汽车发动机构造与检修（第二版）课件：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。混合动力发动机电控系统检修一、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7-40前氧传感器图7-41后氧传感器（2）三元催化器

发动机工作时会产生一些有害的燃烧产物，因此，当今汽车普遍安装三元催化转换器，如图7-42所示。图7-42三元催化转换器

三元催化转换器由壳体、催化剂、整体式载体等组成，催化剂涂在整体格栅式载体上当尾气通过多孔载体时被转化，如图7-43所示。图7-43三元催化转换器结构（3）废气再循环控制系统

废气再循环控制系统简称EGR系统，用于减少废气中NOx的含量。废气再循环技术是将一部分内燃机燃烧产生的废气重新导入到进气系统中，与新鲜充量混合后一同进入汽缸，再次参与缸内燃烧，如图7-44、7-45、7-46所示。图7-44废气再循环技