Камера расширения - Expansion chamber

Скутер выхлоп с расширительной камерой и глушителем

На двухтактный двигатель, камера расширения или же настроенная труба это настроенный выхлоп система, используемая для улучшения мощность выход за счет улучшения объемная эффективность.

История

Прямое сравнение между различными типами выхлопных газов для двухтактного двигателя, слева вы можете видеть двигатель и его выхлоп, в центре кривые изменения давления (эффективное давление в атмосферах) в выхлопном отверстии (область обнаружения выделена на красный), справа кривые мощности различных стоков.
А) Традиционный слив с постоянным сечением
Б) Разряд с расходящимся участком
C) Резонансная расширительная камера с расширительной камерой, на графике мощности также подчеркивается влияние клапана обратного давления выхлопных газов.

Камеры расширения 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 очистки сточных вод. Неожиданным бонусом было то, что двухтактные двигатели с настроенными выхлопами производили гораздо большую мощность, чем при работе с обычным глушителем. После окончания Второй мировой войны прошло некоторое время, прежде чем концепция была переработана. Восточногерманский Вальтер Кааден вовремя Холодная война. Впервые они появились на западе на японских мотоциклах после восточногерманского мотогонщика. Эрнст Дегнер сбежал на запад во время гонок за MZ в Гран-при Швеции 1961 года. Позже он передал свои знания в Японию. Сузуки.^[1]^[2]

Как это устроено

Высота давление газ, выходящий из баллона, первоначально течет в виде "волновой фронт "как и все возмущения в жидкостях. выхлопной газ проталкивается в трубу, которая уже занята газом из предыдущих циклов, выталкивая этот газ вперед и вызывая фронт волны. Как только поток газа прекращается, волна продолжается, передавая энергию следующему газу вниз по потоку и так далее до конца трубы. Если эта волна встретит какое-либо изменение в поперечное сечение или же температура он будет отражать часть своей силы в направлении, противоположном его движению. Например, сильная акустическая волна, встречая увеличенную площадь, будет отражать более слабую акустическую волну в противоположном направлении. Сильная акустическая волна, встречая уменьшение площади, будет отражать сильную акустическую волну в противоположном направлении. Основной принцип описан в волновая динамика. Расширительная камера использует это явление, изменяя ее диаметр (поперечное сечение) и длину, чтобы эти отражения приходили обратно на цилиндр в желаемое время цикла.

Цикл расширения состоит из трех основных частей.

Продувка

Когда нисходящий поршень сначала обнажает выхлопное отверстие на стенке цилиндра, выхлопные газы выходят мощно за счет 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). Благодаря поддержанию диаметра коллекторной трубы почти постоянным, энергия волны сохраняется, поскольку расширение не требуется до более поздних этапов цикла. Поток, покидающий цилиндр во время большей части процесса продувки, является звуковым или сверхзвуковым, и поэтому никакая волна не может возвращаться в цилиндр против этого потока.

Передача

Как только давление выхлопных газов упадет до уровня, близкого к атмосферному, поршень открывает передаточные отверстия. В этот момент энергия из камеры расширения может использоваться для облегчения потока свежей смеси в цилиндр. Для этого расширительную камеру увеличивают в диаметре, чтобы выходящая акустическая волна (создаваемая в процессе сгорания) создавала отраженную волну вакуума (отрицательного давления), которая возвращается в цилиндр. Эта часть камеры называется расходящейся (или диффузорной) секцией, и она расходится под углом от 7 до 9 градусов. В зависимости от требований он может состоять из более чем одного расходящегося конуса. Вакуумная волна приходит 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 разрежения в картере).^[3] Однако волна может также засасывать свежую смесь из выпускного отверстия в коллектор камеры расширения. Этот эффект смягчается волной блокировки портов.

Блокировка порта

Когда передача завершена, поршень находится в такте сжатия, но выпускной канал все еще открыт, что является неизбежной проблемой с конструкцией двухтактного поршневого порта. Чтобы предотвратить выталкивание поршнем свежей смеси через открытое выпускное отверстие, сильная акустическая волна (создаваемая сгоранием) из камеры расширения должна прибыть в начале такта сжатия. Волна блокировки порта создается за счет уменьшения диаметра камеры. Это называется сходящейся секцией (или перегородкой). Уходящая акустическая волна попадает в сужающуюся сужающуюся секцию и отражается обратно в цилиндр сильной серией акустических импульсов. Они прибывают 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. Конвергентная секция может сходиться под углом от 16 до 25 градусов, в зависимости от требований.

В сочетании с акустической волной в камере происходит общий рост давления, вызванный преднамеренным ограничением выпускного отверстия небольшой трубкой, называемой жало, который действует как дренаж, опорожняя камеру во время такта сжатия / увеличения мощности, чтобы она была готова к следующему циклу. Длина и внутренний диаметр стингера основаны на 0,59–0,63 диаметра коллекторной трубы, а его длина равна 12 диаметрам, в зависимости от результатов, которые должны быть достигнуты. В хорошо спроектированной выхлопной системе общее повышение давления в любом случае намного меньше, чем в глушителе. Неправильный размер стингера приведет либо к снижению производительности (слишком большое или слишком короткое), либо к чрезмерному нагреву (слишком маленькому или слишком длинному), что приведет к повреждению двигателя.

Осложняющие факторы

Подробная работа камер расширения на практике не так проста, как описанный выше основной процесс. Волны, движущиеся обратно по трубе, сталкиваются с расходящейся секцией в обратном направлении и отражают часть своей энергии обратно. Колебания температуры в разных частях трубы вызывают отражения и изменения локальных скорость звука. Иногда эти вторичные отражения волн могут препятствовать достижению желаемой цели увеличения мощности.

Полезно иметь в виду, что, хотя волны проходят через 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 в течение всего цикла. Это вызывает высокотемпературную зону в головной трубе, которая всегда заполнена самым свежим и самым горячим газом. Поскольку эта область более горячая, скорость звука и, следовательно, скорость проходящих через нее волн увеличивается. Во время следующего цикла эта пробка газа будет вытолкнута по трубе следующей пробкой, чтобы занять следующую зону и так далее. Объем, который занимает эта «пробка», постоянно меняется в зависимости от положения дроссельной заслонки и частоты вращения двигателя. Только энергия самой волны проходит через всю трубу за один цикл. Фактический газ, покидающий трубу во время определенного цикла, был создан двумя или тремя циклами ранее. Вот почему отбор проб выхлопных газов на двухтактных двигателях производится с помощью специального клапана прямо в выхлопном отверстии. Газ, выходящий из стингера, слишком долго удерживался и смешивался с газом из других циклов, что привело к ошибкам в анализе.

Камеры расширения почти всегда имеют встроенные повороты и изгибы, чтобы приспособиться к их размещению в моторном отсеке. Газы и волны ведут себя по-разному при встрече с поворотами. Волны распространяются за счет отраженного сферического излучения. Повороты вызывают потерю резкости формы волны и поэтому должны быть сведены к минимуму, чтобы избежать непредсказуемых потерь.

Расчеты, используемые при проектировании камер расширения, учитывают только первичные волновые воздействия. Обычно это довольно близко, но из-за этих усложняющих факторов могут возникать ошибки.