汽機車四行程引擎介紹4：排氣系統，瞭解排氣管的改裝原理
在本網誌只是就大架構介紹一下四行程引擎，提供一個粗淺的認識。
但引擎有點複雜，就算是粗淺介紹，文章還是搞的蠻長的，於是分了幾篇來說明
4.汽機車四行程引擎介紹4：排氣系統（連結）（就是本篇啦）
除了基本架構外，還有針對比較熱門的機件結構進行說明：
對於四行程引擎而言，排氣就是把燃燒完的廢氣趕出氣缸，越快越好。
因此，最好的排氣管就是短短一根就好！
這種航空四行程V12缸發動機轉速大約在3000RPM左右，轉速不高，但因為使用高增壓值的機械增壓來加強進氣，因此不需要排氣管來幫忙進氣，只要短短一截排氣管讓廢氣趕快離開發動機艙就好了。
而且後來發現，這短短的排氣管朝向後方排放高壓廢氣，還可以提供一點推力！
要把排氣快速趕出去，還要降低噪音與空污，這就是汽機車排氣管的艱難任務！
P-51只用短短的排氣管，噪音跟污染都很可觀，不過在天空中沒人會檢舉她（只想把她打下來），但如果路上跑的車子也用這麼短的排氣管，那大家沒多久就都耳聾哩！而且廢氣聞起來會更嗆辣，沒多久大家肺也掛了！
排氣管就是來拯救大家的耳朵與肺的重要零件。
減低噪音要「消音器」，降低有毒氣體要「觸媒轉化器」，偏偏這兩大組件都會阻礙廢氣，造成回壓，這就抵觸了要讓廢氣快快排出的目標！要兼顧保護大家身體健康與引擎性能，這就是排氣管設計的重點。
消音器與觸媒轉化器
先用比較極端的「爆炸」來瞭解排氣管的排氣功能
引擎不裝排氣管，直接把廢氣排入大氣，就是排出廢氣最快的方法。但汽缸內燃燒造成的高壓（大概700psi左右）（註）在接觸到周圍環境的低壓時，就會因為壓力差造成壓力波，這股壓力波會以音速向四面八方傳遞出去，這股壓力波就是我們聽到的「爆炸聲」，壓力差越大，爆炸聲越大！
註：燃燒壓力依據引擎設計而有不同，這邊是用一個參考值。
因為壓力波是朝四面八方傳遞，所以當然也會跑回汽缸裡，稍微阻擋廢氣的速度，這就是我們說的「回壓」（註）之一。
註：回壓主要有兩種，一種是用音速傳遞的壓力波，一種是前面提過的，廢氣流動遇到的阻力，如轉彎、鑽過觸媒、在消音器內破關等。
可以看看Discovery做的高速攝影特輯，裡面有許多爆炸的畫面，這邊爆炸產生的壓力比引擎燃燒大得多，更容易清楚看到震波。震波是壓縮空氣產生的，所以大部分是透明的，要仔細觀察！
因此過了一段時間以後，四周的空氣就會往爆炸中心回補，最後全部擠在爆炸中央往上方跑，就變成傳說中的蕈狀雲哩。
如果沒裝排氣管，有時在突然放掉油門回油時，廢氣也會像蕈狀雲一樣衝回燃燒室，讓進氣效率減低甚至是熄火。
掃氣的效果很好，所以不只是用來掃廢氣，往往還會設定進氣門提早開啟，讓這低壓順便幫忙把新鮮油氣給「吸」進汽缸。
以機車來講，當然不會去用沉重的鑄鐵頭段，排氣管多是由鋼管製成，而且早期的車往往都是一個汽缸用一整支排氣管，四缸車就會有四支完整的排氣管，雖然鋼管表面平滑使得排氣順、且各汽缸不會彼此干擾，但重量還是很可觀。（圖為世上第一輛量產四汽缸機車：Honda CB750 Four）
上圖一樣為Honda CB750 Four，裝上現代複刻版的吉村集合管。
這就是讓吉村成名的四合一排氣集合管（Four-into-One）。
畢竟就算是活塞往下運動時再開啟進氣門，這時活塞往下產生的「吸力」還是很小，活塞越往下跑，吸力才會越大，若有排氣造成的負壓，就可以在進氣行程剛開始的時候加強吸力，因此進氣門就會設定在排氣門還沒關閉的時候就打開，來好好利用這股廢氣負能量！
這一小段時間內，進氣門與排氣門同時打開，術語叫做氣門重疊角，這時活塞還沒往下運動來「吸」新鮮油氣，而是靠廢氣造成的低壓來「吸」。
所以，排氣管不只是排放廢氣而已，還可以幫忙進氣唷！這對自然進氣引擎尤其重要！
排氣管頭段：粗細與長度是關鍵
就像之前說到的進氣系統設計一樣，排氣管的粗細就會影響廢氣往外跑的速度：
細的排氣管裡廢氣跑得比較快，造成的吸力較大，但管徑小、流量小，在高轉速時，可能會讓廢氣塞車阻礙排氣。
粗的排氣管裡廢氣跑得比較慢，造成的吸力較小，但因為管徑大、流量大，可以在高轉速時讓更多廢氣空過。
不同的引擎性能設定會左右排氣管的直徑，設計目標就是在保有最佳的廢氣流量之下，盡可能提高廢氣的速度。
大家可以觀察YAMAHA使用相同引擎的三兄弟R6、FZ6、XJ6這三輛車，他們排氣管的管徑設定，重視高轉出力的R6排氣管最粗，強調低轉扭力的XJ6排氣管最細。不僅排氣管，連進氣管、節氣門都是同樣的粗細設定邏輯。
在排氣管前段，除了直徑之外，長度也會影響到掃氣。
前面有提到「壓力波」這個東西，這股高壓廢氣只要有壓力變化，就會有壓力波產生，這股壓力波是以音速往四周擴散，碰到其他管壁後會回彈，就這樣在排氣管裡面來會移動。
這彈來彈去的壓力波當然會慢慢衰減，但如果跟排氣管長度達到共振頻率，就會加強哩，在某些轉速下有助進氣，在某些轉速下影響排氣，有利有弊，因此大多設計成讓這壓力波越小越好。
為了減少這壓力波影響排氣，因此排氣管頭段的長度往往都在超過30公分以後，才開始擴大直徑，或進入排氣管中段的觸媒轉化器。
多缸引擎的排氣管頭段：集合管
多缸引擎的排氣管頭段，就要負責把各缸的廢氣集合起來，最後整合成一支排氣管中段。
以汽車來說，以前重視成本更甚於性能的年代，頭段往往是用鑄鐵一體成形的，比較重視能排出廢氣，而不是利用廢氣的吸力，而且從上圖可以看到，每一個汽缸連接的管子長度都不一樣、角度也不一樣，各汽缸往往會影響彼此的排氣效率。
而且，鑄鐵的表面粗糙，會對廢氣造成阻力，此外重量也重，這些都對性能有不利的影響，優點就只有便宜、好製造罷了！
莫約在1969年，Yoshimura開發了第一支集合管，使用等長的頭段管，並在後方集合起來，再連接中段排氣管。Yoshimura就是台灣有名的「吉村管」
頭段比較細，中後段則加大的管徑，漸次釋放排氣壓力。
雖然也有別人宣稱發明集合管，但吉村的集合管是最有名的！
兩支頭段管結合部位的角度最好是在15度以下，若是角度太大，反而有可能讓廢氣衝到另一支管子去。
四合二合一排氣管是兩次放大管徑，四合二時一次，二合一時一次，不像四合一構造一次放大管徑，因此四合二合一排氣管產生的壓力波較小，流速也比四合一快，中低轉時出力較好。比較重視低轉的車常會用這種排氣管。
排氣管中段：觸媒轉化器
一般簡稱「觸媒」的觸媒轉化器，用貴金屬鉑、鈀或銠當做觸媒，來把你在驗排氣時要達標的那些有害氣體，轉化為無害的氣體與水。
現在的觸媒轉化器通常是「氧化催化」與「三元催化」兩種觸媒結合在一起，能把一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氧化氮（NOx）轉化為二氧化碳、氧氣、氮氣與水。
為了增加表面積來讓更多的觸媒能處理這些氣體，因此觸媒轉化器內部是由許多細小的通道所組成，這通道的粗細、排列方式都會影響廢氣流量，原廠當然以各國環保標準為考量，改裝品的限制就少多了，因此改裝品內部的通道通常較粗，有的還會呈螺旋排列來形成渦流，目的都是要增加廢氣流速與流量。
排氣管尾段：消音器
前面說過，如果高壓氣體進入低壓處會產生壓力波，壓力差越大，壓力波越強，聲音也就越大，因此排氣管的設計會慢慢增加口徑，讓排氣壓力慢慢降低。
這就像是開汽水一樣，如果瓶蓋一下子就打開，會聽到「碰」的一聲，如果慢慢轉開瓶蓋，就只會停到「嘶～～」的聲音。
光靠排氣管逐漸放大口徑，當然沒辦法減低太多壓力，於是最後高壓廢氣會進入排氣管尾段的要角：消音器！
消音器也是要讓高壓廢氣來逐漸膨脹，降低速度與壓力，並有需多空間與材料來吸收壓力波的能量。
接著廢氣依序進入慢慢變小的第二與第三膨脹室，一樣透過釋放壓力波、吸收壓力波的方式來減低音量，在此過程中廢氣的壓力不斷降低、速度不斷減慢，最後排入大氣之中。
這種設計的流量比較小，廢氣速度可以維持，讓「吸力」比較大，比較有助於中低轉速時的出力，但受限於流量，高轉速時的表現就會比較差一點。
現在很多重機為了讓重心集中與降低，消音器與觸媒都整合在一起，塞到引擎底下，形成台灣俗稱「便當盒」的構造。
另外一種常見的設計俗稱為「直通管」，常見於改裝排氣管上面。直通管取消了數個分隔的膨脹室設計，而是變成一個大膨脹室，在排氣管壁上有許多孔洞，讓壓力透過這些孔洞慢慢釋放，並由孔洞內的消音棉來吸收這些能量。這種設計的排氣流量比較大，但吸收的能量比回壓管少，因此噪音通常會比較大。而且因為廢氣流量大，會造成低轉速時「吸力」比較小，比較適合高轉速的車輛使用。
這邊也可以看到觸媒轉化器被塞到消音器裡面，這是因為機車的排氣系統比較短，很多時候沒有中段的設計，於是把觸媒給塞到消音器裡了。
消音棉一般多是使用玻璃纖維，利用纖維互相纏繞交織產生的空間來吸收能量。但因為廢氣裡面會有雜質，用久了會累積在消音棉裡，填補的不少空間，因此直通管用久了，聲音會越來越大！
這邊要注意的一點是，不管是「回壓管」與「直通管」，都會產生回壓，回壓管是壓力波回壓比較小，但是阻力回壓比較大；直通管的壓力波回壓比較大，但阻力回壓比較小。整體回壓當然是直通管比較小，但不是沒有！因此我不喜歡用「回壓管」這個詞，但大家用習慣了，比較好理解，但不要因此誤會哩！
兩種排氣管設計各有長處，因此當然也有了結合兩個特性的排氣管誕生！
排氣聲音
改管時大家最注重的往往是排氣的聲音，要提升最重要的心靈馬力！
排氣音的組成有「音量」、「音調」與「音色」。
「音量」主要就是看消音器了，要大聲的就裝直通管，土砲一點就是把原廠管裡面挖空，這樣壓力波大自然就大聲！
「音調」就是看轉速與汽缸數了：
轉速越高，頻率越高，音調就越高。
汽缸數量也會影響音調，單缸引擎轉兩圈才「碰」一聲，四缸引擎轉兩圈就「碰碰碰碰」四聲，頻率多了四倍，音調當然也就比較高哩！也因此才能造就Ferrari、Lamborghini那些V12缸引擎神獸的高亢唱腔。
透過電腦控制引擎轉速，F1賽車也是會唱歌的，不過音色很糟～
至於「音色」，就複雜多了
壓力波會形成一個「主音」，而那些反射的壓力波就會產生「泛音」，這兩者組合就會產生「音色」了。
音色受到排氣系統的形狀、材質、大小等因素的影響，就像每個人的聲音都不太一樣，如何挑整音色，就是每個廠商的秘訣所在。像是以樂器起家的YAMAHA，就常常強調他們的排氣音經過樂器、音響部門的調校。
有人改管是為了提昇馬力、更多人是為了排氣音色，無論如何都得注意在一般道路上的適用性！
不要隨便裝個競技套件來上一般道路，要知道兩輪賽車是不重視中低轉速域的引擎出力，引擎怠速轉速往往都是5000rpm起跳，才能用上那麼通的直通管哩～
至於改太吵的排氣管，也不一定會增加馬力，但可能會收到罰單，就算是賽事、賽車場也是有噪音管制的，像Motogp的噪音就限制在130分貝以下，Moro2、Moto3則是115分貝（2017年），市售車比賽WSBK的噪音就更低了。
各個賽車場也有自己的噪音標準，如著名的美國Laguna Sega賽車場，噪音限制為90分貝，台灣麗寶賽車場為105分貝，太吵的車是進不了賽車場的。
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