(聯(lián)合汽車電子有限公司，上海 201206)

0 前言

冬季嚴(yán)寒地區(qū)汽油發(fā)動機(jī)節(jié)氣門結(jié)冰是常見現(xiàn)象。為了解決結(jié)冰問題，國內(nèi)外工程技術(shù)人員進(jìn)行了各種節(jié)氣門體加熱保溫的工程方案研究，如在氣門體上設(shè)計加熱水道，在節(jié)氣門體上布置加熱阻抗等，利用熱能或電能進(jìn)行加熱保溫，以保證節(jié)氣門閥根據(jù)發(fā)動機(jī)指令運行[1]。為了盡量避免節(jié)氣門結(jié)冰，可以更改管路的走向，減少管路轉(zhuǎn)彎點，增大轉(zhuǎn)彎半徑，使呼吸管更加平直順滑，保證曲軸箱內(nèi)的混合氣體的流動性[2]。以上工程方案都需對發(fā)動機(jī)整體布置作較大的結(jié)構(gòu)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(jìn)行調(diào)查，找到電子節(jié)氣門結(jié)冰及電機(jī)燒毀的真正原因。在不改變發(fā)動機(jī)整體結(jié)構(gòu)與配置的前提下，更改電子節(jié)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(jié)氣門電機(jī)因結(jié)冰卡滯，造成的零部件失效。

1 故障描述

某整車廠冬季地區(qū)連續(xù)出現(xiàn)多起電子節(jié)氣門投訴，現(xiàn)象為發(fā)動機(jī)起動后抖動，加油無反應(yīng)，熱車后故障無法消除，同時故障燈亮起，需更換新的節(jié)氣門。失效地點多發(fā)生在內(nèi)蒙與外蒙交界處，如呼倫貝爾、扎蘭屯等地。發(fā)生故障的溫度多在-30 ℃，甚至可達(dá)到-38 ℃。

對故障節(jié)氣門分析，發(fā)現(xiàn)節(jié)氣門體閥板有水痕，閥板卡滯或回位不順暢，電機(jī)電阻異常，拆開后發(fā)現(xiàn)電機(jī)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(jī)燒毀

2 原因分析

2.1 故障車調(diào)查

現(xiàn)場對故障車調(diào)查，按車主習(xí)慣性的路線運行一段時間后，在室外停車，此時外部環(huán)境溫度的-30 ℃。拔除進(jìn)氣壓力傳感器，將內(nèi)窺鏡的探頭伸入進(jìn)氣歧管內(nèi)部，對進(jìn)氣歧管內(nèi)壁面、節(jié)氣門閥板處的結(jié)冰情況進(jìn)行觀察和拍照，如圖3～圖6所示。

圖3 發(fā)動機(jī)停機(jī)時刻

圖4 發(fā)動機(jī)停機(jī)25 min

圖5 發(fā)動機(jī)停機(jī)1 h

圖6 發(fā)動機(jī)停機(jī)12 h

圖3是發(fā)動機(jī)停機(jī)時拍攝的節(jié)氣門處的照片，可以看出，節(jié)氣門閥板與節(jié)氣門內(nèi)壁是光滑的，沒有水珠凝結(jié)。圖4是發(fā)動機(jī)停機(jī)25 min后拍攝的節(jié)氣門處的照片，節(jié)氣門內(nèi)壁逐漸積聚成水珠，最大的水珠已經(jīng)滑落到節(jié)氣門閥板處。圖5是發(fā)動機(jī)停機(jī)1 h后拍攝的節(jié)氣門處的照片，節(jié)氣門內(nèi)壁水汽已經(jīng)穩(wěn)定，并在節(jié)氣門閥板處匯聚成水。圖6是發(fā)動機(jī)停機(jī)12 h后拍攝的節(jié)氣門處的照片，節(jié)氣門內(nèi)壁水汽凝結(jié)成霜凍層，在節(jié)氣門閥板處有大量的冰，環(huán)繞在停機(jī)時的節(jié)氣門縫隙處。

對發(fā)動機(jī)停機(jī)12 h且節(jié)氣門閥板已經(jīng)結(jié)冰的車起動，并監(jiān)測電機(jī)控制占空比和電流，電機(jī)控制占空比在65%～100%之間，如圖7所示。在這個過程中，電機(jī)控制電流在4.5 A左右，超出電機(jī)正常的控制電流范圍。

圖7 節(jié)氣門閥板結(jié)冰車起動后電機(jī)占空比

2.2 調(diào)查結(jié)果與分析

對上述調(diào)查測量情況整理與分析，得出節(jié)氣門體結(jié)冰過程：當(dāng)故障車在極低的外部環(huán)境溫度運行時，高溫油氣通過呼吸管進(jìn)入進(jìn)氣歧管內(nèi)部，含有水蒸氣的高溫油氣與由節(jié)氣門進(jìn)入的冷空氣進(jìn)行交匯，在呼吸管和進(jìn)氣歧管處凝結(jié)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(nèi)殘余高溫氣體通過打開的氣門經(jīng)氣道竄流到進(jìn)氣歧管，呼吸管入口和歧管處冰融化呈現(xiàn)流淌狀態(tài)，由于節(jié)氣門的位置在進(jìn)氣歧管的最低位置，因此水流向節(jié)氣門，節(jié)氣門溫度一直保持與外部環(huán)境溫度一致，融化的水匯聚并凝結(jié)在關(guān)閉狀態(tài)下的節(jié)氣門閥板縫隙處。

圖8 發(fā)動機(jī)運行時呼吸管管口水珠

圖9 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管處冰球

在該過程中，用軟件記錄節(jié)氣門開度，發(fā)現(xiàn)節(jié)氣門目標(biāo)開度在0.1%左右，實際開度由于結(jié)冰卡滯在4%左右，測試結(jié)果見圖10。電子節(jié)氣門體控制系統(tǒng)中，為了使實際開度達(dá)到目標(biāo)開度，進(jìn)行了調(diào)節(jié)，電機(jī)控制占空比和電流值都超出正?？刂品秶?，節(jié)氣門電機(jī)在長時間大電流驅(qū)動下運轉(zhuǎn)發(fā)熱，導(dǎo)致燒毀。

圖10 節(jié)氣門閥板結(jié)冰車起動后節(jié)氣門開度

3 改進(jìn)方案

由于故障車已經(jīng)量產(chǎn)上市了一段時間，更改曲軸箱通風(fēng)設(shè)計或者氣門體上布置加熱水道，防止節(jié)氣門體結(jié)冰的方案，需對發(fā)動機(jī)整體布置做較大的結(jié)構(gòu)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(jié)氣門的控制進(jìn)行適當(dāng)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(fā)動機(jī)整體結(jié)構(gòu)的前提下，通過控制節(jié)氣門閥板動作，來消除凝結(jié)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(fā)動機(jī)水溫、進(jìn)氣溫度、轉(zhuǎn)速等)，使節(jié)氣門閥板向下止點附近的一個目標(biāo)值運動，如果能在指定時間內(nèi)到達(dá)目標(biāo)位置，就認(rèn)為節(jié)氣門體沒有結(jié)冰，從而退出破冰功能。如果未能到達(dá)目標(biāo)位置，則節(jié)氣門閥板在上下2個目標(biāo)值之間來回運動，用以撞擊結(jié)冰點，直到破冰成功。節(jié)氣門閥板可以達(dá)到上下判斷位置，或者達(dá)到最大破冰次數(shù)，退出破冰，如圖11所示。

圖11 破冰功能激活起動后節(jié)氣門開度

由于節(jié)氣門結(jié)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(shù)達(dá)到最大，仍達(dá)不到破冰目標(biāo)位置，退出破冰模式，報出節(jié)氣門故障，點亮故障燈，將故障寫入內(nèi)存，并使車輛進(jìn)入跛行功能。

4 結(jié)語

通過現(xiàn)場故障車調(diào)查，得到節(jié)氣門體結(jié)冰及電機(jī)過載燒毀真正原因。當(dāng)整車在極低的環(huán)境溫度運行時，含有水蒸氣的高溫油氣通過曲軸箱通風(fēng)管進(jìn)入進(jìn)氣歧管內(nèi)部，凝結(jié)成冰。停車后，氣缸高溫輻射及缸內(nèi)殘余高溫氣體竄流到進(jìn)氣歧管，凝結(jié)的冰融化成水，融水更易在節(jié)氣門閥板處凝結(jié)成冰。結(jié)冰導(dǎo)致節(jié)氣門體實際開度與目標(biāo)開度不一致，為了消除差異，控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)氣門電機(jī)占空比和電流都超出正?？刂品秶{(diào)節(jié)，長時間運轉(zhuǎn)累積發(fā)熱，電機(jī)燒毀。

針對上述節(jié)氣門電機(jī)失效過程，增加破冰功能，目的是通過控制節(jié)氣門閥板的動作，來消除凝結(jié)在節(jié)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。