摘要：发动机被公认为汽车的心脏，随着法规及人类环境意识的增强，针对发动机排放提出的要求也越来越高。排气系统对降低排气损失、保证发动机良好的性能、合理控制及减少污染物排放、发动机排气噪声控制都起到了关键性作用。因此排气系统匹配对整车来说至关重要，本文研讨了整车排气系统的基本匹配方法，为以后其它产品的开发提供了参考。
关键词：排气系统；匹配；污染物；噪声
中图分类号：U464 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2011）03-0041-06
The Vehicle Exhaust System Matching Discussions
LIU Tian-wu，LIU Cong-cong
（Commercial Vehicle Research Institute of JAC，Hefei 230601，China）
Abstract:The engine was recognized as the vehicle’s heart.As engine emission regulations and human environment consciousness enhanced，the engine emission has a higher request.Exhaust system can reduce the loss of energy.To be sure the engine has a good performance,and control engine exhaust noise.So vehicle exhaust system matching is important.This paper discussed the basic methods of the vehicle exhaust system matching andit provided reference for other product development.
Key words：exhaust systems；match；pollutants；noise
排气系统的作用是在保证发动机最佳性能的同时，把所有排气安全地运离发动机并安静地排到大气中去，所以一个好的排气系统在以下几个方面要充分考虑并达到设计要求：
（1）尽量减少排气背压所带来的发动机能量损失，发动机会因为排气系统的排气阻力过大而产生部分能量损失，这样就直接造成整车的动力性与经济性的衰减；
（2）污染物排放要得到严格控制。目前，全国各地国Ⅲ、国Ⅳ等排放法规的逐步实施，说明人类对保护环境的意识有了进一步的提升，从发展方向看，汽车的污染物排放控制只能是越来越严格。所以在排气系统设计时一定要充分考虑针对不同市场的污染物排放法规限值，确保满足法规要求；
（3）要控制好排气噪声。目前，针对不同车型均有不同的整车噪声限值，排气系统是整车噪声中的一个重要噪声源，所以在设计时一定要保证排气系统的消声效果满足要求。
除以上指标，排气系统还应尽量多的考虑振动及成本等方面的要求。
1 整车排气系统匹配开发的基本流程
根据营销公司提出的国内及国际市场上的整车需求报告和总布置提供的整车及发动机的相关信息和参数作为输入。根据整车的开发计划来编制排气分组的工作及开发计划,按计划逐步地进行排气分组理论匹配计算、整体方案设计、三维设计及布置检查等一系列工作，直到技术文件下发并经试制、试验验证后指导量产，具体流程见图1。
2 拟开发车型的排气系统理论计算
根据图1整车排气系统匹配开发的流程，在得到开发指令及总布置的设计输入后，排气分组设计工程师将开始对开发车型的排气系统进行理论计算。计算的第一步就是要了解开发车型所搭载发动机的相关参数，为计算做好准备，具体参数见表1。
2.1 确定消声器的消声量
首先确定消声器降低排气噪声的目标值，即由发动机排气噪声大小、频谱特性和消声器所匹配车辆的噪声标准限值来决定消声器消声量的大小。根据整车噪声限值来计算消声器出口噪声限值。假设声源特性属线性声源，可以计算出声音衰减量L：
式中，S1为消声器出口处噪声限值点到声源点距离；S2为整车噪声限值测点到声源点距离。
2.2 消声器出气口气流速度的计算
当气流速度超过一定限值，气流所产生的再生噪声将大大减小消声量。一般控制气流速度的原则是，消声器出口管径应尽量大于进气管直径或与进气管直径一致，不允许过小，否则会使排气背压增高，发动机功率损失增大；还会因排气流速增大而激发噪声。气流速度的计算公式如下：
式中，V为气流速度，m/s；M为排气流量，m3/s；D为排气口直径，mm。
2.3 消声器容积的计算
根据美国Nelson消声器公司推荐的消声器容积计算公式进行计算：
式中，C为消声器容积；n为发动机转速，r/min；i为缸数；τ为冲程数；Vst为发动机排量；Q为修正系数，可取2~6，消声器要求越高，Q值越大。
2.4 消声器扩张比的计算
消声器扩张比一般取12~15，计算公式如下：
式中，R1为消声器半径；R2为排气管半径。
2.5 借助计算软件辅助计算
辅助计算软件可以计算出消声器的排量、容积及安装位置。计算流程如图2所示。
3 消声器的消声量评价
现代汽车技术中消声器结构主要有抗性、阻性和阻抗复合性三种，小型轿车多采用阻性和阻抗复合性消声器，大多数商用车采用抗性消声器。
3.1 传声损失计算方法
传声损失TL也称为传透损失或透射损失，其定义为消声器进口端的入射声功率和出口端的声功率的比值的常用对数乘以10，即为消声器进口端的声功率级和消声器出口端的声功率级之差值，其数学表达式为：
TL＝10 lg（W1/W2)＝LW1－LW2 （5）
式中，W1、W2分别是消声器进口端、出口端的声功率；W；LW1、LW2分别是消声器进口端、出口端的声功率级，dB（A）。
通常所称的消声量一般指传声损失。在消声器进口端与出口端的通道截面相同时，声压沿截面近似均匀分布，这时传声损失等于消声器进口端面测得的声压级与出口端面测得的声压级之差。其关系式如下：
TL＝LP1－LP2 （6）
式中，LP1、LP2分别是消声器进口端、出口端的声压级，dB（A）。
3.2 传声损失的测试方法
测试系统如图3所示。信号发生器产生一定频率的电压信号，信号经过功率放大器输送给扬声器，扬声器产生相应频率的声波在测试管中传播。传声器1及测量放大器1测得某消声器入口处的声压值，传声器2及测量放大器2测得某消声器出口处的声压值，两者之差就是消声器的传声损失。
测试系统
某消声器的传声损失数据见表2。
3.3 软件仿真分析法
利用GT-POWER软件对拟开发车型消声器进行仿真分析，分析流程如图4所示。
(c) 第三步：GT-POWER传递损失分析结果
图4 GT-POWER软件仿真分析流程
发动机通过排气管排出的噪声包括基频噪声、气柱共振噪声、喷注噪声、紊流噪声、涡流噪声和亥姆霍兹共振噪声等。如果不对排气噪声加以控制，则可能成为发动机中最主要的噪声。消声器成为发动机降噪的有效手段，消声器的研究和设计手段随着发动机的应用不断发展。一个好的消声器，在其工作气流速度、内部温度以及较宽的噪声频率内应有较大的插入损失和较小的压力损失。同时，消声器的体积要适当，结构要简单合理，要适合整机的装配。
发动机排气消声器是一种较为复杂的声学元件，既要消声量大，又要排气阻力小、能耗低。利用正交实验的方法，得出各主要结构参数对消声器性能的影响程度，对原消声器进行改进，并提高消声器消声性能，是优化消声器的一种有效的方法。
4 排气压力损失的评价与控制
发动机会因为排气系统的排气阻力过大而产生部分能量损失，这样就直接造成整车的动力性与经济性的衰减。所以，设计排气系统时，需要在满足消声级污染物的前提下尽量减小排气能量的损失。
4.1 排气压力试验
4.1.1 试验条件
在满足通用试验条件的基础上还需满足以下试验条件：
（1）样车按照磨合规范完成了2 500 km磨合， 保养完毕，且车况良好；
（2）排气系统零部件厂家、型号、主要性能和尺寸参数无误；
（3）达到发动机排气背压的技术要求；
（4）试验路面应为干燥、平整的混凝土或具有相同附着系数的其他路面，路面上不允许有松散的杂物；
（5）试验时气温应≤40℃，风速≤3 m/s，并在无雨无雾的天气下进行；
（6）试验仪器设备须经计量检定，在有效期内使用，并在使用前进行调整，确保功能正常。
如果天气情况不满足要求，或通过其它途径已能明确判断排气系统工作状态不正常时，应停止试验。
4.1.2 试验内容
试验内容共有两项，即次高挡额定转速与最高挡额定转速的进排气压力及温度试验。试验操作如下：
（1）试验前以中速行驶10 km对整车进行预热；
（2）然后加速至试验挡位的额定转速并保持稳定状态；
（3）若全油门稳定后，发动机转速低于额定转速，则减轻载荷，使之能稳定在额定转速状态；
（4）若全油门稳定后，发动机稳定转速高于发动机额定转速，则进行两种状态的测量：全油门稳定状态和额定转速稳定状态。
（5）取额定转速时的数据作为试验结果，超过额定转速时的数据作为参考。
4.1.3 试验记录
试验前拍下各传感器所在位置。在预热完成后，开始记录全过程的试验数据，如表3所示。
4.2 消声器压力损失的计算
消声器结构比较复杂，其内部的声波本质上是三维的，所以一维理论便不再适用，应采用更加精确的二维或三维理论来进行分析。有限元分析方法是根据变分原则求解数学物理问题的一种数值方法。计算声学和计算流体力学主要是采用有限元法和边界元法对模型进行离散，同时对波动方程及结构运动方程求解来实现的。
假定流体是理想的声学介质，且满足如下条件：
（1）流体是均匀、可压的，但只允许压力与平均压力有较小的变化；
（2）声波动过程是绝热的；
（3）流体是非流动且非粘的；
（4）流体平均密度和平均压力不变，压力求解偏离平均压力而不是绝对压力。
根据波动理论，波动方程为：
式中，c为流体介质中的声速；?滓为拉氏算符；
瞬态声压P可由方程式（8）求得：
利用计算流体软件Fluent，对所设计的消声器进行了仿真计算，求出消声器的压力损失，并对压力损失超过设计要求的消声器进行了改进，并用Sysnoise软件对消声器的插入损失进行了计算。利用Ansys 软件对消声器声场进行了有限元分析，通过对消声器进行计算分析，得到消声器内部的声压分布情况和传递损失随频率的变化情况，为消声器的优化设计提供了依据。
5 排气后处理研讨
随着排放法规的日益严格，仅仅依靠发动机自身控制排气污染物已经无法满足法规要求，所以在排气系统中通过增加后处理装置以处理排气污染物。排气污染物主要成分为CO、HC、NOx（氮氧化合物）和PM（颗粒物）等，其中颗粒物成分有分为soot（碳颗粒），VOF（挥发性有机物），Sulfates （硫酸盐）等。
后处理的主要结构形式有以下几种：
（1）DOC (Diesel Oxidation Catalyst)柴油氧化催化器。其基本结构形式如图5所示。
DOC柴油氧化催化器载体一般使用陶瓷或者金属，在载体上镀上Pt或者Pt/Pd，以催化排气污染物中的CO、HC等。催化原理如下。
DOC主要应用在国Ⅲ排放要求的3.5 t以下车型中，一般只要应用DOC即可满足排放要求。
（2）DPF（Diesel Particulate Filter）颗粒捕捉器。
其原理是排气通过时微粒经过扩散、截流、惯性碰撞和重力沉降等原理被过滤体捕集。随着工作时间的增加，过滤体内堆积的微粒增多，发动机的背压上升，会影响柴油机的正常工作，须用燃烧等方法将这些微粒除去，即过滤体的再生。DPF的关键技术是过滤材料及其再生的选择和研究。
DPF主要应用在国Ⅳ排放及更高水平排放要求的车型上，一般与EGR、DOC配合使用，来使车辆达到排放要求。
（3）SCR(Selective Catalytic Reduction)选择性还原技术。SCR主要处理排气尾气中的NOx，其原理示意图见图6。
SCR系统主要应用在国Ⅳ以后排放的车型上。
（4）POC（Particulate Oxidation Catalyst）颗粒催化器。POC技术是最近几年新兴的技术，主要用来处理颗粒物中的soot和VOF等，其结构形式与DOC基本相同，主要的区别在于催化剂的选择上，POC的催化过程如下。
soot ＰＯＣＣＯ２
ＶＯＦ Ｈ２Ｏ
POC主要应用在国Ⅳ排放要求的车型上，一般需要与DOC、EGR等配合使用。
6总结
整车排气系统在保证排气背压、噪声、污染物排放达到设计要求的基础上，要合理选择排气管管径，避免弯管半径过小而造成的排气阻力过大；并合理选择及设计排气系统橡胶吊挂刚度，避免在整车行驶过程中排气系统振动过大。考虑整车成本，根据车辆的品质定位不同，还需合理设计排气系统。
参考文献：
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［2］ 陈家瑞.汽车构造［M］.北京：机械工业出版社.2005.
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