丰田卡罗拉自动空调结构原理及检修

崔冠乔

（广东省交通运输技师学院 广东省交通运输高级技工学校， 广东 佛山 528000）

丰田卡罗拉2009 款 （ ZRE153L -GEFGKC，2ZR-FE发动机）， 空调鼓风机偶尔不工作。 主要故障现象是在正常使用车辆前除霜功能时， 前风挡出风口突然无风， 此时操作空调面板上的任何开关均正常， 但就是无风量。 将点火开关断开， 再次起动车辆， 操作空调面板， 伴随着一阵异味 （烧焦味），空调系统恢复正常。

车辆进店后， 维修人员对车辆进行故障确认时， 发现该车空调系统各功能均正常， 进行路试并且不断操作该系统， 无任何异常。 但客户反映该故障确实存在。 由于该故障现象为间歇性出现， 以致对故障部位无法进行确认， 只能不断路试等待故障出现。 在经过3h的路试后， 故障突然出现。 故障出现时与客户描述一致， 鼓风机不工作。 也就是说此车的空调鼓风机电动机是偶尔不工作。 为了能正确对此故障进行检修， 有必要先熟悉此车自动空调的基本组成及各主要部件的作用。

1 自动空调系统的基本组成及各主要部件的作用

1.1 基本组成

丰田卡罗拉自动空调主要由空调ECU （空调放大器）、 传感器 （主要有加热器控制面板总成、 空调压力传感器、 蒸发器温度传感器、 阳光传感器、车内温度传感器、 环境温度传感器） 以及执行器（进气伺服电动机、 通风伺服电动机、 空气混合伺服电动机、 鼓风机电动机、 3个PTC加热器继电器、空调压缩机电磁控制阀、 后除雾器） 等组成。 丰田卡罗拉自动空调主要元件位置如图1所示。

1.2 主要元件的作用

1） 空调ECU 空调ECU又称空调控制器。 控制器总成上的键是控制器的输入装置。 控制器首先接收来自车内温度和外界温度传感器的输入信号， 然后根据来自传感器和控制器总成上各键的输入， 输出用于控制压缩机、 电磁离合器、 暖风加热器、 热水阀等的工作状况， 以及模式门位置的信号。

2） 车内温度传感器 车内温度传感器是根据内置热敏电阻的变化检测车厢温度， 并发送信号至空调ECU。

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4） 蒸发器温度传感器 通过蒸发器的冷气温度引起蒸发器电阻发生变化， 蒸发器温度传感器将其转换为电信号并将其输出到空调ECU， 并依此来控制压缩机电磁离合器的结合或断开。

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5） 阳光传感器 阳光传感器是一个光敏二极管， 利用光电效应把阳光照射量变化转换为电信号， 并将其输出到空调ECU， 用来调整空调吹出的风量与温度。

6） 空调压力传感器 空调压力传感器检测制冷剂压力， 并将其以电压变化的形式输出到空调ECU中。

7） PTC加热器 此车的自动空调是采用半中央位置空调单元， 其蒸发器和加热器芯均位于车辆的纵向位置。 采用RS （创新超纤细结构） 蒸发器的顶部和底部均置有水箱， 且采用微孔管结构使蒸发器更薄， 确保了热交换效率， 将温度分配均匀。

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加热器芯上部装有3个PTC加热器 （图2）， PTC加热器由PTC元件、 铝散热片和铜片组成。 对PTC元件供电时， PTC元件产生的热量使通过此单元的空气变暖。 空调ECU 根据冷却液温度、 发动机转速、 空气混合设置和电气负载（交流发电机功率比） 来控制PTC加热器的开关功能， 工作的PTC加热器的数量随水温改变， 如图3所示。

3） 环境温度传感器 环境温度传感器是根据内置热敏电阻的变化检测车外温度， 并发送信号至空调ECU。

8） 空调压缩机 空调压缩机是按照空调冷却负载改变其容积的持续可变容积型， 由轴、 接线板、 活塞、 滑蹄、 曲柄室、 气缸和电磁控制阀组成（图4）。 采用了按需求控制吸入压力的电磁控制阀。曲柄室与吸气通道相连， 电磁控制阀安装在吸气通道 （低压） 和排放通道 （高压） 之间 （图5）。

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根据空调ECU的信号， 电磁控制阀以占空比控制的方式进行工作。 电磁控制阀闭合的时候 （电磁线圈通电）， 会产生一个压差， 曲柄室内的压力降低。 然后， 作用在活塞右侧的压力将高于作用在活塞左侧的压力， 这样就会压缩弹簧并倾斜接线板。因此， 活塞行程增加且排量增加 （图6）。 电磁控制阀打开 （电磁线圈不通电） 时， 压差消失。 然后，作用在活塞左侧的压力将变得与作用在活塞右侧的压力相同， 因此， 弹簧伸长且消除接线板的倾斜。从而， 活塞有小的行程且排量减少 （图7）。

7） 环境温度指示控制 基于来自环境温度传感器的信号， 该控制计算环境温度， 然后在空调ECU中修正并在组合仪表的多功能显示屏上显示。

伺服电动机采用脉冲模式型。 和以前那种根据电位计电压来检测位置的类型不同， 伺服电动机由2位数ON/OFF信号检测相对位置。 通过A和B两种相位检测该发动机的正转和反转， 可输出4种模式，见图8。 空调ECU计算脉冲模式的数量以规定停止位置。

6） 可变排量压缩机控制 基于来自各个传感器的信号， 控制压缩机的打开或关闭和排量。

2） 出风温度控制 对应温度控制开关设置的温度， 神经网络控制根据来自不同传感器的输入信号计算出风温度。 此外， 根据来自蒸发温度传感器和发动机冷却液温度传感器的信号， 添加校正以控制出风温度。

2 自动空调工作原理及控制功能

2.1 工作原理

自动空调利用传感器随时检测车内温度及车外环境温度的变化， 并把检测到的信号输送给空调ECU， ECU则按预先编制的程序对信号进行处理，并通过伺服电动机等执行元件， 不断地对鼓风机转速、 出风温度、 送风模式及压缩机工作情况等进行调节， 从而使车内空气温度及流动情况始终保持在驾驶员设定的水平上。 另外还具备自诊断功能， 以利于对电控元件及线路故障的检测。

2.2 控制功能

父亲在分豹肉时，将那个豹子胆割下带回了家。这豹子胆只能生吞，我不想吃，是母亲硬逼着我吞下肚的。说是吃了豹子胆会胆大。回想我这一生，有时还确实很胆大。

以前的自动空调系统中， 空调ECU根据传感器信息， 按一定的公式计算出要求的出风温度和鼓风机风量。 然而， 由于人的感觉相当复杂， 人所处的环境不同， 对同一给定温度的感觉就不同。 例如，一定量的阳光辐射在寒冷气候中会感到相当暖和，但在炎热气候中却感到非常不舒服。 因此， 本自动空调系统采用神经网络这种更高层次的控制技术。有了该技术， 不同环境条件下收集的数据储存在空调ECU中， 然后空调ECU进行控制， 以提高空调舒适度。

STEP1：首先将所有材料一起放入一个可以加热的容器中，然后隔水加热。STEP2：边加热边搅拌，直至固体材料全部融化。STEP3：将加热好的护手霜趁热倒入用来盛装的容器中，等到冷却凝固就可以涂抹于手上了。

神经网络控制由输入层、 中间层和输出层的神经元组成 （图9）。 输入层的神经元处理车外温度的输入数据、 日照和基于开关及传感器输出的车内温度， 并将它们输出到中间层的神经元。 基于该数据， 中间层神经元调节神经元中的关联强度。 输出层神经元就可以计算总体结果， 并将该结果以要求的出风口温度、 光照修正量、 目标空气流量和出风模式控制量的形式进行呈现。 相应地， 根据由神经网络控制所计算的控制量， 空调ECU控制伺服电动机和鼓风机电动机。

要保证称重的准确性，必须考虑要从设备的安装、传感器的找平、管道的连接等诸多因素，尽量减少外界因素对称重的影响。

10） 总线连接器 总线连接器用于线束连接，以连接伺服电动机和空调ECU。 总线连接器有一个内置的通信/驱动集成电路， 与各个伺服电动机连接器通信， 驱动伺服电动机， 并有位置检测功能。 这使得伺服电动机线束能够进行总线通信， 结构更轻而且线束数量更少。

3） 鼓风机控制 基于来自各个传感器的输入信号， 神经网络控制计算出气流量， 控制鼓风机电动机。

4） 出气控制 基于来自各个传感器的输入信号， 神经网络控制计算出风模式比率， 自动切换出风口。

由此可见，造成柱塞泵密封总成失效的主要原因是柱塞磨损和盘根的漏失。通过现场调查和数据分析，柱塞磨损和盘根漏失主要有以下两个方面。

1） 神经网络控制 该控制可通过人工模拟生物神经系统的信息处理方法， 进行复杂的控制， 以建立类似人脑的复杂输入或输出关系。

5） 进气控制 根据神经网络控制计算的风量，自动控制进气控制风门。

鼓风机电动机有一内置的鼓风机控制器， 空调ECU以占空控制方式对其进行控制。

9） 执行元件 自动空调的执行元件一般包括伺服电动机、 鼓风机电动机及压缩机电磁离合器等。

8） 后窗除雾器控制 按下后除雾器按钮时，打开后除雾器和车外后视镜加热器15 min。 如果它们运行时按钮按下， 则将其关闭。

9） 自诊断 根据空调开关的运行情况检查传感器， 随后温度设置显示一个DTC （诊断故障码），以指示是否存在故障 （传感器检查功能）。 根据空调开关的运行情况， 通过预定顺序驱动执行器 （执行器检查功能）。

D级供应商：该级别的供应商绩效评价指标各方面均低于行业水平，属于最低等级的供应商，应慎重选用该类供应商的产品或者对其进行淘汰管理等。

3 故障检修

3.1 读取故障码

对于自动空调的故障， 一般可以先利用系统的故障自诊断功能进行故障代码的读取。 因而在检修此故障时首先读取该系统的故障码。

起动发动机并暖机。 将点火开关置于OFF位置；按住空调控制开关AUTO和R/F的同时， 将点火开关置于ON （IG） 位置。 按住2个开关， 直到出现指示灯检查屏幕， 确认指示灯每隔1 s依次亮起和熄灭，并且持续4次。 指示灯检查完成后， 系统自动进入DTC检测模式。 读取在温度显示屏上显示的故障代码， 结果输出DTC 00， 显示正常， 无故障。

3.2 执行器检查

起动发动机并暖机。 按下R/F开关进行执行器检查。 当执行器检查以1s的间隔重复执行步骤1到10 （见表1） 时， 通过目视和用手检查温度和气流，检查结果正常。

表1 执行器动态检查表

3.3 鼓风机线路检测

根据客户描述故障现象应该是鼓风机不工作。由于目前该系统工作正常， 只能查看线路连接， 鼓风机控制电路图如图10所示。 鼓风机电动机插接器处是由+B （常电源）、 GND和S1三线组成。 测量+B与GND电压为12V， 检查FL MAIN、 ALT、 HTR熔断丝连接正常。

3.4 用智能检测仪进行主动测试

当故障再现后， 立刻连接IT-II丰田专用检测仪进行主动测试。 使用智能检测仪进行主动测试， 无需拆下任何零件就可进行继电器、 VSV、 执行器和其他项目的测试。 这种非侵入式功能检查非常有用， 因为可在扰动零件或配线之前发现间歇性状况。 排除故障时， 尽早进行主动测试可以缩短诊断时间。 执行主动测试时， 能显示数据表信息。

新能源汽车方面，德国亚琛汽车工未来自动驾驶测试发展进程和新出行理念。在报告中他还介绍了最新修订的德国道路交通法中制定了下一代德国公共道路中自动驾驶应用的法律框架。此外，来自德国亚琛汽车工程技术有限公司的Philipp Seewald先生发表了题为“前进中的自动驾驶——当前研发现状”的主题演讲，他表示，为了确保出行安全和改进可持续性，自动驾驶技术开始要求采用新技术理念和先进方法，除了现有已经证明的方法之外，运用仿真和AI技术也正在成为前途光明的研究课题。除此之外，福特汽车自动驾驶前期研发V2X主管黄颖先生等都分享了针对当下自动驾驶汽车技术的发展公司最领先的技术及成果，现场观众收获颇丰！

将智能检测仪连接到DLC3， 将点火开关置于ON（IG） 位置， 接通检测仪， 进入以下菜单项： Body/Air Conditioner/Active Test， 参考表2执行主动测试。

结果发现鼓风机电动机为31时无任何风量。 此时拔下鼓风机插头， 测量+B与GND电压为12 V， 正常。 测量空调ECU处端子E30-23 （BLW） 与鼓风机处端子E23-2 （S1） 连接情况， 电阻小于1Ω， 正常。 重新连接两处端子， 将点火开关置于ON （IG）位置， 测量E30-23 （BLW） 电压， 结果为0 V， 该处正常电压应为5 V左右。 由于鼓风机电动机供电电源电压正常， 与空调ECU连接线路正常， 但空调ECU E30-23 （BLW） 之间的电压不正常， 故障可能出在空调ECU或鼓风机电动机上。 空调ECU出现故障的概率较低， 因而先采用更换鼓风机电动机总成的方法， 更换后路试故障无， 回访客户故障未再现， 表明故障得以排除， 是鼓风机电动机故障。

表2 执行器主动测试表

4 结束语

全自动空调控制系统在操纵和指示装置上带有故障存储器， 用于监控系统工作时系统中的各元件。 若出现故障， 故障存储器将存储故障信息， 并通过操纵和指示装置显示出来。 因此， 在维修此类空调时， 要善于利用其自诊断功能， 用最短的时间检测出故障， 并进行相应的修理。

除了使用常规方法诊断故障外， 通常还需要使用专门的仪器和设备进行自诊断。 进行检查时， 不要一开始就用换件或猜测的方式查找故障， 而应遵循正确的检查思路， 依据维修资料才能准确排除故障点， 通过细致的检查作业， 最终会找出故障器件。 故障现象再现是解决此车故障最重要的环节。在故障未能及时显现的情况下， 进行了模拟路试，最终使得故障再现。

［1］ 丰田汽车公司. 丰田汽车维修手册［M］. 2007： AC30.

［2］ 任惠珠. 汽车空调构造与维修［M］. 北京：中国劳动社会保障出版社， 2011： 100.

［3］ 广州凌凯汽车资料编写组. 一汽丰田卡罗拉彩色电路图集［M］. 沈阳： 辽宁科学技术出版社， 2009.

［4］ 潘伟荣. 汽车自动空调技术［M］. 广州： 华南理工大学出版社， 2008.