Komora rozprężna
W silniku dwusuwowym komora rozprężna lub dostrojona rura to dostrojony układ wydechowy stosowany w celu zwiększenia mocy wyjściowej poprzez poprawę wydajności objętościowej .
Historia
.svg)
Bezpośrednie porównanie różnych typów wydechów dla silnika dwusuwowego, po lewej stronie silnik i jego wydech, pośrodku krzywe przebiegu ciśnień (ciśnienie efektywne w atmosferach) do króćca wydechowego (obszar detekcji zaznaczony na czerwony), po prawej krzywe mocy różnych drenów. A) Wydmuch tradycyjny o przekroju stałym B) Wylot o przekroju rozbieżnym C) Rezonansowa komora rozprężna z komorą rozprężeniową, na wykresie mocy zaznaczono również wpływ zaworu zwrotnego wydechu
Komory rozprężne zostały wynalezione i z powodzeniem wyprodukowane przez niemieckiego inżyniera Limbacha w 1938 roku w celu oszczędzania paliwa w silnikach dwusuwowych. W Niemczech brakowało benzyny, która była wówczas produkowana z przeróbki węgla i ścieków. Nieoczekiwanym dodatkiem było to, że silniki dwusuwowe wykorzystujące dostrojone wydechy wytwarzały znacznie większą moc niż w przypadku pracy z normalnym tłumikiem. Po zakończeniu drugiej wojny światowej minęło trochę czasu, zanim koncepcja została ponownie rozwinięta przez wschodnioniemieckiego Waltera Kaadena w okresie zimnej wojny . Po raz pierwszy pojawili się na zachodzie na japońskich motocyklach po tym, jak motocyklista z NRD Ernst Degner uciekł na zachód, ścigając się dla MZ w Grand Prix Szwecji w 1961 roku. Później przekazał swoją wiedzę japońskiemu Suzuki .
Jak to działa
pod wysokim ciśnieniem opuszczający cylinder przepływa początkowo w postaci „ czoła fali ”, jak wszystkie zaburzenia w płynach. Spaliny przepychają się do rury, która jest już zajęta przez gaz z poprzednich cykli, popychając ten gaz do przodu i powodując powstanie czoła fali . Gdy przepływ gazu ustanie, fala trwa nadal, przekazując energię do następnego gazu w dół strumienia i tak dalej, aż do końca rury. Jeśli ta fala napotka jakąkolwiek zmianę przekroju poprzecznego lub temperatury , odbije część swojej siły w kierunku przeciwnym do jej ruchu. Na przykład silna fala akustyczna, która napotka wzrost powierzchni, będzie odbijać słabszą falę akustyczną w przeciwnym kierunku. Silna fala akustyczna napotykająca na zmniejszenie powierzchni będzie odbijać silną falę akustyczną w przeciwnym kierunku. Podstawowa zasada jest opisana w dynamice fal . Komora rozprężeniowa wykorzystuje to zjawisko, zmieniając swoją średnicę (przekrój poprzeczny) i długość, aby spowodować powrót tych odbić do cylindra w pożądanym momencie cyklu.
Istnieją trzy główne części cyklu ekspansji.
Wydmuch
Kiedy opadający tłok po raz pierwszy odsłania otwór wydechowy na ściance cylindra, wydech wypływa silnie z powodu jego ciśnienia (bez pomocy komory rozprężnej), więc średnica / powierzchnia na długości pierwszej części rury jest stała lub bliska stała z rozbieżnością od 0 do 2 stopni, która zachowuje energię fal. Ta część układu nazywana jest „rurą rozgałęźną” (długość otworu wydechowego jest uważana za część rury rozgałęźnej do celów pomiarowych). Utrzymując prawie stałą średnicę rury rozgałęźnej, energia fali zostaje zachowana, ponieważ rozszerzanie nie jest potrzebne aż do późniejszej części cyklu. Przepływ opuszczający cylinder podczas większości procesu odmulania jest dźwiękowy lub naddźwiękowy, a zatem żadna fala nie może wrócić do cylindra pod prąd tego przepływu.
Przenosić
Gdy ciśnienie spalin spadnie do poziomu zbliżonego do atmosferycznego, tłok odsłania porty przesyłowe. W tym momencie energia z komory rozprężania może być wykorzystana do wspomagania przepływu świeżej mieszanki do cylindra. W tym celu zwiększa się średnicę komory rozprężeniowej, tak że wychodząca fala akustyczna (powstająca w procesie spalania) tworzy odbitą falę podciśnienia (ujemnego ciśnienia), która powraca do cylindra. Ta część komory nazywana jest sekcją rozbieżną (lub dyfuzorową) i rozchodzi się pod kątem 7 do 9 stopni. Może składać się z więcej niż jednego rozbieżnego stożka w zależności od wymagań. Fala podciśnienia dociera do cylindra podczas cyklu przenoszenia i pomaga zassać świeżą mieszankę ze skrzyni korbowej do cylindra i/lub zapobiega zasysaniu gazów spalinowych do skrzyni korbowej (z powodu podciśnienia w skrzyni korbowej). Jednak fala może również zasysać świeżą mieszankę przez otwór wylotowy do głowicy komory rozprężnej. Efekt ten jest łagodzony przez falę blokującą porty.
Blokowanie portu
Po zakończeniu przenoszenia tłok znajduje się w suwie sprężania, ale otwór wylotowy jest nadal otwarty, co jest nieuniknionym problemem w konstrukcji portu tłoka dwusuwowego. Aby zapobiec wypchnięciu przez tłok świeżej mieszanki przez otwarty otwór wylotowy, silna fala akustyczna (wytwarzana przez spalanie) z komory rozprężania jest ustawiana tak, aby dotarła na początku suwu sprężania. Fala blokująca port powstaje poprzez zmniejszenie średnicy komory. Nazywa się to sekcją zbieżną (lub stożkiem przegrody). Wychodząca fala akustyczna uderza w zwężający się odcinek zbieżny i odbija serię silnych impulsów akustycznych z powrotem do cylindra. Przybywają na czas, aby zablokować otwór wylotowy, wciąż otwarty na początku suwu sprężania, i wpychają z powrotem do cylindra każdą świeżą mieszankę wciągniętą do głowicy komory rozprężnej. Sekcja zbieżna jest zbieżna pod kątem 16 do 25 stopni, w zależności od wymagań.
W połączeniu z falą akustyczną następuje ogólny wzrost ciśnienia w komorze spowodowany celowym ograniczeniem wylotu małą rurką zwaną stingerem, która działa jak upust, opróżniając komorę podczas suwu sprężania/mocy, aby była gotowa do następny cykl. Długość żądła i średnica wewnętrzna są oparte na 0,59 do 0,63x średnicy rury kolektora, a jego długość jest równa 12-krotności jego średnicy, w zależności od wyników, które mają zostać osiągnięte. W dobrze zaprojektowanym, wyregulowanym układzie wydechowym całkowity wzrost ciśnienia jest w każdym przypadku znacznie mniejszy niż ten wytwarzany przez tłumik. Błędne dobranie rozmiaru stingera doprowadzi albo do słabych osiągów (za duże lub za krótkie) albo do nadmiernego nagrzewania się (za małe lub za długie), co spowoduje uszkodzenie silnika.
Czynniki komplikujące
Szczegółowa obsługa komór rozprężnych w praktyce nie jest tak prosta, jak podstawowy proces opisany powyżej. Fale przemieszczające się z powrotem w górę rury napotykają rozbieżną sekcję w odwrotnej kolejności i odbijają część swojej energii z powrotem. Wahania temperatury w różnych częściach rury powodują odbicia i zmiany lokalnej prędkości dźwięku . Czasami te wtórne odbicia fal mogą hamować pożądany cel, jakim jest większa moc.
Warto pamiętać, że chociaż fale przechodzą przez całą komorę rozprężania w każdym cyklu, rzeczywiste gazy opuszczające cylinder podczas określonego cyklu nie. Gaz przepływa i zatrzymuje się z przerwami, a fala trwa do końca rury. Gorące gazy opuszczające port tworzą „ślimak”, który wypełnia rurę kolektora i pozostaje tam przez czas trwania tego cyklu. Powoduje to powstanie strefy wysokiej temperatury w rurze czołowej, która jest zawsze wypełniona najnowszym i najgorętszym gazem. Ponieważ obszar ten jest cieplejszy, prędkość dźwięku, a tym samym prędkość fal, które przez niego przechodzą, wzrasta. Podczas następnego cyklu ta porcja gazu zostanie zepchnięta w dół rury przez kolejną porcję, aby zająć następną strefę i tak dalej. Objętość, jaką zajmuje ten „ślimak”, stale zmienia się w zależności od położenia przepustnicy i prędkości obrotowej silnika. Tylko sama energia fal przechodzi przez całą rurę podczas jednego cyklu. Rzeczywisty gaz opuszczający rurę podczas określonego cyklu powstał dwa lub trzy cykle wcześniej. Właśnie dlatego pobieranie próbek spalin w silnikach dwusuwowych odbywa się za pomocą specjalnego zaworu znajdującego się bezpośrednio w króćcu wydechowym. Gaz opuszczający stinger przebywał zbyt długo i mieszał się z gazem z innych cykli, powodując błędy w analizie.
Komory rozprężne prawie zawsze mają wbudowane zakręty i krzywizny, aby dopasować je do komory silnika. Gazy i fale nie zachowują się w ten sam sposób podczas napotykania zakrętów. Fale przemieszczają się poprzez promieniowanie odbijające i sferyczne. Zakręty powodują utratę ostrości kształtów fali i dlatego muszą być ograniczone do minimum, aby uniknąć nieprzewidywalnych strat.
Obliczenia użyte do zaprojektowania komór rozprężeniowych uwzględniają tylko działania fal pierwotnych. Zwykle jest to dość bliskie, ale z powodu tych komplikujących czynników mogą wystąpić błędy.