寒区中冷却液温度传感器失效柴油机性能研究

郑鹤清

(北京福田戴姆勒汽车有限公司，北京 101499)



寒区中冷却液温度传感器失效柴油机性能研究

郑鹤清

(北京福田戴姆勒汽车有限公司，北京 101499)

在寒区中对一台279.5 kW(380马力)柴油机的冷却液温度传感器进行了失效处理，研究失效后发动机冷却液温度、发动机转速、风扇等因素对于汽车冷启动的影响，通过对试验数据进行分析，指出冷却液温度传感器失效下存在的问题并提出一种基于机油温度计算冷却液温度的优化方案。

柴油机；冷却液温度传感器；寒区试验；失效；冷启动

0　引言

随着对车用柴油机提出更加紧凑及更大功率的设计要求，所有的柴油机都面临着如何解决大功率下的冷却问题。此外，日益严格的排放标准也对冷却系统提出了新要求，冷却系统工作性能的优劣直接影响着整车动力系统的性能。

冷却系统主要由散热器、冷却水套、水泵、节温器、水箱、传感器、风扇等组成[1]。冷却液温度传感器是冷却系统中至关重要的零件，ECU根据冷却液温度传感器传来的信号判断发动机的工作状态[2]。

在极端寒冷环境中，发动机冷却液温度传感器及其线束极容易产生冻裂、冻坏，发生疲劳、失效等传感器降级现象，ECU接收不到冷却液温度信号，不能正确判断发动机工作状态从而导致发动机损伤，因此研究发动机冷却液温度传感器失效具有十分重要的意义。

1　发动机冷却液温度降级试验

所研究的柴油机为重型车用279.5 kW(380马力)柴油机，变速箱为12JSD180TA，试验场地在黑河红河谷试验场。

在设计发动机控制程序时，会对发动机的各个执行单元及传感器进行标定，所有发动机控制策略也同时会写到ECU中[3]。控制策略中,当ECU接收不到冷却液温度信号的时候，会提供一个默认的冷却液温度值，该值的大小将直接影响整车性能。默认值太大，系统会通过降低喷油量来降低冷却液温度，而实际在寒区起车过程中，发动机冷却液温度是很低的，降低喷油量会导致冷却液温度上升慢，暖机时间长，驾驶室内温度上升慢，玻璃上除霜除雪时间长，且低温下摩擦磨损严重容易损伤发动机；默认值太小，系统会通过提升发动机转速来提升冷却液温度，在实际形成过程中会引起发动机水温过高，甚至造成“开锅”等现象，对于发动机的危害极大。因此作者设计了如下的试验用于找到合适的发动机冷却液温度传感器降级后默认的冷却液温度值。

1.1试验方法

(1)试验前准备：更换机油5w-40柴油机油、-35号柴油、低温电瓶等。整车在-25 ℃停放10 h。

(2)实验开始前，监测冷却液温度与环境温度，当冷却液温度与环境温度差值小于5 ℃，判定发动机已冻透，通过标准串行诊断仪诊断整车有无故障，并清除所有历史故障，保证车辆的完整性。

(3)开始拔掉发动机冷却液温度传感器与发动机ECU的接插口，拔掉发动机冷却液温度传感器后确认仪表板报出相应故障代码(即发动机冷却液温度信号错误)。

(4)待进气加热完成后，扭钥匙门，进行起动。

1.2试验结果

记录启动过程发动机转速、冷却液温度、电池电压、风扇转速(ECM发出数据)试验数据，试验结果如图1所示。

从图1中可以看出：冷却液温度传感器降级后，ECM默认发动机冷却液温度为100 ℃，ECU检测发动机冷却液温度高，判定需要对发动机进行冷却，控制风扇全开，同时ECU检测发动机低扭矩输出，喷油量减少，造成冷启动困难。

图1　冷却液温度传感降级后首次冷启动表现

重新接好发动机冷却液温度传感器与ECU的接插口，清除所有发动机故障，确认发动机处于最佳状态，待进气加热完成后，扭钥匙门，进行起动，启动成功。

1.3优化分析

基于此提出更改发动机冷却液温度传感器降级后默认发动机冷却液温度为-20 ℃。验证在水温为-20 ℃时，车辆能够正常冷启动，启动时间满足要求，但在车辆行驶过程中有风险，默认发动机水温低，风扇一直处于低速运行状态，实际冷却液温度高，发动机热负荷大造成零部件热疲劳、过热产生裂纹，零部件磨损加剧，发动机可靠性降低。

更改控制逻辑，通过机油温度得到冷却液温度。令TC=K×TO(TC为发动机冷却液温度，TO为机油温度，K为系数)，车辆在使用的过程中冷却液温度与机油温度上升趋势相同，通过系数K对冷却液温度进行补偿，系数K计算得好，计算求得发动机冷却液温度越接近真实发动机冷却液温度，文中提出一种K值求法。采用输出的拉普拉斯变换与输入的拉普拉斯变换的比值，因为工程测试系统一般均为稳态系统,其传递函数与其他输入没有关系，且能够反映系统的全部特征。

(1)

显然K(jω)为一复函数，任一复数均可以写成如下形式

K(jω)=P(ω)+jQ(ω)=A(w)∠φ(ω)

(2)

1.4结果验证

通过傅立叶变换计算可以得到总体的变化情况，但为了更加精确地计算结果，需要试验结果的再次验证。更改控制策略使发动机冷却液温度等于机油温度后冷启动(即系数K为1)，重复第1.1节中试验方法并记录发动机转速、风扇转速、机油温度、发动机冷却液温度等相关试验数据，试验效果如图2所示。

图2　发动机冷却液温度等于机油温度后启动效果

从图2中可以看出：冷却液温度传感器降级后，更改ECM默认发动机冷却液温度为-20 ℃， ECU检测发动机冷却液温度低判定无需对发动机进行冷却，同时ECU检测发动机低扭矩输出，喷油量增加以加快对冷却液升温，冷启动容易。

2　结论

寒区中气温低，车辆在行驶过程中很容易造成传感器的损坏，对传感器进行降级试验是十分必要的。降级后发动机默认冷却液温度为100 ℃，默认冷却液温度高造成冷启动困难，发动机暖机时间变长，在低温下的摩擦磨损加剧，发动机使用寿命降低；发动机默认冷却液温度低则会造成发动机热负荷大，零部件可靠性降低。通过更改控制策略，令发动机冷却液温度等于机油温度乘以一个系数，可以解决上述问题，并在寒区中得到验证，可以正常冷启动，关联风险小[4]。

缺点及不足：

(1)虽然考虑用拉普拉斯变换求得系数K值，但在试验的过程中由于时间关系只令K=1,验证在功能上能够实现。

(2)由于传感器降级，出于安全考虑只分析了整车在冷启动及怠速过程中的表现，动态测试未得到验证。

【1】张强，李娜,王志明.车用柴油机缸盖冷却水腔的CFD分析[J].车用发动机，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】翟丽，郭新民.汽车发动机冷却系统的智能控制[J].工业设计，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】韩松.车用发动机智能冷却系统基础问题研究[D].杭州：浙江大学，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

郑鹤清(1980—)，男，硕士，研究方向为汽车测试技术。E-mail：18810170360@163.com。

U464

B

1674-1986(2016)08-076-02