乘用車(chē)主動(dòng)緊湊型排氣系統設計研究

根據噪聲測量法規ISO 362/R51.03的要求，2024年歐洲乘用車(chē)的通過(guò)噪聲限值將進(jìn)一步降低2.0 dB。通過(guò)噪聲主要受到排氣噪聲的影響，因此需要重點(diǎn)在排氣系統方面做進(jìn)一步的優(yōu)化工作。通常的方法是采用更大的消聲器或者提高排氣背壓。然而，日趨嚴格的CO2排放目標，要求動(dòng)力總成性能更加高效，結構更加緊湊。為了優(yōu)化發(fā)動(dòng)機聲學(xué)降噪的效果，同時(shí)降低排氣背壓，對主動(dòng)緊湊型排氣系統設計進(jìn)行了研究。主要對2輛應用主動(dòng)排氣系統的汽油車(chē)進(jìn)行研究，并將試驗結果與量產(chǎn)排氣系統進(jìn)行了對比。第1輛汽油車(chē)除了優(yōu)化排氣系統外，其他設計未變更，其通過(guò)噪聲聲壓級由70.0 dB降低到68.0 dB。第2輛汽油車(chē)的排氣背壓降低了10 kPa以上，同時(shí)在基本相同的布置空間下尾管噪聲更低。

0 前言

運輸行業(yè)不僅是城市噪聲和空氣污染的重要源頭之一，其CO2排放也是全球溫室氣體排放的重要組成部分。相比于其他交通運輸，道路運輸是溫室氣體排放的最大污染源，其排放總量近幾年仍在增加。因此，歐洲和其他地區都頒布并實(shí)施了嚴格的法規來(lái)減輕全球氣候變暖，以修復大氣平流層中的臭氧層。如果乘用車(chē)制造商的車(chē)隊平均CO2排放量超過(guò)限值，相關(guān)執法部門(mén)將對其排放超標部分進(jìn)行更為嚴厲的處罰。隨著(zhù)汽車(chē)動(dòng)力總成的電氣化程度越來(lái)越高，更多的電動(dòng)汽車(chē)配裝了更大容量的電池。然而，車(chē)輛的CO2排放是極具爭議性的話(huà)題，尤其是要從“搖籃到墳墓”方面考慮所有的排放。一些科學(xué)研究表明，基于德國現在的發(fā)電組合，從CO2足跡考慮，現階段純電動(dòng)汽車(chē)的CO2排放差于柴油車(chē)。

基于純電動(dòng)汽車(chē)將會(huì )在未來(lái)全球乘用車(chē)運輸中發(fā)揮重要作用的假定，Markit公司預測，到2030年，內燃機汽車(chē)的總量仍會(huì )保持上升趨勢(圖1)。盡管純電動(dòng)汽車(chē)增長(cháng)較快，但未來(lái)內燃機汽車(chē)仍將占據主導地位。即使到2050年，大部分乘用車(chē)仍然由內燃機驅動(dòng)，但是會(huì )以電氣化發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)的混合動(dòng)力汽車(chē)為主。未來(lái)車(chē)輛和車(chē)隊不僅要滿(mǎn)足日趨嚴格的CO2排放限值，同時(shí)要滿(mǎn)足更有挑戰性的通過(guò)噪聲限值。眾所周知，通過(guò)噪聲測量法規ISO 362及其附件定義的車(chē)外附加噪聲法規(ASEP)要求大幅降低車(chē)輛的最大噪聲級。因此，消聲器總體積和排氣系統的復雜程度大大提高。在某些乘用車(chē)型中，電子廢氣閥門(mén)等主動(dòng)降噪部件的應用甚至成為了強制性要求。

圖1 IHS-Markit預測的輕型汽車(chē)全球銷(xiāo)量

1 乘用車(chē)排氣系統的主動(dòng)消聲技術(shù)

作為排氣系統主動(dòng)電子廢氣閥門(mén)技術(shù)的替代，埃貝赫(Ebersp?cher)公司開(kāi)發(fā)了基于主動(dòng)降噪(ANC)的主動(dòng)消聲技術(shù)。這種技術(shù)對低頻噪聲，特別是內燃機階次噪聲的降噪效率高，具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)發(fā)流程短、開(kāi)發(fā)成本低、開(kāi)發(fā)時(shí)間短;具有統一消聲器結構，最大化沿用零部件，避免昂貴的工裝費用;解決了因布置空間、噪聲和尾管的輕微變化就要變更消聲器的問(wèn)題;排氣背壓低，可提高發(fā)動(dòng)機性能;可以對發(fā)動(dòng)機噪聲階次進(jìn)行軟件控制，可以做適應性聲音設計、更容易實(shí)現聲音定制;在插電混動(dòng)車(chē)型(PHEV)中可替代在電驅動(dòng)期間產(chǎn)生噪聲的聲響警報系統(AVAS);可減少額外機械零部件數量，如隔熱板、排氣和車(chē)身側懸掛、隔振器;減輕了排氣系統的質(zhì)量，提高了行駛動(dòng)力和燃油經(jīng)濟性。

圖2示出了1種常見(jiàn)的采用主動(dòng)消聲技術(shù)的布置型式，在后消聲器位置布置大功率的執行器，執行器通過(guò)接收運行ANC算法的主動(dòng)消聲控制單元(ASCU)發(fā)出的信號進(jìn)行控制。前部消聲器或者中部消聲器可以將氣流噪聲和發(fā)動(dòng)機階次噪聲降低到一定水平，執行器可以降低這些噪聲。主動(dòng)消聲核心技術(shù)的重要優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)為原始設備制造商(OEM)客戶(hù)所認同，并已開(kāi)發(fā)了不同樣件。根據每款樣件的研發(fā)側重點(diǎn)不同，其特點(diǎn)可以總結為以下3個(gè)方面。

圖2 主動(dòng)消聲排氣系統的常見(jiàn)布置型式

(1)主動(dòng)聲浪排氣系統。在該方案中，系統仍然通過(guò)傳統消聲器進(jìn)行必要的降噪，但執行器提供必要的聲學(xué)加強以彰顯OEM品牌形象。2011年，奧迪A6車(chē)型首次采用該技術(shù)，隨后為市場(chǎng)所認可。截至目前，該系統已經(jīng)在7個(gè)汽車(chē)品牌的500 000輛汽車(chē)上量產(chǎn)使用，并由埃貝赫公司負責生產(chǎn)。

(2)主動(dòng)緊湊型排氣系統。該方案的主要開(kāi)發(fā)目標是在后消聲器位置用執行器替代體積大的消聲器，保證排氣背壓相同并達到相同或者更好的聲學(xué)效果。最新的展示樣車(chē)表明，布置所需的空間可以明顯縮小60%，主要零部件質(zhì)量減少10 kg。

(3)主動(dòng)自由流動(dòng)排氣系統。該方案采用主動(dòng)降噪來(lái)簡(jiǎn)化整個(gè)排氣系統，使氣流受到的限制最小，降低了排氣背壓。因此發(fā)動(dòng)機性能得以?xún)?yōu)化，降低了燃油消耗，從而減少了CO2排放。

2 主動(dòng)緊湊型排氣系統在4缸汽油機上的應用

在該方案中，研究人員選用了1輛配裝4缸汽油機，峰值功率為135 kW，符合歐六d temp排放的豪華車(chē)。整個(gè)排氣后處理系統未作變更。量產(chǎn)車(chē)冷端包含中間小、后端稍大的消聲器，有2個(gè)尾管(圖3)。其中1個(gè)尾管帶有電子廢氣閥門(mén)，閥門(mén)在怠速和較低發(fā)動(dòng)機轉速時(shí)關(guān)閉。整個(gè)消聲器體積加起來(lái)約42 L，整個(gè)冷端質(zhì)量約28 kg。中間消聲器包含了汽油顆粒捕集器(GPF)，大幅提高了冷端排氣背壓，在轉轂試驗臺上，發(fā)動(dòng)機轉速在6 000 r/min、全負荷工況時(shí)的排氣背壓增加了約21 kPa。這使車(chē)輛滿(mǎn)足了法規要求的通過(guò)噪聲限值，同時(shí)車(chē)輛的車(chē)內噪聲品質(zhì)非常好。歐洲通過(guò)噪聲法規第2階段的A加權總噪聲限值是70.0 dB。

圖3 在4缸汽油乘用車(chē)上的傳統消聲器(a)和主動(dòng)緊湊型排氣系統(b)

在這款車(chē)上，采用主動(dòng)緊湊型排氣系統如圖3(b)所示，只包含增大體積的前消聲器和1個(gè)小諧振器及執行器，總體積約32 L。值得注意的是，此排氣系統的布置空間較主動(dòng)閥門(mén)排氣系統節省約20%。同時(shí)，與傳統的被動(dòng)排氣系統相比，全新設計的主動(dòng)排氣系統已經(jīng)將消聲器體積減少約20%。雖然采用傳統量產(chǎn)排氣系統的車(chē)輛的聲學(xué)性能已經(jīng)達到非常好的水平，但實(shí)際上這種設計的主要目的仍然是提高聲學(xué)特性。采用新方案可以降低通過(guò)噪聲，對于這種功率質(zhì)量比小于120 kW/t的車(chē)輛，歐洲法規第3階段的A加權總噪聲限值是68.0 dB。

表1 列出了2種排氣系統冷端的相關(guān)主要參數?？梢钥闯?，主動(dòng)緊湊型排氣系統不僅體積小，而且比量產(chǎn)排氣系統輕4 kg。研究人員在轉轂底盤(pán)測功機上進(jìn)行全油門(mén)加速噪聲測量，麥克風(fēng)布置在車(chē)后中間位置，距離為1.8 m，高度為1.0 m。這樣布置的原因是單排氣尾管和雙排氣尾管的噪聲輻射對比相對明顯。圖4示出了聲學(xué)測量結果，因為二階噪聲是發(fā)動(dòng)機的點(diǎn)火階次噪聲，研究人員取消了發(fā)動(dòng)機其他階次的噪聲測量，只對最重要的發(fā)動(dòng)機階次噪聲進(jìn)行了測量。發(fā)動(dòng)機在低速時(shí)，量產(chǎn)排氣系統的主動(dòng)閥門(mén)是關(guān)閉的，全部氣流只能通過(guò)1個(gè)小尾管排出，從而導致較低發(fā)動(dòng)機階次的噪聲最為明顯，轉速達到約2 700 r/min時(shí)閥門(mén)開(kāi)啟。此時(shí)氣流噪聲比較明顯。在此轉速下，ANC系統的A加權總聲壓級較量產(chǎn)排氣系統降低約4.0 dB，這與通過(guò)噪聲測量程序密切相關(guān)。這是因為發(fā)動(dòng)機所有與階次相關(guān)的噪聲都得到了有效消除，并采用了比較大的單排氣尾管。發(fā)動(dòng)機轉速越高，氣流噪聲對總聲壓級的影響越大，量產(chǎn)排氣系統采用雙排氣尾管，有利于改善氣流噪聲。然而，略微增加的總聲壓級幾乎不影響車(chē)內噪聲，這是因為較高車(chē)速時(shí)其為風(fēng)噪和滾動(dòng)噪聲所覆蓋。配備ANC系統發(fā)動(dòng)機的二階噪聲幾乎在整個(gè)發(fā)動(dòng)機轉速范圍內都是最優(yōu)的，因此在座艙內幾乎感受不到發(fā)動(dòng)機的轟鳴聲。

表1 4缸2.0 L渦輪增壓汽油機的排氣冷端數據

圖4 4缸汽油機全負荷時(shí)尾管處測量的A加權總噪聲和發(fā)動(dòng)機二階噪聲(尾管尺寸長(cháng)度180 cm，高度100 cm)

由于轉轂試驗的測量結果非常好，研究人員對其進(jìn)行了分析，并將車(chē)輛運往1家德國咨詢(xún)公司。該公司是德國官方授權的測量通過(guò)噪聲的公司。在這里，車(chē)輛的參數設置相同并采用量產(chǎn)輪胎，相關(guān)人員進(jìn)行了正式的通過(guò)噪聲測試。測量的通過(guò)噪聲聲壓級LUrban為67.7 dB，ASEP級噪聲聲壓級為69.3 dB。這意味著(zhù)，該車(chē)型已經(jīng)達到了歐洲2024即將實(shí)施的通過(guò)噪聲聲壓級限值68.0 dB的要求。值得注意的是，此次達標只是將排氣系統更換為主動(dòng)排氣系統，車(chē)輛的其他零部件都未變更。

3 主動(dòng)自由流動(dòng)排氣系統的應用

在第2種方案中，研究人員選用了另外1輛配裝4缸汽油機，峰值功率為135 kW，帶氮氧化物(NOx)存儲催化器的滿(mǎn)足歐五排放標準的豪華車(chē)，同時(shí)繼續沿用排氣后處理量產(chǎn)零部件。整個(gè)排氣系統的懸掛位置和離地間隙和量產(chǎn)系統保持相同。

與前一種方案不同的是，這個(gè)方案的聚焦點(diǎn)很明確，就是最大化降低排氣背壓來(lái)實(shí)現主動(dòng)自由流動(dòng)的方案。對可用布置空間進(jìn)行正常利用，主動(dòng)排氣系統設計不會(huì )超出布置空間，在可能的情況下，要對尾管噪聲進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)際上，這個(gè)目標可以實(shí)現，中間消聲器采用沿用件，后消聲器用執行器結構，以及隱藏尾管替代。圖5所示為主動(dòng)排氣系統。表2列出了排氣系統相關(guān)的主要參數和部分試驗結果。值得注意的是，在質(zhì)量保持不變的情況下，排氣背壓、發(fā)動(dòng)機二階噪聲和氣流噪聲的聲壓級明顯降低。

表2 4缸2.0 L渦輪增壓汽油機的排氣冷端數據

圖5 在4缸汽油乘用車(chē)上的傳統消聲器(a)和主動(dòng)自由流動(dòng)排氣系統(b)

如上文所述，研究人員在轉轂底盤(pán)測功機上進(jìn)行了全油門(mén)加速噪聲測量。麥克風(fēng)布置在車(chē)后中間位置，距離為1.0 m，高度為1.5 m。圖6示出了聲學(xué)測量結果。粗線(xiàn)代表總聲壓級，細線(xiàn)代表發(fā)動(dòng)機二階噪聲。發(fā)動(dòng)機低速時(shí)ANC系統的A加權總聲壓級與量產(chǎn)排氣系統相似，但是發(fā)動(dòng)機高速時(shí)總聲壓級主要受氣流噪聲影響，可以看出ANC系統的降噪效果高達5.0 dB，通過(guò)CFD分析并增大管徑，降低了排氣管中的馬赫數，從而達到較好的降噪效果。ANC系統的發(fā)動(dòng)機二階噪聲在轉速4 000 r/min以下的低速時(shí)不明顯，聲學(xué)表現更加優(yōu)異。尤其是轉速2 500 r/min以下，主動(dòng)降噪的效果非常明顯，噪聲聲壓級可以降低15.0 dB。發(fā)動(dòng)機轉速在4 000 r/min以上，主動(dòng)降噪系統的發(fā)動(dòng)機二階噪聲聲壓級高于量產(chǎn)系統，但是總聲壓級和車(chē)內噪聲降低。因此，采用主動(dòng)排氣系統，排氣背壓降低10 kPa以上的重要目標得以實(shí)現，同時(shí)轉速4 000 r/min以下的聲學(xué)舒適度也有所提升。

圖6 4缸汽油機全負荷時(shí)尾管處測量的A加權總噪聲和發(fā)動(dòng)機二階噪聲(尾管尺寸長(cháng)度180 cm，高度100 cm)

4 主動(dòng)自由流動(dòng)排氣系統的效果

為了評估排氣背壓顯著(zhù)降低對發(fā)動(dòng)機設計帶來(lái)的潛在效果，埃貝赫公司與FEV咨詢(xún)公司合作，通過(guò)多方面研究，評估了排氣背壓顯著(zhù)降低對發(fā)動(dòng)機燃油經(jīng)濟性和設計參數的潛在影響。首先，研究人員用主動(dòng)自由流動(dòng)排氣系統的低排氣背壓代替現有量產(chǎn)排氣系統的排氣背壓，對高度增壓、升功率為100 kW的發(fā)動(dòng)的邁譜圖進(jìn)行了研究。在此方案中，全油門(mén)時(shí)渦輪增壓器渦輪下游的排氣背壓降低8 kPa，泵氣損失也降低了;化學(xué)計量比升功率提高了3~85 kW;額定功率點(diǎn)的空燃比改善了0.04，為0.94;通過(guò)減少缸內殘留氣體降低了爆燃傾向;通過(guò)膨脹到較低的壓力水平，降低了排氣溫度。

圖7示出了燃油消耗率(BSFC)的萬(wàn)有特性燃油耗計算結果。全球統一輕型車(chē)試驗規程(WLTP)下的循環(huán)區域如圖7所示。在WLTP工況中，發(fā)動(dòng)機基本上都運行在相對較低負荷，因此低排氣背壓帶來(lái)的影響非常有限，只有約0.1%的影響。然而，在實(shí)際行駛工況中，發(fā)動(dòng)機平均負荷相對較高，油耗降低約1%。在較高轉速的極端全負荷工況下，如德國高速公路上車(chē)速高達200 km/h或者拖車(chē)很重時(shí)，燃油耗可能降低約10%。

圖7 動(dòng)力強勁的渦輪增壓汽油機采用主動(dòng)自由流動(dòng)排氣系統的節油效果

另外，考慮到成本收益比，研究人員將主動(dòng)自由流動(dòng)排氣系統帶來(lái)效果與其他可能和可用的發(fā)動(dòng)機技術(shù)進(jìn)行了量化對比。主要技術(shù)有渦殼冷卻、電動(dòng)助力增壓、兩級增壓、集成排氣歧管、耐高溫渦輪(1 050 ℃)、低壓冷卻廢氣再循環(huán)(EGR)，以及缸內噴水技術(shù)。

研究人員對當前市場(chǎng)上常見(jiàn)的1款化學(xué)計量比λ為1、升功率為65 kW的發(fā)動(dòng)機進(jìn)行了對標。圖8示出了相同化學(xué)計量比時(shí)采用這些技術(shù)帶來(lái)的估算增加成本與最大功率改善的對比。值得注意的是，單獨采用主動(dòng)自由流動(dòng)技術(shù)的成本和效果并不是最優(yōu)的，而與其他動(dòng)力總成技術(shù)結合使用可以帶來(lái)更好的效果。

可以與主動(dòng)自由流動(dòng)技術(shù)相互結合使用的技術(shù)有集成排氣歧管、耐高溫渦輪和低壓冷卻EGR。這些技術(shù)組合的效果如圖8所示。采用第3種組合。發(fā)動(dòng)機升功率可提高約45 kW，這甚至比采用噴水技術(shù)帶來(lái)的效果更好。

圖8 汽油機相同化學(xué)計量比時(shí)的功率提升與成本權衡

在不久的將來(lái)，混合動(dòng)力汽車(chē)將會(huì )占據更高的市場(chǎng)份額。這是因為其燃油經(jīng)濟性好，同時(shí)能夠長(cháng)續航行駛。通常，混合動(dòng)力汽車(chē)的低端扭矩需求主要由電動(dòng)機提供，而在高負荷工況下發(fā)動(dòng)機進(jìn)行助力。如果不是完全在高負荷和高轉速工況運行，發(fā)動(dòng)機通常在WLTP工況和實(shí)際行駛排放(RDE)工況運行時(shí)更加容易提高燃油效率，燃油效率提高1%以上。另外，混合動(dòng)力汽車(chē)可以采用更小和更輕的主動(dòng)排氣系統，從而彌補大且重的電池包帶來(lái)的不利影響。

5 結語(yǔ)

在未來(lái)一段時(shí)間內，乘用車(chē)的主要驅動(dòng)源仍然是內燃機。因此，需要對排氣系統進(jìn)行創(chuàng )新設計，以滿(mǎn)足越來(lái)越低的CO2排放和噪聲控制要求。采用主動(dòng)消聲技術(shù)，顧客的眾多不同需求都可以得到滿(mǎn)足。主動(dòng)聲浪排氣系統可以發(fā)出舒適且有運動(dòng)感的聲音。主動(dòng)緊湊型排氣系統體積小且質(zhì)量輕。主動(dòng)自由流動(dòng)排氣系統可以提高發(fā)動(dòng)機性能，降低CO2排放。主動(dòng)消聲技術(shù)通常在不同氣缸數的汽油機和柴油機上都可以應用，可以根據顧客或項目需求輕松地應用合適的排氣系統。受氣候變化的影響，歐洲和其他地區已實(shí)施更為嚴苛的CO2排放法規，對燃油經(jīng)濟性的要求顯著(zhù)提升。主動(dòng)消聲排氣系統，可以降低高負荷和高轉速工況下的CO2排放,混合動(dòng)力總成汽車(chē)將更多地得益于此技術(shù)。

原文標題：干貨 | 采用主動(dòng)排氣系統減少二氧化碳排放并符合未來(lái)的通過(guò)噪聲限值

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