Kétütemű kipufogó tervezésének és működésének alapjai
A kétütemű motor kipufogója egy össze vissza kígyózó, átmérőben változó, a mérnökök számára is állandó fejtörést okozó, nagy helyigényű, bonyolult, hengerelt lemezdarab. Ennek ellenére egyezményesen állítható, hogy semmi mástól nem remélhetünk hasonló lórúgásnyi teljesítménynövekedést az olajzabáló retró gépünkön, esetlen robogónkon, vagy krosszkecskénken, ha az a motorhoz és a felhasználáshoz van méretezve.
A kétütemű motor lelke a kipufogó. Eszméletlen sokat számít, meghatározza a motor összes jellemzőjét. Elkerülhetetlenül a nagy teljesítményű (2T) motor építésének alapjává vált, és ez nem is fog változni mindaddig, amíg nem jön el az elektromos korszak.
A rezonátor egy olyan elmés áramlástani szerkezet, amely képes akár jelentősen megnövelni motorod teljesítményét és megváltoztatni karakterisztikáját. A töltéscsere-folyamatot rendezi és változtatja meg úgy, hogy végeredményként a hengertérben több friss keverék marad.
A rezonátor működésének fizikai alapja
A munkaütemet követően, ahogy a kipufogó port nyitni kezd, nagy energiával rendelkező gázok indulnak el egy kevésbé korlátozott hely után kutatva. Ezek a gyorsan mozgó hullámok maguk egy jelentős nyomásesést hoznak létre maguk mögött a henger oldalon. Rövid utat tesznek meg a gázok az első és fontos állomásukig, ami a diffúzor.
A rezonátor működésének fizikai alapja röviden a következő: ahogy a hengerteret elhagyó kipufogógázok nyomáshulláma a diffúzorhoz (a gázok áramlási irányához képest táguló kúphoz) ér, egy negatív nyomáshullám, azaz erőteljes szívás indul el a hengertér felé, ami gyorsítja a kipufogógázok távozását. Ez eddig nagyon kedvező a számunkra, hiszen gyorsan és hatásosan kiürítjük a hengerből az elégett gázokat.
Kipufogórendszerek katalizátor nélkül
Ez az öblítés viszont egyszerre tud áldás és átok lenni, hiszen a nyitott kipufogó porton keresztül semmi nem szab határt a friss töltet kiáramlásának. Mivel a teljesítmény a hengerben maradt üzemanyag-levegő keveréktől függ, ezért megoldást kell találni arra, hogy a töltet a helyén maradjon.
A nyomáshullámok hangsebességgel közlekednek, és miután a középrészen áthaladtak, a konfúzornak (a szűkűlő kúp) ütköznek, visszaverődnek onnan, és a hengertér felé veszik irányukat. Ez a pozitív nyomáshullám egy rövid időre megfordítja az áramlás irányát, és a könyökcsőbe kiszökött friss keverék visszaáramlik a hengertérbe, nem hagyjuk tehát veszendőbe menni a már könyökben utazó friss keveréket, hanem - jó hossz megválasztása esetén - visszatöltjük a hengerbe.
Ez a pozitív nyomáshullám ideális esetben az átömlőcsatorna zárása környékén ér vissza, ekkor még a kipufogócsatorna nyitva van. Ezzel a friss töltettel eljátszott huzavonával járul hozzá a csövünk a valódi teljesítménynövekedéshez. Egy 2 ütemű kipufogó tehát nyomáskülönbség és rezonanciafüggő, ezek a nyomáslengéseket (rezonanciákat), amelyek a friss keverék visszaáramlásának a fordulatszám tartományát határozzák meg, mind a kipufogó formája határozza meg.
A rezonátor részei és azok méretezése
A rezonátort 5 fő egységre oszthatjuk:
- Könyökcső (leömlőcső) - L1, D1
- Diffúzor - L2
- Középrész - L3, D3
- Konfúzor - L4
- Végcső - L5, D5
Könyökcső (leömlőcső)
A könyökcső a hengerből kiáramló gázok első szakasza. Rövid könyökkel magasabb fordulatra tevődik át a csúcs, hosszabbal alacsonyabb fordulaton muzsikál. Fontos, hogy a könyökcső hosszába bele kell venni a kipufogócsatorna hosszát is a hengerben. A célszerű értékek valahol az átmérő 6-tól 11-szereséig tartanak.
Kipufogó tisztítás tippek és trükkök
Diffúzor
Ez egy növekvő keresztmetszetű szakasza a rezonátornak. Ez a darab befolyásolja a teljesítmény felfutását a maximumig. Az ide érkező hullámok egy elenyésző hányada máris úgy viselkedik, mint ami a rendszer végére ért, és egy ellentétes előjellel elindul visszafelé a hengerbe, míg egy jelentősebb hányad tovább utazik a csőben.
Az egyszerű, egy kúpból álló diffúzor (ami a régi iskola) kúpszöge 8 fok, az energiavisszanyerési ráta itt a legkedvezőbb. 5-10 a két határérték, ami között mozogni kell, de a használható tartomány inkább a 6-9 fok. A laposabb szög szélesebb tartományt ad, a hegyesebb 9 körüli a csúcsteljesítményre teszi a hangsúlyt. Szériamotorokon a félkúpszög 3-4 fok között van. Kisebb szöggel, 3 alatt a hatásfoka még nem elégséges, és nagyon hosszúra jön ki a mérete, 4 foknál nagyobb pedig azért nem alkalmas, mert a tágulás túl gyorsan történik, a kúp fala mentén örvénylések indulnak, ez zavarja a működést. 4 fok fölé menni csak többrészes diffúzorral lehet.
A diffúzor fontos mérete még, hogy a belépő keresztmetszete és kilépő keresztmetszete közötti szorzó közel essen az 1:6,25-höz (nem átmérő, terület). Ebből már számolható a konkrét hossza is.
Középrész
Ahogy haladunk tovább a rezonátorban, a bővülő keresztmetszet állandóra vált egy rövidebb szakaszon, a has részen. Átmérője elég, ha a könyök 2,5-szerese, de akár 3,5-ig is elmehet, az űrtartalom és az elhelyezhetőség is szerepet játszik a meghatározásban. A középrész hosszúsága a szerkesztésből adódó, előre nem meghatározott méret.
Konfúzor
Megérkeztünk a konfúzor szakaszához, ami a középrész után kezdődik, ahol az átmérő elkezd csökkenni. Ez egy közel zárt végű szakasza a rezónak. A tölcsér keresztmetszete jelentősen csökken, az eredeti leömlő átmérője alá. A diffúzorban már elindult egy nyomáshullám vissza a henger irányába, de a jelentősebb része a hullámnak eléri a konfúzor falát és onnan fog irányt változtatni.
A konfúzor zárási szöge fogja meghatározni a teljesítménygörbe lefutását a maximum után. A kúpjának zárási szögét valahova 14-20 fok köré kell belőni. A 14 fokos tartomány hosszan elnyújtott, jól szétforgatható blokkot eredményez, de ha nem szeretnénk beleszaladni olyan tartományba, amit a motorunk nem feltétlen díjazna, akkor érdemes 20 fokra beállni. Ez a hegyesebb szög szinte elvágja a fordulatszám növekedését a csúcsteljesítmény után, ezzel jelezve az óvatlan pilótának, ideje váltani. Szériamotorokon az ellenkúp félkúpszöge 5-től 7 fokig terjedhet (versenymotorokon 12 fokig elmennek). Általában a diffúzor félkúpszögének megközelítőleg a kétszerese adja a konfúzor félkúpszögét.
Végcső
A végcső a rendszerünk nyomásszabályzója. Elég szűk a keresztmetszete ahhoz, hogy a nyomáshullám szempontjából szinte zárt szakaszként viselkedjen, de a légkör irányába nyilván nyitott a rendszerünk. Konzekvensen egy hirtelen nyomásnövekedést hoz létre az egy munkaütemre jutó ciklus közben, amivel a töltet veszteségét csökkentjük. Elsődleges feladata a légkörinél nagyobb rendszernyomást fenntartani a rezonátor belsejében, valamint megakadályozni, hogy örvényessé váljon a diffúzorban az áramlás.
Az átmérőjét a leömlő átmérőből számoljuk, kerekítve 0,6-os szorzóval. A hossza pedig a számolt átmérő tizenkétszerese kell legyen. Ezek közelítő értékek. Eltérni tőlük mégis a nagyobb átmérő és a rövidebb csőhossz irányába érdemes. Ellenkező esetben ugyanis tovább növeljük a rendszernyomást, aminek a következménye egyenes ágon a bizonyos szintig növekvő nyomaték, ezzel párhuzamosan pedig a növekvő kipufogógáz-hőmérséklet. Elvileg 0,5 D1-től lehet a végcsőátmérő, de ez kissé kockázatos, érdemesebb nagyobb értéket választani, 0,7 D1 méretig lehet elmenni. A végcső hossz 7-10 D5 között vehető fel.
A hangtompító feladata a kipufogási zaj csillapítása, amely rezonanciával, elnyeletéssel, vagy ellentétes fázisú hullámmal lehetséges. Az elnyeléses hangtompító konstrukciója a legegyszerűbb, ez mindössze két egymásba csúsztatott csőből áll. A belső cső fala perforált, míg a két cső közötti teret valamilyen nagy belső súrlódású anyag tölti ki. A tömés erősségével lehet a csillapítás és a teljesítmény arányával játszani, nem célszerű kőkeményre tömni.
Minden, amit nem tudsz a kétütemű motorokról 🤯
Tervezési közelítések és méretezési javaslatok
El is kezdhetnénk meghatározni a hosszméreteket és a keresztmetszeteket a csövünkhöz, de itt egy nem éppen könnyen számolható termodinamikai problémával állunk szemben a nyomáshullámok hőmérsékletfüggő terjedési sebessége miatt. A leömlő szakaszon nem ritkán előfordul az 600-700 Celsius körüli hőmérséklet, azonban ahogy haladnak tovább a gázok, az expanziós szakaszban beeshet a hőmérsékletük a 300 Celsius érték közelébe, mígnem a konfúzornál a nyomás növekedésével együtt ismét felfelé kúszik a hőmérséklet is. Nem egyszerű a helyzet.
A helyes válasz a közelítés. A keresett közelítő érték pedig az átlagos hullám terjedési sebességre ebben az esetben 518 m/s. Ebből már számolható a hangolt hossz, a kipufogó port nyitási szög érték és a hullám terjedési sebesség szorzata, osztva a megcélzott teljesítmény környéki fordulatszámmal. Ez az érték szigorúan a hengerfaltól (nem a kipufogó csatlakozási pont) a konfúzor szakasz feléig tart a rezonátor középvonalában. A rezonátor legfontosabb mérete a rezonáns hossz, amely a dugattyú élétől a konfúzor (ellenkúp) feléig tart. Ha ez a hossz illeszkedik a motorhoz, már jó úton vagyunk.
A rezonátor egységek méretezési összefoglalója
Az alábbi táblázatban összefoglaltuk az egyes rezonátor egységek jellemző méretezési irányelveit:
| Rezonátor Egység | Félkúpszög/Átmérő (ajánlott tartomány) | Hossz (ajánlott tartomány) | Megjegyzés |
|---|---|---|---|
| Könyökcső (leömlőcső) | 10-15% nagyobb keresztmetszet mint a kipufogónyílás területe | Átmérő 6-11-szerese | Hosszabb = alacsonyabb fordulaton nyomaték, rövidebb = magasabb fordulaton csúcs. |
| Diffúzor | Szériamotor: 3-4 fok; Optimalizált: 6-9 fok | Területszorzó: 1:6,25 | Laposabb szög = szélesebb tartomány; Hegyesebb szög = csúcsteljesítmény. |
| Középrész | Könyök átmérőjének 2,5-3,5-szerese | Szerkesztésből adódó | Az űrtartalom és elhelyezhetőség is szempont. |
| Konfúzor | Szériamotor: 5-7 fok; Versenymotor: 12 fok; Optimalizált: 14-20 fok | - | Meredekebb szög = nagyobb csúcsteljesítmény, szűkebb tartomány; Laposabb = kisebb teljesítmény, szélesebb tartomány. |
| Végcső | Leömlő átmérőjének 0,6-0,7-szerese | Átmérő 7-12-szerese | Kisebb átmérő = szélesebb működési tartomány, melegebb motor; Nagyobb átmérő = szűkebb tartomány, gyorsabb fordulatfelfutás, biztonságosabb hőháztartás. |
Gyártás és anyagválasztás
Az alkatrészek elkészítését minden esetben körültekintő tervezési eljárás előzi meg. A könnyű formálás miatt érdemesebb vékonyabb lemezt használni. A kereskedelemben kapható hidegen hengerelt lemez megfelel a célnak. Legtöbbször 0,8 mm vastagságú lemezt használnak, ezt könnyű hajlítani, és élhegesztve szilárd kúpot vagy hengert ad.
Ha a középrész átmérője meghaladja a 110-120 mm-t, akkor jobb, ha a lemez vastagsága 1 mm, nem horpad olyan könnyen, mint a vékonyabb. 1 mm-es lemezzel a rezonátor önhordó képessége javul. A kúppalástok szerkesztését félkemény kartonból kivágva a lemezre borítva, filctollal körbehúzva, majd lemezollóval kivágva célszerű elkészíteni. A homorú vonalakat nyelvesollóval, kézzel vágják ki.
A palástokhoz rajzoláskor hozzáadnak még 3-3 mm-t a kúpalkotókhoz, ez lesz a perem, amit a végén összehegesztenek. A középrész hengerpalástjához ugyanígy, ott is 3-3 mm. Általában kifelé kell a peremet gyártani, rezonátorokon ez szokványos, lényegében azért, hogy a test belsejében ne legyen semmilyen él, lépcső, zavaró kiálló darab, ez belezavar az áramlásokba. Emellett a kívül élben lánggal végighegesztett él eléggé kimerevíti a vékony lemezből készült darabot.
A kényelmesebb munka miatt az összefektetett éleket összecsípik méretre patentfogóval, az éleket 20-30 mm-enként megcsippentik CO hegesztővel, ezután jöhet a lángpisztoly. Ily módon a melegítés ellenére sem tud elválni, "ásítozni" a két él. Ezt az élhegesztést minimálisan kell megmunkálni utólag, annyira szabályos a varrat. A kúpok és a középrész így készül el.
Összeállítás és elhelyezés
Az összeállításnál a könyöktől indulunk. Ha az fenn van a motoron, próbáljuk hozzá a diffúzort, aztán a középrészt, végül a konfúzort, hogy fog állni, hol fér el. A rezonátornak ki kell kerülnie minden akadályt, úgy, hogy ne zavarja a többi alkatrész funkcióját. El kell bújnia a fék/váltó pedál mellett/alatt, a lábtartók mellett, ne ütődjön a hátsó tengelybe stb.
Ha szükséges, a kúpok és a középrész kapcsolata lehet szög alatt is, nem csak egyenesen, ha az elhelyezés ezt kívánja. Ebben az esetben a két találkozó darabot kicsit szög alatt kell lecsiszolni sarokcsiszolóval, először csak keveset, de egyformán mindkettőből, mert egyébként csak az egyik kerülete növekszik (ellipszis), amit összeillesztéskor úgy veszünk észre, hogy nem passzol. A középrész és kúpok összeállításánál még fontosabb az, hogy pontosan összeillesztve, CO-val 20 mm-ként összepontozva, és csak utána jöjjön a lánghegesztés.
Hangolás és finomhangolás
A rezonátort elkészülése után lehetséges hangolni, azaz finoman illeszteni a motorunk tulajdonságaihoz. A hangolás abban az esetben különösen fontos, ha az adott típusú motorra először készítünk rezót, és még nem tudjuk, hogyan fog reagálni egyes dolgokra.
- Könyökhossz változtatása: A könyök és a diffúzor kapcsolata, ha olyan szerkezetű, megengedi, hogy változtassunk a könyökhosszon. Ez úgy lehetséges, hogy a diffúzor bejáratára készítünk egy csövet, amelybe pontosan belecsúszik a könyök, és valami szorítóbilincses vagy szorító hollandi-anyás megoldással változtatni tudjuk a könyök hosszát. Semmi esetre sem lóghat bele a könyök a diffúzor kúpjába! A könyökhossz változtatásával a max. teljesítmény fordulatszámát állíthatjuk be, illetve a könyökhosszot a beírt fordulatszámhoz hangoljuk.
- Középrész hosszának variálása: A középrész hosszát úgy lehet variálni, hogy két szorosan egymásba csúszó hengerből készítjük, kívül egy szalagszorítóval rögzítve a menetpróbák idejére, utána, ha megvan a legkedvezőbb hossz, majd össze lehet hegeszteni. Ezzel a változtatással az aktív rezonáns hossz finombeállítása lehetséges.
- Végcső átmérőjének módosítása: A végcső átmérőjén akkor lehet változtatni, ha nem kisebb a szükségesnél. Ezért érdemes a nagyobb átmérővel indulni, és egyszerűen, ha a próbákon nagynak bizonyul, bele lehet csúsztatni egy passzos csövet, ezzel a kívánt értékre csökkentve az átmérőt.
A próbákat legjobb nagyon kis forgalmú utakon végezni, vagy zárt szakaszokon. Jó néhány kört kell motorozni, mire összeáll a kép. Legjobb közepes sebességfokozatban, 3-4-esben ellenőrizni az áthúzásokat, kis fordulatszámoktól felfelé. Nagyon hasznos, ha tudunk mérni is, pl. ha van fordulatszámmérő, tájékoztatást ad az eseményekről. A végfordulatot csak terhelés alatt próbáljuk, üresben szétforgatni káros, és nincs is értelme.
Gyakorlati tapasztalatok és egy példa
A teljesítmény növekedésében reménykedve sokan sokféle módon építenek rezonátorokat a motorjukhoz. Nincs is igaz út, csak méretezési irányelvek, melyek ha a végén hajlandóak együttműködni, akkor a mérőpad a gyárinál magasabb számértékkel örvendezteti meg az egyszerű tunert. Az igazság azonban az, hogy annyi a buktató, hogy sok esetben csak a hanghatás nő, a teljesítményben elenyésző lesz a javulás. Vagy éppen rosszabb lesz. Alapos tervezés esetén is előfordul az ilyen jellegű katarzismentes eredmény, de elegendő kitartással jönniük kell az eredményeknek.
A Giannelli rezonátorral megfelelő beállítás esetén a nyomaték növekedése és akár 6 LE teljesítménynövelés is elérhető! A tuning cégeknek figyelembe kell venniük egy-két olyan további szempontot, amely lekorlátozza ezt a növekményt 25-30%-ra. A kipufogó tuningja nem jelent mást, mint egy olyan rendszer felépítését, amely kizárólagosan a teljesítményt veszi figyelembe, elhanyagolván a többi tényezőt. A lényeg tehát nem más, mint hogy egy olyan rendszerünk legyen, amely a lehető leggyorsabban szállítja el a kipufogógázt a hengeréből, valamint a külső levegőt ne engedje visszaszívni a hengerbe.
Egy „közönséges” utcai, sorozatgyártású motorra, ahol a literteljesítmény durván 65-80 KW, az alaprezonátor (5 részes) kiválóan megfelel, ha jól építed, jól is működik, és jó irányban változtatja motorod tulajdonságait. A ezzel kapcsolatos tapasztalatszerzés és élmény pedig - lényegében - megfizethetetlen.
Egy régi NSR kipufogó felújítása során a homokfúvás elengedhetetlen lépés volt. A hőálló fekete, amivel le volt fújva, elég ragaszkodó típus volt. Vissza minden a tiszta vasig, csiszolás, sok csiszolás szükséges. Ezt követően gázégővel adtak neki egy kis hegesztés-imitációt és leolajozták. Új rugókat kapott a leömlőfelfogatás, újak a szegecsek a tompítók tömése után, de minden mást meghagytak úgy, ahogy volt. A hangtompítóban középen perforált cső van, körülötte lazán kőzetgyapot tömés. A két végét úgy esztergálták ki, egyik felébe menetesszárak vannak hegesztve, és így van összehúzva a dolog. Külső borításként aluminium cső is felhasználható.