Câmara de expansão - Expansion chamber
Em um motor de dois tempos , uma câmara de expansão ou tubo sintonizado é um sistema de escapamento sintonizado usado para aumentar sua produção de energia , melhorando sua eficiência volumétrica .
História
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A) Descarga tradicional com seção constante
B) Descarga com seção divergente
C) Câmara de expansão ressonante com câmara de expansão, no gráfico de potência a influência da válvula de contrapressão de escape também é destacada
As câmaras de expansão foram inventadas e fabricadas com sucesso por Limbach, um engenheiro alemão, em 1938, para economizar combustível em motores de dois tempos. A Alemanha estava com falta de gasolina, que naquela fase era produzida com carvão e transformação de esgoto. Um bônus inesperado foi que os motores de dois tempos usando escapamentos afinados produziram muito mais potência do que se estivessem funcionando com um silenciador normal. Após o fim da segunda guerra mundial, algum tempo se passou antes que o conceito fosse redesenhado pelo alemão oriental Walter Kaaden durante a Guerra Fria . Eles apareceram pela primeira vez no oeste em motocicletas japonesas depois que o piloto de motocicletas da Alemanha Oriental Ernst Degner desertou para o oeste enquanto corria pela MZ no Grande Prêmio da Suécia de 1961. Mais tarde, ele passou seus conhecimentos para a japonesa Suzuki .
Como funciona
O gás de alta pressão que sai do cilindro flui inicialmente na forma de uma " frente de onda ", como acontece com todas as perturbações nos fluidos. O gás de exaustão abre caminho para dentro do tubo que já está ocupado por gás de ciclos anteriores, empurrando esse gás para frente e causando uma frente de onda. Uma vez que o fluxo de gás para, a onda continua, passando a energia para o próximo gás a jusante e assim por diante até o fim do tubo. Se essa onda encontrar qualquer mudança na seção transversal ou na temperatura, ela refletirá uma parte de sua força na direção oposta à sua viagem. Por exemplo, uma onda acústica forte encontrando um aumento na área refletirá uma onda acústica mais fraca na direção oposta. Uma onda acústica forte encontrando uma diminuição na área refletirá uma onda acústica forte na direção oposta. O princípio básico é descrito na dinâmica das ondas . Uma câmara de expansão faz uso desse fenômeno, variando seu diâmetro (seção transversal) e comprimento para fazer com que essas reflexões cheguem de volta ao cilindro no tempo desejado do ciclo.
Existem três partes principais no ciclo de expansão.
Soprar para baixo
Quando o pistão descendente expõe pela primeira vez a porta de exaustão na parede do cilindro, a exaustão flui fortemente devido à sua pressão (sem assistência da câmara de expansão), de modo que o diâmetro / área ao longo do comprimento da primeira porção do tubo seja constante ou próximo constante com uma divergência de 0 a 2 graus que preserva a energia das ondas. Esta seção do sistema é chamada de "tubo coletor" (o comprimento da porta de escape é considerado parte do tubo coletor para fins de medição). Ao manter o diâmetro do tubo coletor próximo da constante, a energia da onda é preservada porque não há necessidade de expansão até o final do ciclo. O fluxo que sai do cilindro durante a maior parte do processo de purga é sônico ou supersônico e, portanto, nenhuma onda poderia viajar de volta para o cilindro contra esse fluxo.
Transferir
Depois que a pressão de exaustão cai para o nível próximo ao atmosférico, o pistão descobre as portas de transferência. Neste ponto, a energia da câmara de expansão pode ser usada para auxiliar o fluxo de mistura fresca para o cilindro. Para fazer isso, o diâmetro da câmara de expansão é aumentado de modo que a onda acústica de saída (criada pelo processo de combustão) crie uma onda de vácuo refletida (pressão negativa) que retorna ao cilindro. Esta parte da câmara é chamada de seção divergente (ou difusora) e diverge em 7 a 9 graus. Pode ser composto por mais de um cone divergente, dependendo dos requisitos. A onda de vácuo chega ao cilindro durante o ciclo de transferência e ajuda a sugar a mistura nova do cárter para o cilindro e / ou evitar a sucção dos gases de exaustão para o cárter (devido ao vácuo do cárter). No entanto, a onda também pode sugar a mistura nova para fora da porta de exaustão para o coletor da câmara de expansão. Este efeito é mitigado pela onda de bloqueio de porta.
Bloqueio de porta
Quando a transferência é concluída, o pistão está no curso de compressão, mas a porta de escape ainda está aberta, um problema inevitável com o projeto da porta do pistão de dois tempos. Para ajudar a evitar que o pistão empurre a mistura fresca para fora da porta de escape aberta, a forte onda acústica (produzida pela combustão) da câmara de expansão é programada para chegar durante o início do curso de compressão. A onda de bloqueio da porta é criada reduzindo o diâmetro da câmara. Isso é chamado de seção convergente (ou cone defletor). A onda acústica de saída atinge a seção convergente de estreitamento e reflete de volta uma série forte de pulsos acústicos para o cilindro. Eles chegam a tempo de bloquear a porta de exaustão, ainda aberta durante o início do curso de compressão e empurram de volta para o cilindro qualquer mistura fresca retirada para o coletor da câmara de expansão. A seção convergente é feita para convergir em 16 a 25 graus, dependendo dos requisitos.
Combinado com a onda acústica, há um aumento geral na pressão na câmara causado pela restrição deliberada da saída com um pequeno tubo chamado stinger , que atua como um sangrador, esvaziando a câmara durante o curso de compressão / potência para tê-la pronta para o próximo ciclo. O comprimento e o diâmetro interno do stinger são baseados em 0,59 a 0,63x o diâmetro do tubo coletor e seu comprimento é igual a 12 vezes seu diâmetro, dependendo dos resultados a serem alcançados. Em um sistema de exaustão bem projetado, o aumento total da pressão é, em qualquer caso, muito menor do que o produzido por um silenciador. Um dimensionamento incorreto do ferrão levará a um desempenho ruim (muito grande ou muito curto) ou a um calor excessivo (muito pequeno ou muito longo) que danificará o motor.
Fatores complicadores
A operação detalhada das câmaras de expansão na prática não é tão direta quanto o processo fundamental descrito acima. As ondas que viajam de volta ao tubo encontram a seção divergente no sentido inverso e refletem uma parte de sua energia de volta. Variações de temperatura em diferentes partes do tubo causam reflexos e mudanças na velocidade local do som . Às vezes, essas reflexões de ondas secundárias podem inibir o objetivo desejado de mais potência.
É útil ter em mente que, embora as ondas atravessem toda a câmara de expansão ao longo de cada ciclo, os gases reais que saem do cilindro durante um determinado ciclo não o fazem. O gás flui e para de forma intermitente e a onda continua até o fim do tubo. Os gases quentes que saem da porta formam uma "lesma" que preenche o tubo coletor e permanece lá durante todo aquele ciclo. Isso causa uma zona de alta temperatura no tubo principal, que está sempre preenchida com o gás mais recente e mais quente. Como essa área é mais quente, a velocidade do som e, portanto, a velocidade das ondas que viajam por ela aumentam. Durante o próximo ciclo, aquele bocado de gás será empurrado para baixo no tubo pelo próximo bocado para ocupar a próxima zona e assim por diante. O volume que este "slug" ocupa constantemente varia de acordo com a posição do acelerador e a velocidade do motor. É apenas a própria energia das ondas que atravessa todo o tubo durante um único ciclo. O gás real que sai do tubo durante um determinado ciclo foi criado dois ou três ciclos antes. É por isso que a amostragem dos gases de escapamento em motores de dois tempos é feita com uma válvula especial bem na porta de escapamento. O gás que sai do stinger teve muito tempo de residência e se misturou com o gás de outros ciclos, causando erros na análise.
As câmaras de expansão quase sempre têm voltas e curvas embutidas para acomodar seu encaixe no compartimento do motor. Gases e ondas não se comportam da mesma maneira ao encontrar curvas. As ondas viajam refletindo e radiação esférica. As curvas causam uma perda na nitidez das formas de onda e, portanto, devem ser reduzidas ao mínimo para evitar perdas imprevisíveis.
Os cálculos usados para projetar as câmaras de expansão levam em consideração apenas as ações das ondas primárias. Isso geralmente é bastante próximo, mas podem ocorrer erros devido a esses fatores complicadores.