工程声学/二冲程发动机声波增压
工程声学维基教科书的这一页讨论了二冲程发动机调谐管的优点和设计。有关二冲程发动机的入门资料，请参阅以下链接
对于二冲程发动机，调谐管是指从排气口开始，到收敛段末端的排气系统部分。调谐管根据所需的效应，由 3 到 4 个特征部分组成。下图描述了调谐管的三种典型配置以及直管的横截面
直管和调谐管的目的是利用源自排气口的压力波来帮助发动机呼吸。这是通过以这样一种方式设计管道来实现的，即正负反射波在需要低压或高压时到达排气口。这对二冲程发动机有利，因为与四冲程发动机不同，它们没有专门的进气和排气冲程以及阀门。
以下图片标记了在本维基教科书页面中提到的二冲程发动机的各个元件。
此外；缩写也将有所帮助
- 按曲柄角升序排列
- TDC - 上止点，0 度
- EPO - 排气口打开
- TPO - 旁通口打开
- BDC - 下止点，180 度
- TPC - 旁通口关闭
- EPC - 排气口关闭
有关二冲程发动机的入门资料，请参阅以下链接
在这种应用中，调谐直管的目标是利用来自管道开口端的反射负压波来帮助排出废气。通过选择合适的管道长度，反射稀疏波在旁通口打开时到达排气口，从而帮助新鲜混合气进入气缸，废气排出气缸。下图说明了这种作用。在图中，即使活塞已到达下止点 (BDC)，新鲜混合气仍继续进入气缸，因为稀疏波导致 P2 小于 P1。需要注意的关键一点是，压力波和稀疏波在排气管中上下传播的速度在很大程度上与发动机工作频率 (RPM) 无关。由于这个事实，必须得出结论，对于给定的管道长度，存在一个最佳的 RPM，在该 RPM 下，波将到达并产生最大的效益，以帮助发动机呼吸。在这个最佳 RPM 下，发动机呼吸明显更好，因此产生明显的功率输出增加。通过计算压缩阶段在 EPC 开始时气缸内新鲜混合气与废气之比来量化这种效应。如果稀疏波很大，新鲜混合气可能会在旁通口和排气口都打开时被吸入排气管。这种现象被称为发动机短路，会导致不良影响，例如燃油经济性下降和挥发性有机化合物排放增加。这些负面影响可以通过设计排气系统来缓解，使新鲜混合气不会被吸入排气管（即完美调谐的直管），或者进一步利用排气压力波来抑制短路。对于性能型二冲程发动机，通过调谐排气管（称为调谐管）来实现第二种解决方案。
对于一个收敛-腹部-发散型排气管，目标是让发散段产生一个返回的稀疏波，而收敛段产生一个返回的压力波。腹部段充当返回波之间适当的时间延迟，使得压力波在排气端口关闭后到达进气端口。这个压力波将排气管中短路的过量新鲜混合气从短路推回气缸。这里，短路的混合气实际上是需要的，因为它允许返回的压力波“增压”气缸，使其比在环境压力下填充时获得更多的新鲜混合气。这类似于为四冲程发动机增压或增压。如果燃烧前气缸内的混合气体被允许膨胀到环境压力，那么它的体积将大于发动机的排量。这种现象被称为容积效率；它被计算为新鲜混合气的环境压力体积与发动机的排量体积之比。下面动画显示了配备适当调谐排气管的二冲程发动机的运行情况，有关该过程的逐步说明，请点击动画下方的链接。
现在有排气制造商正在将调谐排气管与调谐（端口）发动机匹配，以在给定转速下获得最佳的“增压效果”。过去，调谐排气管会在标准发动机上进行测试，但由于调谐发动机的转速更高，因此排气管的长度和形状会不同。
下面图中显示了排气管最基本的形式，以及相应的波浪方程。
该排气管包含一个膨胀室，用于产生返回的稀疏波和压力波。从参考文献 [1] 中，我们知道排气管中的波速实际上与发动机转速无关，主要取决于排气管中气体的温度。这意味着具有基本几何形状的排气管仅在一个特定的转速下才能达到最佳性能，当发动机转速偏离最佳值时，返回波到达的时间对于容积效率来说就不那么理想了。容积效率与发动机转速之间的关系可以用以下图形定性地描述。
尽管基本排气管能够完成提高容积效率的任务，但由于发动机通常需要在较宽的转速范围内运行，因此基本排气管的有效转速带宽狭窄，这限制了其实用性。扩大排气管有效转速带宽的一种方法是在横截面不断增大和减小的部分逐渐改变排气管。要了解其工作原理，我们可以将一个逐渐改变的部分视为许多小步增量/减量。每一步都会产生传输波和反射波，就像基本几何形状一样；然而，总体效果是到达排气端口的波幅较小，波长更长。虽然波的峰值幅度较小，但由于波与气缸和曲轴箱的交互时间更长，因此对容积效率的影响更大。如果步骤数增加到 n 个发散步骤和 m 个收敛步骤，则所示方程表示平面波以及每个横截面变化的传输和反射系数。
下图定性地显示了基本排气管和阶梯式排气管的几何形状下，排气端口的压力随曲轴角的变化情况。
图中需要注意的重要区别是返回排气端口 TPO 和 EPC 的正压力波和负压力波的相对大小和持续时间。在这个图中，如果我们固定波相对于时间在水平轴上的位置，然后增加或减少转速，那么结果是端口定时位置将不再与波的相同位置匹配。这是因为，如上所述，波速与转速无关。更详细地说，如果我们增加转速，效果是压缩端口定时刻度，同时保持 EPO 的位置不变。如果我们降低转速，端口定时刻度会扩展，同时保持 EPO 的位置不变。
从另一个角度来看，如果我们改变排气管几何形状的某些方面，我们可以看到它们如何改变排气管中的波传播，以及排气管相对于发动机的运行情况。
- 排气端口与发散段之间的排气管长度 (L1) - 该长度由 EPO 和 TPO 之间的曲轴角差以及排气管所需的有效转速范围决定。延长该部分将适合更低的转速范围或 EPO 和 TPO 的曲轴角差更大。
- 腹部段的长度 - 该长度由 TPO 和 EPC 之间的曲轴角差以及发动机的所需有效转速范围决定。该长度和 L1 是相互依赖的，因为曲轴角也是相互依赖的，（例如，EPC=(0-EPO)）。
- 发散/收敛段的角度 - 将该角度从陡峭的锥角（内角 > 90 度）改变为较小的锥角（内角 < 90 度）的效果是扩展波长。这会增加排气管的有效转速带宽，因为排气端口有更大的曲轴角灵活度，可以获得适当的压力。这也具有降低排气管可实现的最大容积效率的效果，因为峰值压力幅度会因将波的能量分散到更长的波长上而降低。请注意，如果 L1 部分的直径和腹部段的直径保持不变，则改变角度和改变发散/收敛段的长度在几何上是相同的。
- L1 部分的横截面与腹部段的横截面之比 - 该比率很大程度上取决于所需的发散/收敛段的角度和长度，以及为避免阻碍废气流动所需的最小直径。
为了进一步研究配备调谐排气管的二冲程发动机的运行情况，最合适的做法是分析实际测试数据。为此，我们可以访问 TFX 网站，他们展示了他们的测试和数据分析软件，或者阅读下面引用的论文“二冲程发动机中的废气流动行为”。
对于课堂演示，我希望在时间允许的情况下进行这两项工作。
- 二冲程发动机中的废气流动行为；池田 勇，高橋 徹，伊藤 哲，中島 哲；神户大学；SAE 1993
- 动力调校 - 二冲程发动机
- 2 冲程向导 - 调谐排气管设计软件
- 伊恩·威廉姆斯调谐 MOTA 调谐排气管设计软件
- 发动机中的波浪现象；M. Borel；TECHNIP 出版社；2000
- 工程声学课程笔记；麦吉尔大学 MECH 500；L. Mongeau；2008
- 工程声学；L. Kinsler, A. Frey；第 4 版；2000