工程聲學/二衝程發動機聲波增壓
工程聲學華夏公益教科書的這一頁討論了二衝程發動機調諧管的優點和設計。有關二衝程發動機的入門資料，請參閱以下連結
對於二衝程發動機，調諧管是指從排氣口開始，到收斂段末端的排氣系統部分。調諧管根據所需的效應，由 3 到 4 個特徵部分組成。下圖描述了調諧管的三種典型配置以及直管的橫截面
直管和調諧管的目的是利用源自排氣口的壓力波來幫助發動機呼吸。這是透過以這樣一種方式設計管道來實現的，即正負反射波在需要低壓或高壓時到達排氣口。這對二衝程發動機有利，因為與四衝程發動機不同，它們沒有專門的進氣和排氣衝程以及閥門。
以下圖片標記了在本華夏公益教科書頁面中提到的二衝程發動機的各個元件。
此外；縮寫也將有所幫助
- 按曲柄角升序排列
- TDC - 上止點，0 度
- EPO - 排氣口開啟
- TPO - 旁通口開啟
- BDC - 下止點，180 度
- TPC - 旁通口關閉
- EPC - 排氣口關閉
有關二衝程發動機的入門資料，請參閱以下連結
在這種應用中，調諧直管的目標是利用來自管道開口端的反射負壓波來幫助排出廢氣。透過選擇合適的管道長度，反射稀疏波在旁通口開啟時到達排氣口，從而幫助新鮮混合氣進入氣缸，廢氣排出氣缸。下圖說明了這種作用。在圖中，即使活塞已到達下止點 (BDC)，新鮮混合氣仍繼續進入氣缸，因為稀疏波導致 P2 小於 P1。需要注意的關鍵一點是，壓力波和稀疏波在排氣管中上下傳播的速度在很大程度上與發動機工作頻率 (RPM) 無關。由於這個事實，必須得出結論，對於給定的管道長度，存在一個最佳的 RPM，在該 RPM 下，波將到達併產生最大的效益，以幫助發動機呼吸。在這個最佳 RPM 下，發動機呼吸明顯更好，因此產生明顯的功率輸出增加。透過計算壓縮階段在 EPC 開始時氣缸內新鮮混合氣與廢氣之比來量化這種效應。如果稀疏波很大，新鮮混合氣可能會在旁通口和排氣口都開啟時被吸入排氣管。這種現象被稱為發動機短路，會導致不良影響，例如燃油經濟性下降和揮發性有機化合物排放增加。這些負面影響可以透過設計排氣系統來緩解，使新鮮混合氣不會被吸入排氣管（即完美調諧的直管），或者進一步利用排氣壓力波來抑制短路。對於效能型二衝程發動機，透過調諧排氣管（稱為調諧管）來實現第二種解決方案。
對於一個收斂-腹部-發散型排氣管，目標是讓發散段產生一個返回的稀疏波，而收斂段產生一個返回的壓力波。腹部段充當返回波之間適當的時間延遲，使得壓力波在排氣埠關閉後到達進氣埠。這個壓力波將排氣管中短路的過量新鮮混合氣從短路推回氣缸。這裡，短路的混合氣實際上是需要的，因為它允許返回的壓力波“增壓”氣缸，使其比在環境壓力下填充時獲得更多的新鮮混合氣。這類似於為四衝程發動機增壓或增壓。如果燃燒前氣缸內的混合氣體被允許膨脹到環境壓力，那麼它的體積將大於發動機的排量。這種現象被稱為容積效率；它被計算為新鮮混合氣的環境壓力體積與發動機的排量體積之比。下面動畫顯示了配備適當調諧排氣管的二衝程發動機的執行情況，有關該過程的逐步說明，請點選動畫下方的連結。
現在有排氣製造商正在將調諧排氣管與調諧（埠）發動機匹配，以在給定轉速下獲得最佳的“增壓效果”。過去，調諧排氣管會在標準發動機上進行測試，但由於調諧發動機的轉速更高，因此排氣管的長度和形狀會不同。
下面圖中顯示了排氣管最基本的形式，以及相應的波浪方程。
該排氣管包含一個膨脹室，用於產生返回的稀疏波和壓力波。從參考文獻 [1] 中，我們知道排氣管中的波速實際上與發動機轉速無關，主要取決於排氣管中氣體的溫度。這意味著具有基本幾何形狀的排氣管僅在一個特定的轉速下才能達到最佳效能，當發動機轉速偏離最佳值時，返回波到達的時間對於容積效率來說就不那麼理想了。容積效率與發動機轉速之間的關係可以用以下圖形定性地描述。
儘管基本排氣管能夠完成提高容積效率的任務，但由於發動機通常需要在較寬的轉速範圍內執行，因此基本排氣管的有效轉速頻寬狹窄，這限制了其實用性。擴大排氣管有效轉速頻寬的一種方法是在橫截面不斷增大和減小的部分逐漸改變排氣管。要了解其工作原理，我們可以將一個逐漸改變的部分視為許多小步增量/減量。每一步都會產生傳輸波和反射波，就像基本幾何形狀一樣；然而，總體效果是到達排氣埠的波幅較小，波長更長。雖然波的峰值幅度較小，但由於波與氣缸和曲軸箱的互動時間更長，因此對容積效率的影響更大。如果步驟數增加到 n 個發散步驟和 m 個收斂步驟，則所示方程表示平面波以及每個橫截面變化的傳輸和反射係數。
下圖定性地顯示了基本排氣管和階梯式排氣管的幾何形狀下，排氣埠的壓力隨曲軸角的變化情況。
圖中需要注意的重要區別是返回排氣埠 TPO 和 EPC 的正壓力波和負壓力波的相對大小和持續時間。在這個圖中，如果我們固定波相對於時間在水平軸上的位置，然後增加或減少轉速，那麼結果是埠定時位置將不再與波的相同位置匹配。這是因為，如上所述，波速與轉速無關。更詳細地說，如果我們增加轉速，效果是壓縮埠定時刻度，同時保持 EPO 的位置不變。如果我們降低轉速，埠定時刻度會擴充套件，同時保持 EPO 的位置不變。
從另一個角度來看，如果我們改變排氣管幾何形狀的某些方面，我們可以看到它們如何改變排氣管中的波傳播，以及排氣管相對於發動機的執行情況。
- 排氣埠與發散段之間的排氣管長度 (L1) - 該長度由 EPO 和 TPO 之間的曲軸角差以及排氣管所需的有效轉速範圍決定。延長該部分將適合更低的轉速範圍或 EPO 和 TPO 的曲軸角差更大。
- 腹部段的長度 - 該長度由 TPO 和 EPC 之間的曲軸角差以及發動機的所需有效轉速範圍決定。該長度和 L1 是相互依賴的，因為曲軸角也是相互依賴的，（例如，EPC=(0-EPO)）。
- 發散/收斂段的角度 - 將該角度從陡峭的錐角（內角 > 90 度）改變為較小的錐角（內角 < 90 度）的效果是擴充套件波長。這會增加排氣管的有效轉速頻寬，因為排氣埠有更大的曲軸角靈活度，可以獲得適當的壓力。這也具有降低排氣管可實現的最大容積效率的效果，因為峰值壓力幅度會因將波的能量分散到更長的波長上而降低。請注意，如果 L1 部分的直徑和腹部段的直徑保持不變，則改變角度和改變發散/收斂段的長度在幾何上是相同的。
- L1 部分的橫截面與腹部段的橫截面之比 - 該比率很大程度上取決於所需的發散/收斂段的角度和長度，以及為避免阻礙廢氣流動所需的最小直徑。
為了進一步研究配備調諧排氣管的二衝程發動機的執行情況，最合適的做法是分析實際測試資料。為此，我們可以訪問 TFX 網站，他們展示了他們的測試和資料分析軟體，或者閱讀下面引用的論文“二衝程發動機中的廢氣流動行為”。
對於課堂演示，我希望在時間允許的情況下進行這兩項工作。
- 二衝程發動機中的廢氣流動行為；池田 勇，高橋 徹，伊藤 哲，中島 哲；神戶大學；SAE 1993
- 動力調校 - 二衝程發動機
- 2 衝程嚮導 - 調諧排氣管設計軟體
- 伊恩·威廉姆斯調諧 MOTA 調諧排氣管設計軟體
- 發動機中的波浪現象；M. Borel；TECHNIP 出版社；2000
- 工程聲學課程筆記；麥吉爾大學 MECH 500；L. Mongeau；2008
- 工程聲學；L. Kinsler, A. Frey；第 4 版；2000