موج‌های صوتی چگونه مثل سوپرشارژر به داد موتورهای دوزمانه می‌رسند؟

سال ۱۹۵۱ در کارخانه موتورسیکلت‌سازی ام‌زد (MZ) در آلمان شرقی، والتر کادن مهندس آلمانی یک اسیلوسکوپ را به اگزوز یک موتور دوزمانه وصل کرد. نگاه او به خروج دود یا جریان گازهای مصرف‌شده نبود؛ او سرعت موج‌های صوتی را زیر نظر داشت.[1][2]

کادن متوجه شد موج‌های فشاری ناشی از احتراق، با سرعتی به‌مراتب بالاتر از خود گازهای خروجی حرکت می‌کنند. تا سال ۱۹۶۱، همین نبوغ آکوستیک به یک موتور ۱۲۵ سی‌سی تنفس طبیعی اجازه داد به توان بی‌سابقه ۲۰۰ اسب بخار به ازای هر لیتر دست یابد و ثابت کند لوله اگزوز در واقع همان ریه‌های تنفسی موتور است.[1][2]

او دریافت که با تبدیل لوله‌های فولادی به مخروط‌های پیاپی بازشونده و جمع‌شونده، می‌توان امواج صوتی را مستقیم به سمت پیشرانه پس زد؛ نوعی کنترل آکوستیک که در عمل سیلندر را بدون نیاز به سوپرشارژر مکانیکی یا سوپاپ‌های متحرک پرفشار و سوپرشارژ می‌کند.[1][2]

اریک موری، تحلیل‌گر فنی وب‌سایت Motorcycle.com می‌نویسد: «به زبان ساده، سیستم اگزوز دوزمانه که به نام مخزن انبساط شناخته می‌شود، از موج‌های فشاری حاصل از اتاقک احتراق برای سوپرشارژ کردن واقعی سیلندر کمک می‌گیرد.»[2]

امروزه همین مخزن انبساط شاخصه اصلی موتورهای دوزمانه پربازده به شمار می‌رود؛ لوله‌های حجیم و جوش‌خورده‌ای که شیوه‌ و لحظه رهاسازی قدرت موتور را تعیین می‌کنند و یک سازوکار مکانیکی ساده را به سازی با کوک صوتی دقیق تبدیل می‌نمایند.[1][2]

مشکل جاروب و خروج سوخت

برای لمس چرایی نیاز به مخزن انبساط، باید نخست شیوه تنفس در موتورهای دوزمانه را سنجید. دوزمانه‌ها برخلاف چهارزمانه‌ها که با سوپاپ‌های مکانیکی درپوش احتراق را می‌بندند، به حرکت پیستون برای باز و بسته کردن منافذ یا درگاه‌های بدنه سیلندر متکی هستند.[1][2]

وقتی پیستون در کورس قدرت پایین می‌آید، ابتدا دریچه خروج دود باز می‌شود تا گازهای داغ با فشار بیرون بریزند؛ چند میلی‌ثانیه بعد، مجاری انتقال باز می‌شوند و سوخت و هوای متراکم کارتر بالا می‌آید.[1][2]

هم‌پوشانی و باز بودن هم‌زمان این مجاری، معضلی اساسی به نام مشکل جاروب پدید می‌آورد. مخلوط هوای تازه باید گازهای سوخته قبلی را بیرون براند، ولی چون سوپاپی سد راه نیست، گاهی تا ۳۰ درصد بنزین و هوای نسوخته سرراست از گلویی اگزوز هدر می‌رود.[1][2]

این حجم از تلفات سوخت نسوخته، توان موتور را می‌کشد و مصرف را بالا می‌برد؛ اگر اگزوز صرفاً یک لوله صاف ساده باشد، بخش بزرگی از بنزین دود هوا می‌شود و سیلندر برای جرقه بعدی نیمه‌پر باقی می‌ماند.[1][2]

مخروط بازشونده و کشش خلأ

مخزن انبساط با مهار تپش‌های فشاری دود، این گره را می‌گشاید. گازهای پرفشار پس از خروج از سیلندر، از لوله‌ای صاف گذشته و به دیفیوزر یا مخروط بازشونده می‌رسند.[1][2]

این بخش معمولاً با زاویه ۷ تا ۹ درجه گشادتر می‌شود. طبق اصول آکوستیک، وقتی موج فشار به حجم ناگهانی برخورد می‌کند، یک موج فشار منفی—یا همان مکش و خلأ—به عقب و سمت سیلندر برمی‌گرداند.[1][2]

این موج مکش با سرعت صوت برمی‌گردد و درست در لحظه باز شدن مجاری انتقال به دریچه خروجی می‌رسد؛ مکشی خشن که باقیمانده گازهای سوخته را چنان با قدرت بیرون می‌کشد که مخلوط سوخت تازه به‌تنهایی هرگز توان انجامش را نداشت.[1][2]

اما قدرت این کشش به‌قدری بالاست که پدیده بیش‌جاروب رخ می‌دهد؛ یعنی بخشی از سوخت و هوای تازه را هم با خود به درون گلویی داغ اگزوز می‌کشاند و مخلوط نسوخته را آنجا به تله می‌اندازد.[1][2]

مخروط جمع‌شونده و موج بازدارنده

مخزن انبساط برای بازگرداندن این سرمایه ازدست‌رفته، به مخروط جمع‌شونده انتهای لوله متکی است. پس از یک بخش میانی صاف به نام شکم اگزوز، لوله با شیب تند ۱۶ تا ۲۵ درجه ناگهان باریک می‌شود.[1][2]

برخورد باقیمانده موج صوتی با این تنگنا، یک موج فشار مثبت شدید به سوی موتور پس می‌زند؛ سدی نامرئی از جنس فشار که به سمت عقب لوله گسیل می‌شود.[1][2]

در صورت محاسبات دقیق ابعاد لوله، این موج درست در میلی‌ثانیه‌ای به دهانه خروجی می‌رسد که پیستون برای بستن آن در حال بالا آمدن است؛ در نتیجه، سوخت فراری فشرده و محکم به درون محفظه بازگردانده می‌شود.[1][2]

این اثر چپاندن آکوستیک، راندمان حجمی پیشرانه را جهش می‌دهد. برای پیشرانه‌ای با دور موتور ۸۰۰۰ در دقیقه که صدایی با فرکانس ۱۳۳ هرتز تولید می‌کند، رفت‌وبرگشت موج باید در فرصتی حدود ۷.۵ میلی‌ثانیه تمام شود.[2][3]

باند قدرت و تنظیم زمانی

اتکای این سوپرشارژر به سرعت ثابت صوت بدین معناست که این جادوی مکانیکی فقط در بازه محدودی از دور موتور، با زمان‌بندی پیستون جفت‌وجور می‌شود.[1][2]

در دورهای بسیار پایین، موج زودتر از موقع برگشته و به کف پیستون اصابت می‌کند؛ در دورهای بیش از حد بالا هم پس از بسته شدن مجرا از راه می‌رسد و عملاً بی‌اثر می‌شود.[1][2]

تنها زمانی که دور موتور با سرعت رفت‌وبرگشت موج صوتی میزان شود، سیلندر ناگهان آکنده از سوخت شده و قدرت موتور فوران می‌کند؛ محدوده‌ای باریک که موتورسواران آن را «افتادن در باند قدرت» می‌نامند و گاه توان خروجی را در بازه ۱۵۰۰ دور در دقیقه تا دو برابر بالا می‌برد.[1][2]

تیونرها می‌توانند با تغییر در طول و زوایای لوله، این محدوده را دستکاری کنند. طولانی‌تر کردن بخش صاف شکم، بازگشت موج را به تأخیر انداخته و اوج توان را در دورهای پایین‌تر عرضه می‌کند، درحالی‌که کوتاه کردن لوله بازده را در سرعت‌های بالا بیشینه می‌سازد.[1][2]

دمای گازهای خروجی نیز در این تعادل حساس صوتی دگرگونی ایجاد می‌کند؛ از آنجا که صوت در محیط داغ‌تر تندتر حرکت می‌کند، عایق‌پیچی اگزوز حرارت را بالا برده و باند قدرت را به دورهای بالاتری پرتاب می‌کند.[1][2]

مهار فشار برگشتی با استینگر

بخش انتهایی این سیستم، استینگر یا لوله باریک خروجی بعد از مخروط معکوس است. استینگر موج مستقلی تولید نمی‌کند، اما ضامن تعادل فشار پایه و دمای کاری درون مجموعه اگزوز به حساب می‌آید.[1][2]

قطر باریک‌تر استینگر باعث افزایش فشار برگشتی و به دام افتادن حرارت بیشتر می‌شود. این حرارت بالا، سرعت صوت را در گازها بیشتر کرده و با تسریع بازگشت موج‌ها، رفتار بیشینه موتور را تغییر می‌دهد.[1][2]

بااین‌حال اگر استینگر بیش از اندازه تنگ باشد، گرمای حبس‌شده به سیلندر برگشته، سبب انبساط مهارنشدنی پیستون و قفل شدن آن می‌شود؛ از این رو مکانیک‌ها باید قطر آن را با وسواس تنظیم کنند تا بدون از کار افتادن مرگبار موتور، بالاترین سرعت موج صوتی حاصل شود.[1][2]