Работа двухтактного выхлопа с расширительным баком

Вы, очевидно, знаете, что изменение формы выхлопных труб на вашем двухтактном мотоцикле может иметь заметный эффект на характеристике мощности двигателя, но знаете ли Вы почему это происходит ?

Если объяснить просто, это происходит потому, что обычно двухтактная система выпуска использует волны давления от так называемого «расширительного бачка» (expansion chamber), которые исходят от камеры сгорания, чтобы ещё эффективнее наполнять цилиндры двухтактного мотора.

Расширительные бачки в глушителе установлены так, чтобы использовать энергию звуковых волн, образующихся в процессе сгорания топлива. Сначала, в процессе выпуска из цилиндра отработанных газов, свежая порция воздушно - бензиновой смеси, известная как «зарядка» (charge), втягивается не только в цилиндр, но и непосредственно в расширительный бачок. А затем вся эта зарядка возвращается обратно в цилиндр, заполняя этот цилиндр с большим давлением смеси, чем это могло быть достигнуто при простом вводе через впускной канал из открытой атмосферы. Это явление первым было обнаружено в 1950 году Уолтером Кааденом, который работал восточногерманской компании MZ. Кааден понял, что причиной этого эффекта была энергия звуковых волн, поступающих из системы выпуска, и тем самым открыл совершенно новую область в теории работы двухтактных моторов и способ их настройки.

Выпускной канал двигателя можно представить себе как звуковой генератор. Каждый раз, когда поршень раскрывает впускной канал, и который закрывает цилиндр за два такта, импульс выхлопных газов, вылетающих из выпускного канала создает положительную волну давления, которая исходит от выпускного канала. Частотой этого звука и будет именно та самая частота, с какой вращается сам двигатель. А так как он делает 8000 оборотов в минуту, то и производит звук выхлопа 8000 раз в минуту или 133 раза в секунду, и следовательно, полная длина расширительного бачка зависит именно от оборотов мотора, которые имеет в данный момент, а не от места его расположения.

Конечно, эти волны не движутся во всех направлениях, с тех пор как для этого есть труба, приложенная к выпускному каналу мотора. Раньше двухтактные моторы имели прямые трубы, просто обычные длинные трубы, присоединенные выпускному каналу. Это создавало единственную «отрицательную» волну, которая помогала выпускать отработанные выхлопные газы из цилиндра. Так как звуковые волны начинают своё обратное движение от конца выпускной трубы к её началу со скоростью звука, то полезный эффект их присутствия проявлялся только в маленьком диапазоне оборотов мотора. В том случае, когда возвращение отрицательной волны от конца выпускного канала попадало нужное время. При слишком низких оборотах, волна возвращалась бы слишком рано, блокируя канал выхлопа. А при слишком высоких оборотах, поршень проходил бы по уже цилиндру достаточно далеко, так что успевал закрыть выпускной канал. Снова результат оказывался отрицательным.

Действительно, единственное преимущество этой простой системы трубы состояло в том, что её можно было легко настроить. Вы просто начинали с длинной трубы, и постепенно резали её, пока двигатель не работал лучше всего на частоте вращения, которая Вам более всего необходима.

Так после анализа этого процесса укорочения системы прямой выпускной трубы, настройщики поняли две основных вещи. Первое, эти, образующиеся волны давления могли быть созданы для того, чтобы помогать вытягивать отработанные газы из цилиндра, и второе, что скорость движения этих волн является более или менее постоянной, хотя это и немного зависит от температуры воздуха. Более высокие температуры подразумевают, что молекулы воздуха имеют больше энергии и, следовательно, двигаются быстрее, иными словами можно сказать, что звуковые волны двигаются быстрее, когда воздух более теплый.

Фактор усложнения здесь в том, что изменения в форме выпускной трубы вызывает отражения, или изменения в звуковых волнах. Именно там, где труба возрастает в диаметре, и будут образовываться звуковые волны, которые будут отражаться назад к началу выпускной трубы. Эти волны будут двигаться навстречу первоначальным волнам, от которых они отразились, так что они тоже будут отрицательными волнами давления. А следующим важным открытием было то, что постепенное увеличение диаметра трубы создавало более полезные отрицательные волны, которые возникали для того, чтобы более эффективно помогать удалению отработавших газов и полностью выводить их из цилиндра.

Это добавление расходящейся трубы, которую обычно называют «мегафоном» (Megaphones), т.е. двухтактной трубой, помогающей получить полезную дополнительную мощность. Установка расходящегося конуса в конце прямой трубы удлиняет волну волны возвращения, расширяет диапазон мощности и приводит к мысли о создании простейшего расширительного бачка.

Так, вот время чтобы подвести итог. Когда отрицательная волна достигает впускного канала в правильное время, то она будет вытягивать некоторое количество из выхлопных газов цилиндра, помогая двигателю удалять наружу его отработанные выхлопные газы. А размещение расходящегося конуса в конце прямой «главной» трубы расширяет диапазон волн возвращения. Такая возвращающаяся отрицательная волна не как сильна, но она более длинная, так что она имеет наиболее вероятную возможность найти впускной канал открытым и будет способна вывести выхлопные газы. Как и в случае с простыми прямыми трубами, в этом полная длина трубы с расходящимся конусом также определяет выбор времени импульсов возвращения и поэтому частоту вращения двигателя, при которой эти волны являются эффективными. Критические размеры расходящегося конуса - это расстояние от его начала, расстояние от впускного канала до начала расходящегося конуса называют «главной» трубой, длина мегафона, а также место, с которого он начинает своё отклонение от прямой трубы, что и определяет интенсивность и длину волны возвращения. Короткая труба, которая отклоняется под острым углом от главной трубы, дает в трубе более сильный и более прямой импульс. Наоборот, длинный, постепенный расходящийся конус создает меньший импульс, но с более длительным временем действия.

Кроме того, такая отрицательная волна также достаточно сильна, чтобы помогать втянуть свежую смесь бензина с воздухом через впускной канал. Добавление расходящегося конуса на главную трубу создало большие преимущества для настройки, но этиж создавала ограничения, так как более широкая отрицательная волна от мегафона все же могла еще приходить слишком рано или рано затянуть свежую смесь из цилиндра. И это и было проблемой, с которой Уолтер Кааден столкнулся на заводе фирмы MZ. Он пришел к выводу, что размещение другого конуса, полностью повернутого назад, так чтобы сходиться в конце первой расходящейся трубы отразит положительные волны назад в трубу. Эти положительные волны следовали бы за отрицательными волнами назад к выпускному каналу, и если всё должным образом рассчитано, то они наполнят цилиндр свежей смесью, которую затянут в выпускную трубу. Эти волны возвратят смесь обратно через выпускной канал, именно в тот момент, когда поршень уже закрыл впуск. Кааден немедленно понял, что это ещё большое увеличение мощности, и так был рожден расширительный бачок.

В дополнение длине главной трубы, длине расходящегося и сходящиеся конусов, расширительный бачок имеет ещё три более критических измерения: размеры длины прямой части бачка, или, как его ещё называют, «живота», расстояние между расходящимся и сходящимся конусами, а так же длина хвостовой части, или «жала», то есть длина глушителя, и диаметр секции живота. Жало своей формой сжимает поток, и позволяет этим давлением истечению газов из трубы. Обратное давление в трубе, вызванное меньшим диаметром или более длинной секцией жала, помогает действию волны трубы, и может увеличить возможности двигателя. Это, возможно, происходит потому, что большее давление создает более плотную, однородную среду для движения волн, чтобы заставить двигаться волны быстрее через более плотные среды. Этот эффект, например вы, можете услышать при движении далекого поезда, приложив своё ухо к стальному рельсу железной дороги, материал которого намного более плотный и более однородный, чем воздух. Но, к сожалению, этот эффект также заставляет двигатель при работе больше нагреваться, что обычно очень плохо характеристика для работы двухтактного мотора.

Длина секции живота определяет задержку времени между отрицательными и положительными волнами. Выбор этого времени задержки определяется именно длиной прямого участка трубы. Если секция живота слишком короткая, то положительные волны, имеют более короткое расстояние, для движения и, следовательно, возвращаются к выпускному каналу скорее. Это хорошо, когда двигатель работает на более высокой скорости, плохо очень плохо, если вы хотите ездить по улицам. Диаметр секции живота является критическим по одной простой причине, он зависит от клиренса. Трудно установить большие, толстые выпускные трубы у земли, хотя у мотора с V - образной четверкой эта проблема решается с помощью двух выпускных труб, выведенных непосредственно назад. Создание двухтактной трубы, то есть оптимального значения главной трубы, сходящегося раструба, живота, расходящегося раструба и секции жала – это очень трудный процесс.

Но, поскольку силы удара в двухтактной трубе стали более хорошо понятны, то сегодня проектировщики способны создать двигатели, которые используют наибольшим образом преимущества от их работы и фактически требуют, чтобы палата расширительный бачок глушителя работал постоянно.

Например, современная труба имеет мягко расходящуюся главную трубу, чтобы поддерживать высокую скорость истечения газов около выхода из цилиндра, второй конус с углом среднего расхождения, и третий конус с сильно расходящейся трубой. Секция живота соединяется посредством множества наклонных сходящихся конусов, которые должны переходить в прямую линию жала для создания хорошей прочности. Теперь вы знаете, почему в современном двухтактном глушителе бачок расширения создаёт сложный сценарий выпуска газов, и он весьма труден в настройке. В дальнейшем мы предоставим программу, которая упростит настройку выхлопа мотоцикла при проектировании выпускной трубы.

Источник: http://www.motorcycle.com
Перевод: Байк Ленд