Введение
На двухтактном двигателе резонансная камера расширения, или настроенный выпускной коллектор, — это настроенная выхлопная система, используемая для повышения мощности двигателя за счет улучшения его объемной эффективности.
История
В 1938 году немецкий инженер Лимбах изобрел и успешно начал производство расширительных камер для экономии топлива в двухтактных двигателях. В Германии ощущалась нехватка бензина, который на тот момент производился из угля и путем переработки сточных вод. Неожиданным преимуществом стало то, что двухтактные двигатели с настроенными выхлопными системами развивали значительно большую мощность, чем с обычным глушителем. После окончания Второй мировой войны прошло некоторое время, прежде чем эту концепцию вновь разработал восточногерманский инженер Вальтер Кааден в период холодной войны. В западных странах они впервые появились на японских мотоциклах после того, как восточногерманский мотогонщик Эрнст Дегнер перешел на сторону Запада во время Гран-при Швеции 1961 года, выступая за MZ. Позже он передал свои знания японской компании Suzuki.
Как это работает
Высокое давление газа, выходящего из цилиндра, первоначально течет в форме "волнового фронта", как и любые возмущения в жидкостях. Выхлопные газы проталкиваются в трубу, которая уже занята газом из предыдущих циклов, выталкивая этот газ вперед и создавая волновой фронт. После прекращения потока газа, волна продолжает распространяться, передавая энергию следующему газу по потоку и так далее до конца трубы. Если эта волна встречает какое-либо изменение поперечного сечения или температуры, она отразит часть своей энергии в противоположном направлении. Например, сильная акустическая волна, встречающая увеличение площади, отразит более слабую акустическую волну в противоположном направлении. Сильная акустическая волна, встречающая уменьшение 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 эти отражения достигали цилиндра в нужный момент цикла. Цикл расширения состоит из трех основных этапов.
Взрыв
Когда опускающийся поршень впервые открывает выпускное окно на стенке цилиндра, выхлопные газы выходят с большой силой под действием давления (без помощи расширительной камеры), поэтому диаметр/площадь поперечного сечения на протяжении первой части трубы остается постоянной или почти постоянной, с расхождением от 0 до 2 градусов, что позволяет сохранить энергию волны. Этот участок системы называется "выпускным коллектором" (для измерений длина выпускного окна считается частью выпускного коллектора). Поддерживая постоянный диаметр выпускного коллектора, энергия волны сохраняется, поскольку расширение не требуется до более поздней фазы цикла. Поток, покидающий цилиндр в большинстве случаев во время продувки, является звуковым или сверхзвуковым, и поэтому ни одна волна не может распространиться обратно в цилиндр против этого потока.
Передача
Когда давление выхлопных газов снижается почти до атмосферного уровня, поршень открывает продувочные каналы. В этот момент энергия из камеры расширения может быть использована для улучшения потока свежей смеси в цилиндр. Для этого диаметр камеры расширения увеличивается, чтобы исходящая акустическая волна (созданная процессом сгорания) создавала отраженную волну разрежения (отрицательного давления), возвращающуюся в цилиндр. Эта часть камеры называется дивергентным (или диффузорным) сечением и расширяется на 7-9 градусов. В зависимости от требований она может состоять из нескольких расширяющихся конусов. Волна разрежения прибывает в цилиндр во время фазы продувки и помогает всасывать свежую смесь из картера в цилиндр и/или предотвращать попадание выхлопных газов в картер (из-за разрежения в картере). Однако эта волна также может высасывать свежую смесь из выпускного окна в коллектор камеры расширения. Этот эффект уменьшается за счет волны блокировки окна.
Блокировка портов
Когда переток завершен, поршень находится на такте сжатия, но выпускное окно все еще открыто – неизбежная проблема конструкции двухтактных двигателей с портовым продувом. Чтобы предотвратить выталкивание поршнем свежей смеси через открытое выпускное окно, мощная акустическая волна (генерируемая сгоранием) из резонансной камеры настроена на прибытие в начале такта сжатия. Волна, блокирующая выпускное окно, создается за счет уменьшения диаметра камеры. Эта часть называется сужающим сечением (или диффузором). Исходящая акустическая волна сталкивается с сужающимся сечением и отражается обратно в цилиндр в виде серии мощных акустических импульсов. Они прибывают вовремя, чтобы перекрыть все еще открытое выпускное окно в начале такта сжатия и вернуть обратно в цилиндр любую свежую смесь, вытянутую в головную часть резонансной камеры. Сужающее сечение спроектировано таким образом, 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 намеренным ограничением выходного отверстия небольшой трубкой, называемой "стингер", которая действует как продувочный клапан, опустошая камеру во время тактов сжатия/рабочего хода, чтобы подготовить ее к следующему циклу. Длина и внутренний диаметр стингера определяются как 0,59–0,63 от диаметра головной трубы, а его длина равна 12 его диаметрам, в зависимости от желаемых результатов. В хорошо спроектированной и настроенной выхлопной системе общее увеличение давления в любом случае значительно меньше, чем создаваемое глушителем. Неправильный подбор размеров стингера приведет либо к снижению производительности (слишком большой или слишком короткий), либо к перегреву (слишком маленький или слишком длинный), что может повредить двигатель.
Осложняющие факторы
Детальная работа камер расширения на практике не так проста, как фундаментальный процесс, описанный выше. Волны, движущиеся обратно по трубе, встречают расширяющийся участок в обратном направлении и отражают часть своей энергии обратно. Изменения температуры в различных частях трубы вызывают отражения и изменения локальной скорости звука. Иногда эти вторичные отражения волн могут препятствовать достижению желаемого увеличения мощности. Важно помнить, что, хотя волны проходят через всю камеру расширения в течение каждого цикла, фактические газы, выходящие из цилиндра в течение конкретного цикла, не проходят через нее. Газ течет и останавливается прерывисто, а волна продолжает распространяться к концу трубы. Горячие газы, выходящие из выпускного окна, образуют "затор", который заполняет головную трубу и остается там на протяжении этого цикла. Это создает зону высокой температуры в головной трубе, которая всегда заполнена самым свежим и горячим газом. Поскольку эта область горячее, скорость звука и, следовательно, скорость волн, проходящих через нее, увеличивается. В следующем цикле этот затор газа будет вытолкнут вниз по трубе следующим затором, занимая следующую зону и так далее. Объем, занимаемый этим "затором", постоянно меняется в зависимости от положения дроссельной заслонки и оборотов двигателя. Только сама энергия волны проходит через всю трубу в течение одного цикла. Фактический газ, выходящий из трубы в течение определенного цикла, образовался два или три цикла назад. Именно поэтому отбор проб выхлопных газов в двухтактных двигателях производится специальным клапаном непосредственно в выпускном окне. Газ, выходящий из наконечника, провел слишком много времени в системе и смешался с газами из других циклов, что приводит к ошибкам в анализе. Камеры расширения почти всегда имеют повороты и изгибы, встроенные в их конструкцию для обеспечения их установки в моторном отсеке. Газы и волны ведут себя по-разному при встрече с поворотами. Волны распространяются посредством отражений и сферического излучения. Повороты приводят к снижению четкости волновых форм, поэтому их необходимо минимизировать, чтобы избежать непредсказуемых потерь. Расчеты, используемые для проектирования камер расширения, учитывают только действия первичных волн. Обычно это достаточно точно, но ошибки могут возникать из-за этих усложняющих факторов.