整车排气系统对汽油机动力性的影响

整车排气系统对汽油机动力性的影响

左炜晨

安徽江淮汽车集团股份有限公司 安徽合肥 230601

摘要：由于整车排气系统引起的排气波动对内部EGR率和充气效率会产生影响进而影响动力性，因而有必要进一步研究整车排气系统中不同元件对排气波的作用大小及波动叠加效果。基于此，本文分析了整车排气系统对汽油机动力性的影响。

关键词：整车排气系统；汽油机；动力性；影响

往复活塞式内燃机换气过程产生的气体波动效应对发动机性能有重要影响。因而在详细设计及台架试验阶段需充分考虑进/排气波动效应对噪音、动力能和排放等方面的影响，并对其进行合理优化，以使其综合性能达到最优。

一、汽油机概述

汽油机是以汽油为燃料，将内能转化成动能的的发动机。由于汽油粘性小，蒸发快，可用汽油喷射系统将汽油喷入气缸，经压缩达到一定温度和压力后，用火花塞点燃，使气体膨胀做功。汽油机的特点是转速高、结构简单、质量轻、造价低廉、运转平稳、使用维修方便。

二、试验样机与设备

试验对象为一台自主研发的自然吸气直喷汽油机。试验台架搭载及传感器布置情况如图1a所示，整车排气系统和动态压力传感器的实物布置情况如图1b和图1c所示。

（a）试验台架系统

（b）进气压力传感器 （c）排气压力传感器

图1 台架试验系统及传感器布置

试验中使用A、B两套不同的排气系统，两套整车排气系统分别来自不同的适配车型，具有相似的最大流量，可在不增加总长度的前提下对A排气系统前级消声器位置进行移动。

三、试验方法

发动机分别搭载A、B排气系统在转速为1000～6500r/min进行全负荷工况台架试验。利用GT-suit软件仿真试验，得到更高计数频率的瞬时波动信号及充气效率、内部EGR率和气流瞬态速度等参数，减少测试系统的传感器数量，提高测量精度和灵敏度。

四、结果

1、A、B排气系统对比。在2000r/min附近，A排气系统相比B排气系统出现一个转矩凹坑，这不但会严重影响此转速区间的动力性，同时考虑到整车标定中需对转矩曲线进行平滑处理，此凹坑将会进一步降低1000～2000r/min的全负荷转矩约12%左右，对整车动力性产生较大影响。

另外，在1000～1600r/min和2600～4000r/min的转速区间，搭载A排气系统的缸内残余废气率低于B排气系统；在2000～2600r/min转速区间，A排气系统的残余废气率明显高于B排气系统；在大于4000r/min转速区间，二者值相当。A、B排气系统所对应的充气效率和动力性呈现与残余废气率相反的规律，说明分别搭载两套排气系统时因缸内残余废气率不同引起的充气效率不同是动力性差异的主要因素。

变更整车排气系统后，排气压力变化可能是影响残余废气率的主要因素。在转速为1000～6500r/min区间内，A、B排气系统的稳态排气背压基本相当，可知两套排气系统残余废气率的差异主要由排气的瞬态波动效应引起。

此外，排气波对发动机动力性的影响归因于排气波动对排气结束时缸内残余废气的影响，而残余废气量取决于排气门关闭时排气压力及进/排气门叠开区间排气道口压力、缸内压力和进气道口压力的大小。在排气门关闭时，缸内压力越高，残余废气量越大；在进/排气门叠开区间内，排气压力过大则有排气道口压力＞缸内压力＞进气道口压力，会导致废气从排气道侧流向进气道侧，阻滞进气，降低充气效率。另外，A排气系统的排气道口压力＞缸内压力＞进气道口压力，从而发生排气倒流；B排气系统中，相同区间三者压力大小相当，排气对进气的阻滞作用小。A、B排气系统在此区间的压力波差异导致了二者的充气效率不同，从而动力性差异明显。

另外，进/排气波动的高能量谐波成分集中在低频波段，相比排气波动，进气波动振幅小且较大振幅的谐波成分少。对比两套排气系统的进气波动振幅和相位可知，排气系统对进气波动的振幅影响小而对波动的相位影响大。排气波动有3个高峰值谐波成分，其振幅在8～9kPa，频率在70～250Hz。A、B排气系统中大于200Hz频段的谐波成分的振幅基本相同，200～400Hz频段的谐波成分相位相同，说明高频段的谐波成分基本未受整车排气系统影响，主要由发动机自身特性引起的排气波动决定。

2、排气波动谐波成分的反射源。为进一步分析各谐波成分的来源，利用反射排气波的周期特征进行分析。根据反射介质的差异，将通道的反射特性分为正、负、混合反射三种。其中，正反射定义为波由波疏介质传入波密介质而产生的反射；负反射定义为波由波密介质传入波疏介质而产生的反射；混合反射介于二者间。

在50Hz以下的低频区无谐振波峰出现，说明后级消声器的反射波对排气波动的影响小。一方面，此通道的固有频率与排气频率比小于1，在排气行程结束时后级消声器的反射波还未达到排气道口位置；另一方面，经上游较长管路的阻尼作用，返回排气道口的谐波成分振幅大幅减弱，对波动影响小。由于试验中使用相同的发动机排气系统，所以由发动机排气系统通道所反射的谐波成分(230～1000Hz)在试验中保持基本一致。由整车排气系统中前级消声器反射的谐波成分对应相应频段的峰值，当排气系统中前级消声器的位置、大小发生变化后，对应波峰振幅和相位发生变化。

3、前级消声器位置对动力性的影响。整车排气系统中对排气波影响较大的元件为前级消声器。针对A排气系统，对前级消声器的位置进行单变量优化以提升动力性。将消声器前移800、1000和1200mm，以及后移1000、1200mm都能实现在转速为2000～2500r/min区间的转矩提升，转矩提升幅度为6%～10%。但后移1000mm的排气系统在转速为1500r/min附近时转矩发生明显下降。

（a）瞬态压力波动 （b）频谱

图2 搭载A排气系统和R10的瞬态压力波动及频谱对比

图2为搭载A排气系统和R10的瞬态压力波动及频谱对比。图2a中，在气门叠开区R10的排气道口压力大于A排气系统的排气道口压力，且R10的排气道口压力大于其进气道口压力，而A排气系统排气道口压力小于其进气道口压力，二者的残余废气率存在较大差异。根据谐波分析结论，前级消声器产生的低频反射波对充气效率会产生影响，如图2b所示，主要差异集中在52.7Hz的谐波成分，与上述分析结果一致。将此谐波转化到以曲轴转角计量的时域中，可见R10的52.7Hz谐波在进/排气门叠开区和排气结束时刻处于正压的波密状态，而A排气系统排气道口的此谐波成分在相同角度区间处于负压的波疏状态，并且R10的52.7Hz谐波振幅大于A排气系统排气道口。相位和振幅差异导致在气门叠开区和排气结束时二者缸内的瞬态压力不同，从而使二者残余废气率不同，最终导致R10在此工况下的动力性大幅下降。

前级消声器产生的排气反射波集中在低频波段，对前级消声器产生的排气反射波处理成单一谐波成分，则其对动力性的影响取决于反射通道固有频率与排气频率的比值。当反射通道固有频率与排气频率比为1.0～1.3时，在进/排气门叠开区前级消声器反射波的波峰到达，充气效率下降；频率比为1.50～1.75及0.50～0.75时，在进/排气门叠开区前级消声器反射波的波谷到达，充气效率提升，转矩增大；随着反射级数的增大，反射波振幅减小，其对充气效率的影响也相应减小。从1500r/min全负荷的频率比和转矩关系可知，在频率比为2.0～4.0时转矩仅有4N·m的波动变化。在实际应用中，由于消声器上游排气系统其它元件的反射波相互干涉，前级消声器中的反射波具有多种谐波成分，针对特定工况，需通过频谱分析来确定前级消声器的影响程度。

综上所述，整车排气系统中影响全负荷动力性的谐波成分为低频段谐波成分、低频谐波的振幅和相位，三者差异导致残余废气率不同，进而影响充气效率。同时，前级消声器位置对低频谐波成分的相位和频率产生较大影响，从而对全负荷动力性，尤其是低速动力性产生较大影响。另外，通过频谱分析和台架试验对前级消声器位置进行优化，能消除2000r/min附近的转矩凹坑，实现转矩曲线的平顺性。

参考文献：

[1]郝志勇.发动机排气消声器传声特性的研究[J].内燃机学报，2015(03).

[2]苏方旭.整车排气系统对汽油机动力性的影响[J].内燃机学报，2018(06).