整車排氣系統匹配研討

摘要：發動機被公認為汽車的心臟，隨著法規及人類環境意識的增強，針對發動機排放提出的要求也越來越高。排氣系統對降低排氣損失、保證發動機良好的性能、合理控制及減少污染物排放、發動機排氣噪聲控制都起到了關鍵性作用。因此排氣系統匹配對整車來說至關重要，本文研討了整車排氣系統的基本匹配方法，為以后其它產品的開發提供了參考。

關鍵詞：排氣系統；匹配；污染物；噪聲

中圖分類號：U464 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）03-0041-06

The Vehicle Exhaust System Matching Discussions

LIU Tian-wu，LIU Cong-cong

（Commercial Vehicle Research Institute of JAC，Hefei 230601，China）

Abstract:The engine was recognized as the vehicle’s heart.As engine emission regulations and human environment consciousness enhanced，the engine emission has a higher request.Exhaust system can reduce the loss of energy.To be sure the engine has a good performance，and control engine exhaust noise.So vehicle exhaust system matching is important.This paper discussed the basic methods of the vehicle exhaust system matching andit provided reference for other product development.

Key words：exhaust systems；match；pollutants；noise

排氣系統的作用是在保證發動機最佳性能的同時，把所有排氣安全地運離發動機并安靜地排到大氣中去，所以一個好的排氣系統在以下幾個方面要充分考慮并達到設計要求：

（1）盡量減少排氣背壓所帶來的發動機能量損失，發動機會因為排氣系統的排氣阻力過大而產生部分能量損失，這樣就直接造成整車的動力性與經濟性的衰減；

（2）污染物排放要得到嚴格控制。目前，全國各地國Ⅲ、國Ⅳ等排放法規的逐步實施，說明人類對保護環境的意識有了進一步的提升，從發展方向看，汽車的污染物排放控制只能是越來越嚴格。所以在排氣系統設計時一定要充分考慮針對不同市場的污染物排放法規限值，確保滿足法規要求；

（3）要控制好排氣噪聲。目前，針對不同車型均有不同的整車噪聲限值，排氣系統是整車噪聲中的一個重要噪聲源，所以在設計時一定要保證排氣系統的消聲效果滿足要求。

除以上指標，排氣系統還應盡量多的考慮振動及成本等方面的要求。

1 整車排氣系統匹配開發的基本流程

根據營銷公司提出的國內及國際市場上的整車需求報告和總布置提供的整車及發動機的相關信息和參數作為輸入。根據整車的開發計劃來編制排氣分組的工作及開發計劃，按計劃逐步地進行排氣分組理論匹配計算、整體方案設計、三維設計及布置檢查等一系列工作，直到技術文件下發并經試制、試驗驗證后指導量產，具體流程見圖1。

2 擬開發車型的排氣系統理論計算

根據圖1整車排氣系統匹配開發的流程，在得到開發指令及總布置的設計輸入后，排氣分組設計工程師將開始對開發車型的排氣系統進行理論計算。計算的第一步就是要了解開發車型所搭載發動機的相關參數，為計算做好準備，具體參數見表1。

2.1 確定消聲器的消聲量

首先確定消聲器降低排氣噪聲的目標值，即由發動機排氣噪聲大小、頻譜特性和消聲器所匹配車輛的噪聲標準限值來決定消聲器消聲量的大小。根據整車噪聲限值來計算消聲器出口噪聲限值。假設聲源特性屬線性聲源，可以計算出聲音衰減量L：

式中，S1為消聲器出口處噪聲限值點到聲源點距離；S2為整車噪聲限值測點到聲源點距離。

2.2 消聲器出氣口氣流速度的計算

當氣流速度超過一定限值，氣流所產生的再生噪聲將大大減小消聲量。一般控制氣流速度的原則是，消聲器出口管徑應盡量大于進氣管直徑或與進氣管直徑一致，不允許過小，否則會使排氣背壓增高，發動機功率損失增大；還會因排氣流速增大而激發噪聲。氣流速度的計算公式如下：

式中，V為氣流速度，m/s；M為排氣流量，m3/s；D為排氣口直徑，mm。

2.3 消聲器容積的計算

根據美國Nelson消聲器公司推薦的消聲器容積計算公式進行計算：

式中，C為消聲器容積；n為發動機轉速，r/min；i為缸數；τ為沖程數；Vst為發動機排量；Q為修正系數，可取2~6，消聲器要求越高，Q值越大。

2.4 消聲器擴張比的計算

消聲器擴張比一般取12~15，計算公式如下：

式中，R1為消聲器半徑；R2為排氣管半徑。

2.5 借助計算軟件輔助計算

輔助計算軟件可以計算出消聲器的排量、容積及安裝位置。計算流程如圖2所示。

3 消聲器的消聲量評價

現代汽車技術中消聲器結構主要有抗性、阻性和阻抗復合性三種，小型轎車多采用阻性和阻抗復合性消聲器，大多數商用車采用抗性消聲器。

3.1 傳聲損失計算方法

傳聲損失TL也稱為傳透損失或透射損失，其定義為消聲器進口端的入射聲功率和出口端的聲功率的比值的常用對數乘以10，即為消聲器進口端的聲功率級和消聲器出口端的聲功率級之差值，其數學表達式為：

TL＝10 lg（W1/W2)＝LW1－LW2 （5）

式中，W1、W2分別是消聲器進口端、出口端的聲功率；W；LW1、LW2分別是消聲器進口端、出口端的聲功率級，dB（A）。

通常所稱的消聲量一般指傳聲損失。在消聲器進口端與出口端的通道截面相同時，聲壓沿截面近似均勻分布，這時傳聲損失等于消聲器進口端面測得的聲壓級與出口端面測得的聲壓級之差。其關系式如下：

TL＝LP1－LP2 （6）

式中，LP1、LP2分別是消聲器進口端、出口端的聲壓級，dB（A）。

3.2 傳聲損失的測試方法

測試系統如圖3所示。信號發生器產生一定頻率的電壓信號，信號經過功率放大器輸送給揚聲器，揚聲器產生相應頻率的聲波在測試管中傳播。傳聲器1及測量放大器1測得某消聲器入口處的聲壓值，傳聲器2及測量放大器2測得某消聲器出口處的聲壓值，兩者之差就是消聲器的傳聲損失。

測試系統

某消聲器的傳聲損失數據見表2。

3.3 軟件仿真分析法

利用GT-POWER軟件對擬開發車型消聲器進行仿真分析，分析流程如圖4所示。

(c) 第三步：GT-POWER傳遞損失分析結果

圖4 GT-POWER軟件仿真分析流程

發動機通過排氣管排出的噪聲包括基頻噪聲、氣柱共振噪聲、噴注噪聲、紊流噪聲、渦流噪聲和亥姆霍茲共振噪聲等。如果不對排氣噪聲加以控制，則可能成為發動機中最主要的噪聲。消聲器成為發動機降噪的有效手段，消聲器的研究和設計手段隨著發動機的應用不斷發展。一個好的消聲器，在其工作氣流速度、內部溫度以及較寬的噪聲頻率內應有較大的插入損失和較小的壓力損失。同時，消聲器的體積要適當，結構要簡單合理，要適合整機的裝配。

發動機排氣消聲器是一種較為復雜的聲學元件，既要消聲量大，又要排氣阻力小、能耗低。利用正交實驗的方法，得出各主要結構參數對消聲器性能的影響程度，對原消聲器進行改進，并提高消聲器消聲性能，是優化消聲器的一種有效的方法。

4 排氣壓力損失的評價與控制

發動機會因為排氣系統的排氣阻力過大而產生部分能量損失，這樣就直接造成整車的動力性與經濟性的衰減。所以，設計排氣系統時，需要在滿足消聲級污染物的前提下盡量減小排氣能量的損失。

4.1 排氣壓力試驗

4.1.1 試驗條件

在滿足通用試驗條件的基礎上還需滿足以下試驗條件：

（1）樣車按照磨合規范完成了2 500 km磨合， 保養完畢，且車況良好；

（2）排氣系統零部件廠家、型號、主要性能和尺寸參數無誤；

（3）達到發動機排氣背壓的技術要求；

（4）試驗路面應為干燥、平整的混凝土或具有相同附著系數的其他路面，路面上不允許有松散的雜物；

（5）試驗時氣溫應≤40℃，風速≤3 m/s，并在無雨無霧的天氣下進行；

（6）試驗儀器設備須經計量檢定，在有效期內使用，并在使用前進行調整，確保功能正常。

如果天氣情況不滿足要求，或通過其它途徑已能明確判斷排氣系統工作狀態不正常時，應停止試驗。

4.1.2 試驗內容

試驗內容共有兩項，即次高擋額定轉速與最高擋額定轉速的進排氣壓力及溫度試驗。試驗操作如下：

（1）試驗前以中速行駛10 km對整車進行預熱；

（2）然后加速至試驗擋位的額定轉速并保持穩定狀態；

（3）若全油門穩定后，發動機轉速低于額定轉速，則減輕載荷，使之能穩定在額定轉速狀態；

（4）若全油門穩定后，發動機穩定轉速高于發動機額定轉速，則進行兩種狀態的測量：全油門穩定狀態和額定轉速穩定狀態。

（5）取額定轉速時的數據作為試驗結果，超過額定轉速時的數據作為參考。

4.1.3 試驗記錄

試驗前拍下各傳感器所在位置。在預熱完成后，開始記錄全過程的試驗數據，如表3所示。

4.2 消聲器壓力損失的計算

消聲器結構比較復雜，其內部的聲波本質上是三維的，所以一維理論便不再適用，應采用更加精確的二維或三維理論來進行分析。有限元分析方法是根據變分原則求解數學物理問題的一種數值方法。計算聲學和計算流體力學主要是采用有限元法和邊界元法對模型進行離散，同時對波動方程及結構運動方程求解來實現的。

假定流體是理想的聲學介質，且滿足如下條件：

（1）流體是均勻、可壓的，但只允許壓力與平均壓力有較小的變化；

（2）聲波動過程是絕熱的；

（3）流體是非流動且非粘的；

（4）流體平均密度和平均壓力不變，壓力求解偏離平均壓力而不是絕對壓力。

根據波動理論，波動方程為：

式中，c為流體介質中的聲速；?滓為拉氏算符；

瞬態聲壓P可由方程式（8）求得：

利用計算流體軟件Fluent，對所設計的消聲器進行了仿真計算，求出消聲器的壓力損失，并對壓力損失超過設計要求的消聲器進行了改進，并用Sysnoise軟件對消聲器的插入損失進行了計算。利用Ansys 軟件對消聲器聲場進行了有限元分析，通過對消聲器進行計算分析，得到消聲器內部的聲壓分布情況和傳遞損失隨頻率的變化情況，為消聲器的優化設計提供了依據。

5 排氣后處理研討

隨著排放法規的日益嚴格，僅僅依靠發動機自身控制排氣污染物已經無法滿足法規要求，所以在排氣系統中通過增加后處理裝置以處理排氣污染物。排氣污染物主要成分為CO、HC、NOx（氮氧化合物）和PM（顆粒物）等，其中顆粒物成分有分為soot（碳顆粒），VOF（揮發性有機物），Sulfates （硫酸鹽）等。

后處理的主要結構形式有以下幾種：

（1）DOC (Diesel Oxidation Catalyst)柴油氧化催化器。其基本結構形式如圖5所示。

DOC柴油氧化催化器載體一般使用陶瓷或者金屬，在載體上鍍上Pt或者Pt/Pd，以催化排氣污染物中的CO、HC等。催化原理如下。

DOC主要應用在國Ⅲ排放要求的3.5 t以下車型中，一般只要應用DOC即可滿足排放要求。

（2）DPF（Diesel Particulate Filter）顆粒捕捉器。

其原理是排氣通過時微粒經過擴散、截流、慣性碰撞和重力沉降等原理被過濾體捕集。隨著工作時間的增加，過濾體內堆積的微粒增多，發動機的背壓上升，會影響柴油機的正常工作，須用燃燒等方法將這些微粒除去，即過濾體的再生。DPF的關鍵技術是過濾材料及其再生的選擇和研究。

DPF主要應用在國Ⅳ排放及更高水平排放要求的車型上，一般與EGR、DOC配合使用，來使車輛達到排放要求。

（3）SCR(Selective Catalytic Reduction)選擇性還原技術。SCR主要處理排氣尾氣中的NOx，其原理示意圖見圖6。

SCR系統主要應用在國Ⅳ以后排放的車型上。

（4）POC（Particulate Oxidation Catalyst）顆粒催化器。POC技術是最近幾年新興的技術，主要用來處理顆粒物中的soot和VOF等，其結構形式與DOC基本相同，主要的區別在于催化劑的選擇上，POC的催化過程如下。

soot ＰＯＣＣＯ２

ＶＯＦ Ｈ２Ｏ

POC主要應用在國Ⅳ排放要求的車型上，一般需要與DOC、EGR等配合使用。

6總結

整車排氣系統在保證排氣背壓、噪聲、污染物排放達到設計要求的基礎上，要合理選擇排氣管管徑，避免彎管半徑過小而造成的排氣阻力過大；并合理選擇及設計排氣系統橡膠吊掛剛度，避免在整車行駛過程中排氣系統振動過大。考慮整車成本，根據車輛的品質定位不同，還需合理設計排氣系統。

參考文獻：

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