乘用车主动紧凑型排气系统设计研究

根据噪声测量法规ISO 362/R51.03的要求，2024年欧洲乘用车的通过噪声限值将进一步降低2.0 dB。通过噪声主要受到排气噪声的影响，因此需要重点在排气系统方面做进一步的优化工作。通常的方法是采用更大的消声器或者提高排气背压。然而，日趋严格的CO2排放目标，要求动力总成性能更加高效，结构更加紧凑。为了优化发动机声学降噪的效果，同时降低排气背压，对主动紧凑型排气系统设计进行了研究。主要对2辆应用主动排气系统的汽油车进行研究，并将试验结果与量产排气系统进行了对比。第1辆汽油车除了优化排气系统外，其他设计未变更，其通过噪声声压级由70.0 dB降低到68.0 dB。第2辆汽油车的排气背压降低了10 kPa以上，同时在基本相同的布置空间下尾管噪声更低。

0 前言

运输行业不仅是城市噪声和空气污染的重要源头之一，其CO2排放也是全球温室气体排放的重要组成部分。相比于其他交通运输，道路运输是温室气体排放的最大污染源，其排放总量近几年仍在增加。因此，欧洲和其他地区都颁布并实施了严格的法规来减轻全球气候变暖，以修复大气平流层中的臭氧层。如果乘用车制造商的车队平均CO2排放量超过限值，相关执法部门将对其排放超标部分进行更为严厉的处罚。随着汽车动力总成的电气化程度越来越高，更多的电动汽车配装了更大容量的电池。然而，车辆的CO2排放是极具争议性的话题，尤其是要从“摇篮到坟墓”方面考虑所有的排放。一些科学研究表明，基于德国现在的发电组合，从CO2足迹考虑，现阶段纯电动汽车的CO2排放差于柴油车。

基于纯电动汽车将会在未来全球乘用车运输中发挥重要作用的假定，Markit公司预测，到2030年，内燃机汽车的总量仍会保持上升趋势(图1)。尽管纯电动汽车增长较快，但未来内燃机汽车仍将占据主导地位。即使到2050年，大部分乘用车仍然由内燃机驱动，但是会以电气化发动机驱动的混合动力汽车为主。未来车辆和车队不仅要满足日趋严格的CO2排放限值，同时要满足更有挑战性的通过噪声限值。众所周知，通过噪声测量法规ISO 362及其附件定义的车外附加噪声法规(ASEP)要求大幅降低车辆的最大噪声级。因此，消声器总体积和排气系统的复杂程度大大提高。在某些乘用车型中，电子废气阀门等主动降噪部件的应用甚至成为了强制性要求。

图1 IHS-Markit预测的轻型汽车全球销量

1 乘用车排气系统的主动消声技术

作为排气系统主动电子废气阀门技术的替代，埃贝赫(Eberspächer)公司开发了基于主动降噪(ANC)的主动消声技术。这种技术对低频噪声，特别是内燃机阶次噪声的降噪效率高，具有以下主要优点：开发流程短、开发成本低、开发时间短;具有统一消声器结构，最大化沿用零部件，避免昂贵的工装费用;解决了因布置空间、噪声和尾管的轻微变化就要变更消声器的问题;排气背压低，可提高发动机性能;可以对发动机噪声阶次进行软件控制，可以做适应性声音设计、更容易实现声音定制;在插电混动车型(PHEV)中可替代在电驱动期间产生噪声的声响警报系统(AVAS);可减少额外机械零部件数量，如隔热板、排气和车身侧悬挂、隔振器;减轻了排气系统的质量，提高了行驶动力和燃油经济性。

图2示出了1种常见的采用主动消声技术的布置型式，在后消声器位置布置大功率的执行器，执行器通过接收运行ANC算法的主动消声控制单元(ASCU)发出的信号进行控制。前部消声器或者中部消声器可以将气流噪声和发动机阶次噪声降低到一定水平，执行器可以降低这些噪声。主动消声核心技术的重要优点已经为原始设备制造商(OEM)客户所认同，并已开发了不同样件。根据每款样件的研发侧重点不同，其特点可以总结为以下3个方面。

图2 主动消声排气系统的常见布置型式

(1)主动声浪排气系统。在该方案中，系统仍然通过传统消声器进行必要的降噪，但执行器提供必要的声学加强以彰显OEM品牌形象。2011年，奥迪A6车型首次采用该技术，随后为市场所认可。截至目前，该系统已经在7个汽车品牌的500 000辆汽车上量产使用，并由埃贝赫公司负责生产。

(2)主动紧凑型排气系统。该方案的主要开发目标是在后消声器位置用执行器替代体积大的消声器，保证排气背压相同并达到相同或者更好的声学效果。最新的展示样车表明，布置所需的空间可以明显缩小60%，主要零部件质量减少10 kg。

(3)主动自由流动排气系统。该方案采用主动降噪来简化整个排气系统，使气流受到的限制最小，降低了排气背压。因此发动机性能得以优化，降低了燃油消耗，从而减少了CO2排放。

2 主动紧凑型排气系统在4缸汽油机上的应用

在该方案中，研究人员选用了1辆配装4缸汽油机，峰值功率为135 kW，符合欧六d temp排放的豪华车。整个排气后处理系统未作变更。量产车冷端包含中间小、后端稍大的消声器，有2个尾管(图3)。其中1个尾管带有电子废气阀门，阀门在怠速和较低发动机转速时关闭。整个消声器体积加起来约42 L，整个冷端质量约28 kg。中间消声器包含了汽油颗粒捕集器(GPF)，大幅提高了冷端排气背压，在转毂试验台上，发动机转速在6 000 r/min、全负荷工况时的排气背压增加了约21 kPa。这使车辆满足了法规要求的通过噪声限值，同时车辆的车内噪声品质非常好。欧洲通过噪声法规第2阶段的A加权总噪声限值是70.0 dB。

图3 在4缸汽油乘用车上的传统消声器(a)和主动紧凑型排气系统(b)

在这款车上，采用主动紧凑型排气系统如图3(b)所示，只包含增大体积的前消声器和1个小谐振器及执行器，总体积约32 L。值得注意的是，此排气系统的布置空间较主动阀门排气系统节省约20%。同时，与传统的被动排气系统相比，全新设计的主动排气系统已经将消声器体积减少约20%。虽然采用传统量产排气系统的车辆的声学性能已经达到非常好的水平，但实际上这种设计的主要目的仍然是提高声学特性。采用新方案可以降低通过噪声，对于这种功率质量比小于120 kW/t的车辆，欧洲法规第3阶段的A加权总噪声限值是68.0 dB。

表1 列出了2种排气系统冷端的相关主要参数。可以看出，主动紧凑型排气系统不仅体积小，而且比量产排气系统轻4 kg。研究人员在转毂底盘测功机上进行全油门加速噪声测量，麦克风布置在车后中间位置，距离为1.8 m，高度为1.0 m。这样布置的原因是单排气尾管和双排气尾管的噪声辐射对比相对明显。图4示出了声学测量结果，因为二阶噪声是发动机的点火阶次噪声，研究人员取消了发动机其他阶次的噪声测量，只对最重要的发动机阶次噪声进行了测量。发动机在低速时，量产排气系统的主动阀门是关闭的，全部气流只能通过1个小尾管排出，从而导致较低发动机阶次的噪声最为明显，转速达到约2 700 r/min时阀门开启。此时气流噪声比较明显。在此转速下，ANC系统的A加权总声压级较量产排气系统降低约4.0 dB，这与通过噪声测量程序密切相关。这是因为发动机所有与阶次相关的噪声都得到了有效消除，并采用了比较大的单排气尾管。发动机转速越高，气流噪声对总声压级的影响越大，量产排气系统采用双排气尾管，有利于改善气流噪声。然而，略微增加的总声压级几乎不影响车内噪声，这是因为较高车速时其为风噪和滚动噪声所覆盖。配备ANC系统发动机的二阶噪声几乎在整个发动机转速范围内都是最优的，因此在座舱内几乎感受不到发动机的轰鸣声。

表1 4缸2.0 L涡轮增压汽油机的排气冷端数据

图4 4缸汽油机全负荷时尾管处测量的A加权总噪声和发动机二阶噪声(尾管尺寸长度180 cm，高度100 cm)

由于转毂试验的测量结果非常好，研究人员对其进行了分析，并将车辆运往1家德国咨询公司。该公司是德国官方授权的测量通过噪声的公司。在这里，车辆的参数设置相同并采用量产轮胎，相关人员进行了正式的通过噪声测试。测量的通过噪声声压级LUrban为67.7 dB，ASEP级噪声声压级为69.3 dB。这意味着，该车型已经达到了欧洲2024即将实施的通过噪声声压级限值68.0 dB的要求。值得注意的是，此次达标只是将排气系统更换为主动排气系统，车辆的其他零部件都未变更。

3 主动自由流动排气系统的应用

在第2种方案中，研究人员选用了另外1辆配装4缸汽油机，峰值功率为135 kW，带氮氧化物(NOx)存储催化器的满足欧五排放标准的豪华车，同时继续沿用排气后处理量产零部件。整个排气系统的悬挂位置和离地间隙和量产系统保持相同。

与前一种方案不同的是，这个方案的聚焦点很明确，就是最大化降低排气背压来实现主动自由流动的方案。对可用布置空间进行正常利用，主动排气系统设计不会超出布置空间，在可能的情况下，要对尾管噪声进行优化。实际上，这个目标可以实现，中间消声器采用沿用件，后消声器用执行器结构，以及隐藏尾管替代。图5所示为主动排气系统。表2列出了排气系统相关的主要参数和部分试验结果。值得注意的是，在质量保持不变的情况下，排气背压、发动机二阶噪声和气流噪声的声压级明显降低。

表2 4缸2.0 L涡轮增压汽油机的排气冷端数据

图5 在4缸汽油乘用车上的传统消声器(a)和主动自由流动排气系统(b)

如上文所述，研究人员在转毂底盘测功机上进行了全油门加速噪声测量。麦克风布置在车后中间位置，距离为1.0 m，高度为1.5 m。图6示出了声学测量结果。粗线代表总声压级，细线代表发动机二阶噪声。发动机低速时ANC系统的A加权总声压级与量产排气系统相似，但是发动机高速时总声压级主要受气流噪声影响，可以看出ANC系统的降噪效果高达5.0 dB，通过CFD分析并增大管径，降低了排气管中的马赫数，从而达到较好的降噪效果。ANC系统的发动机二阶噪声在转速4 000 r/min以下的低速时不明显，声学表现更加优异。尤其是转速2 500 r/min以下，主动降噪的效果非常明显，噪声声压级可以降低15.0 dB。发动机转速在4 000 r/min以上，主动降噪系统的发动机二阶噪声声压级高于量产系统，但是总声压级和车内噪声降低。因此，采用主动排气系统，排气背压降低10 kPa以上的重要目标得以实现，同时转速4 000 r/min以下的声学舒适度也有所提升。

图6 4缸汽油机全负荷时尾管处测量的A加权总噪声和发动机二阶噪声(尾管尺寸长度180 cm，高度100 cm)

4 主动自由流动排气系统的效果

为了评估排气背压显著降低对发动机设计带来的潜在效果，埃贝赫公司与FEV咨询公司合作，通过多方面研究，评估了排气背压显著降低对发动机燃油经济性和设计参数的潜在影响。首先，研究人员用主动自由流动排气系统的低排气背压代替现有量产排气系统的排气背压，对高度增压、升功率为100 kW的发动的迈谱图进行了研究。在此方案中，全油门时涡轮增压器涡轮下游的排气背压降低8 kPa，泵气损失也降低了;化学计量比升功率提高了3~85 kW;额定功率点的空燃比改善了0.04，为0.94;通过减少缸内残留气体降低了爆燃倾向;通过膨胀到较低的压力水平，降低了排气温度。

图7示出了燃油消耗率(BSFC)的万有特性燃油耗计算结果。全球统一轻型车试验规程(WLTP)下的循环区域如图7所示。在WLTP工况中，发动机基本上都运行在相对较低负荷，因此低排气背压带来的影响非常有限，只有约0.1%的影响。然而，在实际行驶工况中，发动机平均负荷相对较高，油耗降低约1%。在较高转速的极端全负荷工况下，如德国高速公路上车速高达200 km/h或者拖车很重时，燃油耗可能降低约10%。

图7 动力强劲的涡轮增压汽油机采用主动自由流动排气系统的节油效果

另外，考虑到成本收益比，研究人员将主动自由流动排气系统带来效果与其他可能和可用的发动机技术进行了量化对比。主要技术有涡壳冷却、电动助力增压、两级增压、集成排气歧管、耐高温涡轮(1 050 ℃)、低压冷却废气再循环(EGR)，以及缸内喷水技术。

研究人员对当前市场上常见的1款化学计量比λ为1、升功率为65 kW的发动机进行了对标。图8示出了相同化学计量比时采用这些技术带来的估算增加成本与最大功率改善的对比。值得注意的是，单独采用主动自由流动技术的成本和效果并不是最优的，而与其他动力总成技术结合使用可以带来更好的效果。

可以与主动自由流动技术相互结合使用的技术有集成排气歧管、耐高温涡轮和低压冷却EGR。这些技术组合的效果如图8所示。采用第3种组合。发动机升功率可提高约45 kW，这甚至比采用喷水技术带来的效果更好。

图8 汽油机相同化学计量比时的功率提升与成本权衡

在不久的将来，混合动力汽车将会占据更高的市场份额。这是因为其燃油经济性好，同时能够长续航行驶。通常，混合动力汽车的低端扭矩需求主要由电动机提供，而在高负荷工况下发动机进行助力。如果不是完全在高负荷和高转速工况运行，发动机通常在WLTP工况和实际行驶排放(RDE)工况运行时更加容易提高燃油效率，燃油效率提高1%以上。另外，混合动力汽车可以采用更小和更轻的主动排气系统，从而弥补大且重的电池包带来的不利影响。

5 结语

在未来一段时间内，乘用车的主要驱动源仍然是内燃机。因此，需要对排气系统进行创新设计，以满足越来越低的CO2排放和噪声控制要求。采用主动消声技术，顾客的众多不同需求都可以得到满足。主动声浪排气系统可以发出舒适且有运动感的声音。主动紧凑型排气系统体积小且质量轻。主动自由流动排气系统可以提高发动机性能，降低CO2排放。主动消声技术通常在不同气缸数的汽油机和柴油机上都可以应用，可以根据顾客或项目需求轻松地应用合适的排气系统。受气候变化的影响，欧洲和其他地区已实施更为严苛的CO2排放法规，对燃油经济性的要求显著提升。主动消声排气系统，可以降低高负荷和高转速工况下的CO2排放,混合动力总成汽车将更多地得益于此技术。

原文标题：干货 | 采用主动排气系统减少二氧化碳排放并符合未来的通过噪声限值

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审核编辑：汤梓红