विस्तार कक्ष

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विस्तार कक्ष एवं साइलेंसर के साथ स्कूटर (मोटरसाइकिल) का निकास

दो स्ट्रोक इंजन पर, विस्तार कक्ष या ट्यून्ड पाइप निकास प्रणाली है जिसका उपयोग वॉल्यूमेट्रिक दक्षता में सुधार करके इसके पावर (भौतिकी) आउटपुट को विस्तृत करने के लिए किया जाता है।

इतिहास

दो-स्ट्रोक इंजन के लिए विभिन्न प्रकार के निकास के मध्य प्रत्यक्ष तुलना, बाईं ओर आप इंजन एवं उसके निकास को देख सकते हैं, निकास पोर्ट पर (प्रमाण क्षेत्र लाल रंग में हाइलाइट किया गया) दबावों की प्रगति वक्र है (वायुमंडल में प्रभावी दबाव), दाईं ओर विभिन्न ड्रेंस के शक्ति वक्र हैं।
(A) निरंतर खंड के साथ पारंपरिक निर्वहन(B) डाइवर्जेंट खंड के साथ डिस्चार्ज (C) पावर ग्राफ में विस्तार कक्ष के साथ गुंजयमान विस्तार कक्ष, निकास बैक प्रेशर वाल्व के प्रभाव पर भी प्रकाश डाला गया है।

1938 में दो स्ट्रोक इंजनों में ईंधन को अर्घ्य करने के लिए, जर्मन इंजीनियर, लिम्बाच द्वारा विस्तार कक्षों का आविष्कार एवं सफलतापूर्वक निर्माण किया गया था। जर्मनी में पेट्रोल का अभाव हो रहा था, जो उस चरण में कोयले एवं सीवेज परिवर्तन का उपयोग करके उत्पादित किया गया था। अप्रत्याशित बोनस यह था कि ट्यून्ड निकास का उपयोग करने वाले दो स्ट्रोक इंजन सामान्य साइलेंसर के साथ चलने की तुलना में अधिक शक्ति का उत्पादन करते थे।

द्वितीय विश्व युद्ध की समाप्ति के पश्चात, कोल्ड वॉर के समय पूर्वी जर्मन वाल्टर काडेन द्वारा अवधारणा को विकसित करने से पूर्व कुछ समय हो गया। 1961 में स्वीडिश ग्रैंड प्रिक्स में एमजेड (MZ) के लिए रेसिंग करते हुए पूर्वी जर्मन मोटरसाइकिल रेसर अर्नेस्ट डेग्नर के पश्चिम में चले जाने के पश्चात वे सर्वप्रथम जापानी मोटरसाइकिलों पर पश्चिम में दिखाई दिए। तत्पश्चात उन्होंने स्वयं का ज्ञान जापान की सुज़ुकी को दे दिया।

यह कैसे कार्य करता है

सिलेंडर से निकलने वाली उच्च दबाव वाली गैस प्रारम्भ में तरंग के रूप में प्रवाहित होती है, जैसा कि तरल पदार्थों में विक्षोभ होता है। निकास गैस पाइप में मार्ग बनाती है जो पूर्व चक्रों से गैस द्वारा अधिकृत कर लिया गया है, उस गैस को आगे प्रवाहित करता है एवं तरंग का कारण बनता है। जब गैस का प्रवाह संवृत हो जाता है, तो तरंग निरंतर रहती है, ऊर्जा को आगामी गैस अनुप्रवाह एवं इसी प्रकार पाइप के अंत तक पहुंचाती है। यदि यह तरंग क्रॉस अनुभाग (ज्यामिति) या तापमान में किसी भी परिवर्तन का सामना करती है तो यह स्वयं शक्ति के भाग के विपरीत दिशा में प्रतिबिंबित करेगी। उदाहरण के लिए, क्षेत्र में वृद्धि करने वाली शक्तिशाली ध्वनिक तरंग विपरीत दिशा में शक्तिहीन ध्वनिक तरंग को प्रतिबिंबित करेगी। क्षेत्र में अभाव का सामना करने वाली ध्वनिक तरंग विपरीत दिशा में शक्तिशाली ध्वनिक तरंग को प्रतिबिंबित करेगी। मूल सिद्धांत को सिलेंडर हेड पोर्टिंग तरंग डायनेमिक्स में वर्णित किया गया है। विस्तार कक्ष इस घटना का उपयोग व्यास (क्रॉस अनुभाग) एवं लंबाई को भिन्न-भिन्न करके चक्र में वांछित समय पर सिलेंडर पर पुनः आने के लिए करता है।

विस्तार चक्र के तीन मुख्य भाग हैं।

प्रहार करना

जब अवरोही पिस्टन सर्वप्रथम सिलेंडर की दीवार पर निकास पोर्ट को उजागर करता है, तो इसके दबाव (विस्तार कक्ष से सहायता के बिना) के कारण निकास शक्तिशाली रूप से बाहर निकलता है, इसलिए पाइप के प्रथम भाग की लंबाई पर व्यास/क्षेत्र निरंतर या निकट होता है, 0 से 2 डिग्री के विचलन के साथ जो तरंग ऊर्जा को संरक्षित करता है। प्रणाली के इस खंड को हेडर पाइप कहा जाता है (निकास पोर्ट की लंबाई को माप उद्देश्यों के लिए हेडर पाइप का भाग माना जाता है)। हेडर पाइप के व्यास को स्थिर रखते हुए, तरंग में ऊर्जा को संरक्षित रखा जाता है क्योंकि चक्र में पश्चात तक विस्तार की आवश्यकता नहीं होती है। अधिकांश प्रहार प्रक्रिया के समय सिलेंडर त्यागने वाला प्रवाह ध्वनि या सुपरसोनिक होता है, एवं इसलिए कोई भी तरंग उस प्रवाह के विपरीत सिलेंडर में पुनः नहीं जा सकती है।

स्थानांतरण

निकास दबाव लगभग वायुमंडलीय स्तर तक गिर जाने के पश्चात, पिस्टन स्थानांतरण पोर्टों को विवृत कर देता है। इस बिंदु पर विस्तार कक्ष से ऊर्जा का उपयोग सिलेंडर में स्वच्छ मिश्रण के प्रवाह में सहायता के लिए किया जा सकता है। ऐसा करने के लिए, विस्तार कक्ष व्यास में बढ़ जाता है, जिससे बाहर जाने वाली ध्वनिक तरंग (दहन प्रक्रिया द्वारा बनाई गई) परावर्तित शून्यक (नकारात्मक दबाव) तरंग बनाती है जो सिलेंडर पर लौटती है। कक्ष के इस भाग को डाइवर्जेंट (या डिफ्यूज़र) खंड कहा जाता है और यह 7 से 9 डिग्री पर डायवर्ज होता है। यह आवश्यकताओं के आधार पर अधिक विचलन कोण बना सकता है। स्थानांतरण चक्र के समय वैक्यूम तरंग सिलेंडर में आती है एवं क्रैंककेस से सिलेंडर में स्वच्छ मिश्रण को सोखने में सहायता करती है, या क्रैंककेस में निकास गैसों की मद्यपान को बाधित करती है (क्रैंककेस शून्यक के कारण)। चूंकि, तरंग विस्तार कक्ष के शीर्षलेख में निकास पोर्ट से स्वच्छ मिश्रण को भी विस्थापित कर सकती है। पोर्ट-ब्लॉकिंग तरंग द्वारा इस प्रभाव को अर्घ्य किया जाता है।

पोर्ट ब्लॉकिंग

जब स्थानांतरण पूर्ण हो जाता है, तो पिस्टन संपीड़न स्ट्रोक पर होता है किन्तु निकास पोर्ट अभी भी विवृत रहता है, दो स्ट्रोक पिस्टन पोर्ट चित्र के साथ अपरिहार्य समस्या है। पिस्टन के स्वच्छ मिश्रण को विवृत निकास पोर्ट से बाहर निकलने से बाधित करने में सहायता करने के लिए विस्तार कक्ष से शक्तिशाली ध्वनिक तरंग (दहन द्वारा उत्पादित) संपीड़न स्ट्रोक के प्रारम्भ के समय आने के लिए समयबद्ध होती है। कक्ष के व्यास को अर्घ्य करके पोर्ट ब्लॉकिंग तरंग बनाई जाती है। इसे अभिसारी खंड कहा जाता है। निवर्तमान ध्वनिक तरंग संकीर्ण अभिसारी खंड से टकराती है एवं ध्वनिक पल्स की दृंढ श्रृंखला को सिलेंडर में पुनः दर्शाती है। वे निकास पोर्ट को अवरुद्ध करने के लिए समय पर पहुंचते हैं, तत्पश्चात संपीड़न स्ट्रोक के प्रारम्भ के समय विवृत होते हैं एवं विस्तार कक्ष के हेडर में निकाले गए किसी भी स्वच्छ मिश्रण को सिलेंडर में पुनः धकेलते हैं। आवश्यकताओं के आधार पर अभिसारी खंड को 16 से 25 डिग्री पर अभिसरण करने के लिए बनाया गया है।

ध्वनिक तरंग के साथ संयुक्त कक्ष में दबाव में सामान्य वृद्धि होती है, जो स्टिंगर नामक छोटी ट्यूब के साथ निर्गम मार्ग को प्रतिबंधित करने के कारण होता है, जो आगामी चक्र को प्रस्तुत करने के लिए संपीड़न/पावर स्ट्रोक के समय कक्ष को रिक्त करने वाले ब्लीडर के रूप में कार्य करता है। स्टिंगर की लंबाई एवं व्यास 0.59 से 0.63x हेडर पाइप व्यास पर आधारित होता है एवं इसकी लंबाई इसके व्यास के 12 गुना के समान होती है, जो प्राप्त किए जाने वाले परिणामों पर निर्भर करती है। उचित रूप से डिज़ाइन किए गए निकास प्रणाली में, दबाव में कुल वृद्धि किसी भी विषय में मफलर द्वारा उत्पादित दबाव से कम होती है। स्टिंगर का अनुचित आकार निकृष्ट प्रदर्शन या अत्यधिक ऊष्मा का कारण बनेगा जो इंजन को हानि पहुंचाएगा।

जटिल कारक

व्यवहार में विस्तार कक्षों का विस्तृत संचालन उतना साधारण नहीं है जितना कि ऊपर वर्णित मूलभूत प्रक्रिया में होता है। पाइप में समर्थन यात्रा करने वाली तरंगें विभिन्न अनुभाग का उत्क्रम में सामना करती हैं एवं स्वयं ऊर्जा के भाग को पुनः दर्शाती हैं। पाइप के विभिन्न भागों में तापमान भिन्नताएं प्रतिबिंब एवं ध्वनि की स्थानीय गति में परिवर्तन का कारण बनती हैं। कभी-कभी ये द्वितीयक तरंग प्रतिबिंब अधिक शक्ति के वांछित लक्ष्य को बाधित कर सकती हैं।

यह ध्यान रखना उपयोगी है कि यद्यपि तरंगें प्रत्येक चक्र में पूर्ण विस्तार कक्ष को ज्ञात करती हैं, किन्तु किसी विशेष चक्र के समय सिलेंडर त्यागने वाली वास्तविक गैसें नहीं होती हैं। गैस प्रवाहित होती है एवं आंतरायिक रूप से रुक जाती है एवं तरंग पाइप के अंत तक निरंतर रहती है। पोर्ट से निकलने वाली गर्म गैसें स्लग बनाती हैं जो हेडर पाइप में जाती है एवं उस चक्र की अवधि के लिए वहां रहती है। यह हेड पाइप में उच्च तापमान क्षेत्र का कारण बनता है जो सदैव सबसे गर्म गैस से भरा होता है। क्योंकि यह क्षेत्र अधिक गर्म है, ध्वनि की गति एवं इस प्रकार इससे निकलने वाली तरंगों की गति बढ़ जाती है। आगामी चक्र के समय गैस के स्लग को आगामी स्लग द्वारा आगामी जोन पर अधिकार करने के लिए पाइप से नीचे धकेल दिया जाएगा। थ्रॉटल की स्थिति एवं इंजन की गति के अनुसार इस स्लग की मात्रा परिवर्तित होती रहती है। यह केवल तरंग ऊर्जा ही है जो चक्र के समय सम्पूर्ण पाइप को ज्ञात करती है। किसी विशेष चक्र के समय पाइप से निकलने वाली गैस दो या तीन चक्र पूर्व बनाई गई थी। यही कारण है कि दो स्ट्रोक इंजनों पर निकास गैस का प्रतिरूप निकास पोर्ट में विशेष वाल्व के साथ किया जाता है। स्टिंगर से निकलने वाली गैस में अधिक निवासी समय होता है एवं अन्य चक्रों से गैस के साथ मिश्रित होने से विश्लेषण में त्रुटियां होती हैं।

विस्तार कक्षों में इंजन बे के भीतर स्वयं को योग्य समायोजित करने के लिए लगभग सदैव झुकाव एवं वक्र होते हैं। मुड़ने पर गैसें एवं तरंगें समान व्यवहार नहीं करती हैं। तरंगें परावर्तित एवं वृत्ताकार विकिरण द्वारा यात्रा करती हैं। घुमाव तरंग रूपों की तीक्ष्णता में हानि का कारण बनता है एवं इसलिए अप्रत्याशित हानि से बचने के लिए इसे न्यूनतम रखा जाना चाहिए।

विस्तार कक्षों को चित्रित करने के लिए उपयोग की जाने वाली गणना केवल प्राथमिक तरंग क्रियाओं को ध्यान में रखती है। यह सामान्यतः अत्यधिक निकट होता है किन्तु इन जटिल कारकों के कारण त्रुटियां हो सकती हैं।

यह भी देखें

• कडेनसी प्रभाव
• ट्यून्ड निकास