汽車發動機冷卻風扇故障分析方法的研究和應用

卿 輝，嚴治念，朱 磊

（神龍汽車有限公司技術中心電子電器分部，湖北 武漢 430056）

1 冷卻系統及冷卻風扇功能

發動機在運行的過程中，由于燃料燃燒會產生大量的熱，使得發動機體溫過高，從而影響發動機各部件的配合間隙，與之相關零件的技術狀態下降，影響發動機以及與發動機相關零件正常工作特性。因此，汽車發動機在高溫工作環境下必須得到適度冷卻，以使其保持在適宜溫度下工作，才能滿足發動機良好的工作性能、耐久性和廢氣排放的要求。發動機冷卻系統在此起著關鍵作用。

汽車冷卻系統通常有2種：水冷和風冷。水冷是比較常見的，它把水作為冷卻的介質，通過發動機內的水循環來吸收熱量，然后把它送到散熱器中去散熱。而冷卻風扇就安裝在散熱器的內側，以降低水的溫度，幫助散熱。一般，要將發動機水溫保持在60～80 ℃，也不能過低，否則會使發動機熱轉換效率變低，燃油經濟性會受到影響［1］。

2 兩種常見的冷卻風扇控制方式

2.1 冷卻風扇雙速調節

2.1.1 雙冷卻風扇串并聯雙速調節

以東風雪鐵龍C6 1.8T渦輪增壓發動機車型為例，其配備雙冷卻風扇。控制方式為冷卻風扇串并聯雙速調節。即當發動機水溫低于某一值時，冷卻風扇不工作；當發動機水溫高于某一值而低于另一規定值時，電源接到一個冷卻風扇正極，雙冷卻風扇以串聯的方式接入線路，低速運行；當發動機的水溫高于某一設定值時，電源接到雙冷卻風扇正極，雙冷卻風扇以并聯的方式接入線路，高速運行［2］。

2.1.2 雙冷卻風扇調速電阻式雙速調節

雙冷卻風扇并聯連接，如東風標致308S，2個冷卻風扇受控于2個單獨的高低速風扇繼電器。當發動機水溫低于某一值時，冷卻風扇不工作；當發動機水溫高于某一值而低于另一規定值時，電源通過調速電阻到雙冷卻風扇正極，冷卻風扇低速運行；當發動機水溫高于某一設定值時，電源直接接到雙冷卻風扇正極，冷卻風扇高速運行［2］。

對配置EPXF（渦輪增壓）發動機電子控制器（簡稱CMM）的車型，冷卻風扇雙速測試特性如圖1所示。運行條件和策略必須滿足：發動機轉速≤10 r/min（即發動機不運轉）；車速≤5 km/h（即車輛靜止）；主喚醒激活；電池電壓在10～16 V之間［3］。圖1中，測試時間是24 s，輸出的信號為方波信號，測試周期為一個周期。其中5 s為低速運轉，5 s高速運轉，5 s低速運轉。

圖1 高低速運轉測試特性

2.2 冷卻風扇無極調速

東風雪鐵龍C6 1.8T單風扇車型就是無極調速。它采用的是新一代PWM脈寬調制輸出方式，即發動機電子控制器在采樣分析冷卻系統溫度、壓力等綜合信號后處理成PWM信號給冷卻風扇控制器，冷卻風扇控制器再輸出相應占空比的PWM脈沖信號驅動風扇，使風扇在一定范圍內可以實現無極調速。該控制方式的控制電路對發動機以及周圍環境參數考慮極為全面，有緊急運行模式、堵轉、短路、過壓、欠壓、溫度過高保護等功能，真正體現了智能化控制，同以往的控制方式比較，能效更高，達到了節能降耗的目的［4］。

對配置EPXF發動機電子控制器的車型，冷卻風扇無極調速測試特性如圖2所示。運行條件和策略必須滿足：發動機轉速≤10 r/min（即發動機不運轉）；車速≤5 km/h（即車輛靜止）；主喚醒激活；電池電壓在10～16 V 之間［3］。圖2中，測試時間是46 s，輸出的信號為PWM信號，測試周期為一個周期。其中1 s為風扇不工作；7 s直接到達100%；然后保持10 s，8 s下降，20 s風扇停止運轉。

圖2 無極調速測試特性

3 冷卻風扇故障檢查方法

3.1 冷卻系統工作原理圖

冷卻風扇工作原理從圖3可以看出，主要由3個部分組成，即感應端、控制端、執行端。感應端將采集的水溫信號以及冷卻壓力信號通過硬線傳遞給CMM控制端，控制端將采集的信息加以利用和轉換輸出相應的信號控制冷卻風扇繼電器，冷卻風扇繼電器再控制冷卻風扇高低速或無極調速運行。同時，CMM將相關故障信號、報警信號等信號通過CAN 線傳遞給智能伺服盒（簡稱BSI），BSI同樣通過CAN 線將信號傳遞給組合儀表或者中控屏顯示。

圖3 冷卻風扇工作原理框圖

3.2 執行端檢查方法

對于執行端，首先可借用專用的診斷軟件Diaglyser，模擬發動機CMM發送風扇高、低速轉的指令，觀察風扇的運行情況。如果輸入指令與風扇執行狀態一致，說明執行端沒有故障點；反之，故障點出現在繼電器、風扇組或者與之相連接的線束、連接器之間。用診斷軟件Diaglyser發送指令以及對應風扇運轉狀態信息見表1［3］。

表1 診斷軟件Diaglyser發送指令以及對應風扇運轉狀態

3.3 感應端檢查方法

對于感應端，由于發動機水溫信號和冷卻壓力信號在高速網上是關鍵的信號，發動機電子控制器在收到這2個傳感器發出的信號后，會將其轉換為CAN信號在CAN網上進行傳輸。因此想要檢查這2個信號是否異常，用診斷軟件Diaglyser也可以采集網絡上信號，來判斷感應端是否異常。如果兩者信號在規定的范圍內，但是風扇依舊沒有動作，則感應端也沒有故障點，故障點就應該考慮控制端CMM以及與CMM 相連的線束和連接器了。反之則感應端有故障點。水溫和壓力信號詳細內容參見表2［5］。

表2 CAN 網上水溫和壓力信號

3.4 控制端檢查方法

感應端和執行端不是問題點，就可以判定控制端CMM異常（硬件異常、軟件異常）。為了更進一步找到問題的根源，可結合冷卻風扇的控制原理圖，直接測量冷卻風扇與CMM 相連的信號。另外，如果具備專業的診斷軟件INCA（此種工具可以檢測到CMM軟件或者標定軟件中與冷卻風扇相關的標定參數），借用該工具也可以快速定位CMM軟件或者標定軟件異常的根源。

4 故障典型案例

4.1 C3-XR（簡稱M44）騾子車右風扇常轉

背景信息：故障車輛車身號LDC661244H3033409，故障發生里程為8.6 km，故障發生時間2017年5月24日。由于車輛更換了2代發動機以及2代變速器以及與發動機和變速器相關的線束，因此需CMM 軟件/標定文件/編碼數據以及變速器電控單元（簡稱BVA）軟件/標定文件/編碼數據加載到相應的電控單元中。加載完畢后，車輛可以起動，但右冷卻風扇常轉，直到車輛休眠。

分析檢查過程：查看M44冷卻風扇原理圖4，右冷卻風扇1511有2個信號，一個是電源A1，一個是搭鐵A2。電源線A1直接由1524右風扇繼電器5號引腳輸出。右風扇繼電器1號引腳為電源電，3號引腳是經過機罩下熔斷絲盒繼電器吸合后的電壓信號（即車輛鑰匙在ON擋時，該引腳會保持12 V左右的高電平信號），2號引腳直接與CMM 70孔連接器的22號引腳相連。根據繼電器和風扇的工作原理可知，當風扇不轉的時候，1524繼電器的2號引腳應為高電平（12 V左右）；當風扇運轉時，1524繼電器的2號引腳應為低電平（0 V左右）。

圖4 M44冷卻風扇原理圖

當車輛鑰匙在ON擋時，測量繼電器1524 1號腳和3號腳信號，均為12 V電壓，與定義和狀態一致。測量繼電器1524 2號腳的信號，即直接測量CMM 20號引腳輸出信號，測量值為8 mV（即低電平），即可以判斷CMM 20號引腳輸出信號異常。

通過前面提到的檢查感應端信號正常與否的方法，檢查感應端信號正常，因此判斷CMM軟件存在問題。通過診斷軟件INCA，在CMM中手工修改與風扇相關的標定參數后，風扇停止運轉。

解決方案：CMM 軟件存在問題，需要PSA重新修改軟件。

4.2 C6（簡稱X81）騾子車CMM報P048111冷卻風扇電路故障

背景信息：故障車輛車身號為LDCA23545H2003418，故障發生里程為11.8 km，故障發生時間2017年4月24日。由于車輛更換了2代發動機以及8速變速器，因此需將CMM軟件/標定文件/編碼數據以及BVA軟件/標定文件/編碼數據加載到相應的電控單元中。加載完畢后，車輛可以起動，但用診斷軟件讀取車輛故障日志時，在CMM中讀到P048111冷卻風扇電路故障。

分析過程：由于此臺車上使用的是串并聯高低速調速的雙風扇，模擬CMM發送指令讓冷卻風扇執行高速和低速的運行模式。測試結果滿足要求，說明風扇以及風扇與CMM之間連接均沒問題。

X81風扇工作的電路原理（圖5）和上述M44 騾子車的原理基本相同，不同點為多了一個繼電器1532來實現左和右風扇是串聯運行還是并聯運行。以低速繼電器1508為例，1號和3號引腳為電源信號，車輛鑰匙在ON擋位置時，應有12 V左右的高電平信號。2號腳和CMM 的63號腳相連，5號腳為風扇提供電壓信號。測量當風扇運轉時CMM 63號引腳輸出電壓為0；當風扇停止運轉時，CMM 63號引腳輸出約12 V電壓，與定義和風扇運轉狀態一致。

為了確定檢查繼電器以及CMM相關的線束是否存在問題，還測量了CMM 47號引腳輸出信號。當車輛鑰匙在ON擋位置時，發動機不運行，此時47號引腳輸出電壓信號為0.01V；當發動機運行且風扇不工作時，該電壓信號為0.01V；當發動機運行且風扇低速運轉時，該信號為5.57 V；當發動機運轉且風扇高速運轉時，該電壓信號為11.15 V。此信號滿足風扇高低速和串聯并聯運行模式。因此排除CMM 與風扇繼電器以及風扇電機之間的線路異常。判定為CMM標定軟件問題。

圖5 X81風扇工作的電路原理圖

解決方案：CMM標定軟件中與風扇相關的診斷存在問題，需PSA修改該版本的CMM標定軟件。

4.3 A9（簡稱G95） CMM報P069111冷卻風扇控制電路故障

背景信息：G95 1.8T， 冷卻風扇不工作。車輛車身號：LGJE1FE06G2529818，故障出現里程13.5 km，發動機起動后，開啟空調，發現冷卻風扇不工作。組合儀表上發動機故障燈點亮，同時提示：發動機故障，請維修車輛。用診斷軟件讀取故障碼，發現在CMM中有故障碼P069111：Commande GMV 1 ： court-circuit à la masse，即冷卻風扇1控制電路故障。

分析過程：圖6是該車簡化電路原理圖，可知控制冷卻風扇1的繼電器1號引腳是電池電壓，3號引腳為熔斷絲盒BSM上F2 5A的熔斷絲控制的電壓信號；2號引腳為CMM輸出的信號。

圖6 G95簡化的電路原理圖

通過模擬CMM發送風扇高低速運轉，發現風扇根本不執行相應的動作，因此判定故障點就在風扇及風扇繼電器之間。車輛鑰匙在ON擋位置時，用萬用表測量繼電器1號引腳電壓為12 V，測量3號引腳電壓信號卻為0，表明這一信號異常。繼續查看該線路的供電熔斷絲，發現F2 5 A的熔斷絲被燒壞。重新更換一個新的5 A熔斷絲后，路試跟蹤一段時間，故障碼沒有重現。

解決方案：為該車更換新的熔斷絲。

5 結束語

只有對零件或者系統從多渠道多角度的深入研究以及工作遇到與之相關的問題點進行不斷總結，才能不斷豐富自己的理論知識，才能在研究領域找出新方法新思路，為故障分析提供快捷準確的方法。本文正是從這一點出發，研究了目前神龍公司幾款主要風扇類型的控制方式以及與風扇相關的故障現象的分析和檢查方法，豐富理論知識的同時，使故障分析的效率提升50%，故障分析準確率接近100%。