汽车发动机冷却风扇故障分析方法的研究和应用

卿 辉，严治念，朱 磊

（神龙汽车有限公司技术中心电子电器分部，湖北 武汉 430056）

1 冷却系统及冷却风扇功能

发动机在运行的过程中，由于燃料燃烧会产生大量的热，使得发动机体温过高，从而影响发动机各部件的配合间隙，与之相关零件的技术状态下降，影响发动机以及与发动机相关零件正常工作特性。因此，汽车发动机在高温工作环境下必须得到适度冷却，以使其保持在适宜温度下工作，才能满足发动机良好的工作性能、耐久性和废气排放的要求。发动机冷却系统在此起着关键作用。

汽车冷却系统通常有2种：水冷和风冷。水冷是比较常见的，它把水作为冷却的介质，通过发动机内的水循环来吸收热量，然后把它送到散热器中去散热。而冷却风扇就安装在散热器的内侧，以降低水的温度，帮助散热。一般，要将发动机水温保持在60～80 ℃，也不能过低，否则会使发动机热转换效率变低，燃油经济性会受到影响［1］。

2 两种常见的冷却风扇控制方式

2.1 冷却风扇双速调节

2.1.1 双冷却风扇串并联双速调节

以东风雪铁龙C6 1.8T涡轮增压发动机车型为例，其配备双冷却风扇。控制方式为冷却风扇串并联双速调节。即当发动机水温低于某一值时，冷却风扇不工作；当发动机水温高于某一值而低于另一规定值时，电源接到一个冷却风扇正极，双冷却风扇以串联的方式接入线路，低速运行；当发动机的水温高于某一设定值时，电源接到双冷却风扇正极，双冷却风扇以并联的方式接入线路，高速运行［2］。

2.1.2 双冷却风扇调速电阻式双速调节

双冷却风扇并联连接，如东风标致308S，2个冷却风扇受控于2个单独的高低速风扇继电器。当发动机水温低于某一值时，冷却风扇不工作；当发动机水温高于某一值而低于另一规定值时，电源通过调速电阻到双冷却风扇正极，冷却风扇低速运行；当发动机水温高于某一设定值时，电源直接接到双冷却风扇正极，冷却风扇高速运行［2］。

对配置EPXF（涡轮增压）发动机电子控制器（简称CMM）的车型，冷却风扇双速测试特性如图1所示。运行条件和策略必须满足：发动机转速≤10 r/min（即发动机不运转）；车速≤5 km/h（即车辆静止）；主唤醒激活；电池电压在10～16 V之间［3］。图1中，测试时间是24 s，输出的信号为方波信号，测试周期为一个周期。其中5 s为低速运转，5 s高速运转，5 s低速运转。

图1 高低速运转测试特性

2.2 冷却风扇无极调速

东风雪铁龙C6 1.8T单风扇车型就是无极调速。它采用的是新一代PWM脉宽调制输出方式，即发动机电子控制器在采样分析冷却系统温度、压力等综合信号后处理成PWM信号给冷却风扇控制器，冷却风扇控制器再输出相应占空比的PWM脉冲信号驱动风扇，使风扇在一定范围内可以实现无极调速。该控制方式的控制电路对发动机以及周围环境参数考虑极为全面，有紧急运行模式、堵转、短路、过压、欠压、温度过高保护等功能，真正体现了智能化控制，同以往的控制方式比较，能效更高，达到了节能降耗的目的［4］。

对配置EPXF发动机电子控制器的车型，冷却风扇无极调速测试特性如图2所示。运行条件和策略必须满足：发动机转速≤10 r/min（即发动机不运转）；车速≤5 km/h（即车辆静止）；主唤醒激活；电池电压在10～16 V 之间［3］。图2中，测试时间是46 s，输出的信号为PWM信号，测试周期为一个周期。其中1 s为风扇不工作；7 s直接到达100%；然后保持10 s，8 s下降，20 s风扇停止运转。

图2 无极调速测试特性

3 冷却风扇故障检查方法

3.1 冷却系统工作原理图

冷却风扇工作原理从图3可以看出，主要由3个部分组成，即感应端、控制端、执行端。感应端将采集的水温信号以及冷却压力信号通过硬线传递给CMM控制端，控制端将采集的信息加以利用和转换输出相应的信号控制冷却风扇继电器，冷却风扇继电器再控制冷却风扇高低速或无极调速运行。同时，CMM将相关故障信号、报警信号等信号通过CAN 线传递给智能伺服盒（简称BSI），BSI同样通过CAN 线将信号传递给组合仪表或者中控屏显示。

图3 冷却风扇工作原理框图

3.2 执行端检查方法

对于执行端，首先可借用专用的诊断软件Diaglyser，模拟发动机CMM发送风扇高、低速转的指令，观察风扇的运行情况。如果输入指令与风扇执行状态一致，说明执行端没有故障点；反之，故障点出现在继电器、风扇组或者与之相连接的线束、连接器之间。用诊断软件Diaglyser发送指令以及对应风扇运转状态信息见表1［3］。

表1 诊断软件Diaglyser发送指令以及对应风扇运转状态

3.3 感应端检查方法

对于感应端，由于发动机水温信号和冷却压力信号在高速网上是关键的信号，发动机电子控制器在收到这2个传感器发出的信号后，会将其转换为CAN信号在CAN网上进行传输。因此想要检查这2个信号是否异常，用诊断软件Diaglyser也可以采集网络上信号，来判断感应端是否异常。如果两者信号在规定的范围内，但是风扇依旧没有动作，则感应端也没有故障点，故障点就应该考虑控制端CMM以及与CMM 相连的线束和连接器了。反之则感应端有故障点。水温和压力信号详细内容参见表2［5］。

表2 CAN 网上水温和压力信号

3.4 控制端检查方法

感应端和执行端不是问题点，就可以判定控制端CMM异常（硬件异常、软件异常）。为了更进一步找到问题的根源，可结合冷却风扇的控制原理图，直接测量冷却风扇与CMM 相连的信号。另外，如果具备专业的诊断软件INCA（此种工具可以检测到CMM软件或者标定软件中与冷却风扇相关的标定参数），借用该工具也可以快速定位CMM软件或者标定软件异常的根源。

4 故障典型案例

4.1 C3-XR（简称M44）骡子车右风扇常转

背景信息：故障车辆车身号LDC661244H3033409，故障发生里程为8.6 km，故障发生时间2017年5月24日。由于车辆更换了2代发动机以及2代变速器以及与发动机和变速器相关的线束，因此需CMM 软件/标定文件/编码数据以及变速器电控单元（简称BVA）软件/标定文件/编码数据加载到相应的电控单元中。加载完毕后，车辆可以起动，但右冷却风扇常转，直到车辆休眠。

分析检查过程：查看M44冷却风扇原理图4，右冷却风扇1511有2个信号，一个是电源A1，一个是搭铁A2。电源线A1直接由1524右风扇继电器5号引脚输出。右风扇继电器1号引脚为电源电，3号引脚是经过机罩下熔断丝盒继电器吸合后的电压信号（即车辆钥匙在ON挡时，该引脚会保持12 V左右的高电平信号），2号引脚直接与CMM 70孔连接器的22号引脚相连。根据继电器和风扇的工作原理可知，当风扇不转的时候，1524继电器的2号引脚应为高电平（12 V左右）；当风扇运转时，1524继电器的2号引脚应为低电平（0 V左右）。

图4 M44冷却风扇原理图

当车辆钥匙在ON挡时，测量继电器1524 1号脚和3号脚信号，均为12 V电压，与定义和状态一致。测量继电器1524 2号脚的信号，即直接测量CMM 20号引脚输出信号，测量值为8 mV（即低电平），即可以判断CMM 20号引脚输出信号异常。

通过前面提到的检查感应端信号正常与否的方法，检查感应端信号正常，因此判断CMM软件存在问题。通过诊断软件INCA，在CMM中手工修改与风扇相关的标定参数后，风扇停止运转。

解决方案：CMM 软件存在问题，需要PSA重新修改软件。

4.2 C6（简称X81）骡子车CMM报P048111冷却风扇电路故障

背景信息：故障车辆车身号为LDCA23545H2003418，故障发生里程为11.8 km，故障发生时间2017年4月24日。由于车辆更换了2代发动机以及8速变速器，因此需将CMM软件/标定文件/编码数据以及BVA软件/标定文件/编码数据加载到相应的电控单元中。加载完毕后，车辆可以起动，但用诊断软件读取车辆故障日志时，在CMM中读到P048111冷却风扇电路故障。

分析过程：由于此台车上使用的是串并联高低速调速的双风扇，模拟CMM发送指令让冷却风扇执行高速和低速的运行模式。测试结果满足要求，说明风扇以及风扇与CMM之间连接均没问题。

X81风扇工作的电路原理（图5）和上述M44 骡子车的原理基本相同，不同点为多了一个继电器1532来实现左和右风扇是串联运行还是并联运行。以低速继电器1508为例，1号和3号引脚为电源信号，车辆钥匙在ON挡位置时，应有12 V左右的高电平信号。2号脚和CMM 的63号脚相连，5号脚为风扇提供电压信号。测量当风扇运转时CMM 63号引脚输出电压为0；当风扇停止运转时，CMM 63号引脚输出约12 V电压，与定义和风扇运转状态一致。

为了确定检查继电器以及CMM相关的线束是否存在问题，还测量了CMM 47号引脚输出信号。当车辆钥匙在ON挡位置时，发动机不运行，此时47号引脚输出电压信号为0.01V；当发动机运行且风扇不工作时，该电压信号为0.01V；当发动机运行且风扇低速运转时，该信号为5.57 V；当发动机运转且风扇高速运转时，该电压信号为11.15 V。此信号满足风扇高低速和串联并联运行模式。因此排除CMM 与风扇继电器以及风扇电机之间的线路异常。判定为CMM标定软件问题。

图5 X81风扇工作的电路原理图

解决方案：CMM标定软件中与风扇相关的诊断存在问题，需PSA修改该版本的CMM标定软件。

4.3 A9（简称G95） CMM报P069111冷却风扇控制电路故障

背景信息：G95 1.8T， 冷却风扇不工作。车辆车身号：LGJE1FE06G2529818，故障出现里程13.5 km，发动机起动后，开启空调，发现冷却风扇不工作。组合仪表上发动机故障灯点亮，同时提示：发动机故障，请维修车辆。用诊断软件读取故障码，发现在CMM中有故障码P069111：Commande GMV 1 ： court-circuit à la masse，即冷却风扇1控制电路故障。

分析过程：图6是该车简化电路原理图，可知控制冷却风扇1的继电器1号引脚是电池电压，3号引脚为熔断丝盒BSM上F2 5A的熔断丝控制的电压信号；2号引脚为CMM输出的信号。

图6 G95简化的电路原理图

通过模拟CMM发送风扇高低速运转，发现风扇根本不执行相应的动作，因此判定故障点就在风扇及风扇继电器之间。车辆钥匙在ON挡位置时，用万用表测量继电器1号引脚电压为12 V，测量3号引脚电压信号却为0，表明这一信号异常。继续查看该线路的供电熔断丝，发现F2 5 A的熔断丝被烧坏。重新更换一个新的5 A熔断丝后，路试跟踪一段时间，故障码没有重现。

解决方案：为该车更换新的熔断丝。

5 结束语

只有对零件或者系统从多渠道多角度的深入研究以及工作遇到与之相关的问题点进行不断总结，才能不断丰富自己的理论知识，才能在研究领域找出新方法新思路，为故障分析提供快捷准确的方法。本文正是从这一点出发，研究了目前神龙公司几款主要风扇类型的控制方式以及与风扇相关的故障现象的分析和检查方法，丰富理论知识的同时，使故障分析的效率提升50%，故障分析准确率接近100%。