汽車發(fā)動機冷卻風扇故障分析方法的研究和應用

卿 輝，嚴治念，朱 磊

（神龍汽車有限公司技術(shù)中心電子電器分部，湖北 武漢 430056）

1 冷卻系統(tǒng)及冷卻風扇功能

發(fā)動機在運行的過程中，由于燃料燃燒會產(chǎn)生大量的熱，使得發(fā)動機體溫過高，從而影響發(fā)動機各部件的配合間隙，與之相關(guān)零件的技術(shù)狀態(tài)下降，影響發(fā)動機以及與發(fā)動機相關(guān)零件正常工作特性。因此，汽車發(fā)動機在高溫工作環(huán)境下必須得到適度冷卻，以使其保持在適宜溫度下工作，才能滿足發(fā)動機良好的工作性能、耐久性和廢氣排放的要求。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)在此起著關(guān)鍵作用。

汽車冷卻系統(tǒng)通常有2種：水冷和風冷。水冷是比較常見的，它把水作為冷卻的介質(zhì)，通過發(fā)動機內(nèi)的水循環(huán)來吸收熱量，然后把它送到散熱器中去散熱。而冷卻風扇就安裝在散熱器的內(nèi)側(cè)，以降低水的溫度，幫助散熱。一般，要將發(fā)動機水溫保持在60～80 ℃，也不能過低，否則會使發(fā)動機熱轉(zhuǎn)換效率變低，燃油經(jīng)濟性會受到影響［1］。

2 兩種常見的冷卻風扇控制方式

2.1 冷卻風扇雙速調(diào)節(jié)

2.1.1 雙冷卻風扇串并聯(lián)雙速調(diào)節(jié)

以東風雪鐵龍C6 1.8T渦輪增壓發(fā)動機車型為例，其配備雙冷卻風扇?？刂品绞綖槔鋮s風扇串并聯(lián)雙速調(diào)節(jié)。即當發(fā)動機水溫低于某一值時，冷卻風扇不工作；當發(fā)動機水溫高于某一值而低于另一規(guī)定值時，電源接到一個冷卻風扇正極，雙冷卻風扇以串聯(lián)的方式接入線路，低速運行；當發(fā)動機的水溫高于某一設(shè)定值時，電源接到雙冷卻風扇正極，雙冷卻風扇以并聯(lián)的方式接入線路，高速運行［2］。

2.1.2 雙冷卻風扇調(diào)速電阻式雙速調(diào)節(jié)

雙冷卻風扇并聯(lián)連接，如東風標致308S，2個冷卻風扇受控于2個單獨的高低速風扇繼電器。當發(fā)動機水溫低于某一值時，冷卻風扇不工作；當發(fā)動機水溫高于某一值而低于另一規(guī)定值時，電源通過調(diào)速電阻到雙冷卻風扇正極，冷卻風扇低速運行；當發(fā)動機水溫高于某一設(shè)定值時，電源直接接到雙冷卻風扇正極，冷卻風扇高速運行［2］。

對配置EPXF（渦輪增壓）發(fā)動機電子控制器（簡稱CMM）的車型，冷卻風扇雙速測試特性如圖1所示。運行條件和策略必須滿足：發(fā)動機轉(zhuǎn)速≤10 r/min（即發(fā)動機不運轉(zhuǎn)）；車速≤5 km/h（即車輛靜止）；主喚醒激活；電池電壓在10～16 V之間［3］。圖1中，測試時間是24 s，輸出的信號為方波信號，測試周期為一個周期。其中5 s為低速運轉(zhuǎn)，5 s高速運轉(zhuǎn)，5 s低速運轉(zhuǎn)。

圖1 高低速運轉(zhuǎn)測試特性

2.2 冷卻風扇無極調(diào)速

東風雪鐵龍C6 1.8T單風扇車型就是無極調(diào)速。它采用的是新一代PWM脈寬調(diào)制輸出方式，即發(fā)動機電子控制器在采樣分析冷卻系統(tǒng)溫度、壓力等綜合信號后處理成PWM信號給冷卻風扇控制器，冷卻風扇控制器再輸出相應占空比的PWM脈沖信號驅(qū)動風扇，使風扇在一定范圍內(nèi)可以實現(xiàn)無極調(diào)速。該控制方式的控制電路對發(fā)動機以及周圍環(huán)境參數(shù)考慮極為全面，有緊急運行模式、堵轉(zhuǎn)、短路、過壓、欠壓、溫度過高保護等功能，真正體現(xiàn)了智能化控制，同以往的控制方式比較，能效更高，達到了節(jié)能降耗的目的［4］。

對配置EPXF發(fā)動機電子控制器的車型，冷卻風扇無極調(diào)速測試特性如圖2所示。運行條件和策略必須滿足：發(fā)動機轉(zhuǎn)速≤10 r/min（即發(fā)動機不運轉(zhuǎn)）；車速≤5 km/h（即車輛靜止）；主喚醒激活；電池電壓在10～16 V 之間［3］。圖2中，測試時間是46 s，輸出的信號為PWM信號，測試周期為一個周期。其中1 s為風扇不工作；7 s直接到達100%；然后保持10 s，8 s下降，20 s風扇停止運轉(zhuǎn)。

圖2 無極調(diào)速測試特性

3 冷卻風扇故障檢查方法

3.1 冷卻系統(tǒng)工作原理圖

冷卻風扇工作原理從圖3可以看出，主要由3個部分組成，即感應端、控制端、執(zhí)行端。感應端將采集的水溫信號以及冷卻壓力信號通過硬線傳遞給CMM控制端，控制端將采集的信息加以利用和轉(zhuǎn)換輸出相應的信號控制冷卻風扇繼電器，冷卻風扇繼電器再控制冷卻風扇高低速或無極調(diào)速運行。同時，CMM將相關(guān)故障信號、報警信號等信號通過CAN 線傳遞給智能伺服盒（簡稱BSI），BSI同樣通過CAN 線將信號傳遞給組合儀表或者中控屏顯示。

圖3 冷卻風扇工作原理框圖

3.2 執(zhí)行端檢查方法

對于執(zhí)行端，首先可借用專用的診斷軟件Diaglyser，模擬發(fā)動機CMM發(fā)送風扇高、低速轉(zhuǎn)的指令，觀察風扇的運行情況。如果輸入指令與風扇執(zhí)行狀態(tài)一致，說明執(zhí)行端沒有故障點；反之，故障點出現(xiàn)在繼電器、風扇組或者與之相連接的線束、連接器之間。用診斷軟件Diaglyser發(fā)送指令以及對應風扇運轉(zhuǎn)狀態(tài)信息見表1［3］。

表1 診斷軟件Diaglyser發(fā)送指令以及對應風扇運轉(zhuǎn)狀態(tài)

3.3 感應端檢查方法

對于感應端，由于發(fā)動機水溫信號和冷卻壓力信號在高速網(wǎng)上是關(guān)鍵的信號，發(fā)動機電子控制器在收到這2個傳感器發(fā)出的信號后，會將其轉(zhuǎn)換為CAN信號在CAN網(wǎng)上進行傳輸。因此想要檢查這2個信號是否異常，用診斷軟件Diaglyser也可以采集網(wǎng)絡(luò)上信號，來判斷感應端是否異常。如果兩者信號在規(guī)定的范圍內(nèi)，但是風扇依舊沒有動作，則感應端也沒有故障點，故障點就應該考慮控制端CMM以及與CMM 相連的線束和連接器了。反之則感應端有故障點。水溫和壓力信號詳細內(nèi)容參見表2［5］。

表2 CAN 網(wǎng)上水溫和壓力信號

3.4 控制端檢查方法

感應端和執(zhí)行端不是問題點，就可以判定控制端CMM異常（硬件異常、軟件異常）。為了更進一步找到問題的根源，可結(jié)合冷卻風扇的控制原理圖，直接測量冷卻風扇與CMM 相連的信號。另外，如果具備專業(yè)的診斷軟件INCA（此種工具可以檢測到CMM軟件或者標定軟件中與冷卻風扇相關(guān)的標定參數(shù)），借用該工具也可以快速定位CMM軟件或者標定軟件異常的根源。

4 故障典型案例

4.1 C3-XR（簡稱M44）騾子車右風扇常轉(zhuǎn)

背景信息：故障車輛車身號LDC661244H3033409，故障發(fā)生里程為8.6 km，故障發(fā)生時間2017年5月24日。由于車輛更換了2代發(fā)動機以及2代變速器以及與發(fā)動機和變速器相關(guān)的線束，因此需CMM 軟件/標定文件/編碼數(shù)據(jù)以及變速器電控單元（簡稱BVA）軟件/標定文件/編碼數(shù)據(jù)加載到相應的電控單元中。加載完畢后，車輛可以起動，但右冷卻風扇常轉(zhuǎn)，直到車輛休眠。

分析檢查過程：查看M44冷卻風扇原理圖4，右冷卻風扇1511有2個信號，一個是電源A1，一個是搭鐵A2。電源線A1直接由1524右風扇繼電器5號引腳輸出。右風扇繼電器1號引腳為電源電，3號引腳是經(jīng)過機罩下熔斷絲盒繼電器吸合后的電壓信號（即車輛鑰匙在ON擋時，該引腳會保持12 V左右的高電平信號），2號引腳直接與CMM 70孔連接器的22號引腳相連。根據(jù)繼電器和風扇的工作原理可知，當風扇不轉(zhuǎn)的時候，1524繼電器的2號引腳應為高電平（12 V左右）；當風扇運轉(zhuǎn)時，1524繼電器的2號引腳應為低電平（0 V左右）。

圖4 M44冷卻風扇原理圖

當車輛鑰匙在ON擋時，測量繼電器1524 1號腳和3號腳信號，均為12 V電壓，與定義和狀態(tài)一致。測量繼電器1524 2號腳的信號，即直接測量CMM 20號引腳輸出信號，測量值為8 mV（即低電平），即可以判斷CMM 20號引腳輸出信號異常。

通過前面提到的檢查感應端信號正常與否的方法，檢查感應端信號正常，因此判斷CMM軟件存在問題。通過診斷軟件INCA，在CMM中手工修改與風扇相關(guān)的標定參數(shù)后，風扇停止運轉(zhuǎn)。

解決方案：CMM 軟件存在問題，需要PSA重新修改軟件。

4.2 C6（簡稱X81）騾子車CMM報P048111冷卻風扇電路故障

背景信息：故障車輛車身號為LDCA23545H2003418，故障發(fā)生里程為11.8 km，故障發(fā)生時間2017年4月24日。由于車輛更換了2代發(fā)動機以及8速變速器，因此需將CMM軟件/標定文件/編碼數(shù)據(jù)以及BVA軟件/標定文件/編碼數(shù)據(jù)加載到相應的電控單元中。加載完畢后，車輛可以起動，但用診斷軟件讀取車輛故障日志時，在CMM中讀到P048111冷卻風扇電路故障。

分析過程：由于此臺車上使用的是串并聯(lián)高低速調(diào)速的雙風扇，模擬CMM發(fā)送指令讓冷卻風扇執(zhí)行高速和低速的運行模式。測試結(jié)果滿足要求，說明風扇以及風扇與CMM之間連接均沒問題。

X81風扇工作的電路原理（圖5）和上述M44 騾子車的原理基本相同，不同點為多了一個繼電器1532來實現(xiàn)左和右風扇是串聯(lián)運行還是并聯(lián)運行。以低速繼電器1508為例，1號和3號引腳為電源信號，車輛鑰匙在ON擋位置時，應有12 V左右的高電平信號。2號腳和CMM 的63號腳相連，5號腳為風扇提供電壓信號。測量當風扇運轉(zhuǎn)時CMM 63號引腳輸出電壓為0；當風扇停止運轉(zhuǎn)時，CMM 63號引腳輸出約12 V電壓，與定義和風扇運轉(zhuǎn)狀態(tài)一致。

為了確定檢查繼電器以及CMM相關(guān)的線束是否存在問題，還測量了CMM 47號引腳輸出信號。當車輛鑰匙在ON擋位置時，發(fā)動機不運行，此時47號引腳輸出電壓信號為0.01V；當發(fā)動機運行且風扇不工作時，該電壓信號為0.01V；當發(fā)動機運行且風扇低速運轉(zhuǎn)時，該信號為5.57 V；當發(fā)動機運轉(zhuǎn)且風扇高速運轉(zhuǎn)時，該電壓信號為11.15 V。此信號滿足風扇高低速和串聯(lián)并聯(lián)運行模式。因此排除CMM 與風扇繼電器以及風扇電機之間的線路異常。判定為CMM標定軟件問題。

圖5 X81風扇工作的電路原理圖

解決方案：CMM標定軟件中與風扇相關(guān)的診斷存在問題，需PSA修改該版本的CMM標定軟件。

4.3 A9（簡稱G95） CMM報P069111冷卻風扇控制電路故障

背景信息：G95 1.8T， 冷卻風扇不工作。車輛車身號：LGJE1FE06G2529818，故障出現(xiàn)里程13.5 km，發(fā)動機起動后，開啟空調(diào)，發(fā)現(xiàn)冷卻風扇不工作。組合儀表上發(fā)動機故障燈點亮，同時提示：發(fā)動機故障，請維修車輛。用診斷軟件讀取故障碼，發(fā)現(xiàn)在CMM中有故障碼P069111：Commande GMV 1 ： court-circuit à la masse，即冷卻風扇1控制電路故障。

分析過程：圖6是該車簡化電路原理圖，可知控制冷卻風扇1的繼電器1號引腳是電池電壓，3號引腳為熔斷絲盒BSM上F2 5A的熔斷絲控制的電壓信號；2號引腳為CMM輸出的信號。

圖6 G95簡化的電路原理圖

通過模擬CMM發(fā)送風扇高低速運轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)風扇根本不執(zhí)行相應的動作，因此判定故障點就在風扇及風扇繼電器之間。車輛鑰匙在ON擋位置時，用萬用表測量繼電器1號引腳電壓為12 V，測量3號引腳電壓信號卻為0，表明這一信號異常。繼續(xù)查看該線路的供電熔斷絲，發(fā)現(xiàn)F2 5 A的熔斷絲被燒壞。重新更換一個新的5 A熔斷絲后，路試跟蹤一段時間，故障碼沒有重現(xiàn)。

解決方案：為該車更換新的熔斷絲。

5 結(jié)束語

只有對零件或者系統(tǒng)從多渠道多角度的深入研究以及工作遇到與之相關(guān)的問題點進行不斷總結(jié)，才能不斷豐富自己的理論知識，才能在研究領(lǐng)域找出新方法新思路，為故障分析提供快捷準確的方法。本文正是從這一點出發(fā)，研究了目前神龍公司幾款主要風扇類型的控制方式以及與風扇相關(guān)的故障現(xiàn)象的分析和檢查方法，豐富理論知識的同時，使故障分析的效率提升50%，故障分析準確率接近100%。