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)
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。
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。
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。
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)。
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。
1 肖生浩,袁守利,劉志恩,等.S3越野車排氣系統(tǒng)改進設計.汽車NVH控制技術國際研討會論文集,2011.
2 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動.北京:北京理工大學出版社,2006.
3 侯獻軍,王天田,田翠翠,等.基于GT-Power的乘用車消聲器設計.北京理工大學學報,2010(2):161~165.
4 顏伏伍,楊倫,劉志恩,等.GT-Power軟件的微型車消聲器與改進.內燃機工程,2010,31(2):64~67.
5 D.Siano.Three-dimensional/one-dimensional numerical correlation study of a three-pass perforated tube.Simulation Modelling Practice and Theory,2011,19 (4):1143~1153.
6 葛蘊珊,張宏波,宋艷冗,等.改進車輛進排氣系統(tǒng)降低整車車外加速噪聲.汽車工程,2006(4):376~378.