乘用車主動(dòng)緊湊型排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

根據(jù)噪聲測(cè)量法規(guī)ISO 362/R51.03的要求，2024年歐洲乘用車的通過噪聲限值將進(jìn)一步降低2.0 dB。通過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(tǒng)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(yán)格的CO2排放目標(biāo)，要求動(dòng)力總成性能更加高效，結(jié)構(gòu)更加緊湊。為了優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)聲學(xué)降噪的效果，同時(shí)降低排氣背壓，對(duì)主動(dòng)緊湊型排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。主要對(duì)2輛應(yīng)用主動(dòng)排氣系統(tǒng)的汽油車進(jìn)行研究，并將試驗(yàn)結(jié)果與量產(chǎn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比。第1輛汽油車除了優(yōu)化排氣系統(tǒng)外，其他設(shè)計(jì)未變更，其通過噪聲聲壓級(jí)由70.0 dB降低到68.0 dB。第2輛汽油車的排氣背壓降低了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(yùn)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(yùn)輸，道路運(yùn)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(qū)都頒布并實(shí)施了嚴(yán)格的法規(guī)來減輕全球氣候變暖，以修復(fù)大氣平流層中的臭氧層。如果乘用車制造商的車隊(duì)平均CO2排放量超過限值，相關(guān)執(zhí)法部門將對(duì)其排放超標(biāo)部分進(jìn)行更為嚴(yán)厲的處罰。隨著汽車動(dòng)力總成的電氣化程度越來越高，更多的電動(dòng)汽車配裝了更大容量的電池。然而，車輛的CO2排放是極具爭(zhēng)議性的話題，尤其是要從“搖籃到墳?zāi)埂狈矫婵紤]所有的排放。一些科學(xué)研究表明，基于德國(guó)現(xiàn)在的發(fā)電組合，從CO2足跡考慮，現(xiàn)階段純電動(dòng)汽車的CO2排放差于柴油車。

基于純電動(dòng)汽車將會(huì)在未來全球乘用車運(yùn)輸中發(fā)揮重要作用的假定，Markit公司預(yù)測(cè)，到2030年，內(nèi)燃機(jī)汽車的總量仍會(huì)保持上升趨勢(shì)(圖1)。盡管純電動(dòng)汽車增長(zhǎng)較快，但未來內(nèi)燃機(jī)汽車仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。即使到2050年，大部分乘用車仍然由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，但是會(huì)以電氣化發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力汽車為主。未來車輛和車隊(duì)不僅要滿足日趨嚴(yán)格的CO2排放限值，同時(shí)要滿足更有挑戰(zhàn)性的通過噪聲限值。眾所周知，通過噪聲測(cè)量法規(guī)ISO 362及其附件定義的車外附加噪聲法規(guī)(ASEP)要求大幅降低車輛的最大噪聲級(jí)。因此，消聲器總體積和排氣系統(tǒng)的復(fù)雜程度大大提高。在某些乘用車型中，電子廢氣閥門等主動(dòng)降噪部件的應(yīng)用甚至成為了強(qiáng)制性要求。

圖1 IHS-Markit預(yù)測(cè)的輕型汽車全球銷量

1 乘用車排氣系統(tǒng)的主動(dòng)消聲技術(shù)

作為排氣系統(tǒng)主動(dòng)電子廢氣閥門技術(shù)的替代，埃貝赫(Ebersp?cher)公司開發(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(duì)低頻噪聲，特別是內(nèi)燃機(jī)階次噪聲的降噪效率高，具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：開發(fā)流程短、開發(fā)成本低、開發(fā)時(shí)間短;具有統(tǒng)一消聲器結(jié)構(gòu)，最大化沿用零部件，避免昂貴的工裝費(fèi)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題;排氣背壓低，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能;可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲階次進(jìn)行軟件控制，可以做適應(yīng)性聲音設(shè)計(jì)、更容易實(shí)現(xiàn)聲音定制;在插電混動(dòng)車型(PHEV)中可替代在電驅(qū)動(dòng)期間產(chǎn)生噪聲的聲響警報(bào)系統(tǒng)(AVAS);可減少額外機(jī)械零部件數(shù)量，如隔熱板、排氣和車身側(cè)懸掛、隔振器;減輕了排氣系統(tǒng)的質(zhì)量，提高了行駛動(dòng)力和燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖2示出了1種常見的采用主動(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(zhí)行器，執(zhí)行器通過接收運(yùn)行ANC算法的主動(dòng)消聲控制單元(ASCU)發(fā)出的信號(hào)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(jī)階次噪聲降低到一定水平，執(zhí)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(shè)備制造商(OEM)客戶所認(rèn)同，并已開發(fā)了不同樣件。根據(jù)每款樣件的研發(fā)側(cè)重點(diǎn)不同，其特點(diǎn)可以總結(jié)為以下3個(gè)方面。

圖2 主動(dòng)消聲排氣系統(tǒng)的常見布置型式

(1)主動(dòng)聲浪排氣系統(tǒng)。在該方案中，系統(tǒng)仍然通過傳統(tǒng)消聲器進(jìn)行必要的降噪，但執(zhí)行器提供必要的聲學(xué)加強(qiáng)以彰顯OEM品牌形象。2011年，奧迪A6車型首次采用該技術(shù)，隨后為市場(chǎng)所認(rèn)可。截至目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在7個(gè)汽車品牌的500 000輛汽車上量產(chǎn)使用，并由埃貝赫公司負(fù)責(zé)生產(chǎn)。

(2)主動(dòng)緊湊型排氣系統(tǒng)。該方案的主要開發(fā)目標(biāo)是在后消聲器位置用執(zhí)行器替代體積大的消聲器，保證排氣背壓相同并達(dá)到相同或者更好的聲學(xué)效果。最新的展示樣車表明，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(tǒng)。該方案采用主動(dòng)降噪來簡(jiǎn)化整個(gè)排氣系統(tǒng)，使氣流受到的限制最小，降低了排氣背壓。因此發(fā)動(dòng)機(jī)性能得以優(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(tǒng)在4缸汽油機(jī)上的應(yīng)用

在該方案中，研究人員選用了1輛配裝4缸汽油機(jī)，峰值功率為135 kW，符合歐六d temp排放的豪華車。整個(gè)排氣后處理系統(tǒng)未作變更。量產(chǎn)車?yán)涠税虚g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，閥門在怠速和較低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)關(guān)閉。整個(gè)消聲器體積加起來約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(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)上，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在6 000 r/min、全負(fù)荷工況時(shí)的排氣背壓增加了約21 kPa。這使車輛滿足了法規(guī)要求的通過噪聲限值，同時(shí)車輛的車內(nèi)噪聲品質(zhì)非常好。歐洲通過噪聲法規(guī)第2階段的A加權(quán)總噪聲限值是70.0 dB。

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

在這款車上，采用主動(dòng)緊湊型排氣系統(tǒng)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(zhí)行器，總體積約32 L。值得注意的是，此排氣系統(tǒng)的布置空間較主動(dòng)閥門排氣系統(tǒng)節(jié)省約20%。同時(shí)，與傳統(tǒng)的被動(dòng)排氣系統(tǒng)相比，全新設(shè)計(jì)的主動(dòng)排氣系統(tǒng)已經(jīng)將消聲器體積減少約20%。雖然采用傳統(tǒng)量產(chǎn)排氣系統(tǒng)的車輛的聲學(xué)性能已經(jīng)達(dá)到非常好的水平，但實(shí)際上這種設(shè)計(jì)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噪聲，對(duì)于這種功率質(zhì)量比小于120 kW/t的車輛，歐洲法規(guī)第3階段的A加權(quán)總噪聲限值是68.0 dB。

表1 列出了2種排氣系統(tǒng)冷端的相關(guān)主要參數(shù)?？梢钥闯?，主動(dòng)緊湊型排氣系統(tǒng)不僅體積小，而且比量產(chǎn)排氣系統(tǒng)輕4 kg。研究人員在轉(zhuǎn)轂底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行全油門加速噪聲測(cè)量，麥克風(fēng)布置在車后中間位置，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(duì)比相對(duì)明顯。圖4示出了聲學(xué)測(cè)量結(jié)果，因?yàn)槎A噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火階次噪聲，研究人員取消了發(fā)動(dòng)機(jī)其他階次的噪聲測(cè)量，只對(duì)最重要的發(fā)動(dòng)機(jī)階次噪聲進(jìn)行了測(cè)量。發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)，量產(chǎn)排氣系統(tǒng)的主動(dòng)閥門是關(guān)閉的，全部氣流只能通過1個(gè)小尾管排出，從而導(dǎo)致較低發(fā)動(dòng)機(jī)階次的噪聲最為明顯，轉(zhuǎn)速達(dá)到約2 700 r/min時(shí)閥門開啟。此時(shí)氣流噪聲比較明顯。在此轉(zhuǎn)速下，ANC系統(tǒng)的A加權(quán)總聲壓級(jí)較量產(chǎn)排氣系統(tǒng)降低約4.0 dB，這與通過噪聲測(cè)量程序密切相關(guān)。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速越高，氣流噪聲對(duì)總聲壓級(jí)的影響越大，量產(chǎn)排氣系統(tǒng)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(jí)幾乎不影響車內(nèi)噪聲，這是因?yàn)檩^高車速時(shí)其為風(fēng)噪和滾動(dòng)噪聲所覆蓋。配備ANC系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的二階噪聲幾乎在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都是最優(yōu)的，因此在座艙內(nèi)幾乎感受不到發(fā)動(dòng)機(jī)的轟鳴聲。

表1 4缸2.0 L渦輪增壓汽油機(jī)的排氣冷端數(shù)據(jù)

圖4 4缸汽油機(jī)全負(fù)荷時(shí)尾管處測(cè)量的A加權(quán)總噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)二階噪聲(尾管尺寸長(zhǎng)度180 cm，高度100 cm)

由于轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果非常好，研究人員對(duì)其進(jìn)行了分析，并將車輛運(yùn)往1家德國(guó)咨詢公司。該公司是德國(guó)官方授權(quán)的測(cè)量通過噪聲的公司。在這里，車輛的參數(shù)設(shè)置相同并采用量產(chǎn)輪胎，相關(guān)人員進(jìn)行了正式的通過噪聲測(cè)試。測(cè)量的通過噪聲聲壓級(jí)LUrban為67.7 dB，ASEP級(jí)噪聲聲壓級(jí)為69.3 dB。這意味著，該車型已經(jīng)達(dá)到了歐洲2024即將實(shí)施的通過噪聲聲壓級(jí)限值68.0 dB的要求。值得注意的是，此次達(dá)標(biāo)只是將排氣系統(tǒng)更換為主動(dòng)排氣系統(tǒng)，車輛的其他零部件都未變更。

3 主動(dòng)自由流動(dòng)排氣系統(tǒng)的應(yīng)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(jī)，峰值功率為135 kW，帶氮氧化物(NOx)存儲(chǔ)催化器的滿足歐五排放標(biāo)準(zhǔn)的豪華車，同時(shí)繼續(xù)沿用排氣后處理量產(chǎn)零部件。整個(gè)排氣系統(tǒng)的懸掛位置和離地間隙和量產(chǎn)系統(tǒng)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實(shí)現(xiàn)主動(dòng)自由流動(dòng)的方案。對(duì)可用布置空間進(jìn)行正常利用，主動(dòng)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)不會(huì)超出布置空間，在可能的情況下，要對(duì)尾管噪聲進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)際上，這個(gè)目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)，中間消聲器采用沿用件，后消聲器用執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，以及隱藏尾管替代。圖5所示為主動(dòng)排氣系統(tǒng)。表2列出了排氣系統(tǒng)相關(guān)的主要參數(shù)和部分試驗(yàn)結(jié)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(jī)二階噪聲和氣流噪聲的聲壓級(jí)明顯降低。

表2 4缸2.0 L渦輪增壓汽油機(jī)的排氣冷端數(shù)據(jù)

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

如上文所述，研究人員在轉(zhuǎn)轂底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行了全油門加速噪聲測(cè)量。麥克風(fēng)布置在車后中間位置，距離為1.0 m，高度為1.5 m。圖6示出了聲學(xué)測(cè)量結(jié)果。粗線代表總聲壓級(jí)，細(xì)線代表發(fā)動(dòng)機(jī)二階噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)ANC系統(tǒng)的A加權(quán)總聲壓級(jí)與量產(chǎn)排氣系統(tǒng)相似，但是發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)總聲壓級(jí)主要受氣流噪聲影響，可以看出ANC系統(tǒng)的降噪效果高達(dá)5.0 dB，通過CFD分析并增大管徑，降低了排氣管中的馬赫數(shù)，從而達(dá)到較好的降噪效果。ANC系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)二階噪聲在轉(zhuǎn)速4 000 r/min以下的低速時(shí)不明顯，聲學(xué)表現(xiàn)更加優(yōu)異。尤其是轉(zhuǎn)速2 500 r/min以下，主動(dòng)降噪的效果非常明顯，噪聲聲壓級(jí)可以降低15.0 dB。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在4 000 r/min以上，主動(dòng)降噪系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)二階噪聲聲壓級(jí)高于量產(chǎn)系統(tǒng)，但是總聲壓級(jí)和車內(nèi)噪聲降低。因此，采用主動(dòng)排氣系統(tǒng)，排氣背壓降低10 kPa以上的重要目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)轉(zhuǎn)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(jī)全負(fù)荷時(shí)尾管處測(cè)量的A加權(quán)總噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)二階噪聲(尾管尺寸長(zhǎng)度180 cm，高度100 cm)

4 主動(dòng)自由流動(dòng)排氣系統(tǒng)的效果

為了評(píng)估排氣背壓顯著降低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)帶來的潛在效果，埃貝赫公司與FEV咨詢公司合作，通過多方面研究，評(píng)估了排氣背壓顯著降低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和設(shè)計(jì)參數(shù)的潛在影響。首先，研究人員用主動(dòng)自由流動(dòng)排氣系統(tǒng)的低排氣背壓代替現(xiàn)有量產(chǎn)排氣系統(tǒng)的排氣背壓，對(duì)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(jì)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;通過減少缸內(nèi)殘留氣體降低了爆燃傾向;通過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(jì)算結(jié)果。全球統(tǒng)一輕型車試驗(yàn)規(guī)程(WLTP)下的循環(huán)區(qū)域如圖7所示。在WLTP工況中，發(fā)動(dòng)機(jī)基本上都運(yùn)行在相對(duì)較低負(fù)荷，因此低排氣背壓帶來的影響非常有限，只有約0.1%的影響。然而，在實(shí)際行駛工況中，發(fā)動(dòng)機(jī)平均負(fù)荷相對(duì)較高，油耗降低約1%。在較高轉(zhuǎn)速的極端全負(fù)荷工況下，如德國(guó)高速公路上車速高達(dá)200 km/h或者拖車很重時(shí)，燃油耗可能降低約10%。

圖7 動(dòng)力強(qiáng)勁的渦輪增壓汽油機(jī)采用主動(dòng)自由流動(dòng)排氣系統(tǒng)的節(jié)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(tǒng)帶來效果與其他可能和可用的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)行了量化對(duì)比。主要技術(shù)有渦殼冷卻、電動(dòng)助力增壓、兩級(jí)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(nèi)噴水技術(shù)。

研究人員對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上常見的1款化學(xué)計(jì)量比λ為1、升功率為65 kW的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了對(duì)標(biāo)。圖8示出了相同化學(xué)計(jì)量比時(shí)采用這些技術(shù)帶來的估算增加成本與最大功率改善的對(duì)比。值得注意的是，單獨(dú)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(jié)合使用可以帶來更好的效果。

可以與主動(dòng)自由流動(dòng)技術(shù)相互結(jié)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(jī)升功率可提高約45 kW，這甚至比采用噴水技術(shù)帶來的效果更好。

圖8 汽油機(jī)相同化學(xué)計(jì)量比時(shí)的功率提升與成本權(quán)衡

在不久的將來，混合動(dòng)力汽車將會(huì)占據(jù)更高的市場(chǎng)份額。這是因?yàn)槠淙加徒?jīng)濟(jì)性好，同時(shí)能夠長(zhǎng)續(xù)航行駛。通常，混合動(dòng)力汽車的低端扭矩需求主要由電動(dòng)機(jī)提供，而在高負(fù)荷工況下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行助力。如果不是完全在高負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速工況運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)通常在WLTP工況和實(shí)際行駛排放(RDE)工況運(yùn)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)力汽車可以采用更小和更輕的主動(dòng)排氣系統(tǒng)，從而彌補(bǔ)大且重的電池包帶來的不利影響。

5 結(jié)語(yǔ)

在未來一段時(shí)間內(nèi)，乘用車的主要驅(qū)動(dòng)源仍然是內(nèi)燃機(jī)。因此，需要對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以滿足越來越低的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足。主動(dòng)聲浪排氣系統(tǒng)可以發(fā)出舒適且有運(yùn)動(dòng)感的聲音。主動(dòng)緊湊型排氣系統(tǒng)體積小且質(zhì)量輕。主動(dòng)自由流動(dòng)排氣系統(tǒng)可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，降低CO2排放。主動(dòng)消聲技術(shù)通常在不同氣缸數(shù)的汽油機(jī)和柴油機(jī)上都可以應(yīng)用，可以根據(jù)顧客或項(xiàng)目需求輕松地應(yīng)用合適的排氣系統(tǒng)。受氣候變化的影響，歐洲和其他地區(qū)已實(shí)施更為嚴(yán)苛的CO2排放法規(guī)，對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的要求顯著提升。主動(dòng)消聲排氣系統(tǒng)，可以降低高負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速工況下的CO2排放,混合動(dòng)力總成汽車將更多地得益于此技術(shù)。

原文標(biāo)題：干貨 | 采用主動(dòng)排氣系統(tǒng)減少二氧化碳排放并符合未來的通過噪聲限值

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審核編輯：湯梓紅