某直喷增压发动机水温传感器失效分析研究.doc

某直喷增压发动机水温传感器失效分析研究 第45卷第3期小型内燃机与车辆技术xx年6月SMALL INTERNALBUSTION ENGINEAND VEHICLET ECHNIQUEVo145No3Junxx某直喷增压发动机水温传感器失效分析研究周武明1I2张泽裕王鹏王占朋(1一长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002一河北省汽车工程技术研究中心)摘要水温传感器(CTS)是发动机电子控制系统的重要传感器，一旦失效，系统将报故障码和点亮故障灯，甚至引起喷油燃烧异常，发动机损坏。 研究分析了一典型的水温传感器市场批量失效的故障案例。 通过现场调研、机理研究及5Why分析，找到了故障发生的根本原因是线束绝缘失效以及生产过程缺少静电防护。 并通过试验进行了故障的再现性验证，最终成功解决了水温传感器失效故障问题。 关键词发动机水温传感器热敏电阻开路绝缘失效静电U4729A20958234 (xx)03004105Failure Analysis and Studyof Coolant Temperature Sensoron aGDIT EngineZhou Wum ing,Zhang ZeyuW angPeng,W angZhanpeng，21一Technical Center，Great WallMotor Co，Ltd(Baoding，Hebei，071000，China)2一Hebei AutomobileEngineering Technology&Research CenterAbstractCoolant TemperatureSensor(CTS)isanimportant sensorof EngineElectronic ControlSystemOnce thissensor fails，it willcause faultcodes reported andfault lighttaken on，and leadto theabnormal fuelinjection，even enginedamageThis articlestudies andanalyses oype ofmass failurecase of CTS inthe marketBy the process investigation，mechanism studyand theanalysis of5Whys，we foundthat theroot causesare theinsulation failureof wiring harnessand thelack ofprevention aboutstatic electricity intheprocessof productionFinally，we madethe failuremode reappearvia aspecial designedtest，and solvedthe problemofCTSsuessfullyKeywordsEngine，Coolant temperaturesensor(CTS)，Thermistor，Open circuit，Insulation failure，Static electricity引言汽车发动机电子化、智能化程度越来越高，各类传感器对于发动机越来越重要。 如今，直喷增压汽油发动机普遍采用32位ECM(Electronic ControlManagement)系统来管理整个发动机的运行，其中发动机水温传感器(CoolantTemperatureSensor，CTS)是监控发动机正常运行温度以及为发动机ECU(Electronic ControlUnit)中各类标定脉谱(喷油，热管理模块等)提供关于温度策略标定、修正运行参数的一个重要零部件ll_3l。 一旦水温传感器失效，将引起水温显示异常，整个发动机热管理系统工作异常，以及燃油喷射、燃烧控制异常，严重情况下将导致发动机彻底损坏。 本文将探讨某直喷增压发动机的一例典型水温传感器失效案例。 1问题描述某直喷增压汽油发动机搭载两款SUV车型，一段时间内，市场连续出现发动机水温传感器损坏问题，见图1。 顾客反馈车辆仪表上发动机故障灯常亮、不显示水温或水温显示偏高以及电子扇长转等现象。 共发生l0例故障，A车型发生3例，B车型发生作者简介周武明(1980一)，男，工程师，主要研究方向为发动机零部件设计及发动机整机研究开发。 42小型内燃机与车辆技术第45卷7例，整体故障率为277。 售后技术人员采用诊断仪诊断，均显示出发动机ECU报出P0118故障码，诊断为水温传感器损坏。 链塔xx年1O例故障案例发生时间月份图1各月案例发生数量统计由于ECU报故障码导致车辆仪表上发动机故障灯常亮，此问题造成客户用车安全恐慌而抱怨。 且水温传感器损坏之后，发动机的喷油脉宽控制、燃烧可能存在异常，排放、油耗可能恶化，存在潜在发动机损坏风险，因此，此问题亟需查清原因，予以解决。 2故障排查及分析21发动机生产批次排查通过图1故障案例发生时间分析，4l0月均有发生，4月发生4例故障，数量较多，但无明显规律。 排查此10例故障发动机的生产批次，发现故障车生产日期集中在xx年 3、 4、5三个月份，其中 3、4月份生产发动机占90，如图2所示。 (1世辍xx年l0例故障发动机生产时间月份图2案例车辆生产日期统计22水温传感器批次排查通过分析得知，案例发动机生产时间集中在 3、 4、5月份，规律比较明显，怀疑与发动机水温传感器生产批次相关，排查案例故障水温传感器批次，发现全部为A0001同一个批次，该批次件总数量达3500件。 23故障车辆类型排查排查故障车辆类型，售前车辆占60，统计如图3所示。 据此判断，售前车辆就发生问题，因此，此故障与生产过程关系较大。 1O s辂0售前车售后车车辆类型图3故障车辆类型统计24故障车辆失效里程排查通过对此l0例故障车辆行驶里程分析，发现均为小于l000km的短里程，其中三例为0km即发生故障。 图4为故障车辆行驶里程统计结果。 1ooO王8006004002000。 露205。 圉10圜3412345678910故障案例图4故障车行驶里程统计25故障排查总结通过对故障车辆的情况调查，发现目前发生的10例发动机水温传感器损坏(报P0118码)问题，均是小于1000km短里程，甚至0km故障，且故障件集中为一个水温传感器批次，问题集中发生在生产此批车辆的 3、 4、5月份，售前车占60，因此初步判断此问题为发动机水温传感器批次生产质量控制问题。 3失效机理分析31故障码解析查阅发动机ECM电控系统OBD手册，P0118故障码解析如下P0118故障码定义发动机水温传感器高电压或断路；检测启动条件发动机运行时间大于120S；故障判定标准ECM监测到传感器电压(12V)信号97。 可能的故障原因a水温传感器与ECM之间的线路开路、或对电源短路；b接地线束断路；C连接虚接；d水温传感器故障。 小型内燃机与车辆技术第45卷温传感器装在发动机上，在热试台架上正式磨试运转前后，有一个台架试验线束接插件与之对接拆装的过程。 进一步调查发现，一个台架每天磨试30余台，台架线束每天需拆装30余次，一个月一条线束使用1000多次。 且现场发现一条线束绝缘皮已经有磨损痕迹，这可能存在绝缘失效隐患。 现场抽取线束进行绝缘检测，结果如表l所示。 抽查的六条线束中，其中两条有问题线束5直接导通，线束6绝缘电阻仅1240Ml-I，不满足绝缘标准大于4000MQ的要求。 表1水温传感器pin脚对其它针脚绝缘电阻检测测试条件100O V绝缘标准4O00Mn线束编号线束1线束2线束3线束4线束5线束6测试结果，Mn01240此外，对水温传感器生产安装过程也进行了排查，主要排查水温传感器在生产安装过程损坏的可能性。 首先对供应商的水温传感器生产过程进行了排查，发现的问题是水温传感器生产过程缺少防静电措施。 其次，在发动机工厂，在水温传感器往发动机本体安装过程中，工人们拿取零部件时也同样缺少静电防护措施。 525why分析针对调查失效件发现的水温传感器pin脚与热敏电阻之间的焊锡存在熔化、流失移位问题，结合生产线现场实际调查发现的绝缘失效及静电防护缺失问题，采用5why(5W)方法对此问题进行剖析，如图9所示。 通过反复对失效机理连续询问五个为什么的分析过程，结合在生产现场实际调查，推论出水温传感器pin脚与热敏电阻之间焊锡熔化、流失移位的根本原因在于如下两点1)台架线束使用时间大于1个月，拆装1000次月，线束老化，绝缘失效。 2)水温传感器生产过程中缺少静电防护措施。 53失效机理研究通过上述分析，可以推测系统由于静电或者绝缘失效，存在大电流通过水温传感器，进而传感器热敏电阻处产生大量焦耳热，传感器来不及散热，导致传感器温度上升；热敏电阻为负温度系数材料，温度升高热敏电阻值降低，造成电流进一步增大，产生循环雪崩效应。 电阻本体温度升高达到焊锡熔点(225235)时，电阻焊接处的焊锡熔化、流失迁移，pin针水温传感器pin脚与热敏电阻之间焊锡流失、移位。 1why?ll焊锡熔化，由于水温传感器水平布置，焊锡流到两根pi l脚腿上附着。 2why?l焊锡处的温度达到了焊锡材料本身的熔225s whi存在异常电压直接加载到水温传感器，造成热敏电阻成为发热元器件。 l4why?J，台架磨合线束之间绝缘失效或静电，异常电压窜入水温传感器pin脚。 s li台架线束使用时间大于水温传感器本身生1个月，拆装1000次产过程中缺少静电月，老化，绝缘失效防护措施。 图9水温传感器损坏5w分析和热敏电阻表面接触不良，封装塑料和金属pin针热膨胀系数不同，导致热敏电阻和pin针在高温时产生开路。 下一步将进行试验验证上述分析。 6验证试验验证试验方案如图10所示，进行水温传感器两端电压加载试验，分