделать двухтактный двигатель с соседними поршнями, используя продувочное отверстие для впуска, соединённое с выходом поршня насоса?


  1. @Peter начальное давление можно поддерживать с помощью небольшого баллона со сжатым воздухом, который пополняется от зарядного устройства во время движения с закрытой дроссельной заслонкой.
  1. В ответ на комментарий об отказе от клапанного механизма: что вы будете делать с выхлопными газами?
  1. Разве в этом сценарии общая шина не является просто впускным коллектором?
  1. @mbrig — причина более высокого давления, на мой взгляд, связана с расходом. Если бы размер форсунки был уменьшен до размеров топливной форсунки, вам пришлось бы увеличить давление, чтобы обеспечить необходимый расход для заполнения цилиндра.

  1. Простая причина: объём. При соотношении 14,7:1 объём подаваемой в цилиндр жидкости должен быть в 14,7 раза больше (или подаваться в таком же объёме), чем объём подаваемого топлива.



    Вы утверждаете, что в нём будет меньше механических деталей, но так ли это? Вам нужно будет обеспечить механический способ создания высокого давления воздуха, а также его подачи в систему. Вам понадобится какой-то резервуар для хранения воздуха под высоким давлением. Затем это «высокое давление» должно быть в диапазоне 3000–5000 фунтов на квадратный дюйм, чтобы обеспечить надлежащую подачу. Представьте себе воздушный компрессор, который мог бы удовлетворить спрос, о котором вы говорите.



    Допустим, мы добавим немного математики (и предположим, что я не совсем дурак... хотя в этом вопросе jury is out):



    Рабочий объём двигателя объёмом 2 л составляет 2 л. Если бы этот теоретический двигатель работал без наддува и достигал 80 % объёмного КПД (VE), он бы всасывал 0,8 л воздуха за каждый оборот коленчатого вала. Расчёт:




    • 2,0 л X 0,8 = 1,6 л — объём впуска для всех четырёх цилиндров при 80 % мощности

    • 1,8 л x 0,5 = 0,8 л — объём впуска на каждый оборот в четырёхтактном двигателе

    • 600 об/мин x 0,8 л = 480 л — количество воздуха на холостом ходу, необходимое для поддержания оборотов на холостом ходу

    • 6000 об/мин x 0,8 л = 4800 л — количество воздуха на красной зоне для поддержания максимальной частоты вращения двигателя



    Чтобы поддерживать такую частоту вращения двигателя, ваша система должна пропускать 4800 л воздуха в минуту. Это примерно 170 кубических футов в минуту. Если вы можете перевезти что-то вроде этого:



    введите описание изображения здесь



    Если разместить его на задней части вашего автомобиля, это может оказаться возможным. 170 кубических футов в минуту — это показатель для небольших двигателей с низкой мощностью. А как насчёт мощных автомобилей, у которых объём двигателя в три раза больше (6,3-литровый двигатель Chevrolet LT1) и более высокий коэффициент наполнения (~85 %). Эти показатели намного выше. Вам понадобится в три раза больше воздуха, а значит, и в три раза больше груза, который вы будете буксировать.



    Да, это возможно, но какой ценой? Система подачи воздуха в двигатель сейчас намного эффективнее и подает гораздо больше воздуха, чем вы могли бы подавать в двигатель тем способом, который предлагаете.


  1. Главный недостаток использования жидкого кислорода на Земле заключается в том, что баллон нужно держать в холоде. Для того чтобы свести испарение к минимуму, нужна толстая изоляция и активная система охлаждения. Кроме того, ракетные двигатели, работающие на смеси керосина и жидкого кислорода, работают на смеси ~2,2 жидкого кислорода:1 керосина, поэтому на каждые 50 литров топлива требуется 110 литров жидкого кислорода. Баллон для сжиженного нефтяного газа такого размера занял бы половину багажника, а изолированный баллон — ещё больше.
  1. @mbrig — никогда не обижаюсь, если только это не личное оскорбление. Ты просто пытаешься объяснить, и у тебя хорошо получается! Я всегда ценю разные мнения и взгляды на этот вопрос... Я точно не считаю, что разбираюсь во всём этом! Твоё мнение так же ценно, если не больше, чем моё. Спасибо за вклад.
  1. Кстати, я не хотел никого обидеть своим последним комментарием, просто пытался объяснить свою точку зрения.
  1. @mbrig — на мой взгляд, это совершенно другая концепция. Я имею в виду, что можно перефразировать что угодно и сделать так, чтобы это звучало одинаково, но здесь всё немного иначе, вам не кажется? Это просто моё мнение. Я ни в коем случае не хочу сказать, что Стив неправ... Я просто не думаю, что это было целью вопроса.
  1. @Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2 Чем отличается инжектор, подающий сжатый воздух из магистрали в цилиндр, от клапана, подающего сжатый воздух из турбокомпрессора? В конце концов, турбокомпрессор — это просто воздушный компрессор.
  1. Это отличная головоломка :) я подумал, что нагнетатель, очевидно, справится с объёмом. (хотя, возможно, не с давлением) . Если бы во впускном коллекторе был достаточный объём, например, как в буферной камере, это бы помогло. Дополнительные форсунки помогли бы увеличить пропускную способность. Я вижу проблему в том, как поддерживать достаточное рабочее давление для запуска. В противном случае двигателю пришлось бы некоторое время работать на холостом ходу, чтобы набрать давление. Мне кажется, что для запуска двигателя потребуется компрессор для хранения/подачи топлива.
  1. @Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2, на мой взгляд, вы (и, возможно, автор вопроса?) видите разницу там, где её нет. Если бы я взял систему впрыска топлива в автомобиле, заменил компоненты, работающие с жидкостями, на компоненты, предназначенные для работы с газами (насос -> компрессор, бак -> впускной коллектор, изменил конструкцию клапанов и т. д.), а затем расширил трубы, чтобы обеспечить необходимый поток воздуха, думаю, у меня получилась бы обычная турбосистема. Я не вижу в вашем ответе причины, по которой вам нужно давление в 2000 фунтов на квадратный дюйм, если в обычном двигателе давление в 5–10 фунтов на квадратный дюйм вполне достаточно для заполнения цилиндра.
  1. Возможно. Думаю, мы просто пошли разными путями. Пусть автор вопроса прояснит ситуацию.
  1. Извините, я думал, он спрашивает о том, можно ли добавить в существующий двигатель воздушные форсунки, чтобы использовать воздух под давлением выше атмосферного в цикле сгорания.
  1. Как TC и/или SC используют форсунки для подачи воздуха в систему. Насколько я понимаю, автор хочет отказаться от впускного коллектора и использовать только две форсунки: одну для топлива, а другую для воздуха. Турбокомпрессор даже близко не подходит к тому, что требуется.
  1. Этот вопрос вызвал бурную дискуссию! Я не имел в виду TC / SC, хотя и не заметил сходства — спасибо. Мне стало любопытно, что Стив предлагает использовать жидкий кислород. Возможно, это не подойдёт для обычного автомобиля, но для гоночного — интересно, как это будет работать. Я выбрал этот ответ, потому что он лучше всего отражает ход моих мыслей, даже несмотря на то, что я не очень хорошо его объяснил!
  1. @Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2 В своём последнем комментарии я заменил «невозможно» на «практически очень сложно».
  1. @A.L. — Обеспечить подачу 4800 л/мин при требуемом высоком давлении возможно. Просто для получения такого количества воздуха под высоким давлением вам придётся прибегнуть к нестандартным методам.
  1. @Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2 То есть проблема не в объёме 4800 л (любой автомобиль справится с этим). Но на практике очень сложно обеспечить объём 4800 л при требуемом высоком давлении. Спасибо за разъяснение.
  1. @A.L. — Расчёт общий. Подставьте объём двигателя, объёмный КПД двигателя и максимальную частоту вращения двигателя, чтобы получить результат для любого двигателя, который вы имеете в виду. Однако этот пример рассчитан на 4-тактный двигатель. Расчёт для 2-тактного двигателя будет другим.
  1. Я не совсем понимаю, относится ли ваша математика к этому вопросу или ко всем типам двигателей. Требуется ли для классического двигателя 4800 л/мин?
  1. @DanNeely — ты путаешь яблоки с апельсинами. В данном случае вентилятор в корпусе не даст ни капли разницы. Нужно учитывать давление и расход. Особенно если вы пытаетесь прокачать воздух через систему, которая будет подавать его непосредственно в цилиндр. При любом противодавлении вентилятор в корпусе вообще перестанет подавать воздух.
  1. @brichins — разве ты не знал, что Понтиак делал так в своё время ... :о)
  1. 170 кубических футов в минуту — это далеко не такой большой поток воздуха, как вы предполагаете, говоря о буксируемом устройстве. Вентилятор для компьютерного корпуса немного большего размера может обеспечить больший поток. В зависимости от требований к статическому давлению такой вентилятор может не подойти, но, если немного погуглить, можно найти информацию о том, что турбокомпрессор обеспечивает поток воздуха в несколько сотен кубических футов в минуту, что немного больше, чем у вентилятора 120x38 мм, но не намного.
  1. Конечно, если бы у вас был другой способ подачи воздуха, вы бы создали несколько действительно крутых двигателей, но они всё равно были бы непрактичны для большинства задач, требующих использования обычного двигателя внутреннего сгорания.
  1. С чего вы взяли, что на входе в двигатель есть задержка? Двигатель внутреннего сгорания — это воздушный насос. Вы предлагаете установить ещё один двигатель, который будет воздушным насосом, чтобы он подавал воздух в воздушный насос?
  1. Как написал @SteveRacer: может быть, с помощью впрыскивания жидкого воздуха ? Или жидкого кислорода ?
  1. Ещё один вопрос: считаете ли вы «инжекцией» просто подачу под высоким давлением (а не всасывание) или действительно используете какой-то регулируемый инжектор, например топливные форсунки?
  1. @Chloe: Ни в одном из ответов на это не указано. Не могли бы вы написать об этом?
  1. Использовать для этого «общую шину» было бы непрактично из-за большого объёма воздуха, который необходимо подавать в любой момент времени.
  1. Да. Это называется турбо или нагнетатель.
  1. Был подан патент US 5381760 A.
Вы уже ответили на этот вопрос