電子節(jié)溫器故障診斷及控制策略

陸 江

（廣東省機(jī)械技師學(xué)院， 廣東 廣州 510450）

機(jī)械式節(jié)溫器靠冷卻液溫度開啟，溫度開啟的范圍固定且不可調(diào)，對冷卻液循環(huán)調(diào)節(jié)有遲滯效應(yīng)。而電子節(jié)溫器是由冷卻液溫度控制和ECM通過電子加熱方式相結(jié)合來開啟，調(diào)節(jié)可控且及時(shí)，使發(fā)動(dòng)機(jī)更好地適應(yīng)當(dāng)前的工況需求。一臺(tái)2010款通用別克英朗XT手動(dòng)擋汽車，行駛里程13萬公里，出現(xiàn)冷車起動(dòng)后風(fēng)扇常轉(zhuǎn)、暖機(jī)慢及油耗偏高等情況。初步測試，接通點(diǎn)火開關(guān)ON位置，風(fēng)扇立即高速旋轉(zhuǎn)，冷車起動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)故障指示燈常亮，水溫上升緩慢，最高時(shí)水溫顯示88℃，無法達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作溫度。使用診斷儀讀取故障代碼為P0597——發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液節(jié)溫器加熱器控制電路。故障車應(yīng)用的是電子節(jié)溫器控制冷卻液循環(huán)流量，結(jié)合散熱裝置調(diào)節(jié)水溫，根據(jù)故障碼提示，對電子節(jié)溫器故障進(jìn)行診斷維修及其控制策略分析。

1 電子節(jié)溫器工作原理

電子節(jié)溫器是在機(jī)械式節(jié)溫器的基礎(chǔ)上發(fā)展變化而來。在不通電的情況下，由冷卻液溫度來開啟，相當(dāng)于機(jī)械式節(jié)溫器，工作介質(zhì)為石蠟。有相應(yīng)的遲滯效應(yīng)，即水溫達(dá)到觸發(fā)溫度后，經(jīng)過一段時(shí)間開啟一定比例開口打開冷卻系統(tǒng)大循環(huán)。當(dāng)溫度變化時(shí)，節(jié)溫器開口上升和下降過程對應(yīng)的溫度是不同的，是非線性特征［1］。而電子節(jié)溫器內(nèi)部，有節(jié)溫器加熱器，即增加一個(gè)加熱電阻，在水溫達(dá)到讓傳統(tǒng)機(jī)械式節(jié)溫器開啟的溫度之前，由ECM控制加熱電阻對節(jié)溫器進(jìn)行提前調(diào)節(jié)，使發(fā)動(dòng)機(jī)溫度適應(yīng)當(dāng)前需求，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

故障車裝配的電子節(jié)溫器電路示意圖如圖1所示。E41發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液節(jié)溫器2號(hào)端子連接J111發(fā)動(dòng)機(jī)線束至電源正極，1號(hào)端子通過X1線束連接K20發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊的內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器。發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊 （K20） 發(fā)送脈寬調(diào)制信號(hào) （PWM），驅(qū)動(dòng)E41 節(jié)溫器加熱器，當(dāng)石蠟液化膨脹發(fā)生位移，節(jié)溫器閥門開啟，冷卻系統(tǒng)進(jìn)入大循環(huán)。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液節(jié)溫器加熱器控制著冷卻液流量并調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行溫度，與傳統(tǒng)機(jī)械式節(jié)溫器相比，電子節(jié)溫器具有更快響應(yīng)速度和更寬的工作溫度范圍。發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)電路可以監(jiān)測反饋電壓，以確定控制電路是否開路、對搭鐵短路或?qū)﹄妷憾搪贰?/p>

圖1 2010款通用英朗XT電子節(jié)溫器電路示意圖

2 電子節(jié)溫器故障診斷

根據(jù)故障代碼，分析電子節(jié)溫器工作原理，重點(diǎn)檢查節(jié)溫器工作情況。將點(diǎn)火開關(guān)置于OFF位置，斷開E41發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液節(jié)溫器加熱器與J111發(fā)動(dòng)機(jī)線束的連接器。測量E41節(jié)溫器加熱器端子1和端子2之間的電阻值為20.5Ω，查閱維修手冊得知此電子節(jié)溫器加熱電阻參數(shù)為15.2Ω±1.5Ω，測量結(jié)果表明電阻值偏大異常。再檢查是否存在其它電路故障，將點(diǎn)火開關(guān)置于ON位置，用萬用表檢測E41控制電路端子2和搭鐵之間有12V電壓，說明節(jié)溫器線束來電正常。檢查E41控制電路端子1和搭鐵之間電阻為無窮大，無搭鐵短路故障，但是觀察到1端子有污垢，可能存在線路故障。將點(diǎn)火開關(guān)置于OFF位置，斷開K20發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊的X1線束連接器，測試K20發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊X1線束端子43和搭鐵之間的電阻為無窮大，無搭鐵短路故障；測試K20發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊X1線束端子43和E41控制電路端子1之間的電阻為無窮大，說明電子節(jié)溫器加熱器至K20發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊之間線路有斷路故障，挑開E41控制電路端子1導(dǎo)線，發(fā)現(xiàn)底部污垢處導(dǎo)線已斷。

通過診斷結(jié)果判斷，此故障是由于節(jié)溫器加熱電阻損壞和E41控制電路端子1斷路造成。加熱器是節(jié)溫器的一部分，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液節(jié)溫器加熱器和節(jié)溫器殼體作為一個(gè)總成進(jìn)行維修。更換E41線束連接器與節(jié)溫器總成，維修端子1線路之后，運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)，故障燈熄滅，風(fēng)扇常轉(zhuǎn)現(xiàn)象消失，暖機(jī)正常，水溫升高后，風(fēng)扇正常開啟降溫，水溫穩(wěn)定，故障排除。

3 節(jié)溫器控制策略分析

ECM控制節(jié)溫器開度大小，主要是根據(jù)傳感器采集車輛信息及環(huán)境信息，在確保發(fā)動(dòng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，確定發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的目標(biāo)水溫，比較目標(biāo)水溫和實(shí)測發(fā)動(dòng)機(jī)水溫的水溫差，確定節(jié)溫器目標(biāo)開度，利用電子節(jié)溫器和風(fēng)扇的配合，控制實(shí)際水溫盡可能地接近目標(biāo)水溫。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示［2］。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻控制系統(tǒng)示意圖

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)節(jié)溫器實(shí)際工作情況

此故障車有兩個(gè)水溫傳感器，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度 （ECT）傳感器和散熱器冷卻液溫度 （RCT） 傳感器，分別監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)水溫與散熱器水溫。電子節(jié)溫器有機(jī)械故障防護(hù)功能，以防發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液節(jié)溫器加熱器出現(xiàn)電氣故障導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過高。機(jī)械節(jié)溫器在約104℃ （220°F） 時(shí)打開。機(jī)械節(jié)溫器將從104℃ （220°F） 循環(huán)至98℃ （208°F）［3］。

對維修后的車輛進(jìn)行試車，連接診斷儀讀取數(shù)據(jù)流，冷車起動(dòng)怠速，數(shù)據(jù)流顯示計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)需要的工作溫度為105℃，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度為50℃且持續(xù)上升，散熱器冷卻液溫度和進(jìn)氣溫度一致為常溫22℃。觀察風(fēng)扇不轉(zhuǎn)，觸摸節(jié)溫器連接前后水管冷熱分明，此時(shí)節(jié)溫器處于關(guān)閉狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)小循環(huán)暖機(jī)升溫。路試車輛，車速60km/h，觀察數(shù)據(jù)流，由于更換的新節(jié)溫器的設(shè)置是95℃開啟，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度上升至95℃時(shí)，散熱器水溫?cái)?shù)據(jù)由22℃逐漸升高，此時(shí)節(jié)溫器開啟大循環(huán)，利用散熱器迎風(fēng)散熱，風(fēng)扇處于停止?fàn)顟B(tài)。松油門減輕發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，散熱器水溫開始下降，但發(fā)動(dòng)機(jī)水溫始終維持95℃，說明節(jié)溫器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)冷卻液流量穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)溫度。持續(xù)運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)讓散熱器水溫升高至95℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫由95℃開始上升，直到105℃，此過程中發(fā)動(dòng)機(jī)水溫比散熱器水溫始終高2~3℃，此時(shí)散熱風(fēng)扇仍處于停止?fàn)顟B(tài)，節(jié)溫器全開。當(dāng)水溫超過105℃后，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫與散熱器水溫幾乎一致，直至散熱器水溫達(dá)到108℃，風(fēng)扇自動(dòng)開啟，散熱器水溫迅速下降，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫緩慢下降。此過程中節(jié)溫器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)流量，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫降至105℃時(shí)，風(fēng)扇停轉(zhuǎn)，散熱器水溫為96℃，進(jìn)氣溫度由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度較高，為37℃。風(fēng)扇停轉(zhuǎn)后，散熱器水溫開始回升，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫維持在105℃不變，直至散熱器水溫升高到108℃時(shí)，風(fēng)扇重新開啟降溫，如此反復(fù)，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫始終維持在其需要的工作溫度附近。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)水溫

通過試車可以觀察判斷出節(jié)溫器在正常工作中，根據(jù)實(shí)時(shí)水溫變化來調(diào)節(jié)冷卻液流量。而對節(jié)溫器的控制需要建立一個(gè)目標(biāo)水溫值，通過實(shí)測水溫與目標(biāo)水溫比較，確定出節(jié)溫器目標(biāo)開度，再由ECM輸出PWM信號(hào)控制節(jié)溫器開度來調(diào)節(jié)流量。目標(biāo)水溫的確定一般由傳感器采集信息，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況，每一種工況都需要有最適合的工作溫度，不同的工況對應(yīng)的適合溫度不相同，最終結(jié)合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)安全因素取最低值［4］。發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)水溫主要由以下幾個(gè)因素確定。

1） 根據(jù)進(jìn)氣量、轉(zhuǎn)速等影響發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷因素，結(jié)合車速、環(huán)境溫度等對迎風(fēng)散熱的影響因素確定目標(biāo)水溫T1。

2） 變速器冷卻需求確定目標(biāo)水溫T2。

3） 實(shí)測水溫超高閾值時(shí)將目標(biāo)水溫設(shè)定為安全值T3。

發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)水溫T目標(biāo)=min{T1，T2，T3}，當(dāng)節(jié)溫器發(fā)生故障時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)水溫恒為90℃［5］。

3.3 電子節(jié)溫器目標(biāo)開度

ECM根據(jù)目標(biāo)水溫與實(shí)測水溫的水溫差，確定電子節(jié)溫器目標(biāo)開度 （%），輸出PWM信號(hào)，即電子節(jié)溫器占空比，驅(qū)動(dòng)節(jié)溫器加熱器。而發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行和停機(jī)時(shí)，水溫的影響因素不同，ECM采用兩種控制策略來確定節(jié)溫器目標(biāo)開度。

3.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，水溫主要受到發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前工況的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、環(huán)境溫度、車速等因素影響，通過計(jì)算出的目標(biāo)水溫T目標(biāo)與實(shí)測水溫T實(shí)測比較，得出水溫差ΔT，ΔT=T目標(biāo)-T實(shí)測。

1） 若ΔT≥0，說明實(shí)測水溫偏低，還沒有達(dá)到目標(biāo)水溫，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該持續(xù)升溫，節(jié)溫器無需打開，節(jié)溫器目標(biāo)開度為0%，占空比為0%。

2） 若ΔT＜0，說明實(shí)測水溫較高，需要打開節(jié)溫器，實(shí)測水溫與目標(biāo)水溫差值越大，對應(yīng)的節(jié)溫器目標(biāo)開度越大。

3.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)熄火停機(jī)后，水溫仍處于較高狀態(tài)，節(jié)溫器并不會(huì)立即關(guān)閉，而是在熄火后一段時(shí)間內(nèi)保持開啟狀態(tài)，利用散熱器讓水溫更快地下降。節(jié)溫器的目標(biāo)開度及關(guān)閉時(shí)間取決于當(dāng)時(shí)水溫、環(huán)境溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間等因素。

發(fā)動(dòng)機(jī)熄火停機(jī)時(shí)，ECM立即開始計(jì)算停機(jī)時(shí)間，參考當(dāng)時(shí)的水溫與環(huán)境溫度，水溫越高，節(jié)溫器目標(biāo)開度越大，水溫降低目標(biāo)開度相應(yīng)減??；環(huán)境溫度越高，節(jié)溫器目標(biāo)開度相應(yīng)較大，環(huán)境溫度越低，則目標(biāo)開度較?。凰疁仉S停機(jī)時(shí)間降低，節(jié)溫器目標(biāo)開度根據(jù)停機(jī)時(shí)間進(jìn)行修正。

4 結(jié)語

電子節(jié)溫器發(fā)生故障，常常是由于加熱器電阻異常和電路故障引起的。節(jié)溫器故障時(shí)，ECM會(huì)控制風(fēng)扇常轉(zhuǎn)防止水溫過高，同時(shí)點(diǎn)亮故障燈。正常工作時(shí)，是由ECM通過各傳感器信號(hào)計(jì)算當(dāng)前最佳的目標(biāo)水溫，通過比較實(shí)測水溫的差值，確定節(jié)溫器目標(biāo)開度，轉(zhuǎn)換占空比信號(hào)并輸出，控制電子節(jié)溫器開度大小，調(diào)節(jié)冷卻液流量結(jié)合散熱器熱交換使發(fā)動(dòng)機(jī)在各工況下，工作于最佳的溫度范圍。