基于動力及整車架構的排氣系統技術方案探討

謝志清，林尚錦，梁文海

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

基于動力及整車架構的排氣系統技術方案探討

謝志清，林尚錦，梁文海

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

在整車上有多種發動機的布置形式，同時整車有多種驅動方案，不同的動力及整車架構下排氣系統技術方案各不相同。就常用的動力及整車架構，總結其對應的排氣系統布置方案差異及性能優、劣勢；同時，通過即有的理論研究，闡述了消聲器最優化的技術方案。研究對排氣系統初始技術方案的制定及新工程師的快速入門提供了一定的參考。

發動機；整車；布置；驅動；排氣系統

隨著汽車保有量的持續增長，其對能源及環境的影響日益成為重點關注的對象。整車燃油經濟性及NVH性能是汽車的兩個重要性能指標，燃油經濟性關系到汽車的使用成本及能源的消耗，NVH性能直接關系到用戶的使用和乘坐舒適性，已經成為用戶選車的關鍵影響因素。發動機是整車的核心部件之一，其對整車燃油經濟性及NVH性能的的影響重大。排氣系統作為動力總成的重要部件，其技術方案對發動機性能、整車燃油經濟性及整車NVH性能都有著重要的影響，因此，關注排氣系統開發對整車開發具有重要的意義。排氣系統消聲器分為阻性、抗性和阻抗復合型消聲器，其消聲頻率存在差異[1]。排氣系統的技術方案多種多樣，但缺少一些規范的一般性規則，本文試圖對排氣系統開發前期的技術方案與動力及整車架構的關系進行歸納，總結其優缺點，為排氣系統的開發提供參考。

1 發動機的排氣裝置

如圖1所示，發動機的排氣裝置包括排氣歧管、三元催化器、排氣管及消聲器等。一般以三元催化器為界，三元催化器前端為熱端，三元催化器之后為冷端。其中熱端排氣歧管主要是將發動機各缸的排放廢氣匯集到三元催化器及排氣管中，排氣歧管性能影響著發動機的排氣效率，進而影響進氣及燃燒，因此對發動機性能影響很大；三元催化器主要起尾氣凈化的作用，發動機燃燒后的有毒廢氣（HC、CO及NO等）在三元催化器中的鉑、鈀和銠等貴金屬催化下發生氧化/還原反應、產生水和二氧化碳等，從而達到凈化的目的。消聲器主要起消聲的作用，從而降低噪聲污染[2]。

圖1 發動機排氣裝置

圖1 所述排氣系統熱端與冷端是相對的，熱端較冷端溫度很高，但冷端的溫度也并不低，在消聲器筒體部位最高溫度可達300~400℃，對眾多熱敏零件如油路、油箱、減震或油脂及密封件等需要重點關注熱管理問題，因此排氣系統布置需對熱敏零件加以保護，確保一定的安全間隙，或是利用隔熱裝置加以保護。

排氣系統的三元催化器與排氣管可以焊接為一體，也可以分開作為兩個單獨的零件，消聲器可以采用單級、兩級甚至三級消聲器，通常所說的排氣系統包含三元催化器、排氣管及消聲器，其布置方案需要根據整車及發動機的具體架構及布置形式進行綜合選擇。

2 發動機布置形式及整車驅動方式

發動機是汽車上最重要的部分，其布置形式對于汽車的性能具有重大影響。對于乘用車，可以分為發動機前置、中置和后置三種。前置發動機是主流技術方案，中置和后置發動機只在少數的性能跑車上使用。對于一般的微型商用客車，一般采用中置發動機。發動機的布置形式還分為橫置及縱置。橫置發動機是指發動機軸線與車輛前進方向垂直，一般前驅的緊湊型轎車、大多數的中級轎車和少數高級轎車都采用了橫置發動機的布置方式；縱置發動機是指發動機軸線與車輛前進方向平行，一般后驅車都采用縱置發動機。

驅動一般分為前輪驅動、后輪驅動及四輪驅動等，結合發動機的布置形式，因此整車有前置前驅（FF）、前置后驅（FR）、中置后驅（MR）、后置后驅（RR）及四驅（4WD）等，其中汽車上最為常用的就是前置前驅（FF）、前置后驅（FR）及中置后驅（MR），故針對以上三種架構進行排氣系統布置方案的差異化歸納。

3 前置前驅架構排氣系統技術方案

一般緊湊型轎車常采用前置前驅形式，發動機橫置。對于橫置發動機，其進氣及排氣在發動機艙的前、后兩端，一般采用進氣歧管靠后布置，排氣歧管靠前的“前出后進”布置方式，即正置發動機。此外，橫置發動機還有一種特殊的布置形式，即“反置發動機”，即將進氣歧管與排氣歧管的位置對調，變成“前進后出”。對于兩種布置形式的橫置發動機，其示意圖見圖2、圖3.

圖2 正置發動機

圖3 反置發動機

對于正置發動機，排氣歧管靠前，排氣系統從車前端繞過前驅動軸到達驅動軸之后，其排氣系統布置形式如圖4所示。該型排氣系統的三元催化器一般為獨立的總成零件，連接在排氣歧管之后及排氣管之前，其在整車上的位置一般位于發動機艙前端及散熱器之后，冷端排氣系統連接三元催化器并延續到整車尾部，所以排氣系統幾乎與整車等長。由于排氣系統較長，因此一般將其冷端分為三個總成，即排氣管、前消聲器及后消聲器，如圖4所示。

圖4 前置前驅正置發動機架構排氣系統技術方案

該架構排氣系統優勢與劣勢分析如下：

優勢：（1）消聲性能好：由于該型消聲器管路長度較長，且可以采用兩級甚至更多級的消聲器方案，因此其NVH性能優越；

（2）隔振性能好：如圖4所示，波紋軟管位于油底殼底部，位于排氣系統最前端，其隔振性能較好。

劣勢：（1）背壓高。該型排氣系統其排氣管道過長且走向不順暢，所帶來的不利影響即背壓值較高；

（2）波紋軟管位置處于發動機底部，缺少必要的防護，在壞路行駛時易造成波紋軟管的刮擦導致意外損壞。

對于反置發動機，由于進、排氣歧管相對位置對調的“前進后出”方式，其排氣系統布置方式如圖5所示。該型排氣系統其三元催化器可以作為獨立的總成零件，也可以與排氣歧管耦合布置在前消聲器之前，其在整車上的位置一般位于發動機艙后端、前隔板區域。與圖4所示的正置發動機排氣系統相比，反置發動機排氣系統一般從前驅動軸之后引出，因此其長度較短，其冷端排氣系統一般分為前消聲器與后消聲器，如圖5所示。

圖5 前置前驅反置發動機架構排氣系統技術方案

該架構排氣系統優、劣勢分析如下：

優勢：（1）消聲性能好：該型排氣系統可采用兩級甚至更多級的消聲器方案，因此其NVH性能優越；

（2）排氣背壓較低：其管路布置較為平順有利于降低排氣背壓；排氣順暢，效率提高，發動機功率輸出更優。

劣勢：（1）反置發動機排氣系統三元催化器靠近乘員艙，為了降低高溫輻射的不利影響，需采用多重隔熱措施，成本上升；同時排氣噪音易進入到乘員艙，對整車NVH性能有負面影響，噪聲傳遞路徑的屏蔽措施要求較高；

（2）波紋軟管的位置相對靠后，其隔振性能略差；波紋軟管的振動幅度相對較大，需重點關注耐疲勞性能。

4 中置后驅縱置發動機架構排氣系統技術方案

中置后驅車型常見于一般的微型客車。對于該型車輛，其發動機中置，發動機位于駕駛員座椅底部，靠近前驅動軸。該型車輛發動機縱置，進氣歧管及排氣歧管分布于發動機兩側，排氣系統連接在排氣歧管之后延伸至車輛尾部，其一般技術方案如圖6所示。

圖6 中置后驅縱置發動機架構排氣系統技術方案

對于中置后驅縱置發動機架構，其排氣系統的連接起點位于前軸之后，長度較短。該型排氣系統的三元催化器一般與波紋軟管一同焊接在排氣管上并連接于排氣歧管之后，其在整車上的位置一般位于第一排及第二排座椅底部地板以下。該型排氣系統的波紋軟管若布置在三元催化器之前，一般采用承載式設計；若為了提高排放性能而將三元催化器前移，則波紋軟管一般采用非承載式設計以提高隔振性能。該型排氣系統可以采用波紋軟管與球面連接兩種方式，其組合形式可以為：單波紋軟管形式、單波紋軟管加單球面連接及雙球面連接形式。球面連接形式成本略低，但隔振及氣密性略差。

該架構排氣系統優勢和劣勢分析如下：

優勢：背壓低：由于該型排氣系統管路長度較短走向也較為順暢，因此其背壓值相對要低。

劣勢：（1）隔振性能略差：該型排氣系統由于布置空間限制，波紋軟管一般較短，且位置靠后；若采用球面連接結構其隔振性能也較差；

（2）消聲性能略差：由于整車架構限制，該型排氣系統多為單消結構，因此其消聲性能比前置前驅車型要差；若整車架構允許而采用了雙消聲器形式，則其消聲性能將得到提升。

5 前置后驅縱置發動機架構排氣系統技術方案

前置后驅是一種傳統的驅動形式，多用于載貨車輛，而乘用車領域在以五菱宏光為代表的緊湊型MPV車型上應用普遍。一般采用直列四缸發動機，其進、排氣歧管分布于發動機的兩側；該型排氣系統三元催化器一般與排氣歧管耦合或作為獨立總成零件。與中置后驅車型相比，其排氣系統較為靠前；與前置前驅一般橫置發動機相比，其排氣系統略微靠后；與前置前驅反置發動機其排氣系統出口前后位置相當，但三元催化器的高度降低，與前隔板的間隙加大，因此對其進行高溫輻射的處理相對較為容易，成本也相對較低。圖7顯示的是該架構排氣系統技術方案。

圖7 前置后驅縱置發動機架構排氣系統技術方案

該架構排氣系統優、劣勢分析如下：

優勢：（1）消聲性能好：有布置兩級消聲器的空間，利于提升其消聲性能；

（2）排氣背壓較低：排氣管路走向更順暢，因此排氣阻力小、效率高。

劣勢：波紋軟管的位置相對靠后，其隔振性能變差，波紋軟管的振動幅度較大，需重點關注耐疲勞性能。

6 消聲器位置的選擇

消聲器的位置對其消聲量有很大的影響，如圖8所示的簡單排氣系統，其消聲特性近似式為式（1）：

IL≈20logkLS（1）

式（1）中：IL為插入損失（dB）；K=2πf/C為波長常數；f為頻率；C為聲速；s、S為管路、消聲器橫截面積；l1、l2為管長；L為消聲器長，（設kL《π/2，S/s》1）.

≈

scoskl1，sinkl1

≈

圖8 簡單排氣系統

由式（1）可以得出，消聲器的消聲能力與其容積及擴張比m（m=S/s）有極其重要的關系，而且由于cosKl1及cosKl2的存在，其消聲特性還受到消聲器安裝位置的影響，圖9顯示的即是不同的主消位置其對排氣系統消聲量的影響[3]。

圖9 消聲器安裝位置與消聲能力

低轉速范圍內的低頻噪聲主要是由排氣系統中通常出現第2~5波節上的空氣柱共振引起的。如圖10所示，在該案例中，當該排氣系統選擇長尾管方案時，消聲器位于第2和第3波節聲壓波型的波峰附近，其消聲性能較短尾管的排氣系統方案得到很大的提升。在各個空氣柱共振當中，第2和第3波節異常重要，這個位置能產生抑制噪聲的最佳效果[4]。

圖10消聲器安裝位置對消聲性能的影響

圖8 所示的是簡單排氣系統，根據林輝江教授的研究結果，消聲器的安裝位置推薦如下[5]：

最不利的位置為：

以上是一些即有的理論研究成果，在實際開發過程中，可以根據在以上理論成果的基礎上，通過試驗測試等手段確定最優化的排氣系統技術方案。

7 結束語

排氣系統開發周期較長，消聲性能及背壓損失為其兩個主要性能指標，以上兩項性能指標調校的優劣對整車燃油經濟性、動力性及NVH特性都有著重要的影響。在即有的理論與實踐基礎上，合理地制定排氣系統技術方案，優化性能調校，對提高開發效率和開發質量大有裨益。

[1]楊紅偉，孫金鳳，王艷，等.噪聲控制新技術與消聲器設計選用及質量檢驗標準規范實用手冊[M].北京：北方工業出版社，2006：549-572.

[2]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動-理論與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2006：236-238.

[3]稻葉元宏，阿部榮一.降低排氣系統噪聲和阻力的技術措施[J].國外汽車，1986（6）：26-30.

[4]Motohiro Inaba等.汽車排氣系統低噪聲和低壓力的控制技術[J].小型內燃機，1991（2）：54-56.

[5]林輝江.內燃機排氣消聲器主要參數的選擇（二）[J].內燃機，2001（5）：3-5.

Exhaust System Technical Proposal Base on Engine and Vehicle Framework

XIE Zhi-qing，LIN Shang-jin，LIANG Wen-hai
（SAIC-GM-Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

There are kinds of engine layout style for vehicle，also series of drive mode exist for vehicle，different engine and vehicle framework leads to different layout proposal for exhaust system.The thesis is to sum up the difference and performance advantage or disadvantage of exhaust system for different exhaust layout proposal base on engine and vehicle framework.The optimized muffler position is also mentioned in the thesis which is based exist research achievement.It’s useful for exhaust system initial packaging study and gives guidance for the fresh exhaust engineer. Key words：engine；vehicle；layout；drive；exhaust system

TB535

A

1672-545X（2017）06-0061-04

2017-03-22

謝志清（1984-），男，江西樟樹人，本科，工程師，主要從事汽車排氣系統開發工作；林尚錦（1986-）男，廣西桂平人，本科，助理工程師，主要從事汽車排氣系統開發工作；梁文海（1990-），男，廣西柳城人，本科，助理工程師，主要從事汽車排氣系統開發工作。