Chambre d'expansion - Expansion chamber
Sur un moteur à deux temps , une chambre d'expansion ou un tuyau réglé est un système d' échappement réglé utilisé pour améliorer sa puissance en améliorant son efficacité volumétrique .
Histoire
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A) Décharge traditionnelle avec section constante
B) Décharge avec section divergente
C) Chambre d'expansion résonante avec chambre d'expansion, dans le graphique de puissance l'influence de la soupape de contre-pression d'échappement est également mise en évidence
Les chambres d'expansion ont été inventées et fabriquées avec succès par Limbach, un ingénieur allemand, en 1938, pour économiser du carburant dans les moteurs à deux temps. L'Allemagne manquait d'essence, qui était à ce stade produite à l'aide de la transformation du charbon et des eaux usées. Un bonus inattendu était que les moteurs à deux temps utilisant des échappements réglés produisaient beaucoup plus de puissance que s'ils fonctionnaient avec un silencieux normal. Après la fin de la seconde guerre mondiale, un certain temps s'est écoulé avant que le concept ne soit redéveloppé par l'Allemagne de l'Est Walter Kaaden pendant la guerre froide . Ils sont apparus pour la première fois dans l'ouest sur des motos japonaises après que le pilote de moto est-allemand Ernst Degner a fait défection vers l'ouest alors qu'il courait pour MZ dans le Grand Prix de Suède de 1961. Il a ensuite transmis ses connaissances au japonais Suzuki .
Comment ça fonctionne
Le gaz haute pression sortant du cylindre s'écoule initialement sous la forme d'un " front d'onde " comme le font toutes les perturbations dans les fluides. Le gaz d'échappement pénètre dans le tuyau déjà occupé par le gaz des cycles précédents, poussant ce gaz vers l'avant et provoquant un front d'onde. Une fois que le flux de gaz s'arrête, la vague continue, passant l'énergie au gaz suivant en aval et ainsi de suite jusqu'à l'extrémité du tuyau. Si cette onde rencontre un changement de section transversale ou de température, elle reflétera une partie de sa force dans la direction opposée à sa course. Par exemple, une onde acoustique forte rencontrant une augmentation de surface reflétera une onde acoustique plus faible dans la direction opposée. Une onde acoustique forte rencontrant une diminution de surface reflétera une onde acoustique forte dans la direction opposée. Le principe de base est décrit dans la dynamique des vagues . Une chambre d'expansion utilise ce phénomène en faisant varier son diamètre (section) et sa longueur pour faire revenir ces réflexions sur le cylindre au moment souhaité dans le cycle.
Le cycle d'expansion comprend trois parties principales.
Souffler
Lorsque le piston descendant expose pour la première fois l'orifice d'échappement sur la paroi du cylindre, l'échappement s'écoule puissamment en raison de sa pression (sans assistance de la chambre d'expansion) de sorte que le diamètre / la surface sur la longueur de la première partie du tuyau est constant ou proche constante avec une divergence de 0 à 2 degrés qui préserve l'énergie des vagues. Cette section du système est appelée «tuyau collecteur» (la longueur de l'orifice d'échappement est considérée comme faisant partie du tuyau collecteur à des fins de mesure). En maintenant le diamètre du tuyau collecteur presque constant, l'énergie dans la vague est préservée car il n'y a pas de dilatation nécessaire jusqu'à plus tard dans le cycle. Le flux quittant le cylindre pendant la majeure partie du processus de purge est sonique ou supersonique et, par conséquent, aucune onde ne peut revenir dans le cylindre à contre-courant.
Transfert
Une fois que la pression d'échappement est tombée au niveau proche de la pression atmosphérique, le piston découvre les orifices de transfert. À ce stade, l'énergie de la chambre d'expansion peut être utilisée pour faciliter l'écoulement du mélange frais dans le cylindre. Pour ce faire, le diamètre de la chambre d'expansion est augmenté de sorte que l'onde acoustique sortante (créée par le processus de combustion) crée une onde de vide réfléchie (pression négative) qui retourne au cylindre. Cette partie de la chambre est appelée section divergente (ou diffuseur) et elle diverge de 7 à 9 degrés. Il peut être constitué de plusieurs cônes divergents selon les besoins. L'onde de vide arrive dans le cylindre pendant le cycle de transfert et aide à aspirer le mélange frais du carter dans le cylindre, et / ou à empêcher l'aspiration des gaz d'échappement dans le carter (en raison du vide du carter). Cependant, la vague peut également aspirer du mélange frais par l'orifice d'échappement dans le collecteur de la chambre d'expansion. Cet effet est atténué par la vague de blocage de port.
Blocage de port
Lorsque le transfert est terminé, le piston est sur la course de compression mais l'orifice d'échappement est toujours ouvert, un problème inévitable avec la conception d'orifice de piston à deux temps. Pour éviter que le piston ne pousse le mélange frais hors de l'orifice d'échappement ouvert, la forte onde acoustique (produite par la combustion) de la chambre d'expansion est programmée pour arriver au début de la course de compression. L'onde de blocage du port est créée en réduisant le diamètre de la chambre. C'est ce qu'on appelle la section convergente (ou cône déflecteur). L'onde acoustique sortante frappe la section convergente rétrécie et réfléchit en retour une forte série d'impulsions acoustiques vers le cylindre. Ils arrivent à temps pour bloquer l'orifice d'échappement, toujours ouvert au début de la course de compression et repoussent dans le cylindre tout mélange frais aspiré dans le collecteur de la chambre d'expansion. La section convergente est conçue pour converger de 16 à 25 degrés, selon les besoins.
Combinée à l'onde acoustique, il y a une augmentation générale de la pression dans la chambre causée par la restriction délibérée de la sortie avec un petit tube appelé le dard , qui agit comme un purgeur, vidant la chambre pendant la course de compression / puissance pour la préparer pour le cycle suivant. La longueur et le diamètre intérieur du dard sont basés sur 0,59 à 0,63x le diamètre du tuyau collecteur et sa longueur est égale à 12 fois son diamètre, selon les résultats à obtenir. Dans un système d'échappement bien conçu, l'augmentation totale de la pression est de toute façon bien inférieure à celle produite par un silencieux. Un dimensionnement erroné du stinger entraînera soit de mauvaises performances (trop grandes ou trop courtes), soit une chaleur excessive (trop petite ou trop longue) qui endommagera le moteur.
Facteurs de complication
Le fonctionnement détaillé des chambres d'expansion en pratique n'est pas aussi simple que le processus fondamental décrit ci-dessus. Les ondes remontant le tuyau rencontrent la section divergente en sens inverse et reflètent une partie de leur énergie. Les variations de température dans différentes parties du tuyau provoquent des réflexions et des changements dans la vitesse locale du son . Parfois, ces réflexions d'ondes secondaires peuvent inhiber l'objectif souhaité de plus de puissance.
Il est utile de garder à l'esprit que bien que les ondes traversent toute la chambre d'expansion au cours de chaque cycle, les gaz réels quittant le cylindre pendant un cycle particulier ne le font pas. Le gaz coule et s'arrête par intermittence et la vague continue jusqu'à l'extrémité du tuyau. Les gaz chauds sortant de l'orifice forment un "slug" qui remplit le collecteur et y reste pendant la durée de ce cycle. Cela provoque une zone de température élevée dans le tube de tête qui est toujours rempli du gaz le plus récent et le plus chaud. Parce que cette zone est plus chaude, la vitesse du son et donc la vitesse des vagues qui la traversent sont augmentées. Au cours du cycle suivant, cette limace de gaz sera poussée dans le tuyau par la prochaine limace pour occuper la zone suivante et ainsi de suite. Le volume occupé par ce "slug" varie constamment en fonction de la position du papillon et du régime moteur. Ce n'est que l'énergie des vagues elle-même qui traverse l'ensemble du tuyau au cours d'un seul cycle. Le gaz réel quittant le tuyau pendant un cycle particulier a été créé deux ou trois cycles plus tôt. C'est pourquoi l'échantillonnage des gaz d'échappement sur les moteurs à deux temps est effectué avec une soupape spéciale située directement dans l'orifice d'échappement. Le gaz sortant du dard a eu trop de temps de séjour et s'est mélangé avec le gaz d'autres cycles provoquant des erreurs d'analyse.
Les chambres d'expansion ont presque toujours des virages et des courbes intégrés pour s'adapter à leur ajustement dans le compartiment moteur. Les gaz et les ondes ne se comportent pas de la même manière lorsqu'ils rencontrent des virages. Les ondes voyagent par réflexion et rayonnement sphérique. Les virages entraînent une perte de netteté des formes d'onde et doivent donc être réduits au minimum pour éviter des pertes imprévisibles.
Les calculs utilisés pour concevoir les chambres d'expansion ne prennent en compte que les actions des ondes primaires. C'est généralement assez proche, mais des erreurs peuvent survenir en raison de ces facteurs de complication.