黃國海 張毅天 謝志清 吳川永 李澤狀

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心）

1 前言

高性能發(fā)動機，有效燃燒的燃油越多，其所產生的功率和廢氣就越多；功率每升高40%，背壓上升將近一倍；若功率增加一倍，排氣背壓將增加4倍，這將使發(fā)動機至少有10%以上的功率損失。不同的發(fā)動機，油門最大時的排氣背壓比怠速時要高27～61kPa，有些甚至更高。排氣背壓是影響汽車油耗的最重要因素之一，其對發(fā)動機的動力性和排放性能都有重要影響。因此，如何通過降低排氣背壓來降低油耗并提高發(fā)動機的動力性，是各個生產廠家一直研究的課題。

對于排氣系統(tǒng)，影響排氣背壓的因素主要有管路走向、管徑大小、消聲器筒體結構等。本文以某一款現有量產車型匹配的B12D發(fā)動機為研究對象，在保證尾管噪聲、車內噪聲、整車通過噪聲、殼體輻射噪聲滿足國家有關法規(guī)要求前提下，優(yōu)化消聲器筒體內部結構，并進行背壓、噪聲和油耗對比分析。

2 消聲器總成設計

2.1 B12D發(fā)動機消聲器總成設計方案

以B12D發(fā)動機現有產品的排氣系統(tǒng)零件在B12D Gen 1.X的整車轉轂試驗臺上進行整車綜合油耗測試，測試結果如表1所列?？芍?，綜合油耗約為6.0L/100km。

表1 現產品件綜合油耗測試 L/100km

將B12D現有產品（管徑38 mm）的排氣系統(tǒng)按發(fā)動機外特性試驗方法進行排氣背壓測試，結果表明排氣系統(tǒng)背壓為53 kPa，其中消聲器部分的背壓為42 kPa。

同時又將該排氣系統(tǒng)進行整車加速行駛車外噪聲和排氣尾管口噪聲測試，測試結果如圖1所示。由圖1可知，通過噪聲為71 dB（A），小于法規(guī)要求的 74 dB（A），尾管口噪聲也低于目標值 5 dB（A），因此通過噪聲和尾管口噪聲都有很大的余量 （因為排氣背壓變小，噪聲會增大）。

該車型B12D現有產品的排氣系統(tǒng)由4部分組成，即三元催化器總成、排氣管焊接總成、前消聲器總成、后消聲器總成，排氣背壓也由這4部分結構的貢獻組成。配B12D Gen 1.X發(fā)動機后，三元催化器直接耦合到排氣歧管上，催化器的內部結構不變，其排氣背壓的貢獻量基本不變；排氣管和前消聲器的拐彎曲率小，相當于通管結構，其排氣背壓貢獻量不大；排氣背壓的主要貢獻在后消聲器。因此，決定對后消聲器進行結構更改，確定目標如下：

a. 配合整車其它措施，整車綜合油耗由6.0 L/100 km降低到5.2 L/100 km，達到國家汽車節(jié)能惠民補貼的綜合油耗指標小于5.3 L/100 km的要求；

b. 排氣系統(tǒng)的排氣背壓由目前的54 kPa降低到小于39 kPa。

2.2 新消聲器總成設計

后消聲器由3部分結構組成：前進氣管、消聲器筒體、尾管。前進氣管和尾管都有多處直角拐彎，阻力系數比較大，對排氣背壓有一定貢獻，但最大貢獻仍是消聲器筒體。

針對消聲器筒體結構設計了8個改進方案 （表2）進行GT-Power分析，分別分析其尾管口噪聲和排氣背壓，結果如圖2～圖9所示。

表2 8個消聲器筒體改進方案的具體說明

結果表明，方案1～方案5的排氣背壓比現有產品低9 kPa，方案6、方案7與現有產品排氣背壓相當，方案8比現有產品的排氣背壓低4.6 kPa；噪聲方面，方案1、方案2、方案6、方案7與現有產品接近，方案3、方案4、方案5比現有產品差，方案8比現有產品稍差。

3 方案驗證

綜合考慮排氣背壓、尾管口噪聲及成本變化等因素，選定方案2、方案7、方案8這3個消聲器筒體改進方案，并與前進氣管和尾管管徑分別為38 mm和42 mm組合成6個方案，以此6個方案制造樣件。

在整車消聲室里按整車狀態(tài)在轉轂上測試6個方案樣件及現有產品件的排氣背壓和后消聲器的排氣背壓、排氣尾管口噪聲、消聲器筒體輻射噪聲、車內噪聲。選定方案排氣背壓與排氣尾管口噪聲如表3和圖10～圖15所示。

表3 選定方案下排氣背壓

經測試驗證，方案 P2D38、方案 P2D42、方案P8D42排氣背壓較低，方案 P2D38、方案 P8D38排氣口噪聲與原產品件相當，方案 P2D38、方案P8D38、方案P8D42車內噪聲與原產品件相當，輻射噪聲都基本接近。方案P2D42的排氣背壓最低，在整車轉轂和發(fā)動機臺架上都是37.5 kPa，因此選擇此方案進行整車綜合油耗測試。為了驗證一致性，用兩臺車進行綜合油耗測試，并與原產品件進行對比，測試結果如表4所列。

表4 P2D42方案與現產品件油耗對比 L/100km

由表4可知，P2D42方案對應的整車綜合油耗較現有產品件的綜合油耗下降了0.2 L/100 km。

根據以上測試數據，決定以方案2的消聲器筒體、管徑大小為42 mm的前進氣管及尾管為最終產品方案，并與其它降油耗措施一起進行整車性能驗證測試，測試結果如表5所列。

表5 整車性能驗證測試結果

由表5可知，該車型配置發(fā)動機由B12D升級到B12D Gen1.X、實施其它降油耗措施后，整車性能得到了提升，其中綜合油耗達到了國家節(jié)能惠民補貼的指標要求，整車通過噪聲表現也很好。

同時對排氣尾管口噪聲進行測試，并與原產品件進行對比，對比結果如圖16所示。可知，P2D42方案排氣尾管口噪聲稍優(yōu)于原產品件，噪聲降低約1dB（A）。

4 結束語

通過CAE仿真分析，同時配合實車測試，從8個消聲器筒體改進方案中選擇最優(yōu)方案降低排氣背壓，排氣背壓由53 kPa降低到37.5 kPa，其中后消聲器的排氣背壓由42 kPa降低到23 kPa；整車綜合油耗由5.7 L/100 km降到5.1 L/100 km，其中排氣系統(tǒng)貢獻0.2 L/100 km，有效提高了發(fā)動機動力性與經濟性。

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