В двухтактном двигателе расширительная камера или резонансная труба представляет собой настроенную выхлопную систему, используемую для повышения выходной мощности за счет улучшения объемной эффективности .
.svg/1280px-Studio_scarico_2T_(compato).svg.png)
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 том этапе производился с использованием угля и преобразования сточных вод. Неожиданным бонусом стало то, что двухтактные двигатели, использующие настроенные выхлопы, производили гораздо больше мощности, чем при работе 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 гонок за MZ на Гран-при Швеции 1961 года. Позже он передал свои знания японской Suzuki . [1] [2]
Газ высокого давления, выходящий из цилиндра, изначально течет в форме « волнового фронта », как и все возмущения в жидкостях. Выхлопной газ проталкивается в трубу, которая уже занята газом из предыдущих циклов, толкая этот газ вперед и вызывая фронт волны. Как только поток газа останавливается, волна продолжается, передавая энергию следующему газу ниже по потоку и так далее до конца трубы. Если эта волна сталкивается с каким-либо изменением поперечного сечения или температуры, она отразит часть своей силы в направлении, противоположном ее движению. Например, сильная акустическая волна, сталкиваясь с увеличением площади, отразит более слабую акустическую волну в противоположном направлении. Сильная акустическая волна, сталкиваясь 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 заставить эти отражения вернуться в цилиндр в желаемое время цикла.
Цикл расширения состоит из трех основных частей.
Когда нисходящий поршень впервые открывает выпускное отверстие на стенке цилиндра, выхлопные газы вытекают мощно из-за своего давления (без помощи расширительной камеры), поэтому диаметр/площадь по длине первой части трубы постоянны или почти постоянны с отклонением от 0 до 2 градусов, что сохраняет энергию волны. Эта часть системы называется «коллекторной трубой» (длина выпускного отверстия считается частью коллекторной трубы для целей измерения). При сохранении диаметра коллекторной трубы близким к постоянному, энергия в волне сохраняется, поскольку нет необходимости в расширении до более поздней части цикла. Поток, выходящий из цилиндра в течение большей части процесса продувки, является звуковым или сверхзвуковым, и поэтому никакая волна не может вернуться в цилиндр против этого потока.
Как только давление выхлопных газов падает до уровня, близкого к атмосферному, поршень открывает передаточные отверстия. В этот момент энергия из расширительной камеры может быть использована для содействия потоку свежей смеси в цилиндр. Для этого расширительная камера увеличивается в диаметре, так что исходящая акустическая волна (создаваемая процессом сгорания) создает отраженную волну вакуума (отрицательного давления), которая возвращается в цилиндр. Эта часть камеры называется расходящейся (или диффузорной) секцией, и она расходится на 7–9 градусов. Она может состоять из более чем одного расходящегося конуса в зависимости от требований. Вакуумная волна поступает в цилиндр во время цикла передачи и помогает всасывать свежую смесь из картера в цилиндр и/или предотвращать всасывание выхлопных газов в картер (из-за вакуума в картере). [3] Однако волна может также всасывать свежую смесь из выпускного отверстия в коллектор расширительной камеры. Этот эффект смягчается волной блокировки порта.
Когда передача завершена, поршень находится на такте сжатия, но выпускное отверстие все еще открыто, что является неизбежной проблемой при двухтактной конструкции поршневого отверстия. Чтобы предотвратить выталкивание поршнем свежей смеси из открытого выпускного отверстия, сильная акустическая волна (создаваемая сгоранием) из камеры расширения синхронизируется с поступлением в начале такта сжатия. Волна блокировки отверстия создается путем уменьшения диаметра камеры. Это называется сходящейся секцией (или перегородкой). Исходящая акустическая волна попадает в сужающуюся сходящуюся секцию и отражает обратно в цилиндр сильную серию акустических импульсов. Они поступают вовремя, чтобы заблокировать выпускное отверстие, все еще открытое в начале такта сжатия, и вытолкнуть обратно в цилиндр любую свежую смесь, втянутую в коллектор камеры расширения. Сходящаяся секция сделана так, чтобы сходиться под углом от 16 до 25 градусов, в зависимости от требований.
В сочетании с акустической волной происходит общее повышение давления в камере, вызванное преднамеренным ограничением выхода небольшой трубкой, называемой стингером , которая действует как выпускной клапан, опорожняя камеру во время такта сжатия/рабочего хода, чтобы подготовить ее к следующему циклу. Длина и внутренний диаметр стингера основаны на 0,59-0,63x диаметра коллекторной трубы, а его длина равна 12-кратному его диаметру, в зависимости от результатов, которые должны быть достигнуты. В хорошо спроектированной настроенной выхлопной системе общее повышение давления в любом случае намного меньше, чем создаваемое глушителем. Ошибочный размер стингера приведет либо к плохой работе (слишком большой или слишком короткий), либо к чрезмерному нагреву (слишком маленький или слишком длинный), что повредит двигатель.
Детальная работа расширительных камер на практике не так проста, как фундаментальный процесс, описанный выше. Волны, движущиеся обратно по трубе, сталкиваются с расходящейся секцией в обратном направлении и отражают часть своей энергии обратно. Изменения температуры в разных частях трубы вызывают отражения и изменения локальной скорости звука . Иногда эти вторичные отражения волн могут препятствовать желаемой цели большей мощности.
Полезно помнить, что хотя волны пересекают всю камеру расширения в каждом цикле, фактические газы, покидающие цилиндр во время конкретного цикла, этого не делают. Газ течет и останавливается с перерывами, а волна продолжается до конца трубы. Горячие газы, покидающие порт, образуют «затор», который заполняет коллекторную трубу и остается там в течение всего этого цикла. Это приводит к образованию высокотемпературной зоны в головной трубе, которая всегда заполнена самым свежим и горячим газом. Поскольку эта область горячее, скорость звука и, следовательно, скорость волн, проходящих через нее, увеличиваются. Во время следующего цикла этот затор газа будет проталкиваться вниз по трубе следующим затором, чтобы занять следующую зону и так далее. Объем, занимаемый этим «затором», постоянно меняется в зависимости от положения дроссельной заслонки и скорости двигателя. Только сама энергия волны пересекает всю трубу во время одного цикла. Фактический газ, покидающий трубу во время конкретного цикла, был создан двумя или тремя циклами ранее. Вот почему отбор проб выхлопных газов на двухтактных двигателях производится с помощью специального клапана прямо в выпускном отверстии. Газ, выходящий из жала, слишком долго находится в камере сгорания и смешивается с газом из других циклов, что приводит к ошибкам в анализе.
Расширительные камеры почти всегда имеют повороты и изгибы, встроенные в них для размещения в отсеке двигателя. Газы и волны ведут себя по-разному при столкновении с поворотами. Волны распространяются путем отражения и сферического излучения. Повороты вызывают потерю резкости волновых форм и поэтому должны быть сведены к минимуму, чтобы избежать непредсказуемых потерь.
Расчеты, используемые для проектирования расширительных камер, учитывают только первичные волновые воздействия. Обычно это довольно близко, но из-за этих усложняющих факторов могут возникать ошибки.