Кіріспе

Екі такты қозғалтқышта, кеңейту камерасы немесе реттелген құбыр – көлемдік тиімділігін жақсарту арқылы қуатын арттыруға арналған реттелген эгзосты жүйе.

Тарих

1938 жылы неміс инженері Limbach екі тактілі қозғалтқыштарда отынды үнемдеу мақсатында кеңейту камераларын ойлап тапты және сәтті өндірді. Германияда бензин тапшылығы күшейді, ол кезде бензин көмір мен канализациялық суды өңдеу арқылы алынатын. Күтпеген пайдасы - реттелген эгзосты (қанау түтікшесі) пайдаланған екі тактілі қозғалтқыштар, қарапайым глушителмен жұмыс істегенге қарағанда әлдеқайда көп қуат өндірді. Екінші дүниежүзілік соғыс аяқталғаннан кейін, суық соғыс кезінде бұл идеяны Шығыс Германияның Уолтер Каден жаңадан өңдеді. Олар алғаш рет батыста жапондық мотоциклдерде пайда болды, ал бұрын шығыс неміс мотоспортшысы Эрнст Дегнер 1961 жылы Швеция Гран-присінде MZ командасы үшін жарыс кезінде батысқа қашып кеткен болатын. Кейіннен ол өз білімін Жапонияның Suzuki компаниясына берді.

Қалай жұмыс істейді

Бастапқыда цилиндрден шығатын жоғары қысымды газ, барлық сұйықтардағы бұзылыстар сияқты, "толқын фронты" түрінде ағылады. Қа шығарылған газ бұрынғы циклдардан қалған газбен толтырылған құбырға еніп, осы газды алға итеріп, толқын фронтын тудырады. Газ ағысы тоқтағаннан кейін, толқын энергияны келесі газға жеткізе береді, осылайша құбырдың соңына дейін жалғасады. Егер бұл толқын қимасы немесе температурасы өзгеретін болса, оның күшінің бір бөлігі қозғалыс бағытына қарама-қарсы бағытта кері шағылысады. Мысалы, ауданы ұлғайған жерге шағылысқан күшті дыбыстық толқын кері бағытта әлсіз дыбыстық толқынды тудырады. Ал ауданы кішірейген жерге шағылысқан күшті дыбыстық толқын кері бағытта күшті дыбыстық толқынды тудырады. Бұл негізгі принцип толқын динамикасында сипатталған. Кеңейту камерасы осы құбылысты пайдаланып, диаметрін (кесе қимасын) және ұзындығын өзгерту арқылы шағылысқан толқындарды циклдің қажетті уақытында цилиндрге қайтаруға мүмкіндік береді. Кеңейту циклының үш негізгі кезеңі бар.

Жарылыс

Төменгі поршень цилиндр қабырғасындағы шығару тесігін алғаш ашқанда, шығару газы өзінің қысымымен (кеңейту камерасының көмегінсіз) күшті ағып шығады. Сондықтан, құбырдың алғашқы бөлігінің ұзындығы бойындағы диаметрі/ауданы тұрақты немесе дерлік тұрақты болады, 0-ден 2 градусқа дейінгі бұрылыс толқын энергиясын сақтайды. Жүйенің бұл бөлігі "қабылдағыш құбыр" деп аталады (өлшеу мақсатында, шығару тесігінің ұзындығы қабылдағыш құбырдың бір бөлігі болып есептеледі). Қабылдағыш құбырдың диаметрін тұрақты ұстау арқылы толқын энергиясы сақталады, себебі циклдің кейінгі кезеңдеріне дейін кеңейтудің қажеті жоқ. Цилиндрден шығатын ағын, көбінесе, тазарту процесі кезінде дыбыстық немесе одан да жоғары жылдамдықпен өтеді, сондықтан ешқандай толқын сол ағынға қарсы цилиндрге кері қайта алмайды.

Ауыстыру

Шығарылатын газдың қысымы атмосфералық деңгейге жақын төмендегеннен кейін поршень ауыстыру тесіктерін ашады. Осы кезде кеңейту камерасының энергиясын жаңа қоспаның цилиндрге ағылуына көмектесу үшін пайдалануға болады. Мұны істеу үшін кеңейту камерасының диаметрі ұлғайтылады, сонда жағу процесінде пайда болатын шығатын дыбыстық толқын цилиндрге қайта оралатын шағылысқан вакуумдық (терiс қысымды) толқын тудырады. Камераның бұл бөлігі дивергенттік (немесе диффузорлық) бөлім деп аталады және ол 7-9 градусқа кеңейеді. Қажеттілікке қарай ол бірнеше дивергенттік конустан тұруы мүмкін. Вакуумдық толқын ауыстыру циклы кезінде цилиндрге келіп, жаңа қоспаны картерден цилиндрге соруға көмектеседі және/немесе картердегі вакуумның салдарынан түтін газдарының картерге сорылуын болдырмайды. Дегенмен, бұл толқын жаңа қоспаны шығару тесігінен кеңейту камерасының коллекторына сорып алуы мүмкін. Бұл әсер тесік тоқтату толқынымен азайтылады.

Порт блоктауы

Ауыстыру аяқталған кезде поршень қысым соққысында болады, бірақ шығару порты әлі де ашық, бұл екі тактілі поршеньдік жүйенің қажетсіз жағдайы. Пистонның жаңа қоспаны ашық шығару порты арқылы шығарып жібермеу үшін, кеңейту камерасынан туындаған күшті акустикалық толқын (жану нәтижесінде пайда болған) қысым соққысының басында келуі тиіс. Портты жабатын толқын камераның диаметрін кішірету арқылы жасалады. Бұл конвергентті бөлім (немесе баффл конусы) деп аталады. Сыртқа шығатын акустикалық толқын тартылған конвергентті бөлімге соғылып, цилиндрге күшті акустикалық импульстарды қайтарады. Олар қысым соққысының басында әлі де ашық болатын шығару портын жабу үшін және кеңейту камерасының түтігіне тартылған жаңа қоспаны цилиндрге кері итеру үшін уақытында жетеді. Конвергентті бөлімнің бұрышы талаптарға байланысты 16-дан 25 градусқа дейін болады. Акустикалық толқынмен бірге, кішкентай түтікпен (стингер) шығысты қасақана шектеу арқылы камерадағы қысымның жалпы көтерілуі байқалады, ол қан кездіруші ретінде әрекет етеді, келесі циклге дайын болу үшін қысым/қуат соққысы кезінде камераны босатады. Стингердің ұзындығы және ішкі диаметрі түтік диаметрінің 0,59-дан 0,63 есесіне дейін, ал ұзындығы диаметрінің 12 есесіне тең, нәтижеге қарай өзгеріп отырады. Дұрыс жасалған, реттелген эгзосты жүйесіндегі қысымның жалпы өсуі, әдетте, глушительдегі қысымнан әлдеқайда төмен болады. Стингердің дұрыс емес өлшемдері нашар жұмыс істеуге (өте үлкен немесе тым қысқа) немесе қозғалтқышты зақымдайтын артық қызуға (өте кішкентай немесе тым ұзын) әкелуі мүмкін.

Күрделі факторлар

Кеңейту камераларының нақты жұмыс істеуі жоғарыда сипатталған негізгі процесс сияқты тікелей емес. Құбырдың бойымен кері қарай қозғалған толқындар, кері бағыттағы кеңейтілген бөлікке соқтығысып, энергиясының бір бөлігін кері қайтарады. Құбырдың әртүрлі бөліктеріндегі температураның өзгеруі дыбыстың жергілікті жылдамдығының өзгеруіне және толқындардың кері шағылысуына себеп болады. Кейде осы екіншілік толқын шағылысулары күтілген қуаттың артуына кедерілтеу жасайды. Толқындар әр циклде кеңейту камерасының бойымен өтетінін, бірақ цилиндрден шыққан газдардың нақты бір циклде осылай өте бермейтінін есте ұстаған жөн. Газ үзіліс-үзіліс ағып, тоқтап, ал толқын құбырдың соңына дейін жалғаса береді. Порттан шыққан ыстық газдар "қорытындама" (slug) құрайды, ол бас құбырды толтырады және сол циклдің соңына дейін сонда қалады. Бұл бас құбырдағы жоғары температуралы аймақты құрайды, ол әрқашан ең соңғы және ең ыстық газбен толтырылады. Бұл аймақ қызғандықтан дыбыстың жылдамдығы, сонымен қатар осы аймақтан өтетін толқындардың жылдамдығы артады. Келесі циклде газдың бұл қорытындамасы келесі қорытындамамен құбырдың бойымен төмен итеріліп, келесі аймақты иеленеді, осылай жалғаса береді. Бұл "қорытындаманың" көлемі газдың ашылу дәрежесіне және қозғалтқыштың айналу жылдамдығына байланысты үнемі өзгереді. Бір циклде құбырдың бойымен тек толқын энергиясы ғана өтеді. Нақты газдың бір циклде құбырдан шығуы екі немесе үш цикл бұрын болған. Сондықтан екі тактілі қозғалтқыштарда газды сынау үшін арнайы клапанды шығару портында қолдану қажет. "Стингерден" шыққан газдың тым ұзақ уақыт сақталуы және басқа циклдардан шыққан газбен араласуы талдау қателіктеріне әкелуі мүмкін. Кеңейту камераларының құрылымында оларды қозғалтқыш бөліміне орналастыруға мүмкіндік беру үшін көбінесе бұрылыстар мен қисықтар болады. Газдар мен толқындар бұрылыстармен кездескенде әртүрліше әрекет етеді. Толқындар шағылысу және сфералық сәулелену арқылы таралады. Бұрылыстар толқын пішіндерінің қатаңдығын азайтады, сондықтан болжамсыз шығындарды болдырмау үшін оларды ең аз деңгейде ұстау керек. Кеңейту камераларын жобалауда қолданылатын есептеулер тек негізгі толқын әрекеттерін ескереді. Бұл көбінесе жақын нәтиже береді, бірақ осы қиын факторларға байланысты қателер туындауы мүмкін.