發(fā)動機冷卻系統(tǒng)國六OBD 診斷策略的研究

王 博 崔 凱 劉 方 叢日振 劉曉瑩 盧振東

（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

隨著國家汽車污染物排放法規(guī)要求的不斷提高，對OBD 系統(tǒng)的要求也日益嚴(yán)格。OBD 系統(tǒng)通過車內(nèi)發(fā)動機電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU），監(jiān)測車輛在實際使用時排放系統(tǒng)的工作狀況，確保有效控制在用機動車的排放[1]。車輛出現(xiàn)故障時，OBD 系統(tǒng)可通過點亮故障指示燈（Malfunction Indicator Light，MIL）通知駕駛員，同時存儲故障代碼、凍結(jié)幀等信息。維修人員可通過診斷工具讀取ECU 內(nèi)相關(guān)故障信息，以便對車輛進行維修[1]。

國六OBD 新增對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的檢測，主要是判斷大循環(huán)系統(tǒng)是否有泄露故障，故障模式一般是節(jié)溫器卡滯或失效導(dǎo)致大循環(huán)提前開啟。大循環(huán)提前打開勢必延長發(fā)動機溫升時間，增加燃油消耗及惡化尾氣排放。OBD 系統(tǒng)診斷主要分為兩種模式，一種是增加二路水溫傳感器，通過采集節(jié)溫器后管路溫升來監(jiān)控節(jié)溫器是否泄漏。另一種診斷模式是模型對比法，在傳統(tǒng)一路水溫傳感器基礎(chǔ)上，ECU 對測得的實際水溫與模型水溫進行對比，在一定條件下，如果實際水溫大于模型水溫并超過閾值，則開始報碼提醒。本文重點介紹發(fā)動機冷卻循環(huán)系統(tǒng)控制原理和診斷模式，并通過失效案例的解析，提高大家對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)水溫檢測傳感器和管路布置的了解，為診斷模式選擇提供幫助。

1 發(fā)動機冷卻循環(huán)結(jié)構(gòu)和原理

1.1 冷卻系統(tǒng)介紹

汽車發(fā)動機的冷卻系為強制循環(huán)水冷系，即利用水泵提高冷卻液的循環(huán)壓力，強制冷卻液在發(fā)動機中循環(huán)流動。冷卻系主要由水泵、散熱器、冷卻風(fēng)扇、補償水箱、節(jié)溫器、發(fā)動機機體和氣缸蓋中的水套以及附屬裝置等組成。冷卻循環(huán)分為大、小循環(huán)，其中大循環(huán)是水溫高時發(fā)動機內(nèi)部的高溫水經(jīng)過散熱器進行的循環(huán)流動；小循環(huán)是水溫低時，水不經(jīng)過散熱器進行的循環(huán)流動，從而加快水溫升高。

冷卻系的大、小循環(huán)通常利用節(jié)溫器來控制通過散熱器的冷卻水流量。節(jié)溫器裝在冷卻水循環(huán)的通路中(一般裝在氣缸蓋的出水口),根據(jù)發(fā)動機負荷大小和水溫的高低自動改變水的循環(huán)流動路線，以達到調(diào)節(jié)冷卻系的冷卻強度，如圖1 所示。

圖1 冷卻系統(tǒng)控制示意圖

1.2 節(jié)溫器結(jié)構(gòu)與原理介紹

1.2.1 節(jié)溫器的構(gòu)造

節(jié)溫器作為冷卻系統(tǒng)的核心零件，其主要作用是控制冷卻液進入散熱器的流量大小，直接影響發(fā)動機的工作溫度[2]，節(jié)溫器可以按水溫高低自動調(diào)節(jié)冷卻水的循環(huán)流量和改變水的循環(huán)范圍。有彈簧箱式和蠟式兩種，目前廣泛采用蠟式節(jié)溫器，一般裝在缸蓋水套出水口處。蠟式熱敏材料具有溫控準(zhǔn)確，工作穩(wěn)定，耐熱、耐壓、耐凍，使用壽命長等特點。

主要結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 節(jié)溫器結(jié)構(gòu)及原理

1.2.2 工作原理

感應(yīng)體是由感應(yīng)體殼和蓋組成的剛性密封空間，在此空間插入下端制成錐體的推桿，推桿上端與主閥連接，下端有橡膠管，膠管與感應(yīng)體殼所形成的環(huán)形空間，填滿低熔點的白蠟和石蠟或鋁粉和石蠟的混合劑。彈簧一端支承在殼體上，另一端抵壓在主閥的彈簧座上，主、副閥都與推桿聯(lián)動。當(dāng)出水溫度低于90±2 ℃時（不同發(fā)動機有所差異），主閥關(guān)閉，副閥全開。冷卻水不經(jīng)散熱器，直接回水泵進行小循環(huán)。當(dāng)出水溫度高于105±2 ℃時（不同發(fā)動機有所差異），石蠟混合劑開始熔化，體積膨脹，擠壓膠管，在推桿錐體上產(chǎn)生軸向分力，迫使推桿壓縮彈簧上移，主閥開啟，關(guān)閉副閥。隨水溫不斷升高，主閥逐漸開大，副閥逐漸關(guān)小。此時既有大循環(huán)又有小循環(huán)。當(dāng)出水溫度達到95 ℃時，主閥全開，副閥全關(guān)，冷卻水進行大循環(huán)[3]，如圖2 所示。

精確測量時可拆下節(jié)溫器置于水中，并逐步加熱，用溫度計測量水溫并觀察節(jié)溫器主副閥開啟和關(guān)閉情況，并測出升程。如達不到技術(shù)指標(biāo)應(yīng)更換。

2 冷卻系統(tǒng)泄漏的OBD 診斷控制邏輯

診斷主要分為兩種模式，一種是通過增加二路水溫傳感器，監(jiān)控節(jié)溫器是否泄漏；另一種是模型對比法，是在傳統(tǒng)一路水溫傳感器基礎(chǔ)上，ECU 通過測量實際水溫并與模型水溫對比，在一定條件下，如果實際水溫大于模型水溫并超過閾值后，開始報碼提醒。

2.1 二路水溫控制邏輯介紹

正常情況：節(jié)溫器關(guān)閉，第一水溫傳感器溫度升高，而第二水溫傳感器冷卻水溫度基本不變；當(dāng)?shù)谝凰疁貍鞲衅鳒囟冗_到90±5 ℃時，節(jié)溫器打開，第二水溫傳感器溫度升高，為正?，F(xiàn)象。

有故障情況：第二路水溫初始在45 ℃以下，啟動發(fā)動機后，在一定的時間內(nèi)，第一水溫傳感器監(jiān)控水溫在70 ℃以下，如果二路水溫溫升超過閾值（閾值與初始水溫有關(guān)，閾值設(shè)置可參考表1 所示），則在第一次觸發(fā)時，后臺記錄；二次觸發(fā)時才會點亮儀表上故障燈，如圖3 所示。

表1 診斷閾值設(shè)定表 ℃

圖3 二路水溫控制邏輯示意圖

2.2 模型水溫控制邏輯介紹

ECU 監(jiān)測ECT1 信號持續(xù)性偏低故障（信號偏移）。

冷機起動暖機階段，比較模型的估計溫度和實際發(fā)動機冷卻液溫度。當(dāng)估計溫度滿足進入條件并在達到最大評估時間之前，計算平均溫差。

根據(jù)起動時發(fā)動機冷卻液溫度的評估時間（這是滿足所有進入條件的累積時間），并且允許計算基于模型的溫度和實際溫度之間的平均差異。如果ECT1 信號（tmotlin）持續(xù)小于模型水溫（tmrw），差值大于閾值，則報出故障，模型水溫控制簡圖如圖4所示。

圖4 模型水溫控制簡圖

3 案例分析

3.1 案例1：基于二路水溫控制的失效案例

3.1.1 問題描述

試驗環(huán)境溫度36℃，發(fā)動機啟動前初始水溫32℃，二路水溫32 ℃，冷機啟動，踩油門至轉(zhuǎn)速4 000 r/min，在節(jié)溫器打開前（發(fā)動機水溫約90 ℃），二路水溫溫升最大達64.9 ℃，發(fā)動機故障燈亮，報P012800（節(jié)溫器性能不合理）故障，如圖5 所示。

圖5 故障車水溫曲線圖

3.1.2 原因分析

二路水溫傳感器布置不合理，發(fā)動機高轉(zhuǎn)速條件下，可能存在額外的循環(huán)對流，從而影響第二路位置的溫升，水溫傳感器布置如圖6 所示。

圖6 二路水溫傳感器及部分水循環(huán)管路

3.1.3 失效原因分析

1）CFD 傳熱結(jié)果分析

伴隨發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)及其水溫溫升的特點，（300 s 后，水溫由30 ℃升到90 ℃），通過CFD 模擬分析，第二溫度傳感器位置的溫升上升到60 ℃，與問題描述的（溫升68 ℃）現(xiàn)象基本一致，系統(tǒng)溫度分布如圖7 所示，溫升曲線如圖8 所示。

圖7 系統(tǒng)溫度分布云圖

圖8 溫升曲線

2）速度場分布分析

通過對發(fā)動機進水管內(nèi)部截面的流場以及流跡線分析：小循環(huán)在暖風(fēng)回路后面，小循環(huán)流量大，在管路的尾部，會產(chǎn)生大面積的渦流截渦流形且行程距離較遠，使小循環(huán)回路的高溫?zé)崴畷粠У降诙疁貍鞲衅鞲咏咏膮^(qū)域，在冷卻介質(zhì)的熱傳導(dǎo)作用下，從而加速第二溫度傳感器區(qū)域的溫升速率，如圖9 所示。

3.1.4 整改方案驗證

對換發(fā)動機小循環(huán)管路、暖風(fēng)水管與發(fā)動機進水管連接位置，如圖10 所示。

圖10 對換發(fā)動機小循環(huán)、暖風(fēng)水管與發(fā)動機進水管

調(diào)整水管兩個回路的進口條件，在同樣條件下（300 s 水溫由30 ℃升到90 ℃），通過CFD 模擬分析、流場分析、試車驗證，第二溫度傳感器位置沒有溫度上升，詳細的溫度場分布、溫升曲線、試車分析水溫曲線分別如圖11、12、13 所示。

圖11 整改后溫度場分布圖

圖12 第二溫度傳感器溫升曲線

圖13 實車采集水溫傳感器曲線

3.1.5 問題橫展排查

第二路水溫傳感器布置在發(fā)動機水管上容易產(chǎn)生大面積的渦流截渦流，造成誤判的產(chǎn)生，因此建議將第二溫度傳感器位置由散熱器出水管移到散熱器上，如圖14 所示。

圖14 二路水溫傳感器布置方案

3.2 案例2：基于模型監(jiān)控的失效案例

3.2.1 故障現(xiàn)象

車輛下線后正常路試檢查過程中發(fā)動機故障燈點亮，讀取故障碼：報012807 冷卻液溫控器（冷卻液溫度低于溫控器調(diào)節(jié)溫度）機械故障，車輛靜置一夜，次日冷啟動（初始水溫18 ℃），怠速運行約5 min（水溫40 ℃時），用手觸摸水箱進/出水管開始發(fā)熱，采集水溫曲線顯示溫升遠遠低于正常車溫升曲線，如圖15 所示，懷疑大循環(huán)提前打開。

圖15 實車采集水溫傳感器溫度曲線

3.2.2 失效原因

節(jié)溫器感應(yīng)體密封失效，蠟包進水，導(dǎo)致節(jié)溫器早開（故障53 ℃，正常90 ℃），對比正常件節(jié)溫器溫升曲線，顯示故障節(jié)溫器在53 ℃開始打開，如圖16、17所示。

圖16 節(jié)溫器感應(yīng)體密封失效

圖17 故障/正常節(jié)溫器升溫曲線

4 結(jié)論

1）國家嚴(yán)苛的法規(guī)要求旨在通過一系列手段能夠及時發(fā)現(xiàn)故障并遏制，避免環(huán)境污染。

2）通過兩種失效案例及監(jiān)控的結(jié)果看，兩種模式均能實現(xiàn)水循環(huán)故障的監(jiān)控，從成本角度考慮，模型法更具優(yōu)勢。

3）二路水溫監(jiān)控方法監(jiān)控更精確，但對水溫傳感器、冷卻循環(huán)管路合理性有一定要求，通過本文案例描述可以對后期的傳感器布置提供一些借鑒。