10 排气系统（核心内容）

10.1 概述

为了满足日益严苛的北美Sulev30、欧洲Euro6、国6等法规，对催化剂温度进行精确控制变得越来越重要。催化器的布置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，这两个要求是矛盾的。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，以同时满足这两个目标。

此外，不仅需要通过降低排气背压和减少排气管长度来提高性能，而且还需要尽可能在靠近发动机的位置布置辅催化器（UF），因此确保催化器布置的自由度非常重要。为了实现上述要求，采用了后置排气系统，即催化器的布置在发动机舱后端，如图46所示。

PS：一般催化器温度较高，布置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，但该布置下发动机排气流经辅催化器的时间较长，辅催化器温度较低，净化效率偏低。

图46 排气系统布置图

此外，还实现了双A/F传感器控制系统（估计是全球首创）。该系统在主催化剂前后有两个A/F传感器，并且依靠极高的控制精度，对气体成分进行精确控制，对催化器的状态也能够较好的把握，提高催化剂的性能。该系统的应用使催化剂的粒径变小，降低了贵金属含量，具有良好的环境性能。

PS：现在国六车型往往依靠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，成本很高。丰田却依靠双A/F传感器提高控制精度来满足排放，大家做技术对标时可以把凯美瑞的催化器拿去分析，相信会有所收获！

10.2 排气冷却系统（气缸盖）

为了保证气缸盖的散热能力，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，从而降低排气门之间的温度约10°C。并减少沿程压力损失和流量损失。图47显示了气缸盖的排气门和水套布局。采用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相比接近2倍的换热效率。另外，通过电子水泵控制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损失；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，不需要借助多喷油来降低废气温度。如图48所示，在保证催化器不发生热老化的前提下，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显示了排气歧管的布置图。如前所述，出于对性能方面的考虑（降低排气背压），排气歧管从前端移到后侧。此外，采用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，改善了性能。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一致，改善了传感器的响应精度，减少了控制模型的标定压力，有助于降低催化剂中的贵金属含量。

图49 排气歧管布置图

通过对排气歧管长度和排气表面积的优化，不仅可以获得较高的扭矩性能，而且可以通过更快预热获得较佳的尾气净化性能。通过对歧管弯曲的最小化，保证气流分布的均一性，并降低生产制造难度。

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，热损失越高，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排气歧管为了保证发动机性能牺牲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）

目前世界范围内对节能减排的要求很高，对尾气的净化主要依靠催化器的设计。在国5排放的基础上，将贵金属量增加1倍甚至2倍以满足排放法规，贵金属价格在250元/g左右，增加3g就是750元，对主机厂的压力很大。所以必须要通过对催化器结构以及涂层进行优化。

图50 催化器涂层微观图

如图50所示为催化器涂层微观图，一般优化设计的重点为两个，一个是孔状结构设计，一个是贵金属种类和涂层设计。丰田A25A发动机采用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方式有很大不同。这里展开来说，如图52所示，催化剂涂层分为上下两层，上次材质厚度需要设计，厚了浪费，薄了净化能力不足；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特殊配方，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；基材厚度一方面保证整体刚度，一方面也要薄一些降低无效吸热量@冷启动。

图52 催化剂设计原理图

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。丰田和供应商合作，专门开发出一款载体，外围400目，内围600目，根据不同的沿程阻力实现气流分布的均一性，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，降低发动机原始排放也是很重要的一个环节。尤其对于冷启动来说，催化剂预热过程中排放抑制非常具有挑战。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，一般投入催化器的热量越多，催化器温度上升越快，达到活性温度的时间就越快，但是投入热量多的前提是尾气多，其排放量也会较多，因此需要对其进行平衡。

图54 投入催化器热量和尾气污染物量的关系图

另一方面，对于冷启动下颗粒数（PN）的降低也是一个难点，此处降低燃料壁面附着是一项重要的手段。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刻缺乏足够的自由度，为了减少缸内壁面附着，采用了多点喷射。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刻进行了优化，在火花塞周围进行了适当的空燃比，实现了PN降低和分层燃烧。这些策略保证了暖机阶段点火延迟下的燃烧稳定性，以便催化器获得所需的热量，并使其早没有依靠GPF前提下，也满足了北美的Sulev30、欧6、国6B等排放法规。

10.6 局部升程控制策略（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。这是因为喷油器是有工作范围的。如图56所示，横轴为线圈通电时间，纵轴为喷射量和喷射偏差。对喷油器线圈通电，喷油器的顶针经过一段响应时间开始吸合，然后由于惯性出现一定的弹跳，接着被稳定的吸合，在高压下燃油从空隙中喷出，这部分喷射量难以控制。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*次左右），如果采用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，开发了局部升程控制系统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，喷射误差在允许偏差范围内，丰田通过对控制系统进行优化，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整，最小可以实现1mg/缸*次（举例）。因此，这套控制为降低排放提供了很多可行性，比如在极低温下怠速工况，利用稀薄燃烧，空燃比可以在15甚至15.5下稳定燃烧，此时HC排放几乎没有，因为负荷低燃烧温度低，NOx排放也很少。

图56 局部升程控制原理图

PS2：此原理看起来简单，实际非常复杂。因为量产喷油器有误差；燃烧过程中温度不同线圈电阻也会变化，相同通电时间下的喷射偏差会扩大；对此局部进行误差修正的控制模型搭建（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传感器控制策略

在很久以前，汽车只使用一个窄氧传感器（O2），随着对发动机控制要求的提高，有了宽氧传感器（A/F），随着现在排放法规日益严苛，各大主机厂采用一个宽氧传感器（A/F）一个窄氧传感器（O2），如图57所示。宽氧传感器主要实时监控发动机燃烧状态进行燃油补正，窄氧传感器主要判断催化器的氛围，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/窄氧传感器布置示意图

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控制逻辑简图。ECU给出一个信号，现在需要在理论空燃比下工作，比如14.7（这里除去特殊要求，比如性能空燃比要求，防止三元催化器过热的空燃比要求，冷间过浓系数空燃比要求，针对酒精燃料的空燃比要求等等）。理论空燃比根据从窄氧传感器的前馈得到的当前三元催化器的工作状态来计算一个目标空燃比，比如当前三元催化器储存氧量不足，对HC净化性变弱，控制模型把目标空燃比从14.7变为14.8，然后强制让催化器存氧，反之也是如此。目标空燃比得出后，根据当前的空气负荷率计算要求喷射量，要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直保证在良好的工作氛围中。

图59 喷射量闭环控制逻辑简图

该控制模型下应对NEDC这种匀速工况很有利，但是应对WLTP这种变工况往往吃力。这是因为变负荷下传感器响应性不足且窄氧传感器只能判断催化器缺氧还是富氧，无法精确控制。因此丰田在该发动机上率先使用了双宽氧传感器。控制模型应该处于保密状态，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工作状态，通过对目标空燃比的实时修正，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排放的开发思路为：HC、NOx超标了，增加贵金属；PN超标了，加GPF；GPF容易堵塞了，加压力传感器监控，等等。丰田的做法可以给主机厂提供一个思路，既能降本又能满足设计要求。

11 低温废气再循环

现代发动机基本都使用上了EGR系统。但是EGR气体的一致性，即温度、通道压力损失和分布变化，是非常重要的指标。根据木桶原理，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控制，影响发动机的性能。由于该发动机滚流强度较高，EGR比例设计限制为25%，因此EGR的优劣对高速燃烧和燃烧稳定性至关重要。

图60 EGR 系统布置图

通过流体动力学（CFD）对进气歧管的形状进行调整，以在良好的燃烧条件下达到最高的EGR比例，并通过分析，研究常用工况不同负荷转速下EGR的分配一致性，调整每个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分布变化降低到3%以下。另外对冷却回路进行优化，不单单依靠废气再循环冷却器，而且依靠气缸盖中的EGR冷却通道（图60），提高对废气的冷却能力与温度一致性。

12 低摩擦技术

该发动机采用了如下低摩擦技术：

1．为了改善气缸系统，沿用了之前发动机的偏心曲柄，而且在活塞裙部表面涂上经过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，采用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获得最佳的机油供给平衡。从而显著降低了油泵的驱动工作量，并降低了发动机整体摩擦系数。

PS：在设计阶段使用了SAE 0W-16进行验证，北美说明书上也明确表示建议使用0W-16，如图61所示。中文版貌似也是推荐使用0W-16（我不确定）。使用如此稀的机油还要保证不烧机油，这对发动机的设计于制造工艺要求是极高的。

图61 北美凯美瑞说明书截图

4.作为辅助系统，水泵采用电子水泵，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 摩擦损耗降低对比图

上述所有改进的结合实现了与当前原型发动机相比，摩擦降低超过20%（图62）。

13 降低噪声和振动的措施

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，从整车上提高了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）布置在发动机舱的理想位置。在扭矩旋转轴上布置一个悬置，可以降低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，可以降低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低约4dB（图63）。