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 al mejorar su eficiencia volumétrica .
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Las cámaras de expansión fueron inventadas y fabricadas con éxito por Limbach, un ingeniero alemán, en 1938, para ahorrar 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 sintonizados 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 alemán del Este Walter Kaaden volviera a desarrollar el concepto durante la Guerra Fría . Aparecieron por primera vez en el oeste en motocicletas japonesas después de que el piloto de motos de Alemania del Este, Ernst Degner, desertara hacia el oeste mientras competía para MZ en el Gran Premio de Suecia de 1961. Posteriormente pasó sus conocimientos a la Suzuki de Japón . [1] [2]
El gas a alta presión que sale del cilindro fluye inicialmente en forma de " frente de onda ", como lo hacen todas las perturbaciones en los fluidos. Los gases de escape se abren paso hacia el tubo que ya está ocupado por gas de ciclos anteriores, empujando ese gas hacia adelante y provocando 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 encuentre 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 la dinámica de ondas . Una cámara de expansión aprovecha este fenómeno variando su diámetro (sección transversal) y longitud para hacer que estos reflejos regresen al cilindro en el momento deseado del ciclo.
El ciclo de expansión consta de tres partes principales.
Cuando el pistón descendente expone por primera vez el puerto de escape en la pared del cilindro, el escape fluye poderosamente debido a su presión (sin ayuda de la cámara de expansión), por lo que el diámetro/área a lo largo de la primera porción del tubo es constante o cercano. constante con una divergencia de 0 a 2 grados que preserva la energía de las olas. Esta sección del sistema se llama "tubo colector" (la longitud del puerto de escape se considera parte del tubo colector a efectos 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 en contra de ese flujo.
Una vez que la presión de escape ha caído a un nivel casi atmosférico, el pistón descubre los puertos de transferencia. En este punto, se puede utilizar la energía de la cámara de expansión para ayudar al flujo de mezcla nueva hacia el cilindro. Para hacer esto, se aumenta el diámetro de la cámara de expansión para que la onda acústica saliente (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 difusora) y diverge de 7 a 9 grados. Puede estar formado por más de un cono divergente según las necesidades. La onda de vacío llega al cilindro durante el ciclo de transferencia y ayuda a aspirar mezcla fresca del cárter al cilindro y/o previene la succión de gases de escape al cárter (debido al vacío del cárter). [3] Sin embargo, la ola también puede succionar mezcla fresca desde el puerto de escape hacia el cabezal de la cámara de expansión. Este efecto se ve mitigado por la ola de 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 de pistón de dos tiempos. Para ayudar a evitar que el pistón empuje la mezcla nueva hacia el puerto de escape abierto, la fuerte onda acústica (producida por la combustión) de la cámara de expansión está programada para llegar 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 fuerte serie de pulsos acústicos hacia el cilindro. Llegan a tiempo para bloquear el puerto de escape, aún abierto durante el comienzo de la carrera de compresión, y empujar hacia el cilindro cualquier mezcla nueva extraída al cabezal de la cámara de expansión. La sección convergente se hace para que converja entre 16 y 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 un purgador, vaciando la cámara durante el golpe 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 a lograr. En un sistema de escape bien diseñado, el aumento total de presión es, en cualquier caso, mucho menor que el producido por un silenciador. Un dimensionamiento erróneo del aguijón provocará un mal rendimiento (demasiado grande o demasiado corto) o un calor excesivo (demasiado pequeño o demasiado largo) que dañará el motor.
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 hacia arriba por 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 reflexiones y cambios en la velocidad local del sonido . A veces, estos reflejos de ondas secundarias pueden inhibir el objetivo deseado de obtener más potencia.
Es útil tener en cuenta que aunque las ondas atraviesan toda la cámara de expansión en cada ciclo, los gases reales que salen del cilindro durante un ciclo particular no lo hacen. El gas fluye y se detiene intermitentemente y la onda continúa hasta el final del tubo. Los gases calientes que salen del puerto forman una "babosa" que llena el tubo colector y permanece allí durante ese ciclo. Esto provoca una zona de alta temperatura en el tubo de cabeza que siempre está llena con el gas más reciente y caliente. Debido a que esta zona es más caliente, la velocidad del sonido y, por tanto, la velocidad de las ondas que la atraviesan aumentan. Durante el siguiente ciclo, ese trozo de gas será empujado hacia abajo por la tubería por el siguiente trozo para ocupar la siguiente zona y así sucesivamente. El volumen que ocupa esta "babosa" varía constantemente según la posición del acelerador y la velocidad del motor. Es sólo la energía de las olas la que atraviesa toda la tubería durante un solo ciclo. El gas real que sale de la tubería durante un ciclo particular se creó dos o tres ciclos antes. Esta es la razón por la que el muestreo de los gases de escape en los 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 adaptarse a su ajuste dentro del compartimento del motor. Los gases y las ondas no se comportan de la misma manera al encontrar giros. Las ondas viajan por radiación reflejada 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 cámaras de expansión tienen en cuenta únicamente la acción del oleaje primario. Esto suele ser bastante cercano, pero pueden ocurrir errores debido a estos factores complicados.