应对电子节气门体结冰的控制策略

(联合汽车电子有限公司，上海 201206)

0 前言

冬季严寒地区汽油发动机节气门结冰是常见现象。为了解决结冰问题，国内外工程技术人员进行了各种节气门体加热保温的工程方案研究，如在气门体上设计加热水道，在节气门体上布置加热阻抗等，利用热能或电能进行加热保温，以保证节气门阀根据发动机指令运行[1]。为了尽量避免节气门结冰，可以更改管路的走向，减少管路转弯点，增大转弯半径，使呼吸管更加平直顺滑，保证曲轴箱内的混合气体的流动性[2]。以上工程方案都需对发动机整体布置作较大的结构与配置变动，带来不可避免的成本增加。

本文针对投诉车辆进行调查，找到电子节气门结冰及电机烧毁的真正原因。在不改变发动机整体结构与配置的前提下，更改电子节气门的控制策略，增加破冰及车辆故障跛行报警功能，从而避免节气门电机因结冰卡滞，造成的零部件失效。

1 故障描述

某整车厂冬季地区连续出现多起电子节气门投诉，现象为发动机起动后抖动，加油无反应，热车后故障无法消除，同时故障灯亮起，需更换新的节气门。失效地点多发生在内蒙与外蒙交界处，如呼伦贝尔、扎兰屯等地。发生故障的温度多在-30 ℃，甚至可达到-38 ℃。

对故障节气门分析，发现节气门体阀板有水痕，阀板卡滞或回位不顺畅，电机电阻异常，拆开后发现电机烧毁[3-4]，如图1和图2所示。

图1 阀板有水渍的失效门体

图2 失效件电机烧毁

2 原因分析

2.1 故障车调查

现场对故障车调查，按车主习惯性的路线运行一段时间后，在室外停车，此时外部环境温度的-30 ℃。拔除进气压力传感器，将内窥镜的探头伸入进气歧管内部，对进气歧管内壁面、节气门阀板处的结冰情况进行观察和拍照，如图3～图6所示。

图3 发动机停机时刻

图4 发动机停机25 min

图5 发动机停机1 h

图6 发动机停机12 h

图3是发动机停机时拍摄的节气门处的照片，可以看出，节气门阀板与节气门内壁是光滑的，没有水珠凝结。图4是发动机停机25 min后拍摄的节气门处的照片，节气门内壁逐渐积聚成水珠，最大的水珠已经滑落到节气门阀板处。图5是发动机停机1 h后拍摄的节气门处的照片，节气门内壁水汽已经稳定，并在节气门阀板处汇聚成水。图6是发动机停机12 h后拍摄的节气门处的照片，节气门内壁水汽凝结成霜冻层，在节气门阀板处有大量的冰，环绕在停机时的节气门缝隙处。

对发动机停机12 h且节气门阀板已经结冰的车起动，并监测电机控制占空比和电流，电机控制占空比在65%～100%之间，如图7所示。在这个过程中，电机控制电流在4.5 A左右，超出电机正常的控制电流范围。

图7 节气门阀板结冰车起动后电机占空比

2.2 调查结果与分析

对上述调查测量情况整理与分析，得出节气门体结冰过程：当故障车在极低的外部环境温度运行时，高温油气通过呼吸管进入进气歧管内部，含有水蒸气的高温油气与由节气门进入的冷空气进行交汇，在呼吸管和进气歧管处凝结成水，部分凝聚成冰，如图8和图9所示。停车后，由于气缸高温辐射及缸内残余高温气体通过打开的气门经气道窜流到进气歧管，呼吸管入口和歧管处冰融化呈现流淌状态，由于节气门的位置在进气歧管的最低位置，因此水流向节气门，节气门温度一直保持与外部环境温度一致，融化的水汇聚并凝结在关闭状态下的节气门阀板缝隙处。

图8 发动机运行时呼吸管管口水珠

图9 发动机进气歧管处冰球

在该过程中，用软件记录节气门开度，发现节气门目标开度在0.1%左右，实际开度由于结冰卡滞在4%左右，测试结果见图10。电子节气门体控制系统中，为了使实际开度达到目标开度，进行了调节，电机控制占空比和电流值都超出正常控制范围，节气门电机在长时间大电流驱动下运转发热，导致烧毁。

图10 节气门阀板结冰车起动后节气门开度

3 改进方案

由于故障车已经量产上市了一段时间，更改曲轴箱通风设计或者气门体上布置加热水道，防止节气门体结冰的方案，需对发动机整体布置做较大的结构变动，除了带来成本增加之外，还需要大量时间与测试验证[5-6]。

对节气门的控制进行适当更改，增加破冰及车辆故障跛行报警功能，目的是在不改变发动机整体结构的前提下，通过控制节气门阀板动作，来消除凝结在阀板处的冰。其具体原理如下：每次上电时，如果满足破冰条件(如发动机水温、进气温度、转速等)，使节气门阀板向下止点附近的一个目标值运动，如果能在指定时间内到达目标位置，就认为节气门体没有结冰，从而退出破冰功能。如果未能到达目标位置，则节气门阀板在上下2个目标值之间来回运动，用以撞击结冰点，直到破冰成功。节气门阀板可以达到上下判断位置，或者达到最大破冰次数，退出破冰，如图11所示。

图11 破冰功能激活起动后节气门开度

由于节气门结冰状况存在很大差异性，从实际效果看，即使激活破冰功能也不能保证100%除冰。待破冰撞击次数达到最大，仍达不到破冰目标位置，退出破冰模式，报出节气门故障，点亮故障灯，将故障写入内存，并使车辆进入跛行功能。

4 结语

通过现场故障车调查，得到节气门体结冰及电机过载烧毁真正原因。当整车在极低的环境温度运行时，含有水蒸气的高温油气通过曲轴箱通风管进入进气歧管内部，凝结成冰。停车后，气缸高温辐射及缸内残余高温气体窜流到进气歧管，凝结的冰融化成水，融水更易在节气门阀板处凝结成冰。结冰导致节气门体实际开度与目标开度不一致，为了消除差异，控制系统进行节气门电机占空比和电流都超出正常控制范围调节，长时间运转累积发热，电机烧毁。

针对上述节气门电机失效过程，增加破冰功能，目的是通过控制节气门阀板的动作，来消除凝结在节气门阀板处的冰，破冰失败的话，车辆故障跛行报警，从而避免了零部件的失效。