基于动力及整车架构的排气系统技术方案探讨

谢志清，林尚锦，梁文海

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

基于动力及整车架构的排气系统技术方案探讨

谢志清，林尚锦，梁文海

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

在整车上有多种发动机的布置形式，同时整车有多种驱动方案，不同的动力及整车架构下排气系统技术方案各不相同。就常用的动力及整车架构，总结其对应的排气系统布置方案差异及性能优、劣势；同时，通过即有的理论研究，阐述了消声器最优化的技术方案。研究对排气系统初始技术方案的制定及新工程师的快速入门提供了一定的参考。

发动机；整车；布置；驱动；排气系统

随着汽车保有量的持续增长，其对能源及环境的影响日益成为重点关注的对象。整车燃油经济性及NVH性能是汽车的两个重要性能指标，燃油经济性关系到汽车的使用成本及能源的消耗，NVH性能直接关系到用户的使用和乘坐舒适性，已经成为用户选车的关键影响因素。发动机是整车的核心部件之一，其对整车燃油经济性及NVH性能的的影响重大。排气系统作为动力总成的重要部件，其技术方案对发动机性能、整车燃油经济性及整车NVH性能都有着重要的影响，因此，关注排气系统开发对整车开发具有重要的意义。排气系统消声器分为阻性、抗性和阻抗复合型消声器，其消声频率存在差异[1]。排气系统的技术方案多种多样，但缺少一些规范的一般性规则，本文试图对排气系统开发前期的技术方案与动力及整车架构的关系进行归纳，总结其优缺点，为排气系统的开发提供参考。

1 发动机的排气装置

如图1所示，发动机的排气装置包括排气歧管、三元催化器、排气管及消声器等。一般以三元催化器为界，三元催化器前端为热端，三元催化器之后为冷端。其中热端排气歧管主要是将发动机各缸的排放废气汇集到三元催化器及排气管中，排气歧管性能影响着发动机的排气效率，进而影响进气及燃烧，因此对发动机性能影响很大；三元催化器主要起尾气净化的作用，发动机燃烧后的有毒废气（HC、CO及NO等）在三元催化器中的铂、钯和铑等贵金属催化下发生氧化/还原反应、产生水和二氧化碳等，从而达到净化的目的。消声器主要起消声的作用，从而降低噪声污染[2]。

图1 发动机排气装置

图1 所述排气系统热端与冷端是相对的，热端较冷端温度很高，但冷端的温度也并不低，在消声器筒体部位最高温度可达300~400℃，对众多热敏零件如油路、油箱、减震或油脂及密封件等需要重点关注热管理问题，因此排气系统布置需对热敏零件加以保护，确保一定的安全间隙，或是利用隔热装置加以保护。

排气系统的三元催化器与排气管可以焊接为一体，也可以分开作为两个单独的零件，消声器可以采用单级、两级甚至三级消声器，通常所说的排气系统包含三元催化器、排气管及消声器，其布置方案需要根据整车及发动机的具体架构及布置形式进行综合选择。

2 发动机布置形式及整车驱动方式

发动机是汽车上最重要的部分，其布置形式对于汽车的性能具有重大影响。对于乘用车，可以分为发动机前置、中置和后置三种。前置发动机是主流技术方案，中置和后置发动机只在少数的性能跑车上使用。对于一般的微型商用客车，一般采用中置发动机。发动机的布置形式还分为横置及纵置。横置发动机是指发动机轴线与车辆前进方向垂直，一般前驱的紧凑型轿车、大多数的中级轿车和少数高级轿车都采用了横置发动机的布置方式；纵置发动机是指发动机轴线与车辆前进方向平行，一般后驱车都采用纵置发动机。

驱动一般分为前轮驱动、后轮驱动及四轮驱动等，结合发动机的布置形式，因此整车有前置前驱（FF）、前置后驱（FR）、中置后驱（MR）、后置后驱（RR）及四驱（4WD）等，其中汽车上最为常用的就是前置前驱（FF）、前置后驱（FR）及中置后驱（MR），故针对以上三种架构进行排气系统布置方案的差异化归纳。

3 前置前驱架构排气系统技术方案

一般紧凑型轿车常采用前置前驱形式，发动机横置。对于横置发动机，其进气及排气在发动机舱的前、后两端，一般采用进气歧管靠后布置，排气歧管靠前的“前出后进”布置方式，即正置发动机。此外，横置发动机还有一种特殊的布置形式，即“反置发动机”，即将进气歧管与排气歧管的位置对调，变成“前进后出”。对于两种布置形式的横置发动机，其示意图见图2、图3.

图2 正置发动机

图3 反置发动机

对于正置发动机，排气歧管靠前，排气系统从车前端绕过前驱动轴到达驱动轴之后，其排气系统布置形式如图4所示。该型排气系统的三元催化器一般为独立的总成零件，连接在排气歧管之后及排气管之前，其在整车上的位置一般位于发动机舱前端及散热器之后，冷端排气系统连接三元催化器并延续到整车尾部，所以排气系统几乎与整车等长。由于排气系统较长，因此一般将其冷端分为三个总成，即排气管、前消声器及后消声器，如图4所示。

图4 前置前驱正置发动机架构排气系统技术方案

该架构排气系统优势与劣势分析如下：

优势：（1）消声性能好：由于该型消声器管路长度较长，且可以采用两级甚至更多级的消声器方案，因此其NVH性能优越；

（2）隔振性能好：如图4所示，波纹软管位于油底壳底部，位于排气系统最前端，其隔振性能较好。

劣势：（1）背压高。该型排气系统其排气管道过长且走向不顺畅，所带来的不利影响即背压值较高；

（2）波纹软管位置处于发动机底部，缺少必要的防护，在坏路行驶时易造成波纹软管的刮擦导致意外损坏。

对于反置发动机，由于进、排气歧管相对位置对调的“前进后出”方式，其排气系统布置方式如图5所示。该型排气系统其三元催化器可以作为独立的总成零件，也可以与排气歧管耦合布置在前消声器之前，其在整车上的位置一般位于发动机舱后端、前隔板区域。与图4所示的正置发动机排气系统相比，反置发动机排气系统一般从前驱动轴之后引出，因此其长度较短，其冷端排气系统一般分为前消声器与后消声器，如图5所示。

图5 前置前驱反置发动机架构排气系统技术方案

该架构排气系统优、劣势分析如下：

优势：（1）消声性能好：该型排气系统可采用两级甚至更多级的消声器方案，因此其NVH性能优越；

（2）排气背压较低：其管路布置较为平顺有利于降低排气背压；排气顺畅，效率提高，发动机功率输出更优。

劣势：（1）反置发动机排气系统三元催化器靠近乘员舱，为了降低高温辐射的不利影响，需采用多重隔热措施，成本上升；同时排气噪音易进入到乘员舱，对整车NVH性能有负面影响，噪声传递路径的屏蔽措施要求较高；

（2）波纹软管的位置相对靠后，其隔振性能略差；波纹软管的振动幅度相对较大，需重点关注耐疲劳性能。

4 中置后驱纵置发动机架构排气系统技术方案

中置后驱车型常见于一般的微型客车。对于该型车辆，其发动机中置，发动机位于驾驶员座椅底部，靠近前驱动轴。该型车辆发动机纵置，进气歧管及排气歧管分布于发动机两侧，排气系统连接在排气歧管之后延伸至车辆尾部，其一般技术方案如图6所示。

图6 中置后驱纵置发动机架构排气系统技术方案

对于中置后驱纵置发动机架构，其排气系统的连接起点位于前轴之后，长度较短。该型排气系统的三元催化器一般与波纹软管一同焊接在排气管上并连接于排气歧管之后，其在整车上的位置一般位于第一排及第二排座椅底部地板以下。该型排气系统的波纹软管若布置在三元催化器之前，一般采用承载式设计；若为了提高排放性能而将三元催化器前移，则波纹软管一般采用非承载式设计以提高隔振性能。该型排气系统可以采用波纹软管与球面连接两种方式，其组合形式可以为：单波纹软管形式、单波纹软管加单球面连接及双球面连接形式。球面连接形式成本略低，但隔振及气密性略差。

该架构排气系统优势和劣势分析如下：

优势：背压低：由于该型排气系统管路长度较短走向也较为顺畅，因此其背压值相对要低。

劣势：（1）隔振性能略差：该型排气系统由于布置空间限制，波纹软管一般较短，且位置靠后；若采用球面连接结构其隔振性能也较差；

（2）消声性能略差：由于整车架构限制，该型排气系统多为单消结构，因此其消声性能比前置前驱车型要差；若整车架构允许而采用了双消声器形式，则其消声性能将得到提升。

5 前置后驱纵置发动机架构排气系统技术方案

前置后驱是一种传统的驱动形式，多用于载货车辆，而乘用车领域在以五菱宏光为代表的紧凑型MPV车型上应用普遍。一般采用直列四缸发动机，其进、排气歧管分布于发动机的两侧；该型排气系统三元催化器一般与排气歧管耦合或作为独立总成零件。与中置后驱车型相比，其排气系统较为靠前；与前置前驱一般横置发动机相比，其排气系统略微靠后；与前置前驱反置发动机其排气系统出口前后位置相当，但三元催化器的高度降低，与前隔板的间隙加大，因此对其进行高温辐射的处理相对较为容易，成本也相对较低。图7显示的是该架构排气系统技术方案。

图7 前置后驱纵置发动机架构排气系统技术方案

该架构排气系统优、劣势分析如下：

优势：（1）消声性能好：有布置两级消声器的空间，利于提升其消声性能；

（2）排气背压较低：排气管路走向更顺畅，因此排气阻力小、效率高。

劣势：波纹软管的位置相对靠后，其隔振性能变差，波纹软管的振动幅度较大，需重点关注耐疲劳性能。

6 消声器位置的选择

消声器的位置对其消声量有很大的影响，如图8所示的简单排气系统，其消声特性近似式为式（1）：

IL≈20logkLS（1）

式（1）中：IL为插入损失（dB）；K=2πf/C为波长常数；f为频率；C为声速；s、S为管路、消声器横截面积；l1、l2为管长；L为消声器长，（设kL《π/2，S/s》1）.

≈

scoskl1，sinkl1

≈

图8 简单排气系统

由式（1）可以得出，消声器的消声能力与其容积及扩张比m（m=S/s）有极其重要的关系，而且由于cosKl1及cosKl2的存在，其消声特性还受到消声器安装位置的影响，图9显示的即是不同的主消位置其对排气系统消声量的影响[3]。

图9 消声器安装位置与消声能力

低转速范围内的低频噪声主要是由排气系统中通常出现第2~5波节上的空气柱共振引起的。如图10所示，在该案例中，当该排气系统选择长尾管方案时，消声器位于第2和第3波节声压波型的波峰附近，其消声性能较短尾管的排气系统方案得到很大的提升。在各个空气柱共振当中，第2和第3波节异常重要，这个位置能产生抑制噪声的最佳效果[4]。

图10消声器安装位置对消声性能的影响

图8 所示的是简单排气系统，根据林辉江教授的研究结果，消声器的安装位置推荐如下[5]：

最不利的位置为：

以上是一些即有的理论研究成果，在实际开发过程中，可以根据在以上理论成果的基础上，通过试验测试等手段确定最优化的排气系统技术方案。

7 结束语

排气系统开发周期较长，消声性能及背压损失为其两个主要性能指标，以上两项性能指标调校的优劣对整车燃油经济性、动力性及NVH特性都有着重要的影响。在即有的理论与实践基础上，合理地制定排气系统技术方案，优化性能调校，对提高开发效率和开发质量大有裨益。

[1]杨红伟，孙金凤，王艳，等.噪声控制新技术与消声器设计选用及质量检验标准规范实用手册[M].北京：北方工业出版社，2006：549-572.

[2]庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动-理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006：236-238.

[3]稻叶元宏，阿部荣一.降低排气系统噪声和阻力的技术措施[J].国外汽车，1986（6）：26-30.

[4]Motohiro Inaba等.汽车排气系统低噪声和低压力的控制技术[J].小型内燃机，1991（2）：54-56.

[5]林辉江.内燃机排气消声器主要参数的选择（二）[J].内燃机，2001（5）：3-5.

Exhaust System Technical Proposal Base on Engine and Vehicle Framework

XIE Zhi-qing，LIN Shang-jin，LIANG Wen-hai
（SAIC-GM-Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

There are kinds of engine layout style for vehicle，also series of drive mode exist for vehicle，different engine and vehicle framework leads to different layout proposal for exhaust system.The thesis is to sum up the difference and performance advantage or disadvantage of exhaust system for different exhaust layout proposal base on engine and vehicle framework.The optimized muffler position is also mentioned in the thesis which is based exist research achievement.It’s useful for exhaust system initial packaging study and gives guidance for the fresh exhaust engineer. Key words：engine；vehicle；layout；drive；exhaust system

TB535

A

1672-545X（2017）06-0061-04

2017-03-22

谢志清（1984-），男，江西樟树人，本科，工程师，主要从事汽车排气系统开发工作；林尚锦（1986-）男，广西桂平人，本科，助理工程师，主要从事汽车排气系统开发工作；梁文海（1990-），男，广西柳城人，本科，助理工程师，主要从事汽车排气系统开发工作。