某直噴增壓發(fā)動機(jī)水溫傳感器失效分析研究

周武明　張澤?！⊥酢※i　王占朋

（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

某直噴增壓發(fā)動機(jī)水溫傳感器失效分析研究

周武明1，2張澤裕1，2王鵬1，2王占朋1,2

（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

水溫傳感器（CTS）是發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的重要傳感器，一旦失效，系統(tǒng)將報故障碼和點(diǎn)亮故障燈，甚至引起噴油燃燒異常，發(fā)動機(jī)損壞。研究分析了一典型的水溫傳感器市場批量失效的故障案例。通過現(xiàn)場調(diào)研、機(jī)理研究及5 Why分析，找到了故障發(fā)生的根本原因是線束絕緣失效以及生產(chǎn)過程缺少靜電防護(hù)。并通過試驗(yàn)進(jìn)行了故障的再現(xiàn)性驗(yàn)證，最終成功解決了水溫傳感器失效故障問題。

發(fā)動機(jī)水溫傳感器熱敏電阻開路絕緣失效靜電

引言

汽車發(fā)動機(jī)電子化、智能化程度越來越高，各類傳感器對于發(fā)動機(jī)越來越重要。如今，直噴增壓汽油發(fā)動機(jī)普遍采用32位ECM（Electronic Control Management）系統(tǒng)來管理整個發(fā)動機(jī)的運(yùn)行，其中發(fā)動機(jī)水溫傳感器（Coolant Temperature Sensor，CTS）是監(jiān)控發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行溫度以及為發(fā)動機(jī)ECU（Electronic Control Unit）中各類標(biāo)定脈譜（噴油，熱管理模塊等）提供關(guān)于溫度策略標(biāo)定、修正運(yùn)行參數(shù)的一個重要零部件［1-3］。一旦水溫傳感器失效，將引起水溫顯示異常，整個發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)工作異常，以及燃油噴射、燃燒控制異常，嚴(yán)重情況下將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)徹底損壞［4-6］。本文將探討某直噴增壓發(fā)動機(jī)的一例典型水溫傳感器失效案例。

1　問題描述

某直噴增壓汽油發(fā)動機(jī)搭載兩款SUV車型，一段時間內(nèi)，市場連續(xù)出現(xiàn)發(fā)動機(jī)水溫傳感器損壞問題，見圖1。顧客反饋車輛儀表上發(fā)動機(jī)故障燈常亮、不顯示水溫或水溫顯示偏高以及電子扇長轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。共發(fā)生10例故障，A車型發(fā)生3例，B車型發(fā)生7例，整體故障率為2.77‰。售后技術(shù)人員采用診斷儀診斷，均顯示出發(fā)動機(jī)ECU報出P0118故障碼，診斷為水溫傳感器損壞。

圖1　各月案例發(fā)生數(shù)量統(tǒng)計

由于ECU報故障碼導(dǎo)致車輛儀表上發(fā)動機(jī)故障燈常亮，此問題造成客戶用車安全恐慌而抱怨。且水溫傳感器損壞之后，發(fā)動機(jī)的噴油脈寬控制、燃燒可能存在異常，排放、油耗可能惡化，存在潛在發(fā)動機(jī)損壞風(fēng)險，因此，此問題亟需查清原因，予以解決。

2　故障排查及分析

2.1發(fā)動機(jī)生產(chǎn)批次排查

通過圖1故障案例發(fā)生時間分析，4～10月均有發(fā)生，4月發(fā)生4例故障，數(shù)量較多，但無明顯規(guī)律。排查此10例故障發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)批次，發(fā)現(xiàn)故障車生產(chǎn)日期集中在2015年3、4、5三個月份，其中3、4月份生產(chǎn)發(fā)動機(jī)占90%，如圖2所示。

圖2　案例車輛生產(chǎn)日期統(tǒng)計

2.2水溫傳感器批次排查

通過分析得知，案例發(fā)動機(jī)生產(chǎn)時間集中在3、4、5月份，規(guī)律比較明顯，懷疑與發(fā)動機(jī)水溫傳感器生產(chǎn)批次相關(guān)，排查案例故障水溫傳感器批次，發(fā)現(xiàn)全部為A0001同一個批次，該批次件總數(shù)量達(dá)3 500件。

2.3故障車輛類型排查

排查故障車輛類型，售前車輛占60%，統(tǒng)計如圖3所示。據(jù)此判斷，售前車輛就發(fā)生問題，因此，此故障與生產(chǎn)過程關(guān)系較大。

圖3　故障車輛類型統(tǒng)計

2.4故障車輛失效里程排查

通過對此10例故障車輛行駛里程分析，發(fā)現(xiàn)均為小于1 000 km的短里程，其中三例為0 km即發(fā)生故障。圖4為故障車輛行駛里程統(tǒng)計結(jié)果。

圖4　故障車行駛里程統(tǒng)計

2.5故障排查總結(jié)

通過對故障車輛的情況調(diào)查，發(fā)現(xiàn)目前發(fā)生的10例發(fā)動機(jī)水溫傳感器損壞（報P0118碼）問題，均是小于1 000 km短里程，甚至0 km故障，且故障件集中為一個水溫傳感器批次，問題集中發(fā)生在生產(chǎn)此批車輛的3、4、5月份，售前車占60%，因此初步判斷此問題為發(fā)動機(jī)水溫傳感器批次生產(chǎn)質(zhì)量控制問題。

3　失效機(jī)理分析

3.1故障碼解析

查閱發(fā)動機(jī)ECM電控系統(tǒng)OBD手冊，P0118故障碼解析如下：

P0118故障碼定義：發(fā)動機(jī)水溫傳感器高電壓或斷路；

檢測啟動條件：發(fā)動機(jī)運(yùn)行時間大于120 s；

故障判定標(biāo)準(zhǔn)：ECM監(jiān)測到傳感器電壓（12 V）信號＞97%。

可能的故障原因：

a.水溫傳感器與ECM之間的線路開路、或?qū)﹄娫炊搪罚?/p>

b.接地線束斷路；

c.連接虛接；

d.水溫傳感器故障。

通過對電控系統(tǒng)OBD說明手冊關(guān)于水溫傳感器P0118故障碼的解讀，可以明確下一步的排查方向包含四個方面的內(nèi)容［5］，下一步將具體逐項(xiàng)排查。在具體排查之前，先簡要介紹一下發(fā)動機(jī)水溫傳感器的工作原理。

3.2水溫傳感器工作原理

水溫傳感器結(jié)構(gòu)如圖5所示，它的核心是由兩根pin腳與熱敏電阻組成的探測單元，外加封裝探頭、安裝螺紋，接插件構(gòu)成一個整體。

圖5　水溫傳感器結(jié)構(gòu)圖

水溫傳感器的核心部件是一個具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，此電阻在溫度高時，自身電阻變小，而溫度低時，電阻變大，呈某種溫度阻值對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)電流一定時，輸出電壓隨溫度高低變化，水溫傳感器正是通過這個原理來實(shí)現(xiàn)對溫度的測量。水溫傳感器熱敏電阻溫度特性如圖6所示［2］：

圖6　水溫傳感器熱敏電阻溫度特性圖

4　失效調(diào)查分析

4.1車輛檢查

排查失效車輛ECU接地線束，無斷路，接插件無虛接，問題直接鎖定水溫傳感器本體故障。進(jìn)行水溫傳感器pin1、pin2電壓檢查，發(fā)現(xiàn)水溫傳感器與ECM之間處于開路狀態(tài)。因此可以判定這是發(fā)生P0118故障碼的直接原因?，F(xiàn)在的問題是，為什么會發(fā)生開路故障呢？

4.2失效件剖切檢查

為研究水溫傳感器開路原因，將水溫傳感器故障件剖切，實(shí)物檢查，如圖7所示。

圖7　水溫傳感器失效件與正常件對比

檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在水溫傳感器的熱敏電阻兩端的pin腳焊錫出現(xiàn)熔化，焊錫遷移到pin腳，參見圖7，失效件兩個pin腳上明顯可見流淌之后又凝固的焊錫。圖7中正常件沒有焊錫熔化遷移現(xiàn)象。具體細(xì)節(jié)參見圖8水溫傳感器焊錫細(xì)節(jié)圖。根據(jù)上述研究結(jié)果，判斷焊錫流失直接導(dǎo)致了熱敏電阻與pin腳之間開路，這就是為什么檢測發(fā)現(xiàn)水溫傳感器與ECM之間開路的原因。

圖8　水溫傳感器焊錫細(xì)節(jié)圖

剖切檢查發(fā)現(xiàn)焊錫熔化流失導(dǎo)致開路，問題直接原因已經(jīng)查明，但是新的問題是，為什么會出現(xiàn)焊錫熔化呢？只有找到這個問題的原因，才能采取控制措施徹底解決問題。

5　現(xiàn)場調(diào)查及5 Why分析

5.1現(xiàn)場調(diào)查

水溫傳感器為什么會發(fā)生損壞，生產(chǎn)現(xiàn)場到底有無問題，通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)動機(jī)的裝配過程發(fā)現(xiàn)，水溫傳感器裝在發(fā)動機(jī)上，在熱試臺架上正式磨試運(yùn)轉(zhuǎn)前后，有一個臺架試驗(yàn)線束接插件與之對接拆裝的過程。進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一個臺架每天磨試30余臺，臺架線束每天需拆裝30余次，一個月一條線束使用1 000多次。且現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)一條線束絕緣皮已經(jīng)有磨損痕跡，這可能存在絕緣失效隱患。現(xiàn)場抽取線束進(jìn)行絕緣檢測，結(jié)果如表1所示。抽查的六條線束中，其中兩條有問題：線束5直接導(dǎo)通，線束6絕緣電阻僅1 240 MΩ，不滿足絕緣標(biāo)準(zhǔn)大于4 000 MΩ的要求。

表1　水溫傳感器pin腳對其它針腳絕緣電阻檢測

此外，對水溫傳感器生產(chǎn)安裝過程也進(jìn)行了排查，主要排查水溫傳感器在生產(chǎn)安裝過程損壞的可能性。首先對供應(yīng)商的水溫傳感器生產(chǎn)過程進(jìn)行了排查，發(fā)現(xiàn)的問題是水溫傳感器生產(chǎn)過程缺少防靜電措施。其次，在發(fā)動機(jī)工廠，在水溫傳感器往發(fā)動機(jī)本體安裝過程中，工人們拿取零部件時也同樣缺少靜電防護(hù)措施。

5.25why分析

針對調(diào)查失效件發(fā)現(xiàn)的水溫傳感器pin腳與熱敏電阻之間的焊錫存在熔化、流失移位問題，結(jié)合生產(chǎn)線現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)的絕緣失效及靜電防護(hù)缺失問題，采用5 why（5 W）方法對此問題進(jìn)行剖析，如圖9所示。

通過反復(fù)對失效機(jī)理連續(xù)詢問五個為什么的分析過程，結(jié)合在生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查，推論出水溫傳感器pin腳與熱敏電阻之間焊錫熔化、流失移位的根本原因在于如下兩點(diǎn)：

1）臺架線束使用時間大于1個月，拆裝＞1 000次/月，線束老化，絕緣失效。

2）水溫傳感器生產(chǎn)過程中缺少靜電防護(hù)措施。

5.3失效機(jī)理研究

通過上述分析，可以推測系統(tǒng)由于靜電或者絕緣失效，存在大電流通過水溫傳感器，進(jìn)而傳感器熱敏電阻處產(chǎn)生大量焦耳熱，傳感器來不及散熱，導(dǎo)致傳感器溫度上升；熱敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)材料，溫度升高熱敏電阻值降低，造成電流進(jìn)一步增大，產(chǎn)生循環(huán)雪崩效應(yīng)。電阻本體溫度升高達(dá)到焊錫熔點(diǎn)（225～235℃）時，電阻焊接處的焊錫熔化、流失遷移，pin針和熱敏電阻表面接觸不良，封裝塑料和金屬pin針熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致熱敏電阻和pin針在高溫時產(chǎn)生開路。下一步將進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證上述分析。

圖9　水溫傳感器損壞5 W分析

6　驗(yàn)證試驗(yàn)

驗(yàn)證試驗(yàn)方案如圖10所示，進(jìn)行水溫傳感器兩端電壓加載試驗(yàn)，分試驗(yàn)a和試驗(yàn)b。試驗(yàn)a為異常電壓竄入水溫傳感器，試驗(yàn)b為正常ECM實(shí)際電路接法。此試驗(yàn)主要模擬在正常電路及裝機(jī)生產(chǎn)可能竄入異常電壓兩種情況下，水溫傳感器兩端加載電壓對熱敏電阻兩端焊錫熔化，流失遷移的影響［5］。

圖10　模擬失效驗(yàn)證電路圖

說明：圖10中R為水溫傳感器實(shí)際接入ECM時（正常工作時）串聯(lián)的電阻。R實(shí)際集成于ECU內(nèi)部。

模擬失效驗(yàn)證效果：兩組試驗(yàn)水溫傳感器熱敏電阻焊錫熔化損傷情況及損傷所需時間如表2所示。

表2　電壓加載模擬失效驗(yàn)證結(jié)果

驗(yàn)證結(jié)果說明如下：

試驗(yàn)a模擬異常電壓直接加載于水溫傳感器pin腳，試驗(yàn)結(jié)果表明，若水溫傳感器加載電壓≥7 V時，22 min內(nèi)，傳感器熱敏電阻兩端焊錫即熔化流失、移位，如圖11所示，水溫傳感器試驗(yàn)前后對比，失效模式同市場反饋案例一致。試驗(yàn)證明，電壓越大，傳感器焊錫發(fā)生熔化損傷的時間越短。在直接加載≥12 V電壓在傳感器上時，傳感器≤1 s內(nèi)即可出現(xiàn)上述失效問題。

試驗(yàn)b加載電壓最大達(dá)到65 V，時間30 min，水溫傳感器焊錫仍無損傷。證明在水溫傳感器正常接入電路的使用條件下，傳感器能夠承受大電壓的沖擊而不出現(xiàn)失效，符合電氣設(shè)計規(guī)范要求。

圖11　模擬失效試驗(yàn)結(jié)果

7　解決對策方案

試驗(yàn)證明，在生產(chǎn)過程中的大電壓可能對水溫傳感器產(chǎn)生永久損傷，從5W分析可以發(fā)現(xiàn)，目前生產(chǎn)過程中存在類似潛在可能的問題為靜電及絕緣失效，因此采取如下措施：

1）每月對臺架磨合用線束進(jìn)行絕緣性能檢測，對不合絕緣標(biāo)準(zhǔn)的線束進(jìn)行更換。

2）水溫傳感器生產(chǎn)過程防靜電，增加自動分選設(shè)備、夾片工位、常溫檢測設(shè)備的保護(hù)電路，操作人員佩帶靜電防護(hù)服作業(yè)。

8　對策效果

在發(fā)動機(jī)磨試生產(chǎn)線實(shí)施線束絕緣監(jiān)測，每月更換老化失效線束，以及水溫傳感器生產(chǎn)線、發(fā)動機(jī)總裝過程增加防靜電、防異常電壓竄入水溫傳感器pin腳的措施之后，通過后續(xù)6個月的生產(chǎn)驗(yàn)證，生產(chǎn)3.2萬臺發(fā)動機(jī)，水溫傳感器故障率降為0，相比措施實(shí)施之前2.77‰的故障率，整改效果明顯。對于市場已經(jīng)流出的3 500臺可能存在隱患的發(fā)動機(jī)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證及調(diào)查分析，此種故障大都出現(xiàn)在生產(chǎn)或者出廠初期環(huán)節(jié)，對于銷售到市場未報故障的發(fā)動機(jī)，評估水溫傳感器生產(chǎn)過程沒有受到異常電壓沖擊，正常使用不會有問題，因此后續(xù)發(fā)生此類故障的概率低。

9　結(jié)論

對于較為先進(jìn)的直噴增壓發(fā)動機(jī)，電控系統(tǒng)的各類傳感器猶如人體神經(jīng)末梢，非常重要。一旦傳感器失效，將可能出現(xiàn)報故障碼、故障燈點(diǎn)亮等異常情況，引起顧客抱怨。本文通過對某直噴增壓發(fā)動機(jī)水溫傳感器的典型市場失效案例進(jìn)行分析研究，同時結(jié)合應(yīng)用5 Why分析法找到了問題的根本原因。整個過程通過大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)調(diào)查，剖析其工作原理，研究水溫傳感器系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，失效機(jī)理，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證的方式再現(xiàn)了故障。在針對性地采取臺架線束絕緣性能控制以及生產(chǎn)過程各項(xiàng)防靜電措施之后，圓滿解決了水溫傳感器失效問題。

1周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012

2黃靖雄，賴瑞海.汽車電子控制技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2011

3李駿.汽車發(fā)動機(jī)節(jié)能減排先進(jìn)技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2011

4黃志勇.電控發(fā)動機(jī)水溫傳感器故障分析［J］.汽車維修，2013（1）：6-8

5王金，肇世華，張?zhí)┰矗?汽車水溫傳感器的檢測與故障分析［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（1）：110

6徐增祥，李霞霞.汽油發(fā)動機(jī)水溫傳感器檢測與故障分析［J］.汽車實(shí)用技術(shù)，2012（3）：76-78

Failure Analysis and Study of Coolant Temperature Sensor on a GDIT Engine

Zhou Wuming1，2，Zhang Zeyu1，2，Wang Peng1，2，Wang Zhanpeng1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Coolant Temperature Sensor（CTS）is an important sensor of Engine Electronic Control System. Once this sensor fails，it will cause fault codes reported and fault light taken on，and lead to the abnormal fuel injection，even engine damage.This article studies and analyses one type of mass failure case of CTS in the market.By the process investigation，mechanism study and the analysis of 5 Whys，we found that the root causes are the insulation failure of wiring harness and the lack of prevention about static electricity in the process of production.Finally，we made the failure mode reappear via a special designed test，and solved the problem of CTS successfully.

Engine，Coolant temperature sensor（CTS），Thermistor，Open circuit，Insulation failure，Static electricity

U472.9

A

2095-8234（2016）03-0041-05

周武明（1980-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)零部件設(shè)計及發(fā)動機(jī)整機(jī)研究開發(fā)。

2016-03-22）