Расширительная камера

В двухтактном двигателе или расширительная камера настроенная труба представляет собой настроенную выхлопную систему, используемую для увеличения выходной мощности за счет улучшения объемного КПД .

История

Расширительные камеры были изобретены и успешно изготовлены немецким инженером Лимбахом в 1938 году для экономии топлива в двухтактных двигателях. В Германии не хватало бензина, который на тот момент производился с использованием угля и переработки сточных вод. Неожиданным бонусом стало то, что двухтактные двигатели с настроенными выхлопами производили гораздо большую мощность, чем если бы они работали с обычным глушителем. После окончания Второй мировой войны прошло некоторое время, прежде чем эта концепция была переработана восточногерманским Вальтером Кааденом во время холодной войны . Впервые они появились на западе на японских мотоциклах после того, как восточногерманский мотогонщик Эрнст Дегнер сбежал на запад во время участия в гонках за MZ на Гран-при Швеции 1961 года. Позже он передал свои знания японской компании Suzuki . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Как это работает

Газ высокого давления , выходящий из цилиндра, первоначально течет в форме « волнового фронта », как и все возмущения в жидкостях. Выхлопные газы проталкиваются в трубу, которая уже занята газом из предыдущих циклов, толкая этот газ вперед и вызывая волновой фронт. Как только поток газа прекращается, волна продолжается, передавая энергию следующему газу, находящемуся ниже по потоку, и так далее до конца трубы. Если эта волна столкнется с каким-либо изменением поперечного сечения или температуры, она отразит часть своей силы в направлении, противоположном своему движению. Например, сильная акустическая волна, столкнувшись с увеличением площади, отразит более слабую акустическую волну в противоположном направлении. Сильная акустическая волна, столкнувшись с уменьшением площади, отразит сильную акустическую волну в противоположном направлении. Основной принцип описан в волновой динамике . Расширительная камера использует это явление, изменяя свой диаметр (поперечное сечение) и длину, чтобы эти отражения возвращались в цилиндр в желаемый момент цикла.

Цикл расширения состоит из трех основных частей.

Продувка

Когда опускающийся поршень впервые открывает выпускное отверстие на стенке цилиндра, выхлопные газы мощно вытекают из-за его давления (без помощи расширительной камеры), поэтому диаметр/площадь по длине первой части трубы постоянна или близка к нулю. постоянная с расхождением от 0 до 2 градусов, что сохраняет энергию волны. Этот участок системы называется «напорной трубой» (для целей измерения длина выпускного отверстия считается частью напорной трубы). Поддерживая диаметр коллекторной трубы почти постоянным, энергия волны сохраняется, поскольку расширение не требуется до более поздней стадии цикла. Поток, выходящий из цилиндра в течение большей части процесса продувки, является звуковым или сверхзвуковым, и поэтому ни одна волна не может вернуться в цилиндр против этого потока.

Передача

Как только давление выхлопных газов падает до уровня, близкого к атмосферному, поршень открывает перепускные каналы. В этот момент энергия расширительной камеры может быть использована для облегчения потока свежей смеси в цилиндр. Для этого расширительную камеру увеличивают в диаметре, чтобы уходящая акустическая волна (создаваемая процессом сгорания) создавала отраженную волну вакуума (отрицательного давления), которая возвращается в цилиндр. Эта часть камеры называется расходящейся (или диффузорной) секцией и расходится на 7–9 градусов. В зависимости от требований он может состоять из нескольких расширяющихся конусов. Вакуумная волна поступает в цилиндр во время цикла перекачки и помогает всасывать свежую смесь из картера в цилиндр и/или предотвращать подсасывание выхлопных газов в картер (за счет картерного вакуума). ^{[ 3 ]} Однако волна может также высасывать свежую смесь из выпускного отверстия в коллектор расширительной камеры. Этот эффект смягчается волной блокировки портов.

Блокировка портов

Когда передача завершена, поршень находится в такте сжатия, но выпускное отверстие все еще открыто, что является неизбежной проблемой при конструкции двухтактного поршневого канала. Чтобы предотвратить выталкивание поршнем свежей смеси через открытое выпускное отверстие, сильная акустическая волна (производимая сгоранием) из камеры расширения должна прийти в начале такта сжатия. Волна блокировки порта создается за счет уменьшения диаметра камеры. Это называется сходящимся сечением (или перегородочным конусом). Исходящая акустическая волна попадает в сужающуюся сужающуюся часть и отражает назад в цилиндр серию сильных акустических импульсов. Они прибывают вовремя, чтобы заблокировать выпускное отверстие, все еще открытое в начале такта сжатия, и вытолкнуть обратно в цилиндр любую свежую смесь, вытянутую в коллектор расширительной камеры. Сходящаяся секция имеет угол от 16 до 25 градусов, в зависимости от требований.

В сочетании с акустической волной происходит общее повышение давления в камере, вызванное преднамеренным ограничением выпускного отверстия небольшой трубкой, называемой жалом , которая действует как выпускной клапан, опустошая камеру во время такта сжатия/силы, чтобы подготовить ее к следующий цикл. Длина и внутренний диаметр стингера основаны на 0,59–0,63 диаметра коллекторной трубы, а его длина равна 12-кратному диаметру, в зависимости от желаемых результатов. В хорошо спроектированной выхлопной системе общий прирост давления в любом случае намного меньше, чем при работе глушителя. Неправильный размер стингера приведет либо к плохой работе (слишком большой или слишком короткий), либо к чрезмерному нагреву (слишком маленький или слишком длинный), что приведет к повреждению двигателя.

Осложняющие факторы

Детальная работа расширительных камер на практике не так проста, как описанный выше фундаментальный процесс. Волны, движущиеся вверх по трубе, сталкиваются с расходящейся частью в обратном направлении и отражают часть своей энергии обратно. Колебания температуры в разных частях трубы вызывают отражения и изменения местной скорости звука . Иногда эти отражения вторичных волн могут препятствовать достижению желаемой цели увеличения мощности.

Полезно иметь в виду, что хотя волны пересекают всю камеру расширения в течение каждого цикла, фактические газы, покидающие цилиндр во время определенного цикла, этого не делают. Газ течет и периодически останавливается, и волна продолжается до конца трубы. Горячие газы, выходящие из порта, образуют «пробку», которая заполняет коллекторную трубу и остается там на протяжении всего цикла. Это приводит к образованию высокотемпературной зоны в напорной трубе, которая всегда заполнена самым свежим и горячим газом. Поскольку эта область более горячая, скорость звука и, следовательно, скорость волн, проходящих через нее, увеличиваются. Во время следующего цикла эта порция газа будет выталкиваться по трубе следующей пробкой, занимая следующую зону и так далее. Объем, который занимает эта «слизняк», постоянно меняется в зависимости от положения дроссельной заслонки и оборотов двигателя. Только сама энергия волны проходит через всю трубу за один цикл. Фактически газ, выходящий из трубы во время определенного цикла, был создан двумя или тремя циклами раньше. Именно поэтому отбор проб выхлопных газов на двухтактных двигателях производится с помощью специального клапана прямо в выпускном отверстии. Газ, выходящий из стингера, находился слишком долго и смешивался с газом из других циклов, что привело к ошибкам в анализе.

В расширительные камеры почти всегда встроены повороты и изгибы, позволяющие разместить их в моторном отсеке. Газы и волны ведут себя по-разному при поворотах. Волны распространяются за счет отражения и сферического излучения. Повороты приводят к потере резкости волновых форм и поэтому должны быть сведены к минимуму, чтобы избежать непредсказуемых потерь.

В расчетах при проектировании расширительных камер учитываются только первичные волновые воздействия. Обычно это довольно близко, но из-за этих усложняющих факторов могут возникать ошибки.

См. также

Ссылки

^ «История мотоциклов Suzuki: История Suzuki» . Мотоцикл.com . Архивировано из оригинала 10 марта 2011 г.
^ Оксли, Мэт (2010), «Кража скорости: крупнейший шпионский скандал в истории автоспорта» , Haynes Publishing Group , ISBN 978-1-84425-975-5
^ Форрест, Майкл. «Как работает расширительная камера» . Проверено 7 июня 2016 г.

[1] «История мотоциклов Suzuki: История Suzuki» . Мотоцикл.com . Архивировано из оригинала 10 марта 2011 г.

[2] Оксли, Мэт (2010), «Кража скорости: крупнейший шпионский скандал в истории автоспорта» , Haynes Publishing Group , ISBN 978-1-84425-975-5

[3] Форрест, Майкл. «Как работает расширительная камера» . Проверено 7 июня 2016 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]