En un motor de dos tiempos , una cámara de expansión o tubo sintonizado es un sistema de escape sintonizado que se utiliza para mejorar su potencia de salida mejorando su eficiencia volumétrica .
Historia
Las cámaras de expansión fueron inventadas y fabricadas con éxito por Limbach, un ingeniero alemán, en 1938, para economizar combustible en motores de dos tiempos. Alemania se estaba quedando sin gasolina, que en ese momento se producía mediante la transformación de carbón y aguas residuales. Una ventaja inesperada fue que los motores de dos tiempos que usaban escapes ajustados producían mucha más potencia que si funcionaban con un silenciador normal. Después del final de la Segunda Guerra Mundial, pasó algún tiempo antes de que el concepto fuera re-desarrollado por el alemán oriental Walter Kaaden durante la Guerra Fría . Aparecieron por primera vez en el oeste en motocicletas japonesas después de que el piloto de motocicletas de Alemania Oriental Ernst Degner desertó hacia el oeste mientras competía para MZ en el Gran Premio de Suecia de 1961. Más tarde pasó sus conocimientos al Suzuki de Japón . [1] [2]
Cómo funciona
El gas a alta presión que sale del cilindro fluye inicialmente en forma de un " frente de onda " como lo hacen todas las perturbaciones en los fluidos. El gas de escape se abre paso hacia la tubería que ya está ocupada por gas de ciclos anteriores, empujando ese gas hacia adelante y causando un frente de onda. Una vez que se detiene el flujo de gas, la onda continúa, pasando la energía al siguiente gas corriente abajo y así sucesivamente hasta el final de la tubería. Si esta onda encuentra algún cambio en la sección transversal o la temperatura , reflejará una parte de su fuerza en la dirección opuesta a su viaje. Por ejemplo, una onda acústica fuerte que encuentra un aumento de área reflejará una onda acústica más débil en la dirección opuesta. Una onda acústica fuerte que encuentre una disminución en el área reflejará una onda acústica fuerte en la dirección opuesta. El principio básico se describe en dinámica de ondas . Una cámara de expansión hace uso de este fenómeno variando su diámetro (sección transversal) y longitud para hacer que estas reflexiones regresen al cilindro en el momento deseado del ciclo.
Hay tres partes principales en el ciclo de expansión.
Purga
Cuando el pistón descendente expone por primera vez el puerto de escape en la pared del cilindro, el escape fluye con fuerza debido a su presión (sin ayuda de la cámara de expansión), por lo que el diámetro / área sobre la longitud de la primera porción de la tubería es constante o cercana. constante con una divergencia de 0 a 2 grados que conserva la energía de las olas. Esta sección del sistema se llama "tubería colectora" (la longitud del puerto de escape se considera parte de la tubería colectora para fines de medición). Al mantener el diámetro del tubo colector casi constante, la energía de la onda se conserva porque no se necesita expansión hasta más adelante en el ciclo. El flujo que sale del cilindro durante la mayor parte del proceso de purga es sónico o supersónico y, por lo tanto, ninguna onda podría regresar al cilindro contra ese flujo.
Transferir
Una vez que la presión de escape ha caído a un nivel casi atmosférico, el pistón descubre los puertos de transferencia. En este punto, la energía de la cámara de expansión se puede utilizar para ayudar al flujo de mezcla fresca hacia el cilindro. Para hacer esto, se aumenta el diámetro de la cámara de expansión para que la onda acústica de salida (creada por el proceso de combustión) cree una onda de vacío reflejada (presión negativa) que regresa al cilindro. Esta parte de la cámara se llama sección divergente (o difusor) y diverge de 7 a 9 grados. Puede estar formado por más de un cono divergente según los requisitos. La onda de vacío llega al cilindro durante el ciclo de transferencia y ayuda a aspirar la mezcla fresca del cárter al interior del cilindro y / o evitar la succión de los gases de escape en el cárter (debido al vacío del cárter). [3] Sin embargo, la ola también puede succionar mezcla fresca por el puerto de escape hacia el cabezal de la cámara de expansión. Este efecto se ve mitigado por la ola de bloqueo de puertos.
Bloqueo de puertos
Cuando se completa la transferencia, el pistón está en la carrera de compresión pero el puerto de escape aún está abierto, un problema inevitable con el diseño del puerto del pistón de dos tiempos. Para ayudar a evitar que el pistón empuje la mezcla fresca hacia afuera por el puerto de escape abierto, se programa la onda acústica fuerte (producida por la combustión) de la cámara de expansión para que llegue durante el comienzo de la carrera de compresión. La onda de bloqueo del puerto se crea reduciendo el diámetro de la cámara. Esto se llama sección convergente (o cono deflector). La onda acústica saliente golpea la sección convergente que se estrecha y refleja una serie fuerte de pulsos acústicos al cilindro. Llegan a tiempo para bloquear el puerto de escape, todavía abierto durante el comienzo de la carrera de compresión y empujan hacia el cilindro cualquier mezcla fresca extraída hacia el cabezal de la cámara de expansión. La sección convergente se hace converger de 16 a 25 grados, según los requisitos.
Combinado con la onda acústica hay un aumento general de presión en la cámara causado por restringir deliberadamente la salida con un pequeño tubo llamado aguijón , que actúa como purgador, vaciando la cámara durante la carrera de compresión / potencia para tenerla lista para el próximo ciclo. La longitud y el diámetro interior del aguijón se basan en 0,59 a 0,63 veces el diámetro del tubo colector y su longitud es igual a 12 veces su diámetro, dependiendo de los resultados que se obtengan. En un sistema de escape bien diseñado y afinado, el aumento total de presión es, en cualquier caso, mucho menor que el producido por un silenciador. Un tamaño incorrecto del aguijón dará lugar a un rendimiento deficiente (demasiado grande o demasiado corto) o a un calor excesivo (demasiado pequeño o demasiado largo) que dañará el motor.
Factores que complican
El funcionamiento detallado de las cámaras de expansión en la práctica no es tan sencillo como el proceso fundamental descrito anteriormente. Las ondas que viajan de regreso a la tubería encuentran la sección divergente al revés y reflejan una parte de su energía hacia afuera. Las variaciones de temperatura en diferentes partes de la tubería provocan reflejos y cambios en la velocidad local del sonido . A veces, estos reflejos de ondas secundarias pueden inhibir el objetivo deseado de más potencia.
Es útil tener en cuenta que, aunque las ondas atraviesan toda la cámara de expansión durante cada ciclo, los gases reales que salen del cilindro durante un ciclo en particular no lo hacen. El gas fluye y se detiene intermitentemente y la ola continúa hasta el final de la tubería. Los gases calientes que salen del puerto forman un "tapón" que llena el tubo colector y permanece allí durante el ciclo. Esto provoca una zona de alta temperatura en la tubería de entrada que siempre se llena con el gas más reciente y más caliente. Debido a que esta área está más caliente, aumenta la velocidad del sonido y, por lo tanto, la velocidad de las ondas que la atraviesan. Durante el siguiente ciclo, ese trozo de gas será empujado por la tubería por el siguiente trozo para ocupar la siguiente zona y así sucesivamente. El volumen que ocupa este "slug" varía constantemente según la posición del acelerador y la velocidad del motor. Es solo la energía de las olas en sí misma la que atraviesa toda la tubería durante un solo ciclo. El gas real que sale de la tubería durante un ciclo en particular se creó dos o tres ciclos antes. Esta es la razón por la que el muestreo de gases de escape en motores de dos tiempos se realiza con una válvula especial justo en el puerto de escape. El gas que sale del aguijón ha tenido demasiado tiempo de residencia y se ha mezclado con gas de otros ciclos provocando errores en el análisis.
Las cámaras de expansión casi siempre tienen giros y curvas incorporadas para acomodar su ajuste dentro del compartimiento del motor. Los gases y las olas no se comportan de la misma manera cuando se encuentran con giros. Las ondas viajan por radiación reflectante y esférica. Los giros provocan una pérdida en la nitidez de las formas de onda y, por lo tanto, deben mantenerse al mínimo para evitar pérdidas impredecibles.
Los cálculos utilizados para diseñar las cámaras de expansión tienen en cuenta solo las acciones de las olas primarias. Esto suele estar bastante cerca, pero pueden producirse errores debido a estos factores de complicación.
Ver también
Referencias
- ^ "Historia de la motocicleta Suzuki: Historia de Suzuki" . Motorcycle.com . Archivado desde el original el 2 de febrero de 2011.
- ^ Oxley, Mat (2010), Stealing Speed: The Biggest Spy Scandal in Motorsport History , Haynes Publishing Group , ISBN 1-84425-975-7
- ^ Forrest, Michael. "Cómo funciona una cámara de expansión" . Consultado el 7 de junio de 2016 .