寒區(qū)中冷卻液溫度傳感器失效柴油機(jī)性能研究

鄭鶴清

(北京福田戴姆勒汽車有限公司，北京 101499)

?

寒區(qū)中冷卻液溫度傳感器失效柴油機(jī)性能研究

鄭鶴清

(北京福田戴姆勒汽車有限公司，北京 101499)

在寒區(qū)中對(duì)一臺(tái)279.5 kW(380馬力)柴油機(jī)的冷卻液溫度傳感器進(jìn)行了失效處理，研究失效后發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇等因素對(duì)于汽車?yán)鋯?dòng)的影響，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，指出冷卻液溫度傳感器失效下存在的問題并提出一種基于機(jī)油溫度計(jì)算冷卻液溫度的優(yōu)化方案。

柴油機(jī)；冷卻液溫度傳感器；寒區(qū)試驗(yàn)；失效；冷啟動(dòng)

0　引言

隨著對(duì)車用柴油機(jī)提出更加緊湊及更大功率的設(shè)計(jì)要求，所有的柴油機(jī)都面臨著如何解決大功率下的冷卻問題。此外，日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)冷卻系統(tǒng)提出了新要求，冷卻系統(tǒng)工作性能的優(yōu)劣直接影響著整車動(dòng)力系統(tǒng)的性能。

冷卻系統(tǒng)主要由散熱器、冷卻水套、水泵、節(jié)溫器、水箱、傳感器、風(fēng)扇等組成[1]。冷卻液溫度傳感器是冷卻系統(tǒng)中至關(guān)重要的零件，ECU根據(jù)冷卻液溫度傳感器傳來的信號(hào)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)[2]。

在極端寒冷環(huán)境中，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器及其線束極容易產(chǎn)生凍裂、凍壞，發(fā)生疲勞、失效等傳感器降級(jí)現(xiàn)象，ECU接收不到冷卻液溫度信號(hào)，不能正確判斷發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損傷，因此研究發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器失效具有十分重要的意義。

1　發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度降級(jí)試驗(yàn)

所研究的柴油機(jī)為重型車用279.5 kW(380馬力)柴油機(jī)，變速箱為12JSD180TA，試驗(yàn)場(chǎng)地在黑河紅河谷試驗(yàn)場(chǎng)。

在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制程序時(shí)，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)執(zhí)行單元及傳感器進(jìn)行標(biāo)定，所有發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略也同時(shí)會(huì)寫到ECU中[3]。控制策略中,當(dāng)ECU接收不到冷卻液溫度信號(hào)的時(shí)候，會(huì)提供一個(gè)默認(rèn)的冷卻液溫度值，該值的大小將直接影響整車性能。默認(rèn)值太大，系統(tǒng)會(huì)通過降低噴油量來降低冷卻液溫度，而實(shí)際在寒區(qū)起車過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度是很低的，降低噴油量會(huì)導(dǎo)致冷卻液溫度上升慢，暖機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，駕駛室內(nèi)溫度上升慢，玻璃上除霜除雪時(shí)間長(zhǎng)，且低溫下摩擦磨損嚴(yán)重容易損傷發(fā)動(dòng)機(jī)；默認(rèn)值太小，系統(tǒng)會(huì)通過提升發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來提升冷卻液溫度，在實(shí)際形成過程中會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)水溫過高，甚至造成“開鍋”等現(xiàn)象，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的危害極大。因此作者設(shè)計(jì)了如下的試驗(yàn)用于找到合適的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器降級(jí)后默認(rèn)的冷卻液溫度值。

1.1試驗(yàn)方法

(1)試驗(yàn)前準(zhǔn)備：更換機(jī)油5w-40柴油機(jī)油、-35號(hào)柴油、低溫電瓶等。整車在-25 ℃停放10 h。

(2)實(shí)驗(yàn)開始前，監(jiān)測(cè)冷卻液溫度與環(huán)境溫度，當(dāng)冷卻液溫度與環(huán)境溫度差值小于5 ℃，判定發(fā)動(dòng)機(jī)已凍透，通過標(biāo)準(zhǔn)串行診斷儀診斷整車有無故障，并清除所有歷史故障，保證車輛的完整性。

(3)開始拔掉發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的接插口，拔掉發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器后確認(rèn)儀表板報(bào)出相應(yīng)故障代碼(即發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度信號(hào)錯(cuò)誤)。

(4)待進(jìn)氣加熱完成后，扭鑰匙門，進(jìn)行起動(dòng)。

1.2試驗(yàn)結(jié)果

記錄啟動(dòng)過程發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度、電池電壓、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速(ECM發(fā)出數(shù)據(jù))試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可以看出：冷卻液溫度傳感器降級(jí)后，ECM默認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度為100 ℃，ECU檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度高，判定需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻，控制風(fēng)扇全開，同時(shí)ECU檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)低扭矩輸出，噴油量減少，造成冷啟動(dòng)困難。

圖1　冷卻液溫度傳感降級(jí)后首次冷啟動(dòng)表現(xiàn)

重新接好發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器與ECU的接插口，清除所有發(fā)動(dòng)機(jī)故障，確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳狀態(tài)，待進(jìn)氣加熱完成后，扭鑰匙門，進(jìn)行起動(dòng)，啟動(dòng)成功。

1.3優(yōu)化分析

基于此提出更改發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器降級(jí)后默認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度為-20 ℃。驗(yàn)證在水溫為-20 ℃時(shí)，車輛能夠正常冷啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間滿足要求，但在車輛行駛過程中有風(fēng)險(xiǎn)，默認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫低，風(fēng)扇一直處于低速運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)際冷卻液溫度高，發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷大造成零部件熱疲勞、過熱產(chǎn)生裂紋，零部件磨損加劇，發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性降低。

更改控制邏輯，通過機(jī)油溫度得到冷卻液溫度。令TC=K×TO(TC為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度，TO為機(jī)油溫度，K為系數(shù))，車輛在使用的過程中冷卻液溫度與機(jī)油溫度上升趨勢(shì)相同，通過系數(shù)K對(duì)冷卻液溫度進(jìn)行補(bǔ)償，系數(shù)K計(jì)算得好，計(jì)算求得發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度越接近真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度，文中提出一種K值求法。采用輸出的拉普拉斯變換與輸入的拉普拉斯變換的比值，因?yàn)楣こ虦y(cè)試系統(tǒng)一般均為穩(wěn)態(tài)系統(tǒng),其傳遞函數(shù)與其他輸入沒有關(guān)系，且能夠反映系統(tǒng)的全部特征。

(1)

顯然K(jω)為一復(fù)函數(shù)，任一復(fù)數(shù)均可以寫成如下形式

K(jω)=P(ω)+jQ(ω)=A(w)∠φ(ω)

(2)

1.4結(jié)果驗(yàn)證

通過傅立葉變換計(jì)算可以得到總體的變化情況，但為了更加精確地計(jì)算結(jié)果，需要試驗(yàn)結(jié)果的再次驗(yàn)證。更改控制策略使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度等于機(jī)油溫度后冷啟動(dòng)(即系數(shù)K為1)，重復(fù)第1.1節(jié)中試驗(yàn)方法并記錄發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、機(jī)油溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度等相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)效果如圖2所示。

圖2　發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度等于機(jī)油溫度后啟動(dòng)效果

從圖2中可以看出：冷卻液溫度傳感器降級(jí)后，更改ECM默認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度為-20 ℃， ECU檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度低判定無需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻，同時(shí)ECU檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)低扭矩輸出，噴油量增加以加快對(duì)冷卻液升溫，冷啟動(dòng)容易。

2　結(jié)論

寒區(qū)中氣溫低，車輛在行駛過程中很容易造成傳感器的損壞，對(duì)傳感器進(jìn)行降級(jí)試驗(yàn)是十分必要的。降級(jí)后發(fā)動(dòng)機(jī)默認(rèn)冷卻液溫度為100 ℃，默認(rèn)冷卻液溫度高造成冷啟動(dòng)困難，發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間變長(zhǎng)，在低溫下的摩擦磨損加劇，發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命降低；發(fā)動(dòng)機(jī)默認(rèn)冷卻液溫度低則會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷大，零部件可靠性降低。通過更改控制策略，令發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度等于機(jī)油溫度乘以一個(gè)系數(shù)，可以解決上述問題，并在寒區(qū)中得到驗(yàn)證，可以正常冷啟動(dòng)，關(guān)聯(lián)風(fēng)險(xiǎn)小[4]。

缺點(diǎn)及不足：

(1)雖然考慮用拉普拉斯變換求得系數(shù)K值，但在試驗(yàn)的過程中由于時(shí)間關(guān)系只令K=1,驗(yàn)證在功能上能夠?qū)崿F(xiàn)。

(2)由于傳感器降級(jí)，出于安全考慮只分析了整車在冷啟動(dòng)及怠速過程中的表現(xiàn)，動(dòng)態(tài)測(cè)試未得到驗(yàn)證。

【1】張強(qiáng)，李娜,王志明.車用柴油機(jī)缸蓋冷卻水腔的CFD分析[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2005(6)：59-62.

ZHANG Q,LI N,WANG Z M.CFD Analysis of Cooling Water-jacket in Cylinder Head for Automotive Diesel Engine[J].Vehicle Engine,2005(6)：59-62.

【2】翟麗，郭新民.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的智能控制[J].工業(yè)設(shè)計(jì)，2012(5)：61-62.

ZHAI L,GUO X M.The Intelligent Control of Auto Engine Cooling System[J].Auto Electric Parts,2012(5)：61-62.

【3】TOYODY T,INOUE T,MITSUDA T,et al.Some of the New Control Strategies for Electronic Engine Control System[C]//Third International Conference on Automotive Electronics,1981:61-68.

【4】韓松.車用發(fā)動(dòng)機(jī)智能冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)問題研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

Study on the Performance of Diesel Engine under Coolant Temperature Sensor Failure in Cold Area

ZHENG Heqing

(Beijing Foton Daimler Automotive Co.,Ltd., Beijing 101499,China)

Failure treatment to coolant temperature sensor in a 279.5 kW(380 horsepower)diesel engine was carried out in cold area.The influences of automobile cold start were studied after the failure treatment，such as engine coolant temperature, engine speed, fan and so on.Through analysis on test data,some problems were pointed out on the coolant temperature sensor failure condition, and a optimization scheme was proposed in which coolant temperature was calculated based on oil temperature.

Diesel engine;Coolant temperature sensor; Cold test; Failure; Cold start

2016-06-03

鄭鶴清(1980—)，男，碩士，研究方向?yàn)槠嚋y(cè)試技術(shù)。E-mail：18810170360@163.com。

U464

B

1674-1986(2016)08-076-02