Как работает резонансная труба микродвигателя
ПО СТРАНИЦАМ ИНОСТРАННОЙ ПЕЧАТИ
В последние годы резко повысились результаты полета скоростных моделей самолетов. Столь значительный рост скоростей в значительной мере объясняется использованием настроенных резонансных выхлопных устройств. Ниже публикуем изложение статьи Дэйва Нларксона «Как работает настроенная выхлопная труба», помещенной в английском журнале «Аэромоделлер».
Рисунок 1. 1. Открытие выхлопного окна. 2. Открытие продувочного окна. 3. Закрытие продувочного окна. 4. Закрытие выхлопного окна.(и так на всех рисунках)
Расширительная камера (рис. 1). Опускаясь вниз, поршень открывает выпускное окно, горячие газы из цилиндра устремляются в расширительную камеру и давление на границе выпускного окна резко подскакивает. Так как выхлопные газы из расширительной камеры выходят в атмосферу, то давление из выхлопного окна стремится упасть до атмосферного (горизонтальная линия на графике). Такая последовательность изменения давления типична для каждого цикла микродвигателя при всех выпускных и шумопонижающих системах. Положительные пульсации давления на выхлопе повторяются в каждом цикле. Повышение давления в цилиндре и на выхлопе совпадает с моментом открытия продувочных окон и затрудняет в первоначальный момент фазы перепуска поступление свежей смеси в цилиндр. Это уменьшает весовой заряд цилиндра в каждом цикле и, естественно, снижает выходную мощность микродвигателя.
Для уменьшения шума от выхлопа выходное отверстие шумопонижающего устройства Обычно делается меньшим по площади, чем площадь выхлопного окна. Поэтому среднее давление в расширительной камере является положительным и в некоторой степени тоже, противодействует процессу продувки цилиндра, что сказывается на мощности микродвигателя. Положительное давление в глушителе иногда используется для наддува топливного бака.
Рисунок 2
Настроенная мини труба (рис. 2). Заменим расширительную камеру прямой трубой. При открывании выхлопного окна на ее входном конце возбуждается волна давления, которая продвигается вдоль трубы, пока не достигнет открытого конца. А достигнув его, отражается и двигается по направлению к поршню, но с другой фазой. Когда отраженная волна у выхлопного окна, волна давления превращается в волну разряжения (создается частичный вакуум).
Если труба регулируется по длине или, другими словами, настраивается, импульс низкого давления достигает выхлопного окна, когда поршень находится в положении НМТ и продувочные окна полностью открыты. Это помогает очистке цилиндра от продуктов сгорания и всасыванию свежей топливно-воздушной смеси в цилиндр, что способствует повышению выходной мощности микродвигателя. Мини-труба, таким образом, является простейшей из всех настроенных выхлопных систем.
Рисунок 3
Настроенный мегафон (рис. 3). Работает по принципу отраженной волны, подобно мини-трубе, но с некоторыми отличиями. В расширяющейся трубе, как будто состоящей из огромного числа микроскопических коротких мини-трубок с изменяющимся диаметром, волна давления и, следовательно, отраженная волна разряжения представляют собой сумму огромного числа волн, приходящих в разное время. Она состоит из множества импульсов низкого давления и, таким образом, засасывание свежей топливно-воздушной смеси продолжается дольше и большее ее количество попадает в цилиндр, а в результате получаем большую мощность, исключается возможность заброса продуктов сгорания через продувочные окна и смешение их со свежей топливно-воздушной смесью, которое, в свою очередь, уменьшает концентрацию продувочных газов и весовой заряд цилиндра, а следовательно, и выходную мощность микродвигателя.
Следующая модификация выпускной системы несколько разделяет импульсы давления и разряжения.
Рисунок 4
Настроенный мегафон с передней прямой трубой (рис. 4). Присоединенная прямая труба вместе с мегафоном увеличивает временной интервал между импульсами высокого и низкого давления, который сдвигает момент засасывания в ту часть рабочего цикла, где большая часть свежего продувочного газа переносится в цилиндр. Удачно выбранное время плюс разделение импульсов позволяют наилучшим образом очистить цилиндр от продуктов сгорания и обеспечить хорошее наполнение цилиндра свежим продувочным газом. Результатом этого является значительное увеличение мощности, но при этом большая часть продувочного газа проходит через микродвигатель и выбрасывается в атмосферу. Расход топлива резко увеличивается.
Рисунок 5
Настроенная труба (рис. 5). Классическая схема выпускной системы — настроенная труба, имеющая второй мегафон, присоединенный к первому в противоположном направлении. Интересен результат, производимый этим вторым мегафоном, дающим вторую отраженную волну, но уже импульсную волну высокого давления.
На графике изображена последовательность процессов. При открывании выхлопного окна возникает импульс высокого давления и через некоторый интервал времени удлиненный импульс низкого давления. Встречный мегафон отражает продолжительный импульс низкого давления в расширяющийся мегафон. С изменением фазы он превращается в импульс повышенного давления. А при движении волны повышенного давления по расширяющемуся мегафону в обратном направлении импульс как бы спрессовывается во времени и образуется крутой взрывной импульс высокого давления, приходящий и выхлопному окну.
Этот взрыв высокого давления, который образуется в результате взаимодействия двух мегафонов, называют прессующим импульсом. Правильный выбор времени его прихода к выхлопному окну, то есть тогда, когда произошло сверхочищение цилиндра и его наполнение свежим продувочным газом, очень важен, так как он предотвращает бесполезную трату продувочного газа. Если же прессующий импульс приходит после закрытия продувочного окна, но перед закрытием выхлопного — давление в цилиндре свежего продувочного газа увеличивается, другими словами, двигатель оказывается сверх заряженным.
Конечным результатом применения настроенной трубы является лучшее использование топлива и значительно большая мощность, чем при эксплуатации расходящегося мегафона.
Рисунок 6
Улучшенная резонансная труба (рис. 6). Положение прессующего импульса на временной оси рабочего цикла очень существенно. Как и с высасывающим импульсом, это время может быть изменено присоединением прямой цилиндрической трубы между расширяющимся и сужающимся мегафонами. График показывает: прессующий импульс сдвигается назад по временной оси так же, как и в случае, когда мы оптимизировали процесс для получения временного интервала между импульсами повышенного и пониженного давления в системе настроенного мегафона с трубой.
Наибольшее развитие настроенные выхлопные устройства получили в двухтактных мотоциклетных двигателях.
Рисунок 7-8.
Эскизы, приведенные на рис. 7 и 8, дают представление о лучших мотоциклетных трубах «Ямаха TZ250» (1975 г.) и «Судзуки TR 750». Фазы газораспределения этих удачных гоночных моторов представляют определенный интерес.
TZ250 TR750
Выхлоп 202° 200°
Продувка 138° 136°
Материал подготовил инженер В. МЕРЗЛИКИН
Журнал Крылья Родины
Похожие материалы
Резонансные трубы для кордового пилотажа
Пилотажные двигатели с дудками (трубами)
История компании O.S