膨張室

2 ストローク エンジンでは、膨張室またはチューニング パイプは、容積効率を改善してエンジンの出力を高めるために使用されるチューニングされた排気システムです。

膨張室は、2ストロークエンジンの燃料を節約するために、1938年にドイツの技術者であるリンバッハによって発明され、製造に成功しました。ドイツでは、当時石炭と下水処理によって生産されていたガソリンが不足していました。予期せぬボーナスとして、調整された排気装置を使用した2ストロークエンジンは、通常のサイレンサーで動作する場合よりもはるかに多くのパワーを生み出しました。第二次世界大戦の終結後、しばらく経ってから、このコンセプトは冷戦中に東ドイツの ヴァルター・カーデンによって再開発されました。東ドイツのオートバイレーサーであるエルンスト・デグナーが1961年のスウェーデングランプリでMZからレース中に西側に亡命した後、日本のオートバイに初めて西側に登場しました。彼は後にその知識を日本のスズキに伝えました。^{[1] [2]}

シリンダーから出る高圧ガスは、最初は流体のすべての乱れがそうであるように「波面」の形で流れます。排気ガスは、前のサイクルからのガスがすでに入っているパイプに押し込まれ、そのガスを前方に押し出して波面を引き起こします。ガスの流れが止まると、波は継続し、エネルギーを次の下流のガスに渡して、パイプの端まで続きます。この波が断面積または温度の変化に遭遇すると、その強さの一部が移動方向と反対方向に反射します。たとえば、面積の増加に遭遇した強い音波は、反対方向に弱い音波を反射します。面積の減少に遭遇した強い音波は、反対方向に強い音波を反射します。基本原理は波動力学で説明されています。膨張チャンバーは、直径（断面積）と長さを変化させて、これらの反射がサイクルの目的の時間にシリンダーに戻るようにすることで、この現象を利用します。

拡張サイクルには主に 3 つの部分があります。

下降するピストンが最初にシリンダー壁の排気ポートを露出させると、排気はその圧力により（膨張室の助けなしに）勢いよく流れ出るため、パイプの最初の部分の長さにわたる直径/面積は一定またはほぼ一定で、0 ～ 2 度の発散があり、波のエネルギーが保持されます。システムのこのセクションは「ヘッダー パイプ」と呼ばれます（測定の目的では、排気ポートの長さはヘッダー パイプの一部と見なされます）。ヘッダー パイプの直径をほぼ一定に保つことで、サイクルの後半まで膨張が必要な​​いため、波のエネルギーが保持されます。ブローダウン プロセスのほとんどの間、シリンダーから出る流れは音速または超音速であるため、その流れに逆らってシリンダーに戻る波はありません。

排気圧が大気圧近くまで下がると、ピストンが移送ポートを露出します。この時点で、膨張室からのエネルギーを使用して、シリンダーへの新鮮な混合気の流れを促進できます。これを行うには、膨張室の直径を拡大し、出て行く音波（燃焼プロセスによって生成）が反射真空（負圧）波を生成してシリンダーに戻るようにします。チャンバーのこの部分は発散（または拡散）セクションと呼ばれ、7〜9度で発散します。要件に応じて、複数の発散コーンで構成される場合があります。真空波は移送サイクル中にシリンダーに到達し、クランクケースからシリンダーに新鮮な混合気を吸い込み、クランクケースへの排気ガスの吸い込みを防ぎます（クランクケースの真空による）。^[3]ただし、波は排気ポートから膨張室のヘッダーに新鮮な混合気を吸い込むこともあります。この影響は、ポートをブロックする波によって緩和されます。

移行が完了すると、ピストンは圧縮行程になりますが、排気ポートはまだ開いています。これは、2 ストローク ピストン ポートの設計では避けられない問題です。ピストンが開いた排気ポートから新鮮な混合物を押し出すのを防ぐために、膨張室からの強力な音波 (燃焼によって生成) が、圧縮行程の開始時に到達するようにタイミングが調整されます。ポートをブロックする波は、室の直径を縮小することによって作成されます。これは収束セクション (またはバッフル コーン) と呼ばれます。出力される音波は、狭くなる収束セクションに当たり、強力な一連の音響パルスをシリンダーに反射します。これらのパルスは、圧縮行程の開始時にまだ開いている排気ポートをブロックするのに間に合い、膨張室のヘッダーに引き出された新鮮な混合物をシリンダーに押し戻します。収束セクションは、要件に応じて 16 ～ 25 度で収束するように作られています。

音波と組み合わされて、出口をスティンガーと呼ばれる小さなチューブで意図的に制限することで、チャンバー内の圧力が全体的に上昇します。スティンガーはブリーダーとして機能し、圧縮/パワーストローク中にチャンバーを空にして次のサイクルに備えます。スティンガーの長さと内径は、達成する結果に応じて、ヘッダーパイプの直径の0.59〜0.63倍に基づいており、その長さは直径の12倍に等しくなります。適切に設計され調整された排気システムでは、圧力の合計上昇は、いずれにしてもマフラーによって生じる圧力よりはるかに少なくなります。スティンガーのサイズを間違えると、パフォーマンスが低下したり（大きすぎる、または短すぎる）、過度の熱が発生したり（小さすぎる、または長すぎる）して、エンジンが損傷します。

実際の膨張室の詳細な動作は、上記の基本的なプロセスほど単純ではありません。パイプを逆方向に移動する波は、逆方向に発散セクションに遭遇し、エネルギーの一部を反射して戻ります。パイプのさまざまな部分の温度変化により、反射が発生し、局所的な音速が変化します。これらの二次的な波の反射により、望ましい目標であるより多くの電力を得ることができない場合があります。

波は各サイクルで膨張室全体を横断しますが、特定のサイクル中にシリンダーから排出される実際のガスは横断しないということを覚えておくと便利です。ガスは断続的に流れて止まり、波はパイプの端まで続きます。ポートから排出される高温ガスは「スラグ」を形成し、ヘッダー パイプを満たし、そのサイクルの間そこに留まります。これにより、ヘッド パイプに高温ゾーンが形成され、常に最新の最も高温のガスで満たされます。この領域は高温であるため、音速と、それを通過する波の速度が増加します。次のサイクルでは、そのガス スラグは次のスラグによってパイプに押し下げられ、次のゾーンを占めます。この「スラグ」が占める体積は、スロットルの位置とエンジン速度によって常に変化します。1 サイクル中にパイプ全体を横断するのは、波のエネルギー自体だけです。特定のサイクル中にパイプから排出される実際のガスは、2 ～ 3 サイクル前に生成されたものです。このため、2 ストローク エンジンの排気ガスのサンプリングは、排気ポート内の特殊なバルブを使用して行われます。スティンガーから排出されるガスは滞留時間が長すぎて、他のサイクルからのガスと混ざり合うため、分析でエラーが発生します。

膨張室には、エンジン ベイ内に収まるように、ほとんどの場合、曲がり角や曲線が組み込まれています。曲がり角に遭遇したとき、ガスと波は同じようには動作しません。波は反射して球面放射することで伝わります。曲がり角があると波形の鮮明さが失われるため、予期しない損失を避けるために曲がり角は最小限に抑える必要があります。

膨張室の設計に使用される計算では、主要な波の作用のみが考慮されます。通常、これはかなり近い値になりますが、これらの複雑な要因により誤差が生じる可能性があります。

• カデナシー効果
• 調整された排気