根據噪聲測量法規ISO 362/R51.03的要求，2024年歐洲乘用車的通過噪聲限值將進一步降低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方面做進一步的優化工作。通常的方法是采用更大的消聲器或者提高排氣背壓。然而，日趨嚴格的CO2排放目標，要求動力總成性能更加高效，結構更加緊湊。為了優化發動機聲學降噪的效果，同時降低排氣背壓，對主動緊湊型排氣系統設計進行了研究。主要對2輛應用主動排氣系統的汽油車進行研究，并將試驗結果與量產排氣系統進行了對比。第1輛汽油車除了優化排氣系統外，其他設計未變更，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

運輸行業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。相比于其他交通運輸，道路運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，歐洲和其他地區都頒布并實施了嚴格的法規來減輕全球氣候變暖，以修復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，相關執法部門將對其排放超標部分進行更為嚴厲的處罰。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“搖籃到墳墓”方面考慮所有的排放。一些科學研究表明，基于德國現在的發電組合，從CO2足跡考慮，現階段純電動汽車的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輸中發揮重要作用的假定，Markit公司預測，到2030年，內燃機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，但未來內燃機汽車仍將占據主導地位。即使到2050年，大部分乘用車仍然由內燃機驅動，但是會以電氣化發動機驅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格的CO2排放限值，同時要滿足更有挑戰性的通過噪聲限值。眾所周知，通過噪聲測量法規ISO 362及其附件定義的車外附加噪聲法規(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的復雜程度大大提高。在某些乘用車型中，電子廢氣閥門等主動降噪部件的應用甚至成為了強制性要求。

圖1 IHS-Markit預測的輕型汽車全球銷量

1 乘用車排氣系統的主動消聲技術

作為排氣系統主動電子廢氣閥門技術的替代，埃貝赫(Ebersp?cher)公司開發了基于主動降噪(ANC)的主動消聲技術。這種技術對低頻噪聲，特別是內燃機階次噪聲的降噪效率高，具有以下主要優點：開發流程短、開發成本低、開發時間短;具有統一消聲器結構，最大化沿用零部件，避免昂貴的工裝費用;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，可提高發動機性能;可以對發動機噪聲階次進行軟件控制，可以做適應性聲音設計、更容易實現聲音定制;在插電混動車型(PHEV)中可替代在電驅動期間產生噪聲的聲響警報系統(AVAS);可減少額外機械零部件數量，如隔熱板、排氣和車身側懸掛、隔振器;減輕了排氣系統的質量，提高了行駛動力和燃油經濟性。

圖2示出了1種常見的采用主動消聲技術的布置型式，在后消聲器位置布置大功率的執行器，執行器通過接收運行ANC算法的主動消聲控制單元(ASCU)發出的信號進行控制。前部消聲器或者中部消聲器可以將氣流噪聲和發動機階次噪聲降低到一定水平，執行器可以降低這些噪聲。主動消聲核心技術的重要優點已經為原始設備制造商(OEM)客戶所認同，并已開發了不同樣件。根據每款樣件的研發側重點不同，其特點可以總結為以下3個方面。

圖2 主動消聲排氣系統的常見布置型式

(1)主動聲浪排氣系統。在該方案中，系統仍然通過傳統消聲器進行必要的降噪，但執行器提供必要的聲學加強以彰顯OEM品牌形象。2011年，奧迪A6車型首次采用該技術，隨后為市場所認可。截至目前，該系統已經在7個汽車品牌的500 000輛汽車上量產使用，并由埃貝赫公司負責生產。

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

(3)主動自由流動排氣系統。該方案采用主動降噪來簡化整個排氣系統，使氣流受到的限制最小，降低了排氣背壓。因此發動機性能得以優化，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在4缸汽油機上的應用

在該方案中，研究人員選用了1輛配裝4缸汽油機，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未作變更。量產車冷端包含中間小、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動機轉速時關閉。整個消聲器體積加起來約42 L，整個冷端質量約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，在轉轂試驗臺上，發動機轉速在6 000 r/min、全負荷工況時的排氣背壓增加了約21 kPa。這使車輛滿足了法規要求的通過噪聲限值，同時車輛的車內噪聲品質非常好。歐洲通過噪聲法規第2階段的A加權總噪聲限值是70.0 dB。

圖3 在4缸汽油乘用車上的傳統消聲器(a)和主動緊湊型排氣系統(b)

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

表1 列出了2種排氣系統冷端的相關主要參數。可以看出，主動緊湊型排氣系統不僅體積小，而且比量產排氣系統輕4 kg。研究人員在轉轂底盤測功機上進行全油門加速噪聲測量，麥克風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示出了聲學測量結果，因為二階噪聲是發動機的點火階次噪聲，研究人員取消了發動機其他階次的噪聲測量，只對最重要的發動機階次噪聲進行了測量。發動機在低速時，量產排氣系統的主動閥門是關閉的，全部氣流只能通過1個小尾管排出，從而導致較低發動機階次的噪聲最為明顯，轉速達到約2 700 r/min時閥門開啟。此時氣流噪聲比較明顯。在此轉速下，ANC系統的A加權總聲壓級較量產排氣系統降低約4.0 dB，這與通過噪聲測量程序密切相關。這是因為發動機所有與階次相關的噪聲都得到了有效消除，并采用了比較大的單排氣尾管。發動機轉速越高，氣流噪聲對總聲壓級的影響越大，量產排氣系統采用雙排氣尾管，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噪聲，這是因為較高車速時其為風噪和滾動噪聲所覆蓋。配備ANC系統發動機的二階噪聲幾乎在整個發動機轉速范圍內都是最優的，因此在座艙內幾乎感受不到發動機的轟鳴聲。

表1 4缸2.0 L渦輪增壓汽油機的排氣冷端數據

圖4 4缸汽油機全負荷時尾管處測量的A加權總噪聲和發動機二階噪聲(尾管尺寸長度180 cm，高度100 cm)

由于轉轂試驗的測量結果非常好，研究人員對其進行了分析，并將車輛運往1家德國咨詢公司。該公司是德國官方授權的測量通過噪聲的公司。在這里，車輛的參數設置相同并采用量產輪胎，相關人員進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，該車型已經達到了歐洲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，此次達標只是將排氣系統更換為主動排氣系統，車輛的其他零部件都未變更。

3 主動自由流動排氣系統的應用

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，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準的豪華車，同時繼續沿用排氣后處理量產零部件。整個排氣系統的懸掛位置和離地間隙和量產系統保持相同。

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主動自由流動的方案。對可用布置空間進行正常利用，主動排氣系統設計不會超出布置空間，在可能的情況下，要對尾管噪聲進行優化。實際上，這個目標可以實現，中間消聲器采用沿用件，后消聲器用執行器結構，以及隱藏尾管替代。圖5所示為主動排氣系統。表2列出了排氣系統相關的主要參數和部分試驗結果。值得注意的是，在質量保持不變的情況下，排氣背壓、發動機二階噪聲和氣流噪聲的聲壓級明顯降低。

表2 4缸2.0 L渦輪增壓汽油機的排氣冷端數據

圖5 在4缸汽油乘用車上的傳統消聲器(a)和主動自由流動排氣系統(b)

如上文所述，研究人員在轉轂底盤測功機上進行了全油門加速噪聲測量。麥克風布置在車后中間位置，距離為1.0 m，高度為1.5 m。圖6示出了聲學測量結果。粗線代表總聲壓級，細線代表發動機二階噪聲。發動機低速時ANC系統的A加權總聲壓級與量產排氣系統相似，但是發動機高速時總聲壓級主要受氣流噪聲影響，可以看出ANC系統的降噪效果高達5.0 dB，通過CFD分析并增大管徑，降低了排氣管中的馬赫數，從而達到較好的降噪效果。ANC系統的發動機二階噪聲在轉速4 000 r/min以下的低速時不明顯，聲學表現更加優異。尤其是轉速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。發動機轉速在4 000 r/min以上，主動降噪系統的發動機二階噪聲聲壓級高于量產系統，但是總聲壓級和車內噪聲降低。因此，采用主動排氣系統，排氣背壓降低10 kPa以上的重要目標得以實現，同時轉速4 000 r/min以下的聲學舒適度也有所提升。

圖6 4缸汽油機全負荷時尾管處測量的A加權總噪聲和發動機二階噪聲(尾管尺寸長度180 cm，高度100 cm)

4 主動自由流動排氣系統的效果

為了評估排氣背壓顯著降低對發動機設計帶來的潛在效果，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動機燃油經濟性和設計參數的潛在影響。首先，研究人員用主動自由流動排氣系統的低排氣背壓代替現有量產排氣系統的排氣背壓，對高度增壓、升功率為100 kW的發動的邁譜圖進行了研究。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果。全球統一輕型車試驗規程(WLTP)下的循環區域如圖7所示。在WLTP工況中，發動機基本上都運行在相對較低負荷，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，發動機平均負荷相對較高，油耗降低約1%。在較高轉速的極端全負荷工況下，如德國高速公路上車速高達200 km/h或者拖車很重時，燃油耗可能降低約10%。

圖7 動力強勁的渦輪增壓汽油機采用主動自由流動排氣系統的節油效果

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帶來效果與其他可能和可用的發動機技術進行了量化對比。主要技術有渦殼冷卻、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(EGR)，以及缸內噴水技術。

研究人員對當前市場上常見的1款化學計量比λ為1、升功率為65 kW的發動機進行了對標。圖8示出了相同化學計量比時采用這些技術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，單獨采用主動自由流動技術的成本和效果并不是最優的，而與其他動力總成技術結合使用可以帶來更好的效果。

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

圖8 汽油機相同化學計量比時的功率提升與成本權衡

在不久的將來，混合動力汽車將會占據更高的市場份額。這是因為其燃油經濟性好，同時能夠長續航行駛。通常，混合動力汽車的低端扭矩需求主要由電動機提供，而在高負荷工況下發動機進行助力。如果不是完全在高負荷和高轉速工況運行，發動機通常在WLTP工況和實際行駛排放(RDE)工況運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，從而彌補大且重的電池包帶來的不利影響。

5 結語

在未來一段時間內，乘用車的主要驅動源仍然是內燃機。因此，需要對排氣系統進行創新設計，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，顧客的眾多不同需求都可以得到滿足。主動聲浪排氣系統可以發出舒適且有運動感的聲音。主動緊湊型排氣系統體積小且質量輕。主動自由流動排氣系統可以提高發動機性能，降低CO2排放。主動消聲技術通常在不同氣缸數的汽油機和柴油機上都可以應用，可以根據顧客或項目需求輕松地應用合適的排氣系統。受氣候變化的影響，歐洲和其他地區已實施更為嚴苛的CO2排放法規，對燃油經濟性的要求顯著提升。主動消聲排氣系統，可以降低高負荷和高轉速工況下的CO2排放,混合動力總成汽車將更多地得益于此技術。

原文標題：干貨 | 采用主動排氣系統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