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豐田凱美瑞（查成交價|參配|優惠政策）/亞洲龍（查成交價|參配|優惠政策）2.5L發動機超深度開發解密

豐田凱美瑞/亞洲龍2.5L發動機正在超深度開發中解密。

10 排氣系統（核心內容）

10.1概述

為了滿足北美Sulev30、歐洲Euro6和中國6日益嚴格的法規，精確控制催化劑溫度變得越來越重要。催化轉化器的布置應考慮冷啟動的快速點火性能和高負荷的熱老化性能。但是，這兩個要求是矛盾的。因此，重新設計了氣缸蓋中的排氣口布局、催化劑的比表面積和催化劑的位置，以同時滿足這兩個目標。

此外，不僅需要通過降低排氣背壓和排氣管的長度來改善性能，還需要將輔助催化劑(UF)盡可能靠近發動機布置。因此，確保催化劑布置的自由度是非常重要的。為滿足上述要求，采用后排氣系統，即催化轉化器布置在發動機艙的后端，如圖46所示。

PS:一般催化轉化器溫度較高，前端的布置有利于高負荷下用風冷冷卻，提高主催化轉化器的抗老化性能。然而，在這種布置下，發動機排氣長時間流過輔助催化轉化器，輔助催化轉化器的溫度低，并且凈化效率低。

圖46排氣系統布局

此外，雙A/F傳感器控制系統(估計是世界上第一個)已經實現。該系統在主催化器前后有兩個A/F傳感器，依靠極高的控制精度來精確控制氣體成分，從而可以很好地把握催化器的狀態，提高催化器的性能。該體系的應用使催化劑的粒徑變小，降低了貴金屬含量，具有良好的環保性能。

PS:目前國六車型往往依靠貴金屬含量來提高凈化效率，比如國五用2g/L，國六用4g/L，1g貴金屬500元要4000元左右，非常貴。然而，豐田依靠雙A/F傳感器來提高控制精度，以滿足排放要求。做技術對標的時候，可以拿凱美瑞催化轉化器來分析。相信你會有所收獲！

0.2排氣冷卻系統(氣缸蓋)

為了保證氣缸蓋的散熱能力，通過設計優化，實現了排氣門之間的橫向流動，水套的截面積也減少了20%，傳熱系數提高，使排氣門之間的溫度降低了10℃左右，減少了沿途的壓力損失和流動損失。圖47顯示了氣缸蓋的排氣閥和水套布局。采用上下水套的設計，擴大了排氣門的換熱表面積，換熱效率達到傳統發動機的近兩倍。此外，電子水泵用于控制發動機預熱過程中的冷卻液流量，以減少冷啟動階段不必要的熱量損失。在高負荷下，增加冷卻液流量，提高換熱效率，從而可以在較寬的工況范圍內實現理論空燃燒比，并且不需要通過多次噴油的方式降低排氣溫度。如圖48所示，在保證催化轉化器不發生熱老化的前提下，擴大了理論空燃料比的范圍，從而節省了油耗。

圖47排氣門和氣缸蓋水套布置圖

圖48 空全工況下的燃料比范圍

0.3排氣歧管設計

圖49顯示了排氣歧管的布局。如前所述，出于性能考慮(降低排氣背壓)，排氣歧管從前端移至后側。此外，通過采用4-1排氣歧管布局，通過優化氣門正時(改變氣門重疊角)和增加歧管長度來增加掃氣率、減輕爆震和提高性能。此外，研究了各缸配氣對傳感器的影響，使傳感器對各缸的適應性一致，提高了傳感器的響應精度，降低了控制模型的標定壓力，降低了催化劑中的貴金屬含量。

圖49排氣歧管布局

通過優化排氣歧管長度和排氣表面積，不僅可以獲得更高的扭矩性能，還可以通過更快的預熱獲得更好的排氣凈化性能。通過最小化歧管的彎曲，確保了空氣分布的均勻性，并且降低了制造難度。

PS:排氣歧管越長，周圍氣缸對燃燒室的影響越弱，有利于燃燒穩定和爆震抑制。但排氣歧管越長，廢氣流過的金屬表面積越大，熱損失越高，因此催化劑在冷啟動下無法快速達到活性溫度。這里有一個平衡。馬自達的4-2-1排氣歧管為了保證發動機性能，犧牲了冷啟動下的排放；本田的排氣歧管很短，冷啟動時噪音低，排放低，發動機極限性能時熱效率低。

10.4催化轉換器設計(曾經是最高機密)

目前，世界范圍內對節能減排的要求非常高，尾氣的凈化主要取決于催化轉化器的設計。在國五排放的基礎上，將貴金屬的用量增加一倍甚至兩倍，以滿足排放規定。貴金屬價格會在250元/克左右，3g增加750元，對主機廠壓力很大。因此，有必要優化催化劑的結構和涂層。

圖50催化劑涂層的微觀視圖

如圖50所示，一般優化設計有兩個重點，一是孔結構設計，二是貴金屬類型和涂層設計。豐田A25A發動機采用的涂層優化方案如圖51所示。

圖51涂料配方優化

理論上涂層分為基材和活性貴金屬，但實際上不同貴金屬的涂層方法差別很大。這里，如圖52所示，催化劑涂層分為上下兩層。上次需要設計材料的厚度，導致厚了浪費，薄了凈化能力不足。Rh層中添加少量CeO2 _ 2可以提高加速工況下NOx的凈化能力；在下部催化劑的前端添加i-A。