劉法永

埃貝赫排氣技術(shù)（上海）有限公司亞太區(qū)技術(shù)研發(fā)中心 上海市 201807

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

隨著社會的快速發(fā)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(huán)境變化對汽車各系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)提出了更高的要求、更短的開發(fā)周期。不論是技術(shù)方面的發(fā)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(tǒng)開發(fā)提出了新的課題和挑戰(zhàn)。本文既是在這種背景下，為了更好的滿足客戶要求，適應(yīng)新形勢下的環(huán)境，著重研究了技術(shù)和市場兩方面的變化因素對排氣系統(tǒng)開發(fā)的不利影響和挑戰(zhàn)，這對排氣系統(tǒng)開發(fā)非常有必要。

1 排氣系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用環(huán)境變化概述

1.1 動力總成發(fā)展趨勢

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

二十年前，夏利的三缸發(fā)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(fā)動機逐漸被小排量四缸發(fā)動機取代。但是三缸發(fā)動機有其獨特的明顯優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在發(fā)動機燃油經(jīng)濟性和排放性能上，同時三缸發(fā)動機能大大縮小發(fā)動機尺寸，符合輕量化設(shè)計趨勢，為小型三缸發(fā)動機帶來了很好的實用性。以福特1.0T Ecoboost發(fā)動機為例，燃油經(jīng)濟性提升20%，二氧化碳排放降低15%，在節(jié)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(shù)的研發(fā)已進入到瓶頸期，于是缸內(nèi)直噴技術(shù)成為各大廠商的主攻方向。與電噴發(fā)動機相比，缸內(nèi)直噴發(fā)動機的噴油嘴在汽缸內(nèi)部，因此缸內(nèi)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(nèi)可以噴入足夠的燃油，可以設(shè)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(nèi)直噴技術(shù)也為環(huán)保做出了進一步貢獻，據(jù)測試表明，凱迪拉克SIDI系列發(fā)動機與以往同類發(fā)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(fā)動機應(yīng)用越來越廣，排氣系統(tǒng)作為與發(fā)動機息息相關(guān)的重要組成部分，也必須隨發(fā)動機技術(shù)要求不斷提高，適應(yīng)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(biāo)。在這種市場環(huán)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(fā)動機排氣系統(tǒng)對汽車振動噪聲性能非常重要，因而，各車企對排氣系統(tǒng)所設(shè)定的技術(shù)要求越來越高。

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

2 各因素變化具體分析

在當(dāng)前背景下，從技術(shù)方面和開發(fā)要求方面，導(dǎo)致排氣系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境、邊界數(shù)據(jù)發(fā)生了很大變化，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1 三缸發(fā)動機對排氣系統(tǒng)性能的挑戰(zhàn)

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

發(fā)動機運行時是將汽油燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能通過曲柄連桿機構(gòu)將活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)槔@曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。因而，發(fā)動機運行時其主要激勵是燃燒產(chǎn)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(gòu)等機械機構(gòu)運動時產(chǎn)生的不平衡激勵。根據(jù)三缸機的結(jié)構(gòu)特性，各曲軸間隔120度，沿汽缸方向運動的往復(fù)質(zhì)量系統(tǒng)慣性力之和平衡，而兩側(cè)汽缸往復(fù)運動系統(tǒng)慣性力產(chǎn)生的以第二缸中心為參考點的力矩之和不平衡。所以根據(jù)三缸發(fā)動機的振動特性，除了具有像四缸發(fā)動機繞曲軸方向的轉(zhuǎn)動之外，還具有獨特的繞曲軸中心線法線方向的轉(zhuǎn)動激勵，致使發(fā)動機對排氣系統(tǒng)的振動激勵更加復(fù)雜多變，如圖1所示：

同時，為了達到發(fā)動機的性能指標(biāo)，一般三缸發(fā)動機的工作強度非常大，具有燃燒力矩大、轉(zhuǎn)速波動大等特點，特別是在缸內(nèi)直噴、渦輪增壓等技術(shù)的應(yīng)用下，三缸發(fā)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(tǒng)來說，必然成為強烈的振動噪聲源。

當(dāng)然，為了解決三缸發(fā)動機振動激勵的特殊性，其他系統(tǒng)，特別是懸置系統(tǒng)也必須開發(fā)相應(yīng)的解決方案。目前，多數(shù)的發(fā)動機控制策略是根據(jù)整車相應(yīng)靈敏度，將發(fā)動機的不平衡激勵轉(zhuǎn)化為繞中間汽缸中心線的振動，即繞整車坐標(biāo)Z軸方向的振動。三缸機的懸置系統(tǒng)一方面為了解決不平衡力矩，只能增大懸置系統(tǒng)的阻尼來增大動力總成的阻尼比，從而抑制系統(tǒng)的共振響應(yīng)幅值，但不能過高，否則會影響懸置在發(fā)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)是與發(fā)動機直接相連的，所以對排氣系統(tǒng)的激勵還是要復(fù)雜的多，并且根據(jù)動力總成的不平衡控制策略，會表現(xiàn)出明顯不同的振動特性。這就導(dǎo)致排氣系統(tǒng)的開發(fā)必須面對不同的邊界數(shù)據(jù)。

具體來說，三缸發(fā)動機對排氣系統(tǒng)的不利影響具體表現(xiàn)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(fā)動機完全剛性連接，隨發(fā)動機一起振動，復(fù)雜的振動激勵對催化器的耐久設(shè)計是巨大考驗，在設(shè)計和驗證過程均要有足夠的重視，特別是在發(fā)動機共振耐久試驗中，要對各風(fēng)險點進行足夠的驗證。其次是排氣系統(tǒng)中的波紋管和橡膠吊塊等隔振元件，由于發(fā)動機復(fù)雜的振動激勵，隔振元件的開發(fā)邊界數(shù)據(jù)變得復(fù)雜，變相增加了隔振性能要求，這都是新的課題。最后，發(fā)動機排氣系統(tǒng)冷端的模態(tài)設(shè)計、吊掛位置和吊鉤設(shè)計也變得更加重要了，并且車企會提出更高更細致的技術(shù)要求，例如對排氣吊鉤的動剛度要求。歸根結(jié)底是因為發(fā)動機激勵對車內(nèi)振動噪聲性能影響的概率和程度都已提高，那排氣系統(tǒng)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(fā)都顯得更加重要，驗證過程中，正確客觀的評價排氣系統(tǒng)對車內(nèi)振動噪聲的貢獻量，并取得客戶的認(rèn)可將是至關(guān)重要的工作。

2.2 直噴發(fā)動機對排氣系統(tǒng)性能的挑戰(zhàn)

首先介紹下發(fā)動機對排氣噪聲源的影響因素，排氣噪聲是汽車發(fā)動機最主要的噪聲源之一，排氣噪聲一般比發(fā)動機整機噪聲高10-15 dB（A），發(fā)動機全負荷工作時，排氣開始時汽缸內(nèi)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(nèi)壓力比排氣管內(nèi)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(chǎn)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(nèi)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(nèi)壁的紊流噪聲。排氣基頻噪聲是最主要成分，頻率為：

影響發(fā)動機排氣噪聲的主要因素是：汽缸壓力、排氣門直徑、發(fā)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(fā)動機來說，影響排氣噪聲最大的因素是發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷。

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

圖2是筆者經(jīng)歷過的一個項目數(shù)據(jù)對比，用相同排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一個1.0排量的直噴增壓發(fā)動機與一個1.5排量的非直噴增壓發(fā)動機尾管噪聲曲線相當(dāng)，而且在大多數(shù)轉(zhuǎn)速上高于非直噴發(fā)動機，可見直噴發(fā)動機的排氣噪聲能量之大。

在結(jié)構(gòu)性噪聲方面，直噴發(fā)動機對消聲器開發(fā)同樣具有挑戰(zhàn)，發(fā)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(tài)。在當(dāng)前各主機廠倡導(dǎo)輕量化設(shè)計思想的背景下，消聲器殼體和隔板模態(tài)要達到800至1000Hz，難度可想而知。在結(jié)構(gòu)性噪聲開發(fā)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(jié)構(gòu)性共振噪聲根本不可能達標(biāo)。為此，消聲器隔板和殼體的尺寸控制、結(jié)構(gòu)強度、以及消聲器生產(chǎn)工藝必須嚴(yán)格把關(guān)。

2.3 電控標(biāo)定數(shù)據(jù)對排氣系統(tǒng)開發(fā)的影響分析

發(fā)動機電控標(biāo)定開發(fā)對排氣系統(tǒng)的影響可以分為兩個方面，一是技術(shù)方面，發(fā)動機電控標(biāo)定系統(tǒng)更新后，發(fā)動機噪聲源將會有所變化，勢必影響到排氣系統(tǒng)開發(fā)的邊界條件。根據(jù)某公司的研究案例，如下圖，紅藍曲線分別表示調(diào)整點火提前角前后的車內(nèi)噪聲曲線，根據(jù)結(jié)果，僅僅調(diào)整點火提前角，就可以改變車內(nèi)噪聲2 dB（A）以上，見圖3。

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

發(fā)動機電控標(biāo)定對排氣系統(tǒng)開發(fā)第二個方面的影響是開發(fā)流程方面，眾所周知，發(fā)動機電控系統(tǒng)開發(fā)周期長，變更頻繁，往往在整車開發(fā)的最后階段才鎖定最終版本數(shù)據(jù)，此時，若發(fā)現(xiàn)排氣系統(tǒng)性能變差，而開發(fā)周期將盡，將導(dǎo)致排氣系統(tǒng)供應(yīng)商陷入非常困難的境地。

根據(jù)以上兩個方面的影響，排氣系統(tǒng)的開發(fā)，特別是調(diào)音開發(fā)必須做出適當(dāng)調(diào)整，一是調(diào)音之前對各方面邊界數(shù)據(jù)需要細致確認(rèn)，根據(jù)目前經(jīng)驗，標(biāo)定數(shù)據(jù)至少在完成60%以上才可以作為調(diào)音輸入使用，否則極有可能將導(dǎo)致開發(fā)工作反復(fù)進行，導(dǎo)致極大浪費，這在直噴發(fā)動機項目中表現(xiàn)更加明顯。二是當(dāng)標(biāo)定最終完成之后，需對排氣系統(tǒng)性能進行再確認(rèn)，確保整車振動噪聲性能符合指標(biāo)。

2.4 懸置系統(tǒng)及其開發(fā)流程的影響

根據(jù)目前的經(jīng)驗，排氣系統(tǒng)模態(tài)設(shè)計時，排氣系統(tǒng)的一階Z向彎曲模態(tài)要避開發(fā)動機的點火激勵和動力總成的Z向平動、X向和Y向轉(zhuǎn)動剛體模態(tài)，否則很有可能引發(fā)共振，嚴(yán)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(tǒng)是動力總成剛體模態(tài)的直接決定因素，因此懸置系統(tǒng)就直接影響排氣系統(tǒng)模態(tài)設(shè)計目標(biāo)。并且，由前面論述可知，由于三缸發(fā)動機的振動特殊性、動力總成平衡策略復(fù)雜性、懸置系統(tǒng)匹配難度大大增加，這一系列問題導(dǎo)致發(fā)動機對排氣的振動激勵變得復(fù)雜、多變、不可預(yù)知，因此懸置系統(tǒng)，或者說動力總成剛體模態(tài)作為排氣系統(tǒng)設(shè)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(jīng)研究過發(fā)動機系統(tǒng)對排氣系統(tǒng)模態(tài)分析的影響，結(jié)論認(rèn)為發(fā)動機系統(tǒng)對排氣系統(tǒng)模態(tài)分析有重要作用，是正確分析排氣系統(tǒng)動力特性不可或缺的組成部分。反之，對排氣系統(tǒng)對發(fā)動機懸置系統(tǒng)開發(fā)的重要性也進行了論述分析，結(jié)果顯示，考慮排氣系統(tǒng)后，發(fā)動機懸置系統(tǒng)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(fā)動機懸置系統(tǒng)，影響顯著。當(dāng)然，筆者經(jīng)歷的一些項目試驗數(shù)據(jù)也側(cè)面說明這個結(jié)論，通過在整車布置狀態(tài)的模態(tài)試驗發(fā)現(xiàn)，懸置系統(tǒng)對排氣系統(tǒng)固有頻率波動敏感，在一些階次上，波動在5Hz左右。當(dāng)然在實際項目開發(fā)過程中，不可能通過改變懸置剛度來解決排氣系統(tǒng)的問題，但是排氣系統(tǒng)設(shè)計驗證時必須以階段凍結(jié)的懸置方案為邊界，并且當(dāng)發(fā)動機懸置系統(tǒng)在進行設(shè)計變更或優(yōu)化后，應(yīng)該驗證懸置對排氣系統(tǒng)動力性的影響，根據(jù)分析結(jié)果適當(dāng)調(diào)整排氣系統(tǒng)的組件參數(shù)，來適應(yīng)新的激勵環(huán)境，在三缸發(fā)動機項目中，尤其需要注意這一點。

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

3 總結(jié)與展望

汽車和發(fā)動機的結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，再加上新技術(shù)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(xiàn)實多多少少存在一些差距。但是，對于該領(lǐng)域的研究與實踐應(yīng)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(tǒng)開發(fā)應(yīng)用的環(huán)境和邊界數(shù)據(jù)變化展開了分析，并且結(jié)合著現(xiàn)實實際，簡要提出了幾點針對排氣消聲器系統(tǒng)的開發(fā)驗證的思路和方向，旨在提高消聲器的設(shè)計精度，縮短設(shè)計周期，對其他從業(yè)者的研究工作起到拋磚引玉的作用。

當(dāng)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(biāo)定參數(shù)對發(fā)動機排氣噪聲源的具體影響，隔振元件在三缸發(fā)動機動力總成中的具體開發(fā)，輕量化設(shè)計時采用薄壁材料后如何保證結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計經(jīng)驗等等。