某直噴增壓發動機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中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

某直噴增壓發動機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中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

水溫傳感器（CTS）是發動機電子控制系統的重要傳感器，一旦失效，系統將報故障碼和點亮故障燈，甚至引起噴油燃燒異常，發動機損壞。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。通過現場調研、機理研究及5 Why分析，找到了故障發生的根本原因是線束絕緣失效以及生產過程缺少靜電防護。并通過試驗進行了故障的再現性驗證，最終成功解決了水溫傳感器失效故障問題。

發動機水溫傳感器熱敏電阻開路絕緣失效靜電

引言

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

1　問題描述

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

圖1　各月案例發生數量統計

由于ECU報故障碼導致車輛儀表上發動機故障燈常亮，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，發動機的噴油脈寬控制、燃燒可能存在異常，排放、油耗可能惡化，存在潛在發動機損壞風險，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發動機生產批次排查

通過圖1故障案例發生時間分析，4～10月均有發生，4月發生4例故障，數量較多，但無明顯規律。排查此10例故障發動機的生產批次，發現故障車生產日期集中在2015年3、4、5三個月份，其中3、4月份生產發動機占90%，如圖2所示。

圖2　案例車輛生產日期統計

2.2水溫傳感器批次排查

通過分析得知，案例發動機生產時間集中在3、4、5月份，規律比較明顯，懷疑與發動機水溫傳感器生產批次相關，排查案例故障水溫傳感器批次，發現全部為A0001同一個批次，該批次件總數量達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%，統計如圖3所示。據此判斷，售前車輛就發生問題，因此，此故障與生產過程關系較大。

圖3　故障車輛類型統計

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，發現均為小于1 000 km的短里程，其中三例為0 km即發生故障。圖4為故障車輛行駛里程統計結果。

圖4　故障車行駛里程統計

2.5故障排查總結

通過對故障車輛的情況調查，發現目前發生的10例發動機水溫傳感器損壞（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，問題集中發生在生產此批車輛的3、4、5月份，售前車占60%，因此初步判斷此問題為發動機水溫傳感器批次生產質量控制問題。

3　失效機理分析

3.1故障碼解析

查閱發動機ECM電控系統OBD手冊，P0118故障碼解析如下：

P0118故障碼定義：發動機水溫傳感器高電壓或斷路；

檢測啟動條件：發動機運行時間大于120 s；

故障判定標準：ECM監測到傳感器電壓（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、或對電源短路；

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OBD說明手冊關于水溫傳感器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容［5］，下一步將具體逐項排查。在具體排查之前，先簡要介紹一下發動機水溫傳感器的工作原理。

3.2水溫傳感器工作原理

水溫傳感器結構如圖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，接插件構成一個整體。

圖5　水溫傳感器結構圖

水溫傳感器的核心部件是一個具有負溫度系數的熱敏電阻，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關系。當電流一定時，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現對溫度的測量。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。進行水溫傳感器pin1、pin2電壓檢查，發現水溫傳感器與ECM之間處于開路狀態。因此可以判定這是發生P0118故障碼的直接原因。現在的問題是，為什么會發生開路故障呢？

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

檢查結果發現，在水溫傳感器的熱敏電阻兩端的pin腳焊錫出現熔化，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象。具體細節參見圖8水溫傳感器焊錫細節圖。根據上述研究結果，判斷焊錫流失直接導致了熱敏電阻與pin腳之間開路，這就是為什么檢測發現水溫傳感器與ECM之間開路的原因。

圖8　水溫傳感器焊錫細節圖

剖切檢查發現焊錫熔化流失導致開路，問題直接原因已經查明，但是新的問題是，為什么會出現焊錫熔化呢？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　現場調查及5 Why分析

5.1現場調查

水溫傳感器為什么會發生損壞，生產現場到底有無問題，通過現場調查發動機的裝配過程發現，水溫傳感器裝在發動機上，在熱試臺架上正式磨試運轉前后，有一個臺架試驗線束接插件與之對接拆裝的過程。進一步調查發現，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。且現場發現一條線束絕緣皮已經有磨損痕跡，這可能存在絕緣失效隱患。現場抽取線束進行絕緣檢測，結果如表1所示。抽查的六條線束中，其中兩條有問題：線束5直接導通，線束6絕緣電阻僅1 240 MΩ，不滿足絕緣標準大于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，對水溫傳感器生產安裝過程也進行了排查，主要排查水溫傳感器在生產安裝過程損壞的可能性。首先對供應商的水溫傳感器生產過程進行了排查，發現的問題是水溫傳感器生產過程缺少防靜電措施。其次，在發動機工廠，在水溫傳感器往發動機本體安裝過程中，工人們拿取零部件時也同樣缺少靜電防護措施。

5.25why分析

針對調查失效件發現的水溫傳感器pin腳與熱敏電阻之間的焊錫存在熔化、流失移位問題，結合生產線現場實際調查發現的絕緣失效及靜電防護缺失問題，采用5 why（5 W）方法對此問題進行剖析，如圖9所示。

通過反復對失效機理連續詢問五個為什么的分析過程，結合在生產現場實際調查，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：

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）水溫傳感器生產過程中缺少靜電防護措施。

5.3失效機理研究

通過上述分析，可以推測系統由于靜電或者絕緣失效，存在大電流通過水溫傳感器，進而傳感器熱敏電阻處產生大量焦耳熱，傳感器來不及散熱，導致傳感器溫度上升；熱敏電阻為負溫度系數材料，溫度升高熱敏電阻值降低，造成電流進一步增大，產生循環雪崩效應。電阻本體溫度升高達到焊錫熔點（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針熱膨脹系數不同，導致熱敏電阻和pin針在高溫時產生開路。下一步將進行試驗驗證上述分析。

圖9　水溫傳感器損壞5 W分析

6　驗證試驗

驗證試驗方案如圖10所示，進行水溫傳感器兩端電壓加載試驗，分試驗a和試驗b。試驗a為異常電壓竄入水溫傳感器，試驗b為正常ECM實際電路接法。此試驗主要模擬在正常電路及裝機生產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　模擬失效驗證電路圖

說明：圖10中R為水溫傳感器實際接入ECM時（正常工作時）串聯的電阻。R實際集成于ECU內部。

模擬失效驗證效果：兩組試驗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證結果

驗證結果說明如下：

試驗a模擬異常電壓直接加載于水溫傳感器pin腳，試驗結果表明，若水溫傳感器加載電壓≥7 V時，22 min內，傳感器熱敏電阻兩端焊錫即熔化流失、移位，如圖11所示，水溫傳感器試驗前后對比，失效模式同市場反饋案例一致。試驗證明，電壓越大，傳感器焊錫發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內即可出現上述失效問題。

試驗b加載電壓最大達到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失效，符合電氣設計規范要求。

圖11　模擬失效試驗結果

7　解決對策方案

試驗證明，在生產過程中的大電壓可能對水溫傳感器產生永久損傷，從5W分析可以發現，目前生產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行絕緣性能檢測，對不合絕緣標準的線束進行更換。

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

8　對策效果

在發動機磨試生產線實施線束絕緣監測，每月更換老化失效線束，以及水溫傳感器生產線、發動機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6個月的生產驗證，生產3.2萬臺發動機，水溫傳感器故障率降為0，相比措施實施之前2.77‰的故障率，整改效果明顯。對于市場已經流出的3 500臺可能存在隱患的發動機，通過試驗驗證及調查分析，此種故障大都出現在生產或者出廠初期環節，對于銷售到市場未報故障的發動機，評估水溫傳感器生產過程沒有受到異常電壓沖擊，正常使用不會有問題，因此后續發生此類故障的概率低。

9　結論

對于較為先進的直噴增壓發動機，電控系統的各類傳感器猶如人體神經末梢，非常重要。一旦傳感器失效，將可能出現報故障碼、故障燈點亮等異常情況，引起顧客抱怨。本文通過對某直噴增壓發動機水溫傳感器的典型市場失效案例進行分析研究，同時結合應用5 Why分析法找到了問題的根本原因。整個過程通過大量現場數據調查，剖析其工作原理，研究水溫傳感器系統組成結構，失效機理，并通過試驗驗證的方式再現了故障。在針對性地采取臺架線束絕緣性能控制以及生產過程各項防靜電措施之后，圓滿解決了水溫傳感器失效問題。

1周龍保.內燃機學［M］.北京：機械工業出版社，2012

2黃靖雄，賴瑞海.汽車電子控制技術［M］.北京：人民交通出版社，2011

3李駿.汽車發動機節能減排先進技術［M］.北京：北京理工大學出版社，2011

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

5王金，肇世華，張泰源，等.汽車水溫傳感器的檢測與故障分析［J］.科技創新與應用，2014（1）：110

6徐增祥，李霞霞.汽油發動機水溫傳感器檢測與故障分析［J］.汽車實用技術，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，主要研究方向為發動機零部件設計及發動機整機研究開發。

2016-03-22）