汽车发动机构造与检修（第二版）课件：混合动力发动机构造与检修

混合动力发动机构造与检修【任务描述】

本项目主要介绍典型混合动力系统布局、混合动力发动机电控系统，技能任务包括混合动力发动机节气门的拆装及清洗、混合动力发动机电控系统检修。通过本项目的学习，学生可以掌握混合动力发动机的知识要点，并能完成汽车专业领域职业技能等级证书标准中增程混动动力系统检测维修的技能操作任务。任务一混合动力发动机机械系统检修【任务描述】

客户王先生的混合动力汽车在使用时启动困难,行驶中伴随发动机抖动，油耗增加。王先生进入4S店，在服务顾问的询问与检查后将车辆交给维修技师，维修技师根据工单要求对此车发动机进行检查并维修。本次课我们将学习混合动力发动机的相关知识，并学会按流程检修混合动力发动机节气门。混合动力发动机构造与检修【知识储备】

混合动力汽车（HybridVehicle，简称HV或HEV）是指车辆驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成的车辆，其行驶功率依据实际行驶状态由单个驱动系统单独或共同提供。通常混合动力汽车是指油、电类型的混合动力汽车，即发动机与动力电池、电机的驱动混合。因其具有节能环保、无续航焦虑、性能平衡等优势得到了广泛的发展和使用。一、混合动力汽车的分类1.根据驱动连接方式分类

根据发动机和驱动电机之间的连接关系，将混合动力汽车分成串联式、并联式和混联式三种类型。2.根据混合程度分类

根据驱动电机的有效功率占车辆驱动系统总功率的百分比，可以将混合动力汽车分为轻度混合动力、中度混合动力和重度混合动力三个等级。3.根据充电方式分类根据混合动力汽车的充电方式，可以分为非插电式混合动力和插电式混合动力两种类型。非插电式混合动力汽车的动力电池仅来自发动机及能量回收。4.根据燃料种类分类

根据混合动力汽车的燃料种类不同，可以分为汽油混合动力和柴油混合动力两种。

二、典型混合动力系统布局1.串联式混合动力汽车

串联式混合动力汽车是由发动机驱动发电机产生电能驱动电机，从而驱动车轮，同时由电池系统提供部分能量。其基本结构是由电机、发动机、发电机、动力蓄电池和变压器等组成，如图7-1所示。图7-1串联式混合动力系统2.并联式混合动力汽车

并联式混合动力汽车是以先进控制技术为纽带，将发动机与电动机通过机械连接接入驱动系统，由两个动力源根据不同工作模式，分别进行驱动或者联合驱动，进而结合传统发动机汽车与纯电动汽车的优点而生产出来的新能源汽车，如图7-2所示。

图7-2并联式混合动力系统

为了发挥系统的优势，并联式混合动力系统可以根据不同运行工况,采取与之相适应的工作模式,以提高车辆整体动力性、经济性及排放性。（1）纯电动模式（2）纯发动机模式（3）混合驱动模式（4）行车充电模式（5）再生制动模式（6）怠速停车模式3.混联式混合动力汽车

混联式混合动力汽车是一种创新型的驱动系统，其融合了串联合并联两种驱动模式。其独特之处在于，发动机与电动机能够协同工作，实现高效的能量转换与利用。这种车型不仅具备传统汽车的驾驶体验，更在节能减排方面取得了显著成效，如图7-3所示。图7-3混联式混合动力系统混联式混合动力系统的工作模式如下：（1）动力分流机制‌

发动机输出的动力通过行星齿轮等动力分配装置分为两条路径：‌机械传动路径‌：直接驱动车轮（并联模式特点）；电能转换路径‌：驱动发电机发电，电能供电动机使用或储存于电池（串联模式特点）。（2）智能模式切换

系统根据行驶状态动态调整工作模式：

低速/起步阶段‌：采用串联模式，发动机专注发电，由电动机驱动车辆，避免低效工况；‌

高速/稳定行驶阶段‌：切换为并联模式，发动机直接驱动车轮，同时电动机辅助提供额外动力。（3）能量回收优化

制动或减速时，电动机转换为发电机，将动能转换为电能存储于电池，提升能量利用率。

混联式混合动力系统的优点是：多模式协同驱动，能量利用高效；动能回收效率高；适应复杂工况，驾驶体验平顺。其缺点是：系统复杂度高，制造成本高；维护和维修成本较高；空间布局受限。4.插电式混合动力汽车

插电式混合动力汽车（Plug-inHybridElectricVehicle，简称PHEV），是介于纯电动汽车与燃油汽车两者之间的一种新能源汽车，既有传统汽车的发动机、变速器、传动系统、油路、油箱。也有纯电动汽车的电池、电动机、控制电路，而且电池容量比较大，有充电接口；它综合了纯电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)的优点，既可实现纯电动、零排放行驶，也能通过混动模式增加车辆的续驶里程，如图7-4所示。图7-4插电式混合动力系统（插电式混合动力汽车（PHEV）以电池和电动机驱动为主，发动机作为辅助动力源，两者可独立或协同工作。插电式混合动力汽车根据汽车的工况不同有以下工作工作模式：（1）纯电模式‌（电量充足时）

完全由电动机驱动，实现零排放，适合短途通勤。（2）混合模式‌（电量不足时）

发动机直驱‌：高速行驶时，发动机直接驱动车轮（效率更高），减少能量转换损耗。

油电协同‌：发动机与电机共同输出动力，提升加速性能或应对复杂路况。（3）充电模式‌

发动机可为电池充电（部分车型），在制动或滑行时通过能量回收系统将动能转化为电能存储。

插电式混合动力系统的优点是：具有纯电和混动两种模式的灵活性；经济性好，在限牌城市可享受绿牌、免购置税等政策优惠；电动机提供瞬时扭矩，加速性能优于同级别燃油车，理论减排效果显著。其缺点如下：价格昂贵，更换电池成本高；纯电续航短，充电依赖性强；高速低电量时性能下降，二手车保值率低。三、混合动力汽车发动机与传统发动机的区别混动发动机和普通发动机之间存在显著的区别，主要体现在以下几个方面：1.工作原理

混动发动机‌：在普通发动机的基础上增加了一套电动马达系统。这套系统可以与发动机协同工作，通过电动机的辅助，实现更高效的动力输出。

普通发动机‌：主要依赖燃油燃烧产生的热能来推动活塞运动，进而带动曲轴旋转以产生动力。2.能源消耗

混动发动机‌：在驱动过程中可以更多地依赖电动机提供动力，因此在相同条件下，混动汽车的油耗显著降低。

普通发动机‌：需要持续不断地燃烧燃油以维持运转，因此在城市低速行驶或高速巡航时，油耗相对较高。3.排放水平

混动发动机‌：电动机在运行过程中几乎不产生尾气排放，因此混动汽车的排放水平通常要低于传统发动机汽车。此外，混动汽车还配备智能控制系统，以实现更佳的燃油经济性和排放性能。普通发动机‌：由于持续燃烧燃油，尾气排放相对较多。4.驾驶体验

混动发动机‌：在需要大动力输出的情况，如加速和爬坡时，电动机可以提供强大的瞬时扭矩，使车辆反应更迅速、动力更强劲。同时，在制动过程中，混动汽车还能实现能量回收，进一步降低能耗，优化驾驶体验。

普通发动机‌：动力输出相对平稳，但可能缺乏瞬时扭矩的爆发力。5.结构差异

混动发动机‌：除了普通发动机的基本结构外，还增加了电动马达系统、高压电池组以及相关控制系统等复杂部件。

普通发动机‌：结构相对简单，主要由两大机构、五大系统等部件组成。

综上所述，混动发动机和普通发动机在工作原理、能源消耗、排放水平、驾驶体验以及结构上都存在显著差异。这些差异使得混动发动机在节能减排、提高动力性能以及优化驾驶体验等方面具有明显优势。【总结及拓展训练】

通过本任务的学习同学们掌握了混合动力汽车的基本知识，并学会了混合动力发动机节气门拆装及清洗的操作流程。同学们要勤加练习，为以后考取相应等级的职业技能等级证书打下基础。现在有一辆‌比亚迪秦PLUSDM-i需要清洗发动机节气门，如图7-5所示，请同学们根据所学知识并结合该车辆的具体情况拆卸、清洗发动机的节气门。图7-5比亚迪秦PLUSDM-i任务二混合动力发动机电控系统检修【任务描述】

客户王先生的混合动力汽车突然出现可以上高压电但是发动机不能启动故障，在仪表上出现故障指示灯，王先生将车辆开进4S店，服务顾问在询问和检查后将车辆交给维修技师，维修技师根据故障现象及维修经验，判断出故障范围出现在混合动力发动机电控系统。下面将学习混合动力发动机电控系统的相关知识并按流程进行电控系统检修。混合动力发动机构造与检修一、奥托循环发动机的缺点

从混合动力驱动系统动力分配可见，混合动力汽车在其运行的大部分工况条件下依然依靠发动机提供动力，所以混合动力汽车的燃油经济性与排放性很大程度上取决于其选用的发动机。而传统的发动机常采用奥托(Otto)循环工作，如图7-6所示，由于其热效率低、泵气损失大、膨胀比小，具有怠速工况、部分负荷工况燃油消耗率高、后备功率大，不利于提高混合动力汽车的燃油经济性。图7-6奥托循环1.泵气损失

节气门在部分开度时造成的节流，以及曲轴箱和进气管的压差对活塞下行造成的阻力都会导致能量损失。采用节气门控制负荷的发动机即使在高速行驶时也存在泵气损失，只有在全力加速或爬坡时节气门全开才不存在额外的进气管节流损失。2.膨胀比

发动机的热效率与膨胀比密切相关，膨胀比为排气门打开时的气缸容积与混合气被点燃时气缸容积的比值。膨胀比越高，转化为机械功的热能越多。对于给定燃油辛烷值的汽油机来说，要避免爆燃就不能有较大的压缩比，也就限制了膨胀比的提高，所以传统奥托循环发动机的膨胀比与压缩比基本相同，如图7-7所示。图7-7奥托循环发动机膨胀比3.过浓的混合气

传统的奥托循环发动机在需要增大动力输出时基本采用加浓混合气方式，然而浓混合气在缸内的燃烧并不充分，这不但增加了HC的排放同时也恶化了燃油经济性。二、阿特金森循环发动机

针对传统奥托发动机的以上缺点，具有高膨胀比的阿特金森循环发动机在混合动力汽车发动机的设计和选择过程中显现出较好的优势。阿特金森循环发动机是在奥托循环发动机四个循环行程的基础上增加了一个回流行程，即进气、进气回流、压缩、膨胀和排气行程，如图所示7-8所示。图7-8进气回流

通过回流行程可以对发动机有效排量（进气量)进行调节来控制缸内气体质量，从而调节发动机负荷。

发动机有效排量(进气量)的调节主要利用可变气门正时技术(VVT)，采取推迟进气门关闭时刻与加大节气门开度使一部分在进气行程中已经进入气缸的新鲜空气被压缩行程上行的活塞推回进气道，减少了缸内气体质量。

在理想情况下，整个进气过程中进气道和缸内的压力基本可以保持在大气压力，因此，在进气过程中活塞移动不需要克服活塞两端压力差做功，这样就减少了发动机进气行程的泵气损失和压缩行程的压缩功，如图7-9所示。图7-9阿特金森循环与奥托循环发动机P-V曲线对比三、米勒循环发动机

米勒循环采取的是提前关闭进气门的做法，在活塞还未运行到最下面的止点时，就关闭进气阀门，这样就会导致吸入的进气量明显少于正常进气量，那进气行程就是上止点到进气门关闭时活塞所在的位置，这也就是压缩的行程，相比从下止点开始压缩，米勒循环的压缩进程更短，但做功行程依旧是从上止点到活塞运行的下止点，显然做功行程比压缩行程要长，如图7-10所示。图7-10米勒循环压缩比与膨胀比图7-11大众米勒循环发动机三、混合动力发动机电控系统常见混合动力发动机电控系统通常主要由传感器、控制器（ECU）、执行器三个部分组成，对发动机工作时的吸入空气量、喷油量和点火提前角进行控制，但其电控系统随混合动力汽车发展，应具备以下功能：1.缸内直喷系统缸内直喷式燃油喷射系统与传统进气歧管燃油喷射系统不同之处在于，缸内直喷是在压缩接近上止点时将燃油直接喷入气缸内部，如图7-12所示，汽油在极短的时间内吸收气缸内的热量迅速气化形成可燃混合气，而传统进气歧管燃油喷射系统是将燃油喷射在进气歧管内，在进气歧管内形成可燃混合气，然后被吸入发动机。缸内直喷系统结构如图7-13所示。图7-12缸内直喷发动机图7-13缸内直喷系统（1）高压喷油器因为实现燃油缸内直喷需要较高的燃油压力，因此系统采用相对传统喷油器更耐高压的高压喷油器，高压喷油器有单孔式和多孔式之分，如图7-14所示。高压喷油器安装于气缸盖上的喷油器安装孔内，如图7-15所示。图7-14单孔式和多孔式高压喷油器图7-15高压喷油器安装位置图7-16高压喷油器结构

高压喷油器的结构由针阀、阀座、电磁线圈、压力弹簧、密封圈等组成，如图7-16所示。（2）高压燃油泵

缸内直喷发动机一般采用单柱塞式高压燃油泵，如图7-17所示。高压燃油泵将低压燃油加压到40～150bar，加压后的燃油输送至燃油分配管，由燃油分配管分配到各个高压喷油器。燃油分配管的内部容积设计的足够大，可以补偿在喷油时产生的轻微的压力波动，从而减少压力波动对喷油量的影响。图7-17单柱塞式高压燃油泵

高压燃油泵由柱塞、燃油压力调节阀、输油室、进油阀、柱塞等组成，如图7-18所示。图7-18高压燃油泵结构（3）低压燃油泵

低压燃油泵与普通发动机一致，泵和电动机同轴安装，并且封闭在同一个机壳内，机壳内的泵和电动机周围都充满了燃油，利用燃油散热和润滑，如图7-19所示。图7-19低压燃油泵（4）燃油压力传感器

燃油压力传感器安装于燃油分配管上，用于测量高压燃油系统的燃油压力，发动机控制单元根据燃油压力传感器信号，控制燃油压力调节阀来调节高压燃油压力，从而实现燃油压力的反馈控制。燃油压力传感器由应变电阻元件、集成电路、接触桥片、壳体等组成，如图7-20所示。图7-20燃油压力传感器2.点火系统

电控点火系统主要针对点火提前角、通电时间及爆震抑制三个方面的控制。点火提前角是指从火花塞发火的瞬间开始，到该缸活塞运行至压缩上止点时曲轴转过的角度。（1）点火提前角控制点火提前角控制是发动机燃烧管理的核心环节，其本质是通过精准调节点火时机，在动力、油耗、排放与可靠性之间寻求平衡。（2）通电时间控制对于电感储能式电控点火系统，点火线圈初级电流是按指数规律增加的，初级电路切断瞬间的电流与初级电路接通的时间长短有直接关系，只有当初级电路的通电时间达到一定值时，初级电流达到饱和才能保证可靠的点火，如果通电时间过长，点火线圈发热会增大电能消耗，因此必须对点火线圈初级电路的通电时间加以控制。（3）爆震控制

爆震指的是火花塞在燃烧室中心跳火，火焰以正常传播速率向周围推进，处于最远位置上的末端混合气在压缩终点温度的基础上进一步受到压缩、热辐射的作用，混合气的温度不断升高，在正常火焰尚未到达时终燃混合气已经出现很多个火焰中心，这些火焰中心以100m/s至1000m/s速度传播，迅速使终燃混合气燃烧完毕，在气缸内形成强烈的压力波，往往此时压力波会与活塞上行的压缩力量相互撞击，发出尖锐的敲缸声音，严重时破坏汽缸壁表面的润滑油膜，造成传热增加，汽缸盖和活塞顶部温度升高，时间稍长水温亦会升高，发动机功率下降，油耗增加，甚至造成活塞、气门烧坏，轴瓦破裂，火花塞绝缘体开裂，润滑油氧化成胶质，活塞环卡死在环槽内等故障。（4）点火执行器总成

点火执行器总成分为点火器和点火线圈两部分，早期采用分体式设计，点火器和点火线圈独立，将点火器称为执行元件，点火线圈称为电器部件。现在发动机将两者制成一体，如图7-22所示。图7-22点火执行器总成（5）爆震传感器

爆震传感器安装在发动机2、3缸之间的机体上，如图7-23所示。图7-23爆震传感器安装位置（6）冷却液温度传感器

在混合动力发动机电控系统中，分别在发动机出水口及散热器出水口安装一个冷却液温度传感器，两传感器型号相同，如图7-24所示。图7-24冷却液温度传感器（7）曲轴位置传感器

曲轴位置传感器有磁电式、光电式、霍尔效应式三种。曲轴位置传感器与附属的密封圈集成在一起，安装在后端盖信号轮平面上，如图7-25所示。图7-25曲轴位置传感器安装位置（8）相位传感器相位传感器即凸轮轴位置传感器，其一般安装在凸轮轴端部，相位传感器采用霍尔效应式传感器，信号轮装在凸轮轴上，随凸轮轴旋转。信号轮上有4个齿，其中两个小齿，两个大齿，如图7-26所示。图7-26相位传感器3．进气系统

进气系统的功用是向发动机提供适量的、清洁的空气，同时对空气质量进行直接或间接的计量，从而实现空燃比符合要求的可燃混合气。进气系统由空气滤清器、进气测量装置、进气节流装置、怠速控制装置、进气增压装置等组成，如图7-27所示。图7-27进气系统结构（1）进气歧管绝对压力传感器

进气歧管绝对压力传感器简称进气压力传感器（MAP），如图7-28所示。安装在进气歧管上，传感器的取样压力应从进气歧管上压力波动较小的位置通过真空软管选取。有的车型将传感器安装在进气稳压箱上，进气口直接伸入稳压箱内，所以传感器上没有连接软管。图7-28进气歧管绝对压力传感器（2）空气流量传感器

空气流量传感器（MAF）简称空气流量计，安装在空气滤清器和节气门之间的进气管上，如图7-29、7-30所示。图7-29空气流量传感器图7-30空气流量传感器（3）进气温度传感器

进气温度传感器通常安装在进气管路中、空气流量计内或进气歧管绝对压力传感器内，如图7-31所示。图7-31进气温度传感器（4）进气歧管翻板控制机构

缸内直喷发动机的进气歧管采用了进气翻板控制技术，通过控制进气歧管翻板的开闭，可以满足发动机在不同工况下的充气需求，如图7-32所示。图7-32进气翻板控制技术（5）废气涡轮增压系统

废气涡轮增压器主要由废气涡轮机和空气增压器两部分组成，如图7-33所示。废气涡轮机和空气增压器的叶轮安装在同一轴上，涡轮的进气口与发动机排气管相连，排气口与排气消声器相连，空气增压器的进气口前端装有空气滤清器，出气口则经中冷器与进气管相连，如图7-34所示。图7-33废气涡轮增压器结构图7-34废气涡轮增压器工作原理（6）电子节气门控制系统

目前电子节气门控制系统应用非常广泛，其取代了传统机械拉索式节气门系统，如图7-35所示。图7-35电子节气门控制系统节气门体包括控制进气量的节气门、检测节气门开度状态的节气门位置传感器、打开或关闭节气门的控制电机、使节气门返回固定位置的回位弹簧，如图7-36所示。图7-36直动式节气门体结构加速踏板位置传感器安装在油门踏板的轴承座上，如图7-37所示，用于检测加速踏板的位置并将信号传递给ECU。图7-37加速踏板位置传感器安装位置4.排放系统（1）氧传感器

氧传感器是电子控制汽油喷射系统进行反馈控制的传感器，安装于排气管上，反馈控制也称闭环控制。在这种控制方式中，利用氧传感器检测尾气中氧分子的浓度，并将其转换成电压信号输入发动机电子控制单元，如图7-38、7-39所示。

图7-38氧传感器结构图7-39氧传感器工作原理

混合动力发动机使用了两个氧传感器，即前（上游）氧传感器与后（下游）氧传感器，如图7-40、7-41所示。两个氧传感器都为相同型号，上游氧传感器安装在排气管三元催化器前端，怠速时的变化范围为0—900mV。下游氧传感器安装在排气管三元催化器后端，怠速时的变化范围0~1V。图