渦輪增壓電子水泵故障分析及改善

曲少杰，張傳佳

(1.精益達環?？萍加邢薰?，河南鄭州 450000；2.煙臺東方電子股份有限公司，山東煙臺 264000)

0 引言

汽車發動機是整輛汽車的運行中樞，為提高廢氣的再次利用和增強發動機輸出功率及扭矩，車輛已開始使用渦輪增壓器進行二次利用。渦輪增壓器在運行過程中會產生較高的溫度，高溫對發動機的壽命存在一定的影響，容易導致可靠性能降低[1]?；诖?，提出配置渦輪增壓器循環回路，用來對渦輪增壓器進行降溫處理，從而間接保證發動機的持久運行。本文作者對渦輪增壓輔助電子水泵使用過程中容易遇到的一些問題進行簡要概括和說明，并提出了相關的改進措施，有助于提升產品質量，同時為開發者研發提供了參考。

1 工作原理及系統框圖

電子水泵作為渦輪增壓冷卻循環回路的關鍵部分，起到重要的作用。圖1為系統框圖，可以看到：當發動機起動時，渦輪增壓器中間軸承殼通過熱虹吸效應由發動機冷卻系統進行冷卻。在發動機停止運轉后，如果不能對渦輪增壓器進行冷卻，它將達到最高溫度，這時會因缺少油流而引起渦輪增壓器的“熱浸式”狀態，從而導致渦輪增壓器過早損壞。為避免這種情況的發生，在渦輪增壓系統中設置了冷卻管路，以便在發動機停機后對渦輪增壓器繼續冷卻。當發動機停止運轉后，電子水泵將冷卻液泵入渦輪增壓器冷卻水道中，對渦輪增壓器中間軸承的關鍵區域進行冷卻，從而減少了“熱浸”的影響，防止渦輪增壓器被過早損壞[2]。

圖1 渦輪增壓器的冷卻示意

2 常見故障

電子水泵常見故障為電氣類故障和結構性故障，以及與兩者共同特性相關的故障。電氣類故障主要與電機定轉子和控制器相關，而結構性故障則主要體現在泵體、葉輪、蓋板等結構件上。

2.1 電氣類故障

2.1.1 控制器故障

由于渦輪增壓電子水泵內部采用控制器進行電機控制，在啟停和運轉過程中通過驅動芯片和主控芯片進行信號通信和故障反饋等[3]，如果控制器出現故障，可能導致啟動困難、電機失控、通信異常等問題。

2.1.2 電機定子故障

電子水泵一般體積較小，因此采用定轉子單體設計，定子部分通過繞線機進行批量作業，通過硅鋼片壓制后纏繞漆包線。為了方便控制器控制電機，一般采用定子接頭直接與控制器焊接的形式。焊接過程中如果存在漏焊或者缺焊等現象，容易造成電機定子電流非連續或斷續狀態，影響電機運行，造成水泵損傷。

2.1.3 電機轉子故障

因為定轉子為單體設計，轉子即相當于磁場中的旋轉部分。而轉子的運轉主要受磁場分布影響，轉子的充磁角度和內部磁隙的結合度或者均勻性將影響換向的連貫性，如果換向時間不同，可能導致轉子運行過程中產生顫抖，對水泵的狀態產生影響。

2.2 結構性故障

此部分主要表現為泵體損壞和內部損壞。泵體包括外殼、接插件、支架等，內部結構包括葉輪、墊圈、擋圈、密封圈和軸承等。

泵體部分在安裝、運輸和使用過程中由于碰撞、摩擦和角度安裝等容易造成外觀上的損傷；而內部葉輪則多數是由于在安裝過程中安裝不到位或受到碰撞，墊圈和擋圈由于潤滑效果較差引起與軸承的摩擦而產生損傷。

2.3 其他故障

除兩大類故障，還有一些其他不確定因素的故障，如噪聲、泄漏等。

噪聲可能是控制器內部產生的，也可能是因泵體內部元件接觸不良產生，而泄漏多數與連接件之間的接合有關。

3 改進措施

通過以上分析可以推測，內部元件的可靠性和電子產品的穩定性對于水泵的良好運行至關重要。改進的過程中必須考慮不同元件之間的互相影響。由以上故障分析，可以得出以下改進措施。

3.1 電氣類故障

3.1.1 控制器故障

由于控制器是電子水泵的核心部件，所以必須對它進行嚴格的檢查和調試。在進行性能測試的同時要對不同電子元件進行可靠性分析，通過不同試驗驗證電子性能參數是否符合要求，以確保控制器在啟停和運轉過程中無故障產生。

3.1.2 電機定子

電機定子是電機組件的重要構成部分。對于定子的電感和電阻可以通過電橋進行精確測量，確保在設計參數上能夠使電機達到較高的精度，在通電過程中內部不會因為發熱影響性能。同時，在與控制器焊接的端點上，通過表筆進行短路測試，確保與控制器連接良好。

3.1.3 電機轉子

水泵的實際動作主要通過轉子來實現，即機械部件葉輪。由于葉輪也是電機的轉子，因此必須對其進行充磁，充磁過程中應嚴格設定圓形磁場的區域和范圍，使不同磁極之間的間隙大小統一、角度相同。這樣可以保障換向的連續性，使控制信號在每次換向時能精確感應到磁場變化，使得水泵良性運轉。

3.2 結構性故障

結構性故障主要由于機械原因造成，如泵殼損傷。為了最大程度減少此類故障，在裝配過程中應避免人工碰撞，在安裝過程中桌面應鋪設一層棉布或者橡膠墊片，在運輸過程中用泡沫或海綿進行包裹。對于摩擦類誘因導致的故障，如軸承和墊圈擋圈之間易發生摩擦，應涂抹潤滑油，使軸承和葉輪墊圈擋圈之間不產生強烈碰撞。

3.3 其他故障

噪聲是經常遇到的故障問題。多數是由于機械原因引起，如葉輪在轉動過程中失衡，軸承與墊圈擋圈之間摩擦受損。為確保此類故障不對水泵產生影響，應定期檢查軸承損傷度，對葉輪進行手動旋轉，觀察是否出現不連續運轉或葉輪產生上下偏移現象[4]。若出現，則應及時更換新的配件，確保水泵的正常運行。

泄漏則多數是由密封失效造成。對于密封膠圈應進行氣密性試驗等確保密封件的有效性，并應檢查泵殼和后蓋以及接插件等是否存在泄漏情況，及時觀測以防故障發生。

4 案例分析

以一臺損壞的汽車電子水泵為例進行故障分析，故障泵如圖2所示。

圖2 故障水泵

(1)故障現象。車載發動機端檢測到電子水泵輸出故障模式，經初步判斷，水泵停轉；拆解水泵內部肉眼辨識無明顯故障，對拆解電子水泵進行上電，發現水泵未能轉動。

(2)實際分析。水泵未能轉動，主要有兩方面原因：電氣或者機械故障。①首先對機械進行排除。依次從泵頭向泵尾進行拆除，發現渦道內無障礙，葉輪無異物，軸承可平滑運轉。②進行電氣分析。對電機定轉子進行檢查，發現轉子可自由轉動，定子無異常，初步判斷為控制器故障。采用專用設備測量電壓對控制器上電，依次檢查電壓方向，發現控制板輸入正常，三相電機輸出無信號。對照原理圖按照電流流向進行檢測，最終確認一貼片電容損壞。

(3)故障解決。實際測試電路，分析故障原因為PCB元件布局過近，導致元器件長期發熱嚴重而引起損壞。通過重新整改電路，進行熱效率分析后電路正常工作。

5 結束語

隨著車輛產量的逐步提升，帶有渦輪增壓功能的汽車已經越來越受到人民大眾的歡迎。電子水泵作為渦輪增壓的重要冷卻部件也應該得到更多的重視。及時了解水泵狀態，有利于及時排查汽車發動機故障，對發動機的持久運行起到良好的作用；同時，也對制作工程產生良好的反饋和引導作用，能夠更好地引導汽車功能的完善。