排气系统应用环境变化分析及应对

刘法永

埃贝赫排气技术（上海）有限公司亚太区技术研发中心 上海市 201807

随着近几年各项污染问题越发严重，对人们的生活和健康造成了严重影响，汽车作为重要污染源之一，环保压力越来越大。在这种背景下，汽车排放和油耗法规不断加严并发布，为了应对新的法规，新的发动机技术不断发展并得以应用，例如三缸直喷发动机的应用已经成为趋势。众所周知，排气系统是汽车整个运行系统的重要组成部分，其主要作用是发动机废气处理和降低振动噪声，解决发动机排放的有害排放气体，并为驾乘人员提供舒适的环境。因此，排气系统作为发动机的主要附件，势必要随着发动机的发展而发展。

随着社会的快速发展，汽车逐渐成为了人们主要出行交通工具之一，在我们的日常生活中扮演着越来越重要的作用。消费者对汽车性能的要求越来越高，市场竞争越来越激烈，各大品牌汽车厂商针对市场环境变化对汽车各系统的开发目标提出了更高的要求、更短的开发周期。不论是技术方面的发动机变化，还是市场方面的各种要求变化，这些因素都对排气系统开发提出了新的课题和挑战。本文既是在这种背景下，为了更好的满足客户要求，适应新形势下的环境，着重研究了技术和市场两方面的变化因素对排气系统开发的不利影响和挑战，这对排气系统开发非常有必要。

1 排气系统开发应用环境变化概述

1.1 动力总成发展趋势

当前形势下，国家对排放污染和油耗法规的控制越来越严，并且大力倡导低碳绿色出行。在这种局面下，各个厂家纷纷研发新型发动机，着重提升发动机油耗和排放性能。正是在这种背景下，三缸发动机凭借着其天然的优势又重新走上历史舞台。

二十年前，夏利的三缸发动机是低端、性能差的代名词，随着人们对车辆舒适性要求的提高，三缸发动机逐渐被小排量四缸发动机取代。但是三缸发动机有其独特的明显优势，主要表现在发动机燃油经济性和排放性能上，同时三缸发动机能大大缩小发动机尺寸，符合轻量化设计趋势，为小型三缸发动机带来了很好的实用性。以福特1.0T Ecoboost发动机为例，燃油经济性提升20%，二氧化碳排放降低15%，在节能减排方面，成绩斐然。

另一方面，各大车企在近几年逐渐意识到电喷技术的研发已进入到瓶颈期，于是缸内直喷技术成为各大厂商的主攻方向。与电喷发动机相比，缸内直喷发动机的喷油嘴在汽缸内部，因此缸内油气量不受气门开闭的影响，而是直接由电脑自动决定喷油时刻和脉宽。于是汽缸内可以喷入足够的燃油，可以设计更高的压缩比，从而获得更强的动力。在燃油消耗和污染物排放上，缸内直喷技术也为环保做出了进一步贡献，据测试表明，凯迪拉克SIDI系列发动机与以往同类发动机相比，功率提升15%，扭矩增大8%，综合路况油耗降低至少3%，CO2等污染物排放可降低25%之多。

三缸直喷增压发动机应用越来越广，排气系统作为与发动机息息相关的重要组成部分，也必须随发动机技术要求不断提高，适应新的需求。

1.2 市场需求变化

与欧美市场相比，中国消费者非常偏爱安静舒适的车型，非常重视汽车的噪声和振动性能，在一定程度上来说，汽车噪声与振动性能已成为衡量汽车好坏的一项最重要指标。在这种市场环境下，各品牌车企对汽车的振动噪声性能要求越来越高。其中，发动机排气系统对汽车振动噪声性能非常重要，因而，各车企对排气系统所设定的技术要求越来越高。

各厂家为了争夺市场主动权，不断缩短开发周期。各个系统同步开发，各系统之间集成度越来越高，或者某些系统之间关系密切，互为对方的开发输入条件。开发过程中，多个系统的开发工作穿插进行，要求整车企业与各系统供应商之间相互协作，互相支持，对之前的开发模式和流程提出了一系列问题，对各系统供应商的开发工作均造成了极大困扰。

2 各因素变化具体分析

在当前背景下，从技术方面和开发要求方面，导致排气系统的开发环境、边界数据发生了很大变化，具体表现在以下几个方面：

2.1 三缸发动机对排气系统性能的挑战

日益严苛的油耗法规使开发轻量化、小排量、高功率的高效发动机成为趋势。相对于四缸发动机，三缸发动机存在自身不平衡特性，使动力总成及排气系统等发动机附件的振动噪声性能开发遇到了极大挑战。

发动机运行时是将汽油燃烧产生的化学能通过曲柄连杆机构将活塞的往复运动转变为绕曲轴的旋转运动。因而，发动机运行时其主要激励是燃烧产生的汽缸压力做功时的扭矩波动，此外，还存在着活塞、曲柄连杆机构等机械机构运动时产生的不平衡激励。根据三缸机的结构特性，各曲轴间隔120度，沿汽缸方向运动的往复质量系统惯性力之和平衡，而两侧汽缸往复运动系统惯性力产生的以第二缸中心为参考点的力矩之和不平衡。所以根据三缸发动机的振动特性，除了具有像四缸发动机绕曲轴方向的转动之外，还具有独特的绕曲轴中心线法线方向的转动激励，致使发动机对排气系统的振动激励更加复杂多变，如图1所示：

同时，为了达到发动机的性能指标，一般三缸发动机的工作强度非常大，具有燃烧力矩大、转速波动大等特点，特别是在缸内直喷、涡轮增压等技术的应用下，三缸发动机的升功率在100千瓦左右，如此强大的输出功率扭矩，对排气系统来说，必然成为强烈的振动噪声源。

当然，为了解决三缸发动机振动激励的特殊性，其他系统，特别是悬置系统也必须开发相应的解决方案。目前，多数的发动机控制策略是根据整车相应灵敏度，将发动机的不平衡激励转化为绕中间汽缸中心线的振动，即绕整车坐标Z轴方向的振动。三缸机的悬置系统一方面为了解决不平衡力矩，只能增大悬置系统的阻尼来增大动力总成的阻尼比，从而抑制系统的共振响应幅值，但不能过高，否则会影响悬置在发动机高速工况时的隔振性能。另一方面，为了解决三缸机的点火激励，悬置系统需要大大降低刚度，特别是整车X方向的动刚度。这样以来，三缸发动机动力总成的振动激励对整车的影响可以基本控制，但排气系统是与发动机直接相连的，所以对排气系统的激励还是要复杂的多，并且根据动力总成的不平衡控制策略，会表现出明显不同的振动特性。这就导致排气系统的开发必须面对不同的边界数据。

具体来说，三缸发动机对排气系统的不利影响具体表现在以下几个方面，首先最直接的影响在于对波纹管之前的部分，大部分情况下是紧耦合催化器。紧耦合催化器与发动机完全刚性连接，随发动机一起振动，复杂的振动激励对催化器的耐久设计是巨大考验，在设计和验证过程均要有足够的重视，特别是在发动机共振耐久试验中，要对各风险点进行足够的验证。其次是排气系统中的波纹管和橡胶吊块等隔振元件，由于发动机复杂的振动激励，隔振元件的开发边界数据变得复杂，变相增加了隔振性能要求，这都是新的课题。最后，发动机排气系统冷端的模态设计、吊挂位置和吊钩设计也变得更加重要了，并且车企会提出更高更细致的技术要求，例如对排气吊钩的动刚度要求。归根结底是因为发动机激励对车内振动噪声性能影响的概率和程度都已提高，那排气系统冷端作为主要传递路径之一，则整个路径上的各零组件开发都显得更加重要，验证过程中，正确客观的评价排气系统对车内振动噪声的贡献量，并取得客户的认可将是至关重要的工作。

2.2 直喷发动机对排气系统性能的挑战

首先介绍下发动机对排气噪声源的影响因素，排气噪声是汽车发动机最主要的噪声源之一，排气噪声一般比发动机整机噪声高10-15 dB（A），发动机全负荷工作时，排气开始时汽缸内燃气温度高达800-1000℃，汽缸压力高达几十甚至上百个大气压，由于这时汽缸内压力比排气管内压力高很多，排气为超临界流动，气流速度可达550-700 m/s，这个阶段称为强制排气阶段。然后是自由排气阶段，这个阶段虽然占整个排气时间的百分比不大，但排出废气量可达60%以上。废气从排气门 高速冲出，沿着排气管道进入消声器，最后从尾管排出，整个过程中，会产生宽频带的排气噪声。

排气噪声频谱常包含以下频率成分：基频排气噪声，管道内气柱共振噪声，排气歧管处的气流吹气声，废气喷注和冲击噪声，汽缸亥姆霍兹共振噪声，气门杆背部的涡流噪声和排气管道内壁的紊流噪声。排气基频噪声是最主要成分，频率为：

影响发动机排气噪声的主要因素是：汽缸压力、排气门直径、发动机排量以及排气门开启特性等，汽缸压力决定了排气噪声的最大值。对同一发动机来说，影响排气噪声最大的因素是发动机转速和负荷。

根据以往项目经验，目前主流的非直喷发动机，最大缸内燃料压力大概70 Bar左右，而直喷发动机的最大缸压约100 bar，相比于歧管喷射发动机，缸内直喷发动机最大爆发压力提高了40%以上。所以直喷发动机的排气噪声峰值相对歧管喷射发动机将大幅提高，这对排气系统开发是巨大挑战。

图2是笔者经历过的一个项目数据对比，用相同排气系统结构，一个1.0排量的直喷增压发动机与一个1.5排量的非直喷增压发动机尾管噪声曲线相当，而且在大多数转速上高于非直喷发动机，可见直喷发动机的排气噪声能量之大。

在结构性噪声方面，直喷发动机对消声器开发同样具有挑战，发动机的高阶次基频噪声可以激励起消声器壳体或隔板800 Hz以上的模态。在当前各主机厂倡导轻量化设计思想的背景下，消声器壳体和隔板模态要达到800至1000Hz，难度可想而知。在结构性噪声开发方面，消声器隔板和壳体的压力控制同样非常重要，否则，消声器的结构性共振噪声根本不可能达标。为此，消声器隔板和壳体的尺寸控制、结构强度、以及消声器生产工艺必须严格把关。

2.3 电控标定数据对排气系统开发的影响分析

发动机电控标定开发对排气系统的影响可以分为两个方面，一是技术方面，发动机电控标定系统更新后，发动机噪声源将会有所变化，势必影响到排气系统开发的边界条件。根据某公司的研究案例，如下图，红蓝曲线分别表示调整点火提前角前后的车内噪声曲线，根据结果，仅仅调整点火提前角，就可以改变车内噪声2 dB（A）以上，见图3。

图4是笔者开发过的一个项目的测试数据，图示三条曲线显示的是同一方案在不同标定数据情况下测试的尾管噪声数据，测试结果差距明显。根据以上两个案例，可以很明显的看到电控标定数据确实对排气噪声源具有重要影响。

发动机电控标定对排气系统开发第二个方面的影响是开发流程方面，众所周知，发动机电控系统开发周期长，变更频繁，往往在整车开发的最后阶段才锁定最终版本数据，此时，若发现排气系统性能变差，而开发周期将尽，将导致排气系统供应商陷入非常困难的境地。

根据以上两个方面的影响，排气系统的开发，特别是调音开发必须做出适当调整，一是调音之前对各方面边界数据需要细致确认，根据目前经验，标定数据至少在完成60%以上才可以作为调音输入使用，否则极有可能将导致开发工作反复进行，导致极大浪费，这在直喷发动机项目中表现更加明显。二是当标定最终完成之后，需对排气系统性能进行再确认，确保整车振动噪声性能符合指标。

2.4 悬置系统及其开发流程的影响

根据目前的经验，排气系统模态设计时，排气系统的一阶Z向弯曲模态要避开发动机的点火激励和动力总成的Z向平动、X向和Y向转动刚体模态，否则很有可能引发共振，严重影响整车的振动噪声性能和零部件的耐久性能。由于悬置系统是动力总成刚体模态的直接决定因素，因此悬置系统就直接影响排气系统模态设计目标。并且，由前面论述可知，由于三缸发动机的振动特殊性、动力总成平衡策略复杂性、悬置系统匹配难度大大增加，这一系列问题导致发动机对排气的振动激励变得复杂、多变、不可预知，因此悬置系统，或者说动力总成刚体模态作为排气系统设计输入的必要性就更高了。

图2

图3

图4

另一方面，李松波博士曾经研究过发动机系统对排气系统模态分析的影响，结论认为发动机系统对排气系统模态分析有重要作用，是正确分析排气系统动力特性不可或缺的组成部分。反之，对排气系统对发动机悬置系统开发的重要性也进行了论述分析，结果显示，考虑排气系统后，发动机悬置系统的固有频率变化不明显，但是解耦率有较明显的波动，尤其对于解耦率不佳的发动机悬置系统，影响显著。当然，笔者经历的一些项目试验数据也侧面说明这个结论，通过在整车布置状态的模态试验发现，悬置系统对排气系统固有频率波动敏感，在一些阶次上，波动在5Hz左右。当然在实际项目开发过程中，不可能通过改变悬置刚度来解决排气系统的问题，但是排气系统设计验证时必须以阶段冻结的悬置方案为边界，并且当发动机悬置系统在进行设计变更或优化后，应该验证悬置对排气系统动力性的影响，根据分析结果适当调整排气系统的组件参数，来适应新的激励环境，在三缸发动机项目中，尤其需要注意这一点。

如前面所述，悬置系统和排气系统之间相互影响，这势必要求整车项目开发中，两个系统之间需要更多的互动和相互协调，相互提供给对方输入进行开发验证。最终，开发验证完成后，需验证发动机振动激励对车内振动噪声的影响。

3 总结与展望

汽车和发动机的结构是非常复杂的，再加上新技术更新速度加快，工作工况也比较多变。本次实践研究与原理探寻，与现实多多少少存在一些差距。但是，对于该领域的研究与实践应用过程中所突出存在的一些问题，进行了大体概括，本文着重对排气系统开发应用的环境和边界数据变化展开了分析，并且结合着现实实际，简要提出了几点针对排气消声器系统的开发验证的思路和方向，旨在提高消声器的设计精度，缩短设计周期，对其他从业者的研究工作起到抛砖引玉的作用。

当然，还有很多方面未及叙述，这正是我们下一步的研究方向，例如，各个标定参数对发动机排气噪声源的具体影响，隔振元件在三缸发动机动力总成中的具体开发，轻量化设计时采用薄壁材料后如何保证结构强度的设计经验等等。