根據(jù)噪聲測量法規(guī)ISO 362/R51.03的要求，2024年歐洲乘用車的通過噪聲限值將進(jìn)一步降低2.0 dB。通過噪聲主要受到排氣噪聲的影響，因此需要重點在排氣系統(tǒng)方面做進(jìn)一步的優(yōu)化工作。通常的方法是采用更大的消聲器或者提高排氣背壓。然而，日趨嚴(yán)格的CO2排放目標(biāo)，要求動力總成性能更加高效，結(jié)構(gòu)更加緊湊。為了優(yōu)化發(fā)動機(jī)聲學(xué)降噪的效果，同時降低排氣背壓，對主動緊湊型排氣系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了研究。主要對2輛應(yīng)用主動排氣系統(tǒng)的汽油車進(jìn)行研究，并將試驗結(jié)果與量產(chǎn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行了對比。第1輛汽油車除了優(yōu)化排氣系統(tǒng)外，其他設(shè)計未變更，其通過噪聲聲壓級由70.0 dB降低到68.0 dB。第2輛汽油車的排氣背壓降低了10 kPa以上，同時在基本相同的布置空間下尾管噪聲更低。

0 前言

運(yùn)輸行業(yè)不僅是城市噪聲和空氣污染的重要源頭之一，其CO2排放也是全球溫室氣體排放的重要組成部分。相比于其他交通運(yùn)輸，道路運(yùn)輸是溫室氣體排放的最大污染源，其排放總量近幾年仍在增加。因此，歐洲和其他地區(qū)都頒布并實施了嚴(yán)格的法規(guī)來減輕全球氣候變暖，以修復(fù)大氣平流層中的臭氧層。如果乘用車制造商的車隊平均CO2排放量超過限值，相關(guān)執(zhí)法部門將對其排放超標(biāo)部分進(jìn)行更為嚴(yán)厲的處罰。隨著汽車動力總成的電氣化程度越來越高，更多的電動汽車配裝了更大容量的電池。然而，車輛的CO2排放是極具爭議性的話題，尤其是要從“搖籃到墳?zāi)埂狈矫婵紤]所有的排放。一些科學(xué)研究表明，基于德國現(xiàn)在的發(fā)電組合，從CO2足跡考慮，現(xiàn)階段純電動汽車的CO2排放差于柴油車。

基于純電動汽車將會在未來全球乘用車運(yùn)輸中發(fā)揮重要作用的假定，Markit公司預(yù)測，到2030年，內(nèi)燃機(jī)汽車的總量仍會保持上升趨勢(圖1)。盡管純電動汽車增長較快，但未來內(nèi)燃機(jī)汽車仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。即使到2050年，大部分乘用車仍然由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動，但是會以電氣化發(fā)動機(jī)驅(qū)動的混合動力汽車為主。未來車輛和車隊不僅要滿足日趨嚴(yán)格的CO2排放限值，同時要滿足更有挑戰(zhàn)性的通過噪聲限值。眾所周知，通過噪聲測量法規(guī)ISO 362及其附件定義的車外附加噪聲法規(guī)(ASEP)要求大幅降低車輛的最大噪聲級。因此，消聲器總體積和排氣系統(tǒng)的復(fù)雜程度大大提高。在某些乘用車型中，電子廢氣閥門等主動降噪部件的應(yīng)用甚至成為了強(qiáng)制性要求。

圖1 IHS-Markit預(yù)測的輕型汽車全球銷量

1 乘用車排氣系統(tǒng)的主動消聲技術(shù)

作為排氣系統(tǒng)主動電子廢氣閥門技術(shù)的替代，埃貝赫(Ebersp?cher)公司開發(fā)了基于主動降噪(ANC)的主動消聲技術(shù)。這種技術(shù)對低頻噪聲，特別是內(nèi)燃機(jī)階次噪聲的降噪效率高，具有以下主要優(yōu)點：開發(fā)流程短、開發(fā)成本低、開發(fā)時間短;具有統(tǒng)一消聲器結(jié)構(gòu)，最大化沿用零部件，避免昂貴的工裝費(fèi)用;解決了因布置空間、噪聲和尾管的輕微變化就要變更消聲器的問題;排氣背壓低，可提高發(fā)動機(jī)性能;可以對發(fā)動機(jī)噪聲階次進(jìn)行軟件控制，可以做適應(yīng)性聲音設(shè)計、更容易實現(xiàn)聲音定制;在插電混動車型(PHEV)中可替代在電驅(qū)動期間產(chǎn)生噪聲的聲響警報系統(tǒng)(AVAS);可減少額外機(jī)械零部件數(shù)量，如隔熱板、排氣和車身側(cè)懸掛、隔振器;減輕了排氣系統(tǒng)的質(zhì)量，提高了行駛動力和燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖2示出了1種常見的采用主動消聲技術(shù)的布置型式，在后消聲器位置布置大功率的執(zhí)行器，執(zhí)行器通過接收運(yùn)行ANC算法的主動消聲控制單元(ASCU)發(fā)出的信號進(jìn)行控制。前部消聲器或者中部消聲器可以將氣流噪聲和發(fā)動機(jī)階次噪聲降低到一定水平，執(zhí)行器可以降低這些噪聲。主動消聲核心技術(shù)的重要優(yōu)點已經(jīng)為原始設(shè)備制造商(OEM)客戶所認(rèn)同，并已開發(fā)了不同樣件。根據(jù)每款樣件的研發(fā)側(cè)重點不同，其特點可以總結(jié)為以下3個方面。

圖2 主動消聲排氣系統(tǒng)的常見布置型式

(1)主動聲浪排氣系統(tǒng)。在該方案中，系統(tǒng)仍然通過傳統(tǒng)消聲器進(jìn)行必要的降噪，但執(zhí)行器提供必要的聲學(xué)加強(qiáng)以彰顯OEM品牌形象。2011年，奧迪A6車型首次采用該技術(shù)，隨后為市場所認(rèn)可。截至目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在7個汽車品牌的500 000輛汽車上量產(chǎn)使用，并由埃貝赫公司負(fù)責(zé)生產(chǎn)。

(2)主動緊湊型排氣系統(tǒng)。該方案的主要開發(fā)目標(biāo)是在后消聲器位置用執(zhí)行器替代體積大的消聲器，保證排氣背壓相同并達(dá)到相同或者更好的聲學(xué)效果。最新的展示樣車表明，布置所需的空間可以明顯縮小60%，主要零部件質(zhì)量減少10 kg。

(3)主動自由流動排氣系統(tǒng)。該方案采用主動降噪來簡化整個排氣系統(tǒng)，使氣流受到的限制最小，降低了排氣背壓。因此發(fā)動機(jī)性能得以優(yōu)化，降低了燃油消耗，從而減少了CO2排放。

2 主動緊湊型排氣系統(tǒng)在4缸汽油機(jī)上的應(yīng)用

在該方案中，研究人員選用了1輛配裝4缸汽油機(jī)，峰值功率為135 kW，符合歐六d temp排放的豪華車。整個排氣后處理系統(tǒng)未作變更。量產(chǎn)車?yán)涠税虚g小、后端稍大的消聲器，有2個尾管(圖3)。其中1個尾管帶有電子廢氣閥門，閥門在怠速和較低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速時關(guān)閉。整個消聲器體積加起來約42 L，整個冷端質(zhì)量約28 kg。中間消聲器包含了汽油顆粒捕集器(GPF)，大幅提高了冷端排氣背壓，在轉(zhuǎn)轂試驗臺上，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在6 000 r/min、全負(fù)荷工況時的排氣背壓增加了約21 kPa。這使車輛滿足了法規(guī)要求的通過噪聲限值，同時車輛的車內(nèi)噪聲品質(zhì)非常好。歐洲通過噪聲法規(guī)第2階段的A加權(quán)總噪聲限值是70.0 dB。

圖3 在4缸汽油乘用車上的傳統(tǒng)消聲器(a)和主動緊湊型排氣系統(tǒng)(b)

在這款車上，采用主動緊湊型排氣系統(tǒng)如圖3(b)所示，只包含增大體積的前消聲器和1個小諧振器及執(zhí)行器，總體積約32 L。值得注意的是，此排氣系統(tǒng)的布置空間較主動閥門排氣系統(tǒng)節(jié)省約20%。同時，與傳統(tǒng)的被動排氣系統(tǒng)相比，全新設(shè)計的主動排氣系統(tǒng)已經(jīng)將消聲器體積減少約20%。雖然采用傳統(tǒng)量產(chǎn)排氣系統(tǒng)的車輛的聲學(xué)性能已經(jīng)達(dá)到非常好的水平，但實際上這種設(shè)計的主要目的仍然是提高聲學(xué)特性。采用新方案可以降低通過噪聲，對于這種功率質(zhì)量比小于120 kW/t的車輛，歐洲法規(guī)第3階段的A加權(quán)總噪聲限值是68.0 dB。

表1 列出了2種排氣系統(tǒng)冷端的相關(guān)主要參數(shù)。可以看出，主動緊湊型排氣系統(tǒng)不僅體積小，而且比量產(chǎn)排氣系統(tǒng)輕4 kg。研究人員在轉(zhuǎn)轂底盤測功機(jī)上進(jìn)行全油門加速噪聲測量，麥克風(fēng)布置在車后中間位置，距離為1.8 m，高度為1.0 m。這樣布置的原因是單排氣尾管和雙排氣尾管的噪聲輻射對比相對明顯。圖4示出了聲學(xué)測量結(jié)果，因為二階噪聲是發(fā)動機(jī)的點火階次噪聲，研究人員取消了發(fā)動機(jī)其他階次的噪聲測量，只對最重要的發(fā)動機(jī)階次噪聲進(jìn)行了測量。發(fā)動機(jī)在低速時，量產(chǎn)排氣系統(tǒng)的主動閥門是關(guān)閉的，全部氣流只能通過1個小尾管排出，從而導(dǎo)致較低發(fā)動機(jī)階次的噪聲最為明顯，轉(zhuǎn)速達(dá)到約2 700 r/min時閥門開啟。此時氣流噪聲比較明顯。在此轉(zhuǎn)速下，ANC系統(tǒng)的A加權(quán)總聲壓級較量產(chǎn)排氣系統(tǒng)降低約4.0 dB，這與通過噪聲測量程序密切相關(guān)。這是因為發(fā)動機(jī)所有與階次相關(guān)的噪聲都得到了有效消除，并采用了比較大的單排氣尾管。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越高，氣流噪聲對總聲壓級的影響越大，量產(chǎn)排氣系統(tǒng)采用雙排氣尾管，有利于改善氣流噪聲。然而，略微增加的總聲壓級幾乎不影響車內(nèi)噪聲，這是因為較高車速時其為風(fēng)噪和滾動噪聲所覆蓋。配備ANC系統(tǒng)發(fā)動機(jī)的二階噪聲幾乎在整個發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都是最優(yōu)的，因此在座艙內(nèi)幾乎感受不到發(fā)動機(jī)的轟鳴聲。

表1 4缸2.0 L渦輪增壓汽油機(jī)的排氣冷端數(shù)據(jù)

圖4 4缸汽油機(jī)全負(fù)荷時尾管處測量的A加權(quán)總噪聲和發(fā)動機(jī)二階噪聲(尾管尺寸長度180 cm，高度100 cm)

由于轉(zhuǎn)轂試驗的測量結(jié)果非常好，研究人員對其進(jìn)行了分析，并將車輛運(yùn)往1家德國咨詢公司。該公司是德國官方授權(quán)的測量通過噪聲的公司。在這里，車輛的參數(shù)設(shè)置相同并采用量產(chǎn)輪胎，相關(guān)人員進(jìn)行了正式的通過噪聲測試。測量的通過噪聲聲壓級LUrban為67.7 dB，ASEP級噪聲聲壓級為69.3 dB。這意味著，該車型已經(jīng)達(dá)到了歐洲2024即將實施的通過噪聲聲壓級限值68.0 dB的要求。值得注意的是，此次達(dá)標(biāo)只是將排氣系統(tǒng)更換為主動排氣系統(tǒng)，車輛的其他零部件都未變更。

3 主動自由流動排氣系統(tǒng)的應(yīng)用

在第2種方案中，研究人員選用了另外1輛配裝4缸汽油機(jī)，峰值功率為135 kW，帶氮氧化物(NOx)存儲催化器的滿足歐五排放標(biāo)準(zhǔn)的豪華車，同時繼續(xù)沿用排氣后處理量產(chǎn)零部件。整個排氣系統(tǒng)的懸掛位置和離地間隙和量產(chǎn)系統(tǒng)保持相同。

與前一種方案不同的是，這個方案的聚焦點很明確，就是最大化降低排氣背壓來實現(xiàn)主動自由流動的方案。對可用布置空間進(jìn)行正常利用，主動排氣系統(tǒng)設(shè)計不會超出布置空間，在可能的情況下，要對尾管噪聲進(jìn)行優(yōu)化。實際上，這個目標(biāo)可以實現(xiàn)，中間消聲器采用沿用件，后消聲器用執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，以及隱藏尾管替代。圖5所示為主動排氣系統(tǒng)。表2列出了排氣系統(tǒng)相關(guān)的主要參數(shù)和部分試驗結(jié)果。值得注意的是，在質(zhì)量保持不變的情況下，排氣背壓、發(fā)動機(jī)二階噪聲和氣流噪聲的聲壓級明顯降低。

表2 4缸2.0 L渦輪增壓汽油機(jī)的排氣冷端數(shù)據(jù)

圖5 在4缸汽油乘用車上的傳統(tǒng)消聲器(a)和主動自由流動排氣系統(tǒng)(b)

如上文所述，研究人員在轉(zhuǎn)轂底盤測功機(jī)上進(jìn)行了全油門加速噪聲測量。麥克風(fēng)布置在車后中間位置，距離為1.0 m，高度為1.5 m。圖6示出了聲學(xué)測量結(jié)果。粗線代表總聲壓級，細(xì)線代表發(fā)動機(jī)二階噪聲。發(fā)動機(jī)低速時ANC系統(tǒng)的A加權(quán)總聲壓級與量產(chǎn)排氣系統(tǒng)相似，但是發(fā)動機(jī)高速時總聲壓級主要受氣流噪聲影響，可以看出ANC系統(tǒng)的降噪效果高達(dá)5.0 dB，通過CFD分析并增大管徑，降低了排氣管中的馬赫數(shù)，從而達(dá)到較好的降噪效果。ANC系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)二階噪聲在轉(zhuǎn)速4 000 r/min以下的低速時不明顯，聲學(xué)表現(xiàn)更加優(yōu)異。尤其是轉(zhuǎn)速2 500 r/min以下，主動降噪的效果非常明顯，噪聲聲壓級可以降低15.0 dB。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在4 000 r/min以上，主動降噪系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)二階噪聲聲壓級高于量產(chǎn)系統(tǒng)，但是總聲壓級和車內(nèi)噪聲降低。因此，采用主動排氣系統(tǒng)，排氣背壓降低10 kPa以上的重要目標(biāo)得以實現(xiàn)，同時轉(zhuǎn)速4 000 r/min以下的聲學(xué)舒適度也有所提升。

圖6 4缸汽油機(jī)全負(fù)荷時尾管處測量的A加權(quán)總噪聲和發(fā)動機(jī)二階噪聲(尾管尺寸長度180 cm，高度100 cm)

4 主動自由流動排氣系統(tǒng)的效果

為了評估排氣背壓顯著降低對發(fā)動機(jī)設(shè)計帶來的潛在效果，埃貝赫公司與FEV咨詢公司合作，通過多方面研究，評估了排氣背壓顯著降低對發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和設(shè)計參數(shù)的潛在影響。首先，研究人員用主動自由流動排氣系統(tǒng)的低排氣背壓代替現(xiàn)有量產(chǎn)排氣系統(tǒng)的排氣背壓，對高度增壓、升功率為100 kW的發(fā)動的邁譜圖進(jìn)行了研究。在此方案中，全油門時渦輪增壓器渦輪下游的排氣背壓降低8 kPa，泵氣損失也降低了;化學(xué)計量比升功率提高了3~85 kW;額定功率點的空燃比改善了0.04，為0.94;通過減少缸內(nèi)殘留氣體降低了爆燃傾向;通過膨脹到較低的壓力水平，降低了排氣溫度。

圖7示出了燃油消耗率(BSFC)的萬有特性燃油耗計算結(jié)果。全球統(tǒng)一輕型車試驗規(guī)程(WLTP)下的循環(huán)區(qū)域如圖7所示。在WLTP工況中，發(fā)動機(jī)基本上都運(yùn)行在相對較低負(fù)荷，因此低排氣背壓帶來的影響非常有限，只有約0.1%的影響。然而，在實際行駛工況中，發(fā)動機(jī)平均負(fù)荷相對較高，油耗降低約1%。在較高轉(zhuǎn)速的極端全負(fù)荷工況下，如德國高速公路上車速高達(dá)200 km/h或者拖車很重時，燃油耗可能降低約10%。

圖7 動力強(qiáng)勁的渦輪增壓汽油機(jī)采用主動自由流動排氣系統(tǒng)的節(jié)油效果

另外，考慮到成本收益比，研究人員將主動自由流動排氣系統(tǒng)帶來效果與其他可能和可用的發(fā)動機(jī)技術(shù)進(jìn)行了量化對比。主要技術(shù)有渦殼冷卻、電動助力增壓、兩級增壓、集成排氣歧管、耐高溫渦輪(1 050 ℃)、低壓冷卻廢氣再循環(huán)(EGR)，以及缸內(nèi)噴水技術(shù)。

研究人員對當(dāng)前市場上常見的1款化學(xué)計量比λ為1、升功率為65 kW的發(fā)動機(jī)進(jìn)行了對標(biāo)。圖8示出了相同化學(xué)計量比時采用這些技術(shù)帶來的估算增加成本與最大功率改善的對比。值得注意的是，單獨(dú)采用主動自由流動技術(shù)的成本和效果并不是最優(yōu)的，而與其他動力總成技術(shù)結(jié)合使用可以帶來更好的效果。

可以與主動自由流動技術(shù)相互結(jié)合使用的技術(shù)有集成排氣歧管、耐高溫渦輪和低壓冷卻EGR。這些技術(shù)組合的效果如圖8所示。采用第3種組合。發(fā)動機(jī)升功率可提高約45 kW，這甚至比采用噴水技術(shù)帶來的效果更好。

圖8 汽油機(jī)相同化學(xué)計量比時的功率提升與成本權(quán)衡

在不久的將來，混合動力汽車將會占據(jù)更高的市場份額。這是因為其燃油經(jīng)濟(jì)性好，同時能夠長續(xù)航行駛。通常，混合動力汽車的低端扭矩需求主要由電動機(jī)提供，而在高負(fù)荷工況下發(fā)動機(jī)進(jìn)行助力。如果不是完全在高負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速工況運(yùn)行，發(fā)動機(jī)通常在WLTP工況和實際行駛排放(RDE)工況運(yùn)行時更加容易提高燃油效率，燃油效率提高1%以上。另外，混合動力汽車可以采用更小和更輕的主動排氣系統(tǒng)，從而彌補(bǔ)大且重的電池包帶來的不利影響。

5 結(jié)語

在未來一段時間內(nèi)，乘用車的主要驅(qū)動源仍然是內(nèi)燃機(jī)。因此，需要對排氣系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，以滿足越來越低的CO2排放和噪聲控制要求。采用主動消聲技術(shù)，顧客的眾多不同需求都可以得到滿足。主動聲浪排氣系統(tǒng)可以發(fā)出舒適且有運(yùn)動感的聲音。主動緊湊型排氣系統(tǒng)體積小且質(zhì)量輕。主動自由流動排氣系統(tǒng)可以提高發(fā)動機(jī)性能，降低CO2排放。主動消聲技術(shù)通常在不同氣缸數(shù)的汽油機(jī)和柴油機(jī)上都可以應(yīng)用，可以根據(jù)顧客或項目需求輕松地應(yīng)用合適的排氣系統(tǒng)。受氣候變化的影響，歐洲和其他地區(qū)已實施更為嚴(yán)苛的CO2排放法規(guī)，對燃油經(jīng)濟(jì)性的要求顯著提升。主動消聲排氣系統(tǒng)，可以降低高負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速工況下的CO2排放,混合動力總成汽車將更多地得益于此技術(shù)。

原文標(biāo)題：干貨 | 采用主動排氣系統(tǒng)減少二氧化碳排放并符合未來的通過噪聲限值

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審核編輯：湯梓紅