Vztahy a programy pro výpočet rezonančního výfuku

Autor: Ladislav Ševčík („Pajka“)
aktualizováno: 22.6.2017

Výpočet rezonančního výfuku pro dvoutakt je už přeci jen jakási „vyšší dívčí“. Jeden krok je výpočet základních teoretických rozměrů, druhý krok pokročilé výpočty s pomocí náročného software a třetí věcí je výroba několika variant výfuku a jejich testování na motoru připojeném k měřícímu zařízení (motorové brzdě). Nic jednoduchého. Pro laické úpravy jsou dostupné vztahy a programy pro výpočet rezonátoru. Pokusím se nějaké výpočty trochu přiblížit…

Program na webu:

https://www.underdogsracing.com/fospipe/

Překlad vstupních dat programu

Vstupní data a výpočet

1. Použitím nějakého CAD programu, kde si nakreslíte pozici pístu (a hlavně ojnice), kdy je výfukový kanál právě zavřen. Pak si vytvoříte úsečku mezi pomyslnou osou rotací klikové hřídele a osou spodního čepu ojnice. Mezi úsečkou a rovinou (kdy by ojnice byla v nejnižším bodě vůči válci) můžete změřit úhel. Délka otevření výfuku je ale dvojnásobkem změřeného úhlu (píst jde do dolní úvrati a pak se vrací).
2. Výpočtem podle vztahu níže, který doplňuji i názorným výpočtem:

Vztah pro výpočet délky trvání výfuku (časování)

Příklad výpočtu délky trvání výfuku

Tento program počítá výfukové koleno s proměnlivým průměrem

Nepředpokládám ale, že byste takové koleno vyráběli. Výhoda programu je rychlý výsledek a snadné porovnávání různých variant. Pro ruční výpočet rozměrů s trubkou místo proměnlivého kolena vkládám následující vztahy:

Vztahy pro výpočet výfuku i s hladkým kolenem

Další dokumenty a programy

Vztahy jsou opsané ze zahraničních publikací a doplněny jsou (orientačním!) překladem. Za správnost všech vzorců a výpočtů neručím.

Laděné rezonanční výfuky Hikone

Autor: Ladislav Ševčík („Pajka“)
aktualizováno: 27.7.2017

Výfuky Hikone byly zkonstruované a vyrobené pro italské skútry (mnoho typů). Pravděpodobně ale výrobci nevyšla zakázka a obrovské množství těchto výfuků bylo u nás k dostání „za hubičku“ téměř na každém rohu. Díky nízké ceně a atraktivnímu sportovnímu vzhledu je hodně lidí kupovalo a upravovalo pro své pionýry. Výfuky Hikone ale byly navrženy pro vysokootáčkové padesátky a sériovým pionýrům vždy výkon spíš ubraly. Někteří ladiči ale umí výfuky Hikone upravit, aby s upravenými motory Jawa 50 spolupracovaly, jak mají.

Nabídka snadno přizpůsobitelných typů se rychle zužovala, až v prodeji zůstaly spíše nevhodná provedení. Zhruba v letech 2000 až 2010 byl pojem Hikone jakýmsi fenoménem a kluci těmito výfuky „zvšovali“ atraktivitu (tehdy ještě téměř bezcenných) pionýrů. I dnes se dají výfuky Hikone pořídit, sáhnou po nich ale spíše ti, kteří ví co a jak. Jak už jsem psal, standardnímu pionýrovi to vždy výkon akorát ubere.

Kompresní poměr

Autor: Miroslav Stejskal (https://www.ms50.cz)
Vložil: Ladislav Ševčík („Pajka“)
aktualizováno: 23.8.2016

Stupeň komprese má přímý vliv na účinnost a dosažený výkon, ovšem nárůst není lineární, nejdříve hodnota účinnosti rychle stoupá s kompresním poměrem, později ostrý nárůst plynule přejde jen do pomalu se zvyšující přímky. Od hodnoty 4:1 do 12:1 (rozdíl 8) se zvýší účinnost tepelného oběhu ze 40 na 64 %, ale od 12:1 do 20:1 (také rozdíl 8) se zvýší účinnost jen o dalších 6 %. Proto rozumně použitelná hranice komprese je asi 12:1, při dalším zvyšování začíná převládat nepříznivý vliv ztrát z vysokých tlaků nad ziskem z účinnosti, dále hrozí nebezpečí samovznícení paliva kompresním teplem v jiný okamžik, než je určeno zapalováním. Pro běžný provoz i sportovní úpravy se nepoužívají hodnoty vyšší než asi 10,5:1, potom začíná být hoření tvrdé a pro silniční provoz nevhodné. Kompresní poměr patří k důležitým konstrukčním veličinám motoru a udává se vždy, protože se dá usuzovat na oktanový nárok paliva i bez doporučení výrobce. Obecně se pro sériové motory dá říct, že co stupeň komprese, to 9 – 10 oktanů. Každopádně na vznik detonací má vliv ještě několik jiných činitelů – otáčky motoru, vlhkost vzduchu, obsah kyslíku ve vzduchu, teplota vzduchu, tvar spalovacího prostoru atd. Proto různé motory při stejných kompresních poměrech mají odlišný oktanový nárok.

Vyšší stupeň komprese zmenšuje objem spalovacího prostoru, čímž se zmenšuje i jeho ochlazovací plocha, a tím také tepelné ztráty. Menší kompresní prostor znamená menší zbytek spálených plynů, které ve válci zůstanou, což má příznivý vliv na výkon motoru. V malém kompresním prostoru jsou částice paliva se vzduchem silně stlačeny a dobře promíchány. Kromě toho se kapičky paliva zplyňují, takže hoření je dokonalejší a rychlejší. Zvýšením stupně komprese se značně zvýší výkon motoru, sníží se měrná spotřeba paliva. Velké zvýšení kompresního poměru už přináší podstatně menší zlepšení. Zvyšování kompresního poměru je omezeno detonačním spalováním, popřípadě samovznícením zápalné směsi, které nastává při teplotě asi 550 °C. Při větších kompresních poměrech se namáhá nadměrně klikové ústrojí a jeho životnost velmi rychle klesá a také je možnost deformace ojnice.

Základy návrhu rezonančního výfuku dvoutaktu

Autor: Miroslav Stejskal (https://www.ms50.cz)
Vložil: Ladislav Ševčík („Pajka“)
aktualizováno: 23.8.2016

Základní informace pro návrh rezonančního výfuku (expanzní komory) pro dvoudobý motor.

Popis částí rezonančního výfuku

Hlavní příčiny nefunkčnosti navrženého rezonančního výfuku:

Princip rezonančního výfuku u dvoudobého motoru

Autor: Ladislav Ševčík („Pajka“)
aktualizováno: 23.8.2016

Rezonanční výfuk, nebo taky tzv. expanzní komora, snižuje ztráty a zvyšuje výkon motoru v určitých otáčkách, na které je spočítaný.

Zjednodušeně: Po otevření výfukového kanálu ze spalovacího prostoru samovolně unikají expandující výfukové plyny do rezonanční komory a za nimi se do spalovacího prostoru dostává přepouštěním čerstvá směs. Aby do výfuku neunikala i ta, je výfuk navržený tak, aby z výfukových plynů odrážejících se od kuželového zúžení vznikala tlaková protivlna, která čerstvou směs tlačí zpět do spalovacího prostoru. Tenhle jev se ale projevuje pouze v určitých otáčkách, na které je rezonanční komora přesně spočítaná – obvykle vysoké otáčky, kdy už motoru „dochází dech“. Pro správnou funkci dvoudobého motoru je ale důležité, aby výfukové potrubí fungovalo v celém rozsahu otáček proměnlivě. Musí tedy fungovat nejen jako rezonátor, ale také jako tlumič a v určitých otáčkách by měl výfukové plyny brzdit co nejmíň. Zkonstruovat správně fungující výfuk je tedy VELMI náročné.

Kliknutím spustíte animaci v novém okně

Zapálená směs expanduje a otevírá se výfukový kanál

Výfukové splodiny putují do výfuku, otevírají se přepouštěcí kanály

Čerstvá směs vyplachuje zbylé splodiny ze spalovacího prostoru. Na konci výfuku se vytváří zpětná tlaková vlna, která se pohybuje rychlostí zvuku zpět a zatláčí čerstvou směs zpět do spalovacího prostoru (brání tím zbytečným ztrátám)

Směs je zatlačena do válce

Princip dvoudobého zážehového motoru

Upravený výtažek z: https://www.wikipedia.org
Autor: Ladislav Ševčík („Pajka“)
aktualizováno: 23.8.2016

Dvoudobý spalovací motor je pístový spalovací motor, jehož pracovní cyklus proběhne za jednu otáčku klikové hřídele (u čtyřdobého motoru 1× za dvě otáčky). Na rozdíl od čtyřdobého spalovacího motoru obstarávají přívod zápalné směsi místo ventilů píst a kanály. Píst při svém pohybu otevírá a zavírá kanály. U novějších motorů ovládá sání pod píst šoupátkový rozvod nebo klapky.

Mazání dvoudobého motoru je prováděno olejem rozpuštěným v palivu. Tlakové oběhové mazání, používané u čtyřdobých motorů, nelze použít, protože na pracovním cyklu se podílí i dolní plocha pístu.

Dvoudobé motory mají nižší účinnost než čtyřdobé, což je částečně způsobeno mícháním zápalné směsi a výfukových plynů. Proto velmi záleží na tvaru, délce a průměru výfuku, který velmi ovlivňuje vyplachování spalovacího prostoru čistou směsí. Při stejných otáčkách však mohou mít vyšší výkon, protože za stejnou dobu dojde ke dvojnásobnému počtu pracovních cyklů. Díky jednodušší konstrukci jsou také při stejném výkonu lehčí a mají obvykle větší měrný výkon (v reálu může být výkon až 1,5× vyšší jak u 4T motoru). V současné době jsou spíš ale na ústupu právě pro svou nižší účinnost a hlavně pro znečištění, způsobené olejem v palivu.

Pro dvoudobé motory ale svítají nové naděje. Při výplachu motoru vzduchem (místo palivem), kdy se motor nemaže směsí ale pouhým vstřikem přesné dávky oleje na potřebné místa, a vstřikováním paliva do stlačovaného vzduchu teprve po uzavření výfukového kanálu, se dají mouchy dvoutaktu vychytat a motor může v něčem i předčít čtyřdobé motory. Třeba například tzv. lineární motory, které mají být pohonem budoucnosti pracují právě na dvě doby.

Jednoduchý dvoudobý motor.

Novodobý 2t motor s jazýčkovým (klapkovým) sáním a rezonančním výfukem.

Pracovní fáze dvoudobého spalovacího motoru

1. Sání a komprese – Píst se pohybuje od úvratě směrem k horní úvrati. V klikové skříni vzniká podtlak a píst pohybující se směrem nahoru otevře sací kanál, kterým se nasaje do klikové skříně zápalná směs (u novějších konstrukcí otevírá sací okénko rotační šoupátko nebo jednocestný sací ventil). Během pohybu pístu nahoru se uzavírá výfukový a přepouštěcí kanál. Směs v prostoru nad pístem (byla připravena dříve během druhé fáze) se stlačuje, nastává komprese a pod pístem probíhá důsledkem podtlaku sání.
2. Expanze a výfuk – Těsně před horní úvratí přeskočí jiskra, nastává zážeh a expanze. Expanzí je píst tlačen z horní úvratě do úvratě dolní. Spodní hrana pístu uzavírá sací kanál. Směs v klikové skříni se pohybem pístu stlačuje. Při dalším pohybu pístu otevírá horní hrana pístu výfukový kanál a vzápětí na to otevírá horní hrana pístu i přepouštěcí kanál a stlačená směs začne vytlačovat zbytky zplodin a dostává se do prostoru nad píst. Následně se píst začne pohybovat opět směrem nahoru (tj. první doba), výfukový a sací kanál uzavře, a začne opět stlačovat směs, přičemž na spodní straně pístu probíhá sání.

Rotační šoupátko a klapkové (jazýčkové) sání

Autor: Ladislav Ševčík („Pajka“)
aktualizováno: 27.7.2016

Chci vás upozornit, že se nejedná o návod úpravy. Pouze se snažím vysvětlit funkci klapky (jazýčkového sání). Bez zkušeností o této úpravě ani nepřemýšlejte.

U dvoudobých motorů, které sají pístem (respektive jeho pohybem nahoru a následným otevřením sacího kanálu) se projevuje neblahá vlastnost. Pohybem pístu do horní úvrati se nasává směs do prostoru klikové hřídele, ale při zpětném pohybu dolů se jí, ještě před zavřením sacího kanálu, část vrátí zpět do sacího potrubí (to jde dobře vidět na obrázku č. 2). Poznáte to (třeba u pionýra) tak, že z karburátoru sundáte filtr sání a za chodu z něj prská palivo. To má samozřejmě vliv na průběh motoru, výkon i spotřebu.

Sání dvoudobého motoru a ztráty při něm

Rotační šoupátko

Konstrukčně se v minulosti tento nedostatek řešil různými způsoby, z nichž je neznámější použití rotačního šoupátka. Šoupátko bylo buď umístěné v ose klikové hřídele, nebo kolmo k ose rotace (s použitím šnekového převodu). Tvarem rotačního šoupátka jde docílit velmi dobrého plnění motoru bez ztrát. Je to ale rotační součást v motoru „navíc“ se kterou se pojí různé komplikace (nesymetričnost plnění motoru, vhodný materiál, přítlak, těsnění třecí plochy, mazání atp.). Šoupátka byla vyráběná buď z kompozitních materiálů (pertinax) nebo z plechu. Z u nás známých dvoutaktů měly šoupátkové sání například Jawa 90 (SK-90), závodní motocykly Tatran vyráběné v Považských strojárnách, některé závodní čezety a pak především Trabant (na svou dobu velmi pokrokový a spolehlivý dvoutakt). Tohle řešení má své limity a s příchodem moderních materiálů ztratilo svůj význam.

Fotky upraveného motoru pionýra s rotačním šoupátkem:

Více fotek zde

Klapkové sání (jazýčkové)

Klapkové, neboli jazýčkové sání je dnes standardní součást moderních dvoutaktů a oblíbený nástroj ladičů. Jde vlastně o jednocestný ventil. Konstrukce klapky je pokryta pružnými planžetami, které se v podtlaku otevírají a v přetlaku zavírají. Klapky se dají použít prakticky kdekoli v motoru, kde vzniká pohybem klikové hřídele podtlak. Ovšem ani klapky nejsou zcela bezchybné, nefungují spolehlivě v celém rozsahu otáček a vytvářejí v sání zábranu. Se vším je při konstrukci motoru potřeba počítat.

Řez klapkovým sáním

Nejčastější použití klapky je přímé sání do klikové skříně, kdy motor „saje“ celou dobu pohybu pístu do horní úvrati. U některých motorů je ale klapka před sacím kanálem ve válci. Délka otevření sacího kanálu je tedy nadále řízena hranou pístu, ale ztráty zpětným pohybem jsou minimální (hranou pístu se dá řídit velikost podtlaku). Oba způsoby se ale především kvůli rozdílnému podtlaku navrhují a počítají jinak. U druhé varianty lze navíc částečně využít sací kanál jako další přepouštěcí kanál. Když se píst blíží k horní úvrati a saje do klikového prostoru, tak jsou přídavné přepouštěcí okénka uzavřeny. Při pohybu dolů se tyhle okénka otevírají a přes okénko v pístu se z prostoru pod pístem dostává další směs zkrácenou cestou přes sací kanál do spalovacího prostoru (dobře viditelné na obrázku níže).

Klapkové sání dvoutaktu s přídavným přepouštěsím kanálem

Návod na úpravu motorů Simson

Vložil: Ladislav Ševčík („Pajka“)
aktualizováno: 23.8.2016

Návod na tuningovou úpravu motoru Simson (náhled)

Simson sice jako výrobek koncernu IFA nemá s pionýry mnoho společného, přesto sem vkládám i tenhle návod na úpravu. Tuning motoru Simson by měl být s mírnými změnami použitelný u kteréhokoli typu (S50, S51, S53, S70, atd.)

navod-uprava-motoru-simson.pdf

Úprava motoru Jawa 05 (Svět Motorů 24/1964)

Autor: Václav Krejbich
Zdroj: Svět Motorů
Vložil: Ladislav Ševčík („Pajka“)
aktualizováno: 23.8.2016

Návod pochází ze Světa Motorů (číslo 24/1964), je určen pro typ 05 a ve své době to byla špička. Děkuji FK za opravení chyby ve výpočtu komprese.

Pro terénní závody motocyklů objemové třídy 50 cm³ jsem pro sezónu 1964 se svými syny upravil motor Pionýr 05. Jedná se zejména o úpravu válce a hlavy. Motor nebyl po úpravách odzkoušen na brzdě, proto nemohu udávat dosažený výkon a úpravu je nutno považovat za amatérskou. Jelikož však zatím nebyla zveřejněna žádná jiná úprava, rozhodl jsem se na základě mnoha požadavků naši úpravu popsat. Upozorňuji, že byla uskutečněna zatím pouze na jediném motoru. Při zkouškách na silnici bylo dosaženo maximální rychlosti 85 až 90 km/h – podle váhy jezdce. Maximální použitelné otáčky jdou do 9000 ot/min. Jiné hodnoty nebyly měřeny.

Popis úpravy:

Hlava válce

Sériová hlava je snížena a je vytvořena antidetonační štěrbina. Vlastní kompresní prostor se tvarově nemění. Úprava se dá udělat velmi snadno na soustruhu. Hlava může být snížena podle výkresu pouze současně s dále uvedenou úpravou vložky válce, neboť stupeň komprese je závislý na okamžiku uzavření výfukového kanálu. Po popsané úpravě hlavy podle výkresu bude objem kompresního prostoru při pístu v horní úvrati 3 cm³ a teoretický stupeň komprese (50+3)3=17. Budeme-li uvažovat skutečnost, tj. začátek stlačování směsi po uzavření výfukového kanálu, bude stupeň komprese (33+3)/3=12. Při tomto stupni komprese a správném seřízení karburátoru ještě výkon motoru běhěm závodu neklesá, protože nedochází k vnitřnímu přehřátí a k detonacím.

Výkres úpravy hlavy válce Jawa 05

Válec

Úprava vložky a válce podle výkresu je možná pouze po vyjmutí vložky z válce. Válec ohřejeme na 150 až 200°C a podložíme jej trubkou tak, aby se do ní vyrážená vložka vešla. Vložku vyrazíme přesným osazeným trnem. Doporučuji zhotovit vyrážecí trn z plného materiálu na zasunutí v celé délce vložky s nejmenší suvnou vůlí. Trn musí po vsunutí vložku ochlazovat a tím usnadnit vyražení. Vložku i válec upravíme s největší možnou přesností. Upravenou studenou vložku pak zase zasuneme do předehřátého válce. Vložční je poměrně snadné, ale musí být děláno přesně, neboť později již nelze vložkou pootočit. Všechny příčné hrany kanálů, přes které přecházejí pístní kroužky, nutno velmi pečlivě srazit v hodnotách podle detailu A (10°1 mm). Úprava válce je praná a vyžaduje značnou řemeslnou zručnost. Pro slícování přepouštěcích kanálů mezi válcem a motorovou skříní nutno zhotovit šablonu.

Píst

Píst se upraví pouze ve výřezech pro předáky podle válce a na dolním kraji proti sacímu kanálu přímým orýsováním a opilováním (při pístu v horní úvrati).

Klika

V současné době používáme kliky starého provedení, tj. s pístním čepem o průměr 10 mm. Kliky nového provedení jsou použitelné až se zlepšenou jakostí jinčího ložiska, které naběhlo od září 1964. V případě, že opravujeme starou kliku, pozor na boční plochy, které jsou ve styku s válečky. Jsou.li tyto plochy poškozeny, musíme použít ocelových podložek nebo vyměnit setrvačníky. Vyvažovací otvory zavíčkujeme do osazení duralovými víčky o tloušťce asi 1 mm a zajistíme je proti vypadnutí zaklepnutím. Po slícování nutno vyrovnat kliku na obou čepech a v místě uložení s přesností na 0,01 mm. U starších typů motorových skříní dochází při vyšších teplotách k netěsnosti v dělící rovině. Abychom tomu zabránili, vkládáme do dělící roviny takových skříní výplňové rozříznuté mezikruží z duralu tloušťky 4 mm, výšky 15 mm a vnějšího průměru 104 mm, oboustranně zapuštěné do osazení v motorové skříni. Mezikruží musí být zajištěno proti pootoční a musí mírně pružit. Tím zlepšíme těsnost a spodní kompresi.

Karburátor

Používáme karburátor Jikov a průměr 18 mm, staré provedení z ČZ 150 cm³. Montuje se šikmo polospádově podle fotografie v čísle 13/64 SM. Je nutno použít oddelenou plovákovou komoru, aby byla seřiditelná hladina. Hladina se musí seřídit tak, aby sice byla pokud možno nejvyšší, ale karburátor ještě nepřetékal. Seřízení si usnadníme hadičkou s nasunutou skleněnou trubičkou, kterou přiložíme až k šoupátkové komoře a posouváním celé plovákové komory seřídíme hladinu, která má být asi 1 mm pod hranou komínku trysky. Pužíváme trysky 90 až 95 podle počasí. Při menších tryskách se motor přehřívá. Používáme smeš 1:20 oleje Mix, případně LM 100 s benzinem o. č. 87.

Mirkočistič

Používáme mirkočistič z Jawy 559 nebo z Fiatu 600 (ne 600 D). Přechod pro čistič se musí hned od šoupátkové komory rozšiřovat z průměru 30 mm na průměr cca 70 mm v délce cca 120mm. Prostor mezi čističem a šoupátkovou komorou musí být dostatečně velký. Neboť pracuje jako uklidňovací komora. V žádném případě se nemůže použít válcová spojovací trubka.

Zapalování

Zapalování necháme téměř beze změny. Vzdálenost kontaktů 0,4 mm, předpal 1,6 až 1,8 mm. Kondenzátor, který je nadměrně tepelně namáhán, je lépe montovat mimo kryt. I opěrná hrana kladívka se při vysokých teplotách nadměrně opotřebovává, přepal je proto nutno stále hlídat a často seřizovat, prakticky po každém závodě. Dále pozor na nastavení polohy přerušovače vůči celému zapalování. Musí být dodržena přesná poloha, která bývá označena. Předpal nutno seřizovat natáčením celého zapalování. Je vhodné překontrolovat seřízení asi při 1000 otáčkách magneta natáčením celé destičky přerušovače proti statoru a sledováním délky jisker za vývodem z cívky. Optimální seřízení je při nejdelší jiskře (asi 10 mm. Pro tuto zkoušku musíme točit motorem při vyjmuté svíčce jiným zdrojem.

Výfuk

Podstatný vliv na výkon dvoudobého motoru má výfuk. Odzkoušeli jsme asi 4 alternativy a nejlépe nám vyhovuje výfuk podle výkresu. Tím nechceme tvrdit, že je nejlepší a věříme, že je možné navrhnout ještě vhodnější. Zatím jsme neměli možnost se dále zabývat zkouškami a uvádíme současný stav Kromě tvaru tlumiče nutno věnovat péči i kolenu u příruby válce. Jeho oblouk musí mít dostatečný poloměr, dobře slícované přechody a hladké vnitřní stěny. Uvedené úpravy jsou pouze směrné a informativní. Byly odvozeny od známých úprav větších motorů. Je známa i úprava s třetím přepouštěcím kanálem pro výkon 4 k při 7500 ot/min. ale nemám s ním osobní zkušenosti a tak jej nemohu popisovat. Uvedená úprava se nám v sezóně 1963 a hlavně 1964 osvědčila a takto upravený motor byl prakticky na všech závodech nejrychlejší, i když vozil jezdce o váze 80 kg. Poruchy upravený motor neměl. Zatímco u ostatních sledovaných motorů jezdců Pražského kraje bylo zjištěno nadměrné opotřebení vložek a pístních kroužků. Životnost je s použitím mikročástice více než dvojnásobná, ale i tak je malá na dlouhých soutěžích. Trvanlivost kroužků je pouze dva závody, životnost vložky 6 až 8 závodů.

Výkres výfuku pro upravený motor Jawa 05

Václav Krejbich

Oskenovaný původní článek z časopisu

Svět Motorů 24/1964, strana 20-21, vydáno 21.11.1964.