排氣系統應用環境變化分析及應對

劉法永

埃貝赫排氣技術（上海）有限公司亞太區技術研發中心 上海市 201807

隨著近幾年各項污染問題越發嚴重，對人們的生活和健康造成了嚴重影響，汽車作為重要污染源之一，環保壓力越來越大。在這種背景下，汽車排放和油耗法規不斷加嚴并發布，為了應對新的法規，新的發動機技術不斷發展并得以應用，例如三缸直噴發動機的應用已經成為趨勢。眾所周知，排氣系統是汽車整個運行系統的重要組成部分，其主要作用是發動機廢氣處理和降低振動噪聲，解決發動機排放的有害排放氣體，并為駕乘人員提供舒適的環境。因此，排氣系統作為發動機的主要附件，勢必要隨著發動機的發展而發展。

隨著社會的快速發展，汽車逐漸成為了人們主要出行交通工具之一，在我們的日常生活中扮演著越來越重要的作用。消費者對汽車性能的要求越來越高，市場競爭越來越激烈，各大品牌汽車廠商針對市場環境變化對汽車各系統的開發目標提出了更高的要求、更短的開發周期。不論是技術方面的發動機變化，還是市場方面的各種要求變化，這些因素都對排氣系統開發提出了新的課題和挑戰。本文既是在這種背景下，為了更好的滿足客戶要求，適應新形勢下的環境，著重研究了技術和市場兩方面的變化因素對排氣系統開發的不利影響和挑戰，這對排氣系統開發非常有必要。

1 排氣系統開發應用環境變化概述

1.1 動力總成發展趨勢

當前形勢下，國家對排放污染和油耗法規的控制越來越嚴，并且大力倡導低碳綠色出行。在這種局面下，各個廠家紛紛研發新型發動機，著重提升發動機油耗和排放性能。正是在這種背景下，三缸發動機憑借著其天然的優勢又重新走上歷史舞臺。

二十年前，夏利的三缸發動機是低端、性能差的代名詞，隨著人們對車輛舒適性要求的提高，三缸發動機逐漸被小排量四缸發動機取代。但是三缸發動機有其獨特的明顯優勢，主要表現在發動機燃油經濟性和排放性能上，同時三缸發動機能大大縮小發動機尺寸，符合輕量化設計趨勢，為小型三缸發動機帶來了很好的實用性。以福特1.0T Ecoboost發動機為例，燃油經濟性提升20%，二氧化碳排放降低15%，在節能減排方面，成績斐然。

另一方面，各大車企在近幾年逐漸意識到電噴技術的研發已進入到瓶頸期，于是缸內直噴技術成為各大廠商的主攻方向。與電噴發動機相比，缸內直噴發動機的噴油嘴在汽缸內部，因此缸內油氣量不受氣門開閉的影響，而是直接由電腦自動決定噴油時刻和脈寬。于是汽缸內可以噴入足夠的燃油，可以設計更高的壓縮比，從而獲得更強的動力。在燃油消耗和污染物排放上，缸內直噴技術也為環保做出了進一步貢獻，據測試表明，凱迪拉克SIDI系列發動機與以往同類發動機相比，功率提升15%，扭矩增大8%，綜合路況油耗降低至少3%，CO2等污染物排放可降低25%之多。

三缸直噴增壓發動機應用越來越廣，排氣系統作為與發動機息息相關的重要組成部分，也必須隨發動機技術要求不斷提高，適應新的需求。

1.2 市場需求變化

與歐美市場相比，中國消費者非常偏愛安靜舒適的車型，非常重視汽車的噪聲和振動性能，在一定程度上來說，汽車噪聲與振動性能已成為衡量汽車好壞的一項最重要指標。在這種市場環境下，各品牌車企對汽車的振動噪聲性能要求越來越高。其中，發動機排氣系統對汽車振動噪聲性能非常重要，因而，各車企對排氣系統所設定的技術要求越來越高。

各廠家為了爭奪市場主動權，不斷縮短開發周期。各個系統同步開發，各系統之間集成度越來越高，或者某些系統之間關系密切，互為對方的開發輸入條件。開發過程中，多個系統的開發工作穿插進行，要求整車企業與各系統供應商之間相互協作，互相支持，對之前的開發模式和流程提出了一系列問題，對各系統供應商的開發工作均造成了極大困擾。

2 各因素變化具體分析

在當前背景下，從技術方面和開發要求方面，導致排氣系統的開發環境、邊界數據發生了很大變化，具體表現在以下幾個方面：

2.1 三缸發動機對排氣系統性能的挑戰

日益嚴苛的油耗法規使開發輕量化、小排量、高功率的高效發動機成為趨勢。相對于四缸發動機，三缸發動機存在自身不平衡特性，使動力總成及排氣系統等發動機附件的振動噪聲性能開發遇到了極大挑戰。

發動機運行時是將汽油燃燒產生的化學能通過曲柄連桿機構將活塞的往復運動轉變為繞曲軸的旋轉運動。因而，發動機運行時其主要激勵是燃燒產生的汽缸壓力做功時的扭矩波動，此外，還存在著活塞、曲柄連桿機構等機械機構運動時產生的不平衡激勵。根據三缸機的結構特性，各曲軸間隔120度，沿汽缸方向運動的往復質量系統慣性力之和平衡，而兩側汽缸往復運動系統慣性力產生的以第二缸中心為參考點的力矩之和不平衡。所以根據三缸發動機的振動特性，除了具有像四缸發動機繞曲軸方向的轉動之外，還具有獨特的繞曲軸中心線法線方向的轉動激勵，致使發動機對排氣系統的振動激勵更加復雜多變，如圖1所示：

同時，為了達到發動機的性能指標，一般三缸發動機的工作強度非常大，具有燃燒力矩大、轉速波動大等特點，特別是在缸內直噴、渦輪增壓等技術的應用下，三缸發動機的升功率在100千瓦左右，如此強大的輸出功率扭矩，對排氣系統來說，必然成為強烈的振動噪聲源。

當然，為了解決三缸發動機振動激勵的特殊性，其他系統，特別是懸置系統也必須開發相應的解決方案。目前，多數的發動機控制策略是根據整車相應靈敏度，將發動機的不平衡激勵轉化為繞中間汽缸中心線的振動，即繞整車坐標Z軸方向的振動。三缸機的懸置系統一方面為了解決不平衡力矩，只能增大懸置系統的阻尼來增大動力總成的阻尼比，從而抑制系統的共振響應幅值，但不能過高，否則會影響懸置在發動機高速工況時的隔振性能。另一方面，為了解決三缸機的點火激勵，懸置系統需要大大降低剛度，特別是整車X方向的動剛度。這樣以來，三缸發動機動力總成的振動激勵對整車的影響可以基本控制，但排氣系統是與發動機直接相連的，所以對排氣系統的激勵還是要復雜的多，并且根據動力總成的不平衡控制策略，會表現出明顯不同的振動特性。這就導致排氣系統的開發必須面對不同的邊界數據。

具體來說，三缸發動機對排氣系統的不利影響具體表現在以下幾個方面，首先最直接的影響在于對波紋管之前的部分，大部分情況下是緊耦合催化器。緊耦合催化器與發動機完全剛性連接，隨發動機一起振動，復雜的振動激勵對催化器的耐久設計是巨大考驗，在設計和驗證過程均要有足夠的重視，特別是在發動機共振耐久試驗中，要對各風險點進行足夠的驗證。其次是排氣系統中的波紋管和橡膠吊塊等隔振元件，由于發動機復雜的振動激勵，隔振元件的開發邊界數據變得復雜，變相增加了隔振性能要求，這都是新的課題。最后，發動機排氣系統冷端的模態設計、吊掛位置和吊鉤設計也變得更加重要了，并且車企會提出更高更細致的技術要求，例如對排氣吊鉤的動剛度要求。歸根結底是因為發動機激勵對車內振動噪聲性能影響的概率和程度都已提高，那排氣系統冷端作為主要傳遞路徑之一，則整個路徑上的各零組件開發都顯得更加重要，驗證過程中，正確客觀的評價排氣系統對車內振動噪聲的貢獻量，并取得客戶的認可將是至關重要的工作。

2.2 直噴發動機對排氣系統性能的挑戰

首先介紹下發動機對排氣噪聲源的影響因素，排氣噪聲是汽車發動機最主要的噪聲源之一，排氣噪聲一般比發動機整機噪聲高10-15 dB（A），發動機全負荷工作時，排氣開始時汽缸內燃氣溫度高達800-1000℃，汽缸壓力高達幾十甚至上百個大氣壓，由于這時汽缸內壓力比排氣管內壓力高很多，排氣為超臨界流動，氣流速度可達550-700 m/s，這個階段稱為強制排氣階段。然后是自由排氣階段，這個階段雖然占整個排氣時間的百分比不大，但排出廢氣量可達60%以上。廢氣從排氣門 高速沖出，沿著排氣管道進入消聲器，最后從尾管排出，整個過程中，會產生寬頻帶的排氣噪聲。

排氣噪聲頻譜常包含以下頻率成分：基頻排氣噪聲，管道內氣柱共振噪聲，排氣歧管處的氣流吹氣聲，廢氣噴注和沖擊噪聲，汽缸亥姆霍茲共振噪聲，氣門桿背部的渦流噪聲和排氣管道內壁的紊流噪聲。排氣基頻噪聲是最主要成分，頻率為：

影響發動機排氣噪聲的主要因素是：汽缸壓力、排氣門直徑、發動機排量以及排氣門開啟特性等，汽缸壓力決定了排氣噪聲的最大值。對同一發動機來說，影響排氣噪聲最大的因素是發動機轉速和負荷。

根據以往項目經驗，目前主流的非直噴發動機，最大缸內燃料壓力大概70 Bar左右，而直噴發動機的最大缸壓約100 bar，相比于歧管噴射發動機，缸內直噴發動機最大爆發壓力提高了40%以上。所以直噴發動機的排氣噪聲峰值相對歧管噴射發動機將大幅提高，這對排氣系統開發是巨大挑戰。

圖2是筆者經歷過的一個項目數據對比，用相同排氣系統結構，一個1.0排量的直噴增壓發動機與一個1.5排量的非直噴增壓發動機尾管噪聲曲線相當，而且在大多數轉速上高于非直噴發動機，可見直噴發動機的排氣噪聲能量之大。

在結構性噪聲方面，直噴發動機對消聲器開發同樣具有挑戰，發動機的高階次基頻噪聲可以激勵起消聲器殼體或隔板800 Hz以上的模態。在當前各主機廠倡導輕量化設計思想的背景下，消聲器殼體和隔板模態要達到800至1000Hz，難度可想而知。在結構性噪聲開發方面，消聲器隔板和殼體的壓力控制同樣非常重要，否則，消聲器的結構性共振噪聲根本不可能達標。為此，消聲器隔板和殼體的尺寸控制、結構強度、以及消聲器生產工藝必須嚴格把關。

2.3 電控標定數據對排氣系統開發的影響分析

發動機電控標定開發對排氣系統的影響可以分為兩個方面，一是技術方面，發動機電控標定系統更新后，發動機噪聲源將會有所變化，勢必影響到排氣系統開發的邊界條件。根據某公司的研究案例，如下圖，紅藍曲線分別表示調整點火提前角前后的車內噪聲曲線，根據結果，僅僅調整點火提前角，就可以改變車內噪聲2 dB（A）以上，見圖3。

圖4是筆者開發過的一個項目的測試數據，圖示三條曲線顯示的是同一方案在不同標定數據情況下測試的尾管噪聲數據，測試結果差距明顯。根據以上兩個案例，可以很明顯的看到電控標定數據確實對排氣噪聲源具有重要影響。

發動機電控標定對排氣系統開發第二個方面的影響是開發流程方面，眾所周知，發動機電控系統開發周期長，變更頻繁，往往在整車開發的最后階段才鎖定最終版本數據，此時，若發現排氣系統性能變差，而開發周期將盡，將導致排氣系統供應商陷入非常困難的境地。

根據以上兩個方面的影響，排氣系統的開發，特別是調音開發必須做出適當調整，一是調音之前對各方面邊界數據需要細致確認，根據目前經驗，標定數據至少在完成60%以上才可以作為調音輸入使用，否則極有可能將導致開發工作反復進行，導致極大浪費，這在直噴發動機項目中表現更加明顯。二是當標定最終完成之后，需對排氣系統性能進行再確認，確保整車振動噪聲性能符合指標。

2.4 懸置系統及其開發流程的影響

根據目前的經驗，排氣系統模態設計時，排氣系統的一階Z向彎曲模態要避開發動機的點火激勵和動力總成的Z向平動、X向和Y向轉動剛體模態，否則很有可能引發共振，嚴重影響整車的振動噪聲性能和零部件的耐久性能。由于懸置系統是動力總成剛體模態的直接決定因素，因此懸置系統就直接影響排氣系統模態設計目標。并且，由前面論述可知，由于三缸發動機的振動特殊性、動力總成平衡策略復雜性、懸置系統匹配難度大大增加，這一系列問題導致發動機對排氣的振動激勵變得復雜、多變、不可預知，因此懸置系統，或者說動力總成剛體模態作為排氣系統設計輸入的必要性就更高了。

圖2

圖3

圖4

另一方面，李松波博士曾經研究過發動機系統對排氣系統模態分析的影響，結論認為發動機系統對排氣系統模態分析有重要作用，是正確分析排氣系統動力特性不可或缺的組成部分。反之，對排氣系統對發動機懸置系統開發的重要性也進行了論述分析，結果顯示，考慮排氣系統后，發動機懸置系統的固有頻率變化不明顯，但是解耦率有較明顯的波動，尤其對于解耦率不佳的發動機懸置系統，影響顯著。當然，筆者經歷的一些項目試驗數據也側面說明這個結論，通過在整車布置狀態的模態試驗發現，懸置系統對排氣系統固有頻率波動敏感，在一些階次上，波動在5Hz左右。當然在實際項目開發過程中，不可能通過改變懸置剛度來解決排氣系統的問題，但是排氣系統設計驗證時必須以階段凍結的懸置方案為邊界，并且當發動機懸置系統在進行設計變更或優化后，應該驗證懸置對排氣系統動力性的影響，根據分析結果適當調整排氣系統的組件參數，來適應新的激勵環境，在三缸發動機項目中，尤其需要注意這一點。

如前面所述，懸置系統和排氣系統之間相互影響，這勢必要求整車項目開發中，兩個系統之間需要更多的互動和相互協調，相互提供給對方輸入進行開發驗證。最終，開發驗證完成后，需驗證發動機振動激勵對車內振動噪聲的影響。

3 總結與展望

汽車和發動機的結構是非常復雜的，再加上新技術更新速度加快，工作工況也比較多變。本次實踐研究與原理探尋，與現實多多少少存在一些差距。但是，對于該領域的研究與實踐應用過程中所突出存在的一些問題，進行了大體概括，本文著重對排氣系統開發應用的環境和邊界數據變化展開了分析，并且結合著現實實際，簡要提出了幾點針對排氣消聲器系統的開發驗證的思路和方向，旨在提高消聲器的設計精度，縮短設計周期，對其他從業者的研究工作起到拋磚引玉的作用。

當然，還有很多方面未及敘述，這正是我們下一步的研究方向，例如，各個標定參數對發動機排氣噪聲源的具體影響，隔振元件在三缸發動機動力總成中的具體開發，輕量化設計時采用薄壁材料后如何保證結構強度的設計經驗等等。