應對電子節氣門體結冰的控制策略

(聯合汽車電子有限公司，上海 201206)

0 前言

冬季嚴寒地區汽油發動機節氣門結冰是常見現象。為了解決結冰問題，國內外工程技術人員進行了各種節氣門體加熱保溫的工程方案研究，如在氣門體上設計加熱水道，在節氣門體上布置加熱阻抗等，利用熱能或電能進行加熱保溫，以保證節氣門閥根據發動機指令運行[1]。為了盡量避免節氣門結冰，可以更改管路的走向，減少管路轉彎點，增大轉彎半徑，使呼吸管更加平直順滑，保證曲軸箱內的混合氣體的流動性[2]。以上工程方案都需對發動機整體布置作較大的結構與配置變動，帶來不可避免的成本增加。

本文針對投訴車輛進行調查，找到電子節氣門結冰及電機燒毀的真正原因。在不改變發動機整體結構與配置的前提下，更改電子節氣門的控制策略，增加破冰及車輛故障跛行報警功能，從而避免節氣門電機因結冰卡滯，造成的零部件失效。

1 故障描述

某整車廠冬季地區連續出現多起電子節氣門投訴，現象為發動機起動后抖動，加油無反應，熱車后故障無法消除，同時故障燈亮起，需更換新的節氣門。失效地點多發生在內蒙與外蒙交界處，如呼倫貝爾、扎蘭屯等地。發生故障的溫度多在-30 ℃，甚至可達到-38 ℃。

對故障節氣門分析，發現節氣門體閥板有水痕，閥板卡滯或回位不順暢，電機電阻異常，拆開后發現電機燒毀[3-4]，如圖1和圖2所示。

圖1 閥板有水漬的失效門體

圖2 失效件電機燒毀

2 原因分析

2.1 故障車調查

現場對故障車調查，按車主習慣性的路線運行一段時間后，在室外停車，此時外部環境溫度的-30 ℃。拔除進氣壓力傳感器，將內窺鏡的探頭伸入進氣歧管內部，對進氣歧管內壁面、節氣門閥板處的結冰情況進行觀察和拍照，如圖3～圖6所示。

圖3 發動機停機時刻

圖4 發動機停機25 min

圖5 發動機停機1 h

圖6 發動機停機12 h

圖3是發動機停機時拍攝的節氣門處的照片，可以看出，節氣門閥板與節氣門內壁是光滑的，沒有水珠凝結。圖4是發動機停機25 min后拍攝的節氣門處的照片，節氣門內壁逐漸積聚成水珠，最大的水珠已經滑落到節氣門閥板處。圖5是發動機停機1 h后拍攝的節氣門處的照片，節氣門內壁水汽已經穩定，并在節氣門閥板處匯聚成水。圖6是發動機停機12 h后拍攝的節氣門處的照片，節氣門內壁水汽凝結成霜凍層，在節氣門閥板處有大量的冰，環繞在停機時的節氣門縫隙處。

對發動機停機12 h且節氣門閥板已經結冰的車起動，并監測電機控制占空比和電流，電機控制占空比在65%～100%之間，如圖7所示。在這個過程中，電機控制電流在4.5 A左右，超出電機正常的控制電流范圍。

圖7 節氣門閥板結冰車起動后電機占空比

2.2 調查結果與分析

對上述調查測量情況整理與分析，得出節氣門體結冰過程：當故障車在極低的外部環境溫度運行時，高溫油氣通過呼吸管進入進氣歧管內部，含有水蒸氣的高溫油氣與由節氣門進入的冷空氣進行交匯，在呼吸管和進氣歧管處凝結成水，部分凝聚成冰，如圖8和圖9所示。停車后，由于氣缸高溫輻射及缸內殘余高溫氣體通過打開的氣門經氣道竄流到進氣歧管，呼吸管入口和歧管處冰融化呈現流淌狀態，由于節氣門的位置在進氣歧管的最低位置，因此水流向節氣門，節氣門溫度一直保持與外部環境溫度一致，融化的水匯聚并凝結在關閉狀態下的節氣門閥板縫隙處。

圖8 發動機運行時呼吸管管口水珠

圖9 發動機進氣歧管處冰球

在該過程中，用軟件記錄節氣門開度，發現節氣門目標開度在0.1%左右，實際開度由于結冰卡滯在4%左右，測試結果見圖10。電子節氣門體控制系統中，為了使實際開度達到目標開度，進行了調節，電機控制占空比和電流值都超出正常控制范圍，節氣門電機在長時間大電流驅動下運轉發熱，導致燒毀。

圖10 節氣門閥板結冰車起動后節氣門開度

3 改進方案

由于故障車已經量產上市了一段時間，更改曲軸箱通風設計或者氣門體上布置加熱水道，防止節氣門體結冰的方案，需對發動機整體布置做較大的結構變動，除了帶來成本增加之外，還需要大量時間與測試驗證[5-6]。

對節氣門的控制進行適當更改，增加破冰及車輛故障跛行報警功能，目的是在不改變發動機整體結構的前提下，通過控制節氣門閥板動作，來消除凝結在閥板處的冰。其具體原理如下：每次上電時，如果滿足破冰條件(如發動機水溫、進氣溫度、轉速等)，使節氣門閥板向下止點附近的一個目標值運動，如果能在指定時間內到達目標位置，就認為節氣門體沒有結冰，從而退出破冰功能。如果未能到達目標位置，則節氣門閥板在上下2個目標值之間來回運動，用以撞擊結冰點，直到破冰成功。節氣門閥板可以達到上下判斷位置，或者達到最大破冰次數，退出破冰，如圖11所示。

圖11 破冰功能激活起動后節氣門開度

由于節氣門結冰狀況存在很大差異性，從實際效果看，即使激活破冰功能也不能保證100%除冰。待破冰撞擊次數達到最大，仍達不到破冰目標位置，退出破冰模式，報出節氣門故障，點亮故障燈，將故障寫入內存，并使車輛進入跛行功能。

4 結語

通過現場故障車調查，得到節氣門體結冰及電機過載燒毀真正原因。當整車在極低的環境溫度運行時，含有水蒸氣的高溫油氣通過曲軸箱通風管進入進氣歧管內部，凝結成冰。停車后，氣缸高溫輻射及缸內殘余高溫氣體竄流到進氣歧管，凝結的冰融化成水，融水更易在節氣門閥板處凝結成冰。結冰導致節氣門體實際開度與目標開度不一致，為了消除差異，控制系統進行節氣門電機占空比和電流都超出正常控制范圍調節，長時間運轉累積發熱，電機燒毀。

針對上述節氣門電機失效過程，增加破冰功能，目的是通過控制節氣門閥板的動作，來消除凝結在節氣門閥板處的冰，破冰失敗的話，車輛故障跛行報警，從而避免了零部件的失效。