积少成多丰田凯美瑞/亚洲龙25L发动机超深度开拓解密下

[积少成多]丰田凯美瑞/亚洲龙2.5L发动机超深度开拓解密中

10 排气系统（核心内容）

10.1 概述

积少成多丰田凯美瑞/亚洲龙25L发动机超深度开拓解密下汽车知识

为了知足日益严苛的北美Sulev30、欧洲Euro6、国6等法规，对催化剂温度进行精确掌握变得越来越主要。
催化器的支配要考虑到冷启动的快速起燃性能和高负荷的热老化性能。
然而，这两个哀求是抵牾的。
因此，该系列发动机重新设计了气缸盖中的排气口布局、催化剂的比表面积和催化器的位置，以同时知足这两个目标。

此外，不仅须要通过降落排气背压和减少排气管长度来提高性能，而且还须要尽可能在靠近发动机的位置支配辅催化器（UF），因此确保催化器支配的自由度非常主要。
为了实现上述哀求，采取了后置排气系统，即催化器的支配在发动机舱后端，如图46所示。

PS：一样平常催化器温度较高，支配在前端有利于在高负荷下利用风冷进行冷却，提高主催化器的抗老化性能，但该支配下发动机排气流经辅催化器的韶光较长，辅催化器温度较低，净化效率偏低。

图46 排气系统支配图

此外，还实现了双A/F传感器掌握系统（估计是环球创始）。
该系统在主催化剂前后有两个A/F传感器，并且依赖极高的掌握精度，对气体身分进行精确掌握，对催化器的状态也能够较好的把握，提高催化剂的性能。
该系统的运用使催化剂的粒径变小，降落了贵金属含量，具有良好的环境性能。

PS：现在国六车型每每依赖堆贵金属含量来提高净化效率，比如国5用2g/L，国6用4g/L。
贵金属1g大概500元到4000元，本钱很高。
丰田却依赖双A/F传感器提高掌握精度来知足排放，大家做技能对标时可以把凯美瑞的催化器拿去剖析，相信会有所收成！

10.2 排气冷却系统（气缸盖）

为了担保气缸盖的散热能力，通过设计优化，实现了排气门间的横向流动，水套截面积也减少20%，提高了换热系数，从而降落排气门之间的温度约10°C。
并减少沿程压力丢失和流量丢失。
图47显示了气缸盖的排气门和水套布局。
采取了上水套和下水套设计，扩大了排气门换热的表面积，实现了于传统发动机比较靠近2倍的换热效率。
其余，通过电子水泵掌握发动机预热过程中的冷却液流量，减少冷启动阶段不必要的热丢失；在高负荷下又加大冷却液流量，提高换热效率，从而可以在广泛的工况区间内实现理论空燃比的燃烧，不须要借助多喷油来降落废气温度。
如图48所示，在担保催化器不发生热老化的条件下，理论空燃比的区间扩大了，从而节约了油耗。

图47 气缸盖排气门和水套布局

图48 全工况下空燃比范围

10.3 排气歧管设计

图49显示了排气歧管的支配图。
如前所述，出于对性能方面的考虑（降落排气背压），排气歧管从前端移到后侧。
此外，采取4-1排气歧管布局，通过优化气门正时（改变气门重叠角）和提高歧管长度，提高了扫气率，缓解了爆震，改进了性能。
此外，研究了每个气缸的气流分配对传感器的影响，让传感器对每个气缸的适应性保持同等，改进了传感器的相应精度，减少了掌握模型的标定压力，有助于降落催化剂中的贵金属含量。

图49 排气歧管支配图

通过对排气歧管长度和排气表面积的优化，不仅可以得到较高的扭矩性能，而且可以通过更快预热得到较佳的尾气净化性能。
通过对歧管波折的最小化，担保气飘泊布的均一性，并降落生产制造难度。

PS：排气歧管越长，燃烧室受到周围气缸的影响越弱，从而对燃烧稳定性和爆震抑制有利，但是，排气歧管越长，废气流经的金属表面积越大，热丢失越高，在冷启动下无法让催化器快速达到活性温度。
这里存在一个平衡。
马自达4-2-1排气歧管为了担保发动机性能捐躯了冷启动下的排放性；本田排气歧管非常短，冷启动下噪音和排放较低，发动机极限性能下的热效率不高。

10.4 催化器设计（曾经绝密）

目前天下范围内对节能减排的哀求很高，对尾气的净化紧张依赖催化器的设计。
在国5排放的根本上，将贵金属量增加1倍乃至2倍以知足排放法规，贵金属价格在250元/g旁边，增加3g便是750元，对主机厂的压力很大。
以是必须要通过对催化器构造以及涂层进行优化。

图50 催化器涂层微不雅观图

如图50所示为催化器涂层微不雅观图，一样平常优化设计的重点为两个，一个是孔状构造设计，一个是贵金属种类和涂层设计。
丰田A25A发动机采取的涂层优化方案如图51所示。

图51 涂层配方优化

理论上涂层分为基材与活性贵金属，实际上不同贵金属的涂敷办法有很大不同。
这里展开来说，如图52所示，催化剂涂层分为高下两层，上次材质厚度须要设计，厚了摧残浪费蹂躏，薄了净化能力不敷；在Rh层加入少量CeO2，提高NOx的净化能力@加速工况；下层在催化器最前端加入i-A&W分外配方，能够快速吸热，让催化剂达到活性温度，提高冷启动下净化效率；下层材质中添加一些AL2O3材料，可以防止催化器劣化，并且抑制硫化物中毒@OBD法规；下层材质也添加一些BaSO4，可以防止HC中毒@OBD法规；在上层和下层中间加入一下造孔材质，增加孔隙率，提高净化能力@加速工况；基材厚度一方面担保整体刚度，一方面也要薄一些降落无效吸热量@冷启动。

图52 催化剂设计事理图

传统的催化器载体为固定规格的零件，有规定的尺寸和目数（蜂窝数量），但是气体流动时中间流速高，两边流速低，造成催化器效率无法最优化。
丰田和供应商互助，专门开拓出一款载体，外围400目，内围600目，根据不同的沿程阻力实现气飘泊布的均一性，从而提高整理净化效率。

图53 催化器载体布局设计

10.5 催化剂预热设计

提高催化器能力是一个方面，降落发动机原始排放也是很主要的一个环节。
尤其对付冷启动来说，催化剂预热过程中排放抑制非常具有寻衅。
丰田研究了冷启动时投入至催化器的热量和尾气污染物量的关系，如图54所示。
横轴为投入催化器热量，纵轴为尾气污染物，一样平常投入催化器的热量越多，催化器温度上升越快，达到活性温度的韶光就越快，但是投入热量多的条件是尾气多，其排放量也会较多，因此须要对其进行平衡。

图54 投入催化器热量和尾气污染物量的关系图

另一方面，对付冷启动下颗粒数（PN）的降落也是一个难点，此处降落燃料壁面附着是一项主要的手段。
在之前丰田产品中，扇形喷嘴的喷嘴锥度大，具有较强的雾化能力，但是喷射布局和喷射时候缺少足够的自由度，为了减少缸内壁面附着，采取了多点喷射。
如前文所述，此喷射器实现了低喷射穿透。

图55 冷启动阶段燃油喷射器和喷射策略

由于对多次喷射的喷射时候进行了优化，在火花塞周围进行了适当的空燃比，实现了PN降落和分层燃烧。
这些策略担保了暖机阶段点火延迟下的燃烧稳定性，以便催化器得到所需的热量，并使其早没有依赖GPF条件下，也知足了北美的Sulev30、欧6、国6B等排放法规。

10.6 局部升程掌握策略（曾经绝密）

前文提到分层燃烧，很多主机厂的分层燃烧只能在启动或者中负荷下实现，怠速工况下无法实现。
这是由于喷油器是有事情范围的。
如图56所示，横轴为线圈通电韶光，纵轴为喷射量和喷射偏差。
对喷油器线圈通电，喷油器的顶针经由一段相应韶光开始吸合，然后由于惯性涌现一定的弹跳，接着被稳定的吸合，在高压下燃油从空隙中喷出，这部分喷射量难以掌握。
因此从通电到燃油稳定喷出有一个最小喷射量，无论是单次喷射还是多次喷射，每次的量必须大于此喷射量。
由于怠速工况下燃油喷射量很少（10mg/缸次旁边），如果采取分层燃烧多次喷射的话，比如7：2：1的话，有的次数喷射量只有1mg（举例），这是硬件无论如何也实现不了的。

丰田该发动机为了实现小流量的多段喷射，开拓了局部升程掌握系统partial lift control。
丰田通过研究，从全局看局部升程是不可控的，但是在顶针吸合的某一段，喷射偏差在许可偏差范围内，丰田通过对掌握系统进行优化，利用了该段喷射，此处喷射量可以根据不同燃油压力进行调度，最小可以实现1mg/缸次（举例）。
因此，这套掌握为降落排放供应了很多可行性，比如在极低温下怠速工况，利用稀薄燃烧，空燃比可以在15乃至15.5下稳定燃烧，此时HC排放险些没有，由于负荷低燃烧温度低，NOx排放也很少。

图56 局部升程掌握事理图

PS2：此事理看起来大略，实际非常繁芜。
由于量产喷油器有偏差；燃烧过程中温度不同线圈电阻也会变革，相同通电韶光下的喷射偏差会扩大；对此局部进行偏差改动的掌握模型搭建（A/F学习）也是非常难的；还有很多很多难点就不展开了。

10.7 双A/F传感器掌握策略

在良久以前，汽车只利用一个窄氧传感器（O2），随着对发动机掌握哀求的提高，有了宽氧传感器（A/F），随着现在排放法规日益严苛，各大主机厂采取一个宽氧传感器（A/F）一个窄氧传感器（O2），如图57所示。
宽氧传感器紧张实时监控发动机燃烧状态进行燃油补正，窄氧传感器紧张判断催化器的氛围，对目标空燃比进行微调，它们的详细特性曲线如图58所示。

图57 宽/窄氧传感器支配示意图

图58 宽/窄氧传感器输出特性图

如图59所示，这是一个喷射量闭环掌握逻辑简图。
ECU给出一个旗子暗记，现在须要在理论空燃比下事情，比如14.7（这里撤除分外哀求，比如性能空燃比哀求，防止三元催化器过热的空燃比哀求，冷间过浓系数空燃比哀求，针对酒精燃料的空燃比哀求等等）。
理论空燃比根据从窄氧传感器的前馈得到确当前三元催化器的事情状态来打算一个目标空燃比，比如当前三元催化器储存氧量不敷，对HC净化性变弱，掌握模型把目标空燃比从14.7变为14.8，然后逼迫让催化器存氧，反之也是如此。
目标空燃比得出后，根据当前的空气负荷率打算哀求喷射量，哀求喷射量根据宽氧传感器的反馈来判断当前燃烧状态是浓还是稀，浓的话就减量，稀的话就增量，得到一个实际的喷射量。
通过这套前馈加反馈，可以让三元催化器一贯担保在良好的事情氛围中。

图59 喷射量闭环掌握逻辑简图

该掌握模型下应对NEDC这种匀速工况很有利，但是应对WLTP这种变工况每每吃力。
这是由于变负荷下传感器相应性不敷且窄氧传感器只能判断催化器缺氧还是富氧，无法精确掌握。
因此丰田在该发动机上率先利用了双宽氧传感器。
掌握模型该当处于保密状态，我这里不展开。
从结论上说，后宽氧传感器能够精确把握催化器事情状态，通过对目标空燃比的实时改动，极大提高了净化能力。
作为结果，丰田该发动机的催化器贵金属含量远远低于主流主机厂。

PS：目前主机厂应对国6排放的开拓思路为：HC、NOx超标了，增加贵金属；PN超标了，加GPF；GPF随意马虎堵塞了，加压力传感器监控，等等。
丰田的做法可以给主机厂供应一个思路，既能降本又能知足设计哀求。

11 低温废气再循环

当代发动机基本都利用上了EGR系统。
但是EGR气体的同等性，即温度、通道压力丢失和分布变革，是非常主要的指标。
根据木桶事理，如果流经每个气缸的废气温度、流量不一样，那么系统会根据燃烧最差的气缸来掌握，影响发动机的性能。
由于该发动机滚流强度较高，EGR比例设计限定为25%，因此EGR的利害对高速燃烧和燃烧稳定性至关主要。

图60 EGR 系统支配图

通过流体动力学（CFD）对进气歧管的形状进行调度，以在良好的燃烧条件下达到最高的EGR比例，并通过剖析，研究常用工况不同负荷转速下EGR的分配同等性，调度每个EGR管路的长度和直径（比如内部直径D10mm，外部直径D12mm），将气缸间的EGR分布变革降落到3%以下。
其余对冷却回路进行优化，不单单依赖废气再循环冷却器，而且依赖气缸盖中的EGR冷却通道（图60），提高对废气的冷却能力与温度同等性。

12 低摩擦技能

该发动机采取了如下低摩擦技能：

1．为了改进气缸系统，沿用了之前发动机的偏幸曲柄，而且在活塞裙部表面涂上经由平滑处理的树脂涂层（DLC涂层），以减少施加燃烧压力时的摩擦；

2.在曲柄传动系统中，所有连杆轴承和主轴承运动副面均涂有树脂涂层，以减少在负载条件下的摩擦；

3.在润滑系统中，采取电控油泵与低粘度机油，低粘度发动机机油和可变排量机油泵的组合使系统得到最佳的机油供给平衡。
从而显著降落了油泵的驱动事情量，并降落了发动机整体摩擦系数。

PS：在设计阶段利用了SAE 0W-16进行验证，北美解释书上也明确表示建议利用0W-16，如图61所示。
中文版貌似也是推举利用0W-16（我不愿定）。
利用如此稀的机油还要担保不烧机油，这对发动机的设计于制造工艺哀求是极高的。

图61 北美凯美瑞解释书截图

4.作为赞助系统，水泵采取电子水泵，并拆除水泵皮带轮，以减少附件的负荷，提高了真空泵的效率，减少了摩擦。

图62 摩擦损耗降落比拟图

上述所有改进的结合实现了与当前原型发动机比较，摩擦降落超过20%（图62）。

13 降落噪声和振动的方法

该发动机要搭载在全新的TNGA平台下，并于全新的变速箱进行匹配，从整车长进步了NVH性能。

首先，关于低频区的NVH性能，通过对每个部件的惯性水平进行预测，将动力总成（与发动机和变速器耦合）支配在发动机舱的空想位置。
在扭矩旋转轴上支配一个悬置，可以降落怠速条件下的振动水平。
将动力传动系的重心放在弹性轴上，可以降落发动机启动时的振动。
其次，针对中频区域，通过CAE优化新变速器定位点，提高了动力总成的刚度。
综上，在不同转速下的振动降落约4dB（图63）。

图63 发动机NVH比拟图

图64显示了发动机和变速箱之间打仗面形状的比较。
为了提高相对刚度，对该打仗面进行扩大。
因此，降落了发动机噪音，为客户供应了更加舒适的驾驶环境。

图64 发动机变速箱间打仗面对比图

在原型发动机中，平衡轴是盒式的，由曲轴齿轮直接驱动（图65），为客户供应舒适的驾驶体验。
部分齿轮采取增强芳纶纤维树脂制造，以降落齿轮噪音，新一代发动机沿用了该技能。

图65 发动机平衡轴设计

末了，对付高速燃烧下的高频噪声，在开拓阶段适当的掌握了燃烧速率，并且对零部件间噪声进行监控，在得当的位置设置聚氨酯隔音材料以缓解噪音通报（图66）。

图66 NVH改进策略

14 总结

14.1全负荷性能

图67 发动机功率扭矩特性图

图67显示了新发动机和原型机功率扭矩曲线的比较。
新款发动机最大功率为151kw，实现了60kW/L的比功率。
此外，在全工况范围内扭矩都得到提高。

14.2 燃油经济性（热效率）