Komora rozprężna - Expansion chamber
Na silniku dwusuwowym An komorę rozprężną i wydech jest dostrojony spalin system do zwiększenia jego energii oddawanej przez poprawę jego sprawność objętościową .
Historia
.svg)
A) Tradycyjny wyrzut ze stałym przekrojem
B) Wylot z rozbieżnym przekrojem
C) Rezonansowa komora rozprężna z komorą rozprężną, na wykresie mocy zaznaczono również wpływ zaworu zwrotnego wydechu
Komory rozprężne zostały wynalezione iz powodzeniem wyprodukowane przez Limbach, niemieckiego inżyniera, w 1938 roku, w celu oszczędzania paliwa w silnikach dwusuwowych. Niemcom brakowało benzyny, która była wtedy produkowana z przemiany węgla i ścieków. Nieoczekiwaną zaletą było to, że silniki dwusuwowe wykorzystujące tuningowane wydechy wytwarzały znacznie więcej mocy niż gdyby pracowały z normalnym tłumikiem. Po zakończeniu drugiej wojny światowej minęło trochę czasu, zanim koncepcja została ponownie opracowana przez wschodnioniemieckiego Waltera Kaadena podczas zimnej wojny . Po raz pierwszy pojawiły się na zachodzie na motocyklach japońskich po tym, jak zawodnik motocyklowy z NRD Ernst Degner zdezerterował na zachód, ścigając się dla MZ w Grand Prix Szwecji 1961. Później przekazał swoją wiedzę japońskiemu Suzuki .
Jak to działa
Gaz o wysokim ciśnieniu opuszczający cylinder początkowo płynie w postaci „ czoła fali ”, tak jak robią to wszystkie zakłócenia płynów. Spalin przeciska się do rury, która jest już zajęta przez gazu z wcześniejszych cyklów, popychając do przodu, że gaz i powodując frontu fali. Gdy przepływ gazu ustaje, fala trwa, przekazując energię do następnego gazu w dół i tak dalej do końca rury. Jeśli ta fala napotka jakąkolwiek zmianę przekroju lub temperatury , odbije część swojej siły w kierunku przeciwnym do jej ruchu. Na przykład silna fala akustyczna napotykająca wzrost powierzchni będzie odbijać słabszą falę akustyczną w przeciwnym kierunku. Silna fala akustyczna napotykająca zmniejszenie powierzchni będzie odbijać silną falę akustyczną w przeciwnym kierunku. Podstawowa zasada jest opisana w dynamice fal . Komora rozprężna wykorzystuje to zjawisko, zmieniając swoją średnicę (przekrój) i długość, aby spowodować, że odbicia wracają do cylindra w żądanym czasie cyklu.
Cykl ekspansji składa się z trzech głównych części.
Blowdown
Kiedy opadający tłok po raz pierwszy odsłania otwór wydechowy na ścianie cylindra, spaliny wypływają 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, co pozwala zachować energię fal. Ta sekcja systemu nazywana jest „rurą rozgałęźną” (długość otworu wylotowego jest uważana za część rury rozgałęźnej do celów pomiarowych). Utrzymując średnicę rury rozgałęźnej prawie na stałym poziomie, energia fali zostaje zachowana, ponieważ nie ma potrzeby rozszerzania się aż do późniejszego etapu cyklu. Przepływ opuszczający cylinder podczas większości procesu przedmuchu jest dźwiękowy lub naddźwiękowy, a zatem żadna fala nie może powrócić do cylindra wbrew temu przepływowi.
Transfer
Gdy ciśnienie spalin spadnie do poziomu zbliżonego do atmosferycznego, tłok odsłania otwory transferowe. W tym momencie energia z komory rozprężnej może być wykorzystana do wspomagania przepływu świeżej mieszanki do cylindra. W tym celu zwiększa się średnicę komory rozprężnej, tak że wychodząca fala akustyczna (wytworzona w procesie spalania) tworzy odbitą falę podciśnienia (podciśnienia), która powraca do cylindra. Ta część komory nazywana jest sekcją rozbieżną (lub dyfuzorową) i odchyla się pod kątem 7 do 9 stopni. W zależności od wymagań może składać się z więcej niż jednego rozbieżnego stożka. Fala podciśnienia dociera do cylindra podczas cyklu przenoszenia i pomaga zassać świeżą mieszankę ze skrzyni korbowej do cylindra i / lub zapobiega zasysaniu spalin do skrzyni korbowej (z powodu podciśnienia w skrzyni korbowej). Fala może jednak również wysysać świeżą mieszaninę z otworu wylotowego do głowicy komory rozprężnej. Efekt ten jest łagodzony przez falę blokującą porty.
Blokowanie portów
Kiedy przenoszenie jest zakończone, tłok znajduje się w suwie sprężania, ale port wydechowy jest nadal otwarty, co jest nieuniknionym problemem w przypadku konstrukcji dwusuwowego portu tłoka. Aby zapobiec wypychaniu przez tłok świeżej mieszanki z otwartego otworu wylotowego, silna fala akustyczna (wytwarzana przez spalanie) z komory rozprężnej jest tak ustawiona, aby nadeszła 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 zwężającą się sekcję zbieżną i odbija z powrotem silną serię impulsów akustycznych do cylindra. Przybywają na czas, aby zablokować otwór wylotowy, wciąż otwarty na początku suwu sprężania, i wypychają z powrotem do cylindra świeżą mieszankę wyciągniętą do głowicy komory rozprężnej. Zbieżna sekcja 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 żądłem , która działa jak odpowietrznik, 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 czołowej, a jego długość jest równa 12-krotności jego średnicy, w zależności od wyników, które mają być osiągnięte. W dobrze zaprojektowanym, dostrojonym układzie wydechowym, całkowity wzrost ciśnienia jest w każdym razie znacznie mniejszy niż ten wytwarzany przez tłumik. Błędny rozmiar żądła doprowadzi albo do słabych osiągów (za duży lub za krótki), albo do nadmiernego nagrzania (za mały lub za długi), co spowoduje uszkodzenie silnika.
Czynniki komplikujące
Szczegółowa obsługa komór rozprężeniowych w praktyce nie jest tak prosta, jak opisany powyżej podstawowy proces. Fale wędrujące w górę rury napotykają na odwrotną sekcję rozbieżną i odbijają część ich 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 większej mocy.
Warto pamiętać, że chociaż fale przechodzą przez całą komorę rozprężeniową w każdym cyklu, faktyczne gazy opuszczające cylinder podczas określonego cyklu nie. Gaz przepływa i zatrzymuje się w sposób przerywany, a fala kontynuuje się do końca rury. Gorące gazy opuszczające port tworzą „bryłę”, która wypełnia rurę rozgałęźną i pozostaje tam przez czas trwania tego cyklu. Powoduje to strefę wysokiej temperatury w rurze czołowej, która jest zawsze wypełniona najnowszym i najgorętszym gazem. Ponieważ ten obszar jest cieplejszy, zwiększa się prędkość dźwięku, a tym samym prędkość fal, które przez niego przechodzą. Podczas następnego cyklu ta porcja gazu zostanie popchnięta w dół rury przez następną 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 fali przechodzi przez całą rurę podczas jednego cyklu. Rzeczywisty gaz opuszczający rurę podczas określonego cyklu powstał dwa lub trzy cykle wcześniej. Dlatego pobieranie próbek spalin w silnikach dwusuwowych odbywa się za pomocą specjalnego zaworu znajdującego się bezpośrednio w wylocie wydechowym. Gaz opuszczający żądło miał zbyt długi czas przebywania i mieszał się z gazem z innych cykli, co powodowało błędy w analizie.
Komory rozprężne prawie zawsze mają wbudowane zakręty i łuki, aby dopasować ich dopasowanie do komory silnika. Gazy i fale nie zachowują się w ten sam sposób podczas napotykania zakrętów. Fale przemieszczają się dzięki odbijaniu i promieniowaniu sferycznemu. Zakręty powodują utratę ostrości kształtów fal i dlatego muszą być ograniczone do minimum, aby uniknąć nieprzewidywalnych strat.
W obliczeniach zastosowanych do projektowania komór rozprężeniowych uwzględniono tylko podstawowe oddziaływania fal. Zwykle jest to dość blisko, ale z powodu tych komplikujących czynników mogą wystąpić błędy.