發動機冷試測試技術的應用研究

周 洲，王 冰

（1.上海大學 自動化系，上海 200072；2.中國科學院上海光學精密機械研究所，上海 201800）

0 引言

作為汽車的動力提供源，發動機的性能，尤其是裝配質量是否達標，將直接決定整車質量的優劣，如何檢測發動機裝配質量也就顯得尤為重要。

發動機的在線測試包括熱試檢測和冷試檢測兩種手段。

1 測試發展及概念

熱試是使裝載在測試臺上的發動機，通過油、氣、電等方式供給，啟動并控制在不同的轉速運轉，最終完成各項數據的測試。該方法能夠反映發動機真實運行狀態，但無法在早期發現裝配缺陷，對廢品率會有影響。

在成本、安全、環保等因素的需求下，冷試測試應運而生。在測試過程中，發動機并不是通過傳統的油、氣、電等能源驅動，而是由外部動力（即電機驅動器）連接曲軸，帶動飛輪，在扭矩法蘭的控制下，實現不同轉速下的運轉。發動機在僅有空氣阻力的情況下運行，系統通過傳感器采集機油壓力、扭矩、點火、振動、進排氣壓力等數據，經計算機處理后，與標準合格的數據比對，進而判定裝配質量是否合格[1]。

2 測試時序

發動機冷試循環一般控制在一分鐘左右，具有節拍短、效率高的優點。典型的測試時序如圖1所示，這是目前最為常見的冷試循環[2]。

圖1 冷試測試時序圖

階段A進行傳感器測試，驗證其是否可靠有效；

階段B安排啟動扭矩測試；

階段C和D進行安全油壓測試，以及部分機械測試，包括正時測試、進排氣測量等；

階段E為高速階段，安排NVH、VCT測試、點火不擊穿等測試；

階段F和G為低速測試，包括進氣真空度、油壓、點火擊穿、排氣測試等；

另外，需要指出的是，扭矩、油壓的測試其實是貫穿整個測試過程的連續行為。

3 關鍵檢測技術

3.1 傳感器測試

傳感器測試包含了執行件及感應件兩部分的檢測，主要用于驗證傳感器與被測各執行部件的連接是否可靠，功能是否正常，這對整個測試系統來說非常關鍵。

3.2 機油壓力測試

機油壓力檢測主要包括：啟動初期的安全油壓測試，中高速油壓測試以及接近測試結束時的低速油壓測試。首先向進入檢測工位的發動機油道內部注入一定量的機油，安裝在主油道上的壓力傳感器負責測量機油壓力。油壓與油溫有著密切的關聯，因此，為得到能夠真實反映發動機實際工況的油壓數值，通常采用機油溫度對機油壓力進行修正和補償[3]。

安全油壓測試主要用于檢測發動機在低速啟動時的油壓是否正常[2]。圖2為發動機在低速啟動時轉動720°，采集系統所采集到的經過油溫對壓力補償修正后的油壓平均值。

圖2 安全油壓信號圖

中高速油壓測試連續監控發動機在300r/min～1500r/min的過程，低速油壓測試檢測150r/min的過程，通過檢測內容可以反映出機油泵是否正常，油道是否阻塞，連桿軸瓦是否配合正常等現象。

一般情況下，異常的機油壓力包括油壓偏高和偏低兩種情況[4]。引發油壓偏高的原因有主油路堵塞或機油濾清器故障等；引發油壓偏低的原因有機油泵密封圈故障、油泵齒輪異常等。通過機油壓力檢測，可以發現引發油壓異動的缺陷原因。

3.3 扭矩測試

扭矩檢測包括三種類型：啟動扭矩檢測、過程扭矩檢測、動態扭矩檢測。

檢測的方法：冷試臺架的電機驅動軸上安裝有扭矩傳感器，由其測量發動機的驅動扭矩[5]。電動機的正拖作用和發動機的反拖作用，導致應變片的波動，使系統采集到相關的扭矩數值，一般提取最大值、最小值、平均值、振幅等參數進行對比分析。

啟動扭矩測試是由外部動力（伺服電機）帶動發動機在轉速60r/min的工況下監測扭矩變化的測試。當發動機由靜止變為啟動時，需要克服摩擦阻力、部件慣性阻力矩等，這個環節的檢測可以避免因啟動時發動機轉速異?；蛐D困難而導致故障的進一步擴大化[2]。

動態扭矩主要檢測接近測試結束時，發動機轉速在300r/min時的扭矩是否正常。如圖3所示，測試起始點為發動機第一缸的壓縮上止點（TDC），當活塞帶動曲軸從上止點（TDC）往下止點（BDC）運動，汽缸內的容積增加，扭矩數值增大；到上止點后，做功行程產生的氣體壓力，帶動活塞從上止點往下止點運動，此時，發動機帶動電機旋轉，扭矩數值減小。圖3記錄了四個缸的全過程扭矩變化曲線。藍色實線為合格曲線，紅色虛線為扭矩故障曲線，經查，是活塞環故障而引發的扭矩最大值和最小值無法達標。

圖3 扭矩測試信號圖

3.4 正時測試

正時測試主要檢測曲軸、凸輪軸的信號，判斷發動機正式系統是否匹配[6]。檢測方法：曲軸、凸輪軸的轉角信號通過霍爾式傳感器進行采集，把被測電壓脈沖通過數字信號輸出，然后通過D/A轉換，生成冷試系統所需的模擬信號。

比對分析采集所得到的信號，當正時系統有故障時，凸輪軸信號和曲軸信號波形與正常情況下所采集到信號波形的相對位置存在錯位。圖4中，我們發現，故障曲線與合格曲線的波形存在一定角度的相位差，在實際查驗過程中，發現是跳齒故障，引發原因為發動機正時鏈條裝配不當。

圖4 正時測試信號圖

3.5 點火測試

冷試測試的過程，發動機實際工況下的點火不再進行，而是利用冷試臺架系統提供的12V點火電壓來模擬點火完成替代。檢測方法為：點火線圈接收到冷試系統發出的指令，在得到點火電壓之后，將能量傳送至火花塞保證其正常工作。點火測試的基本工作原理是初級線圈與次級線圈間的互相感應作用，在這個測試環節中磁場大小的變化情況是通過安裝在點火線圈附近的磁場傳感器采集得到的，并通過一系列數據處理、保存，顯示出工作波形[7]。

點火測試波形圖中，主要記錄點火峰值、點火所持續時間、點火寬度等數據，將實測值與正常值進行對比，來判定發動機的點火是否正常。點火寬度記錄火花產生所持續的時間，點火峰值記錄火花塞正常工作所需的能量。通過點火測試，可以發現點火線圈內部斷路或短路、火花塞間隙過大或過小、線圈匝數不合要求等故障。

如圖5所示，我們可以看到，1缸、4缸、2缸都達到了符合要求的8次點火，3缸只出現兩次點火，并且在波峰處無正常的振蕩波形，經查，3缸的火花塞與點火線圈間隙過大，配合存在故障。

圖5 點火測試信號圖

3.6 進氣真空度測試

進氣真空度測試是檢測發動機在轉速300r/min時的進氣指標可否達到標準，通過進氣側的壓力傳感器采集發動機轉動720°完整周期內的汽缸壓力數據，也稱為進氣壓力測試，通常分為單缸測試和整機測試兩類。

進氣真空度測試圖中，主要記錄了波峰及其數值、波峰出現時對應的曲軸轉角位置等。能檢測出進氣歧管泄漏，汽缸與活塞間隙不符，正時錯位等故障[2]。

圖6所示的藍色實線波形為一缸的進氣壓力顯示圖，A點代表壓縮上止點（TDC），數據從上止點開始采集，B點代表開啟進氣門，C點代表關閉排氣門，D點代表進氣下止點（BDC），E點代表關閉進氣門，F點為發動機兩圈轉動的結束點。紅色虛線波形為故障曲線，壓縮上止點及所采集到的壓力數據、波峰數據及波峰出現時對應的曲軸轉角位置等均與正常數值不符，經查，故障原因為發動機氣門和缸蓋圈存在環形間隙，配合精度沒有達到工藝要求。

圖6 進氣真空度測試信號圖

3.7 排氣壓力測試

排氣壓力測試是檢測發動機在轉速150r/min時的排氣壓力可否達到要求，測試原理與進氣壓力測試相似，采集發動機轉動720°的完整運行周期內的排氣壓力值、以及與曲軸轉角的對應關系[8]。

排氣壓力測試波形圖，主要記錄波峰及其數值、波峰出現時對應的曲軸轉角位置等，將實測信號與正常信號比對，能檢測出排氣門安裝不當，排氣門座圈泄漏，活塞環缺陷、正時錯位、凸輪軸相位不當等故障。

圖7所示的波形為一缸的排氣壓力波形圖，A點代表壓縮上止點（TDC），B點代表開啟排氣門，C點代表做功下止點（BDC），D點代表開啟進氣門，E點代表關閉排氣門，F點為發動機兩圈轉動的結束點。該波形圖采集到的是一個完整周期內的排氣壓力數據圖。

如圖7所示，藍色實線波形是合格曲線，紅色虛線波形是故障曲線。經查，故障原因為發動機排氣門密封性不佳，出現泄露，進而導致排氣壓力比正常排氣壓力數值偏低。

圖7 排氣壓力測試信號圖

4 結論

經過近些年的發展，冷試測試以其高效、環保、安全、精確等優點，在發動機檢測領域獲得越來越廣泛的應用。無論是從外部要求條件還是內部測試結果來看，冷試測試均優于熱試測試。由于冷試測試無法模擬發動機真實使用狀況，也限制了其在熱力循環中檢測相關缺陷的能力。一般在冷試測試中，還要隨機抽取一定比例的產品，進行空載熱試，這樣能更加有力地保證檢測合格性與準確性。

現階段，國內冷試技術仍舊處于起步階段，各汽車生產廠商多進口國外設備，較為常用的有美國的ABB、GM，德國的Siemens、Johann A. Kraus，英國的Lucas Assembly & Test System等，下一步，我們應該加大該領域的研發投入，并加快對冷試技術應用的研究與分析，促進整個汽車發動機制造領域的進步。

[1] 林巨廣,許華,任永強,朱振東.發動機冷試關鍵技術的研究[J].機械設計與制造,2012(1)：131-133.

[2] 宋炯毅,王玨,計維斌.汽油發動機冷試工藝設計[J].內燃機,2011(3)：46-50.

[3] 陳曉東,陳園明.一種1.5T發動機機油泵概念設計[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2009(32)：220-222.

[4] 任永強,蘇鵬.發動機裝配缺陷在線診斷[J].控制與檢測,2010(10)：33-36.

[5] 賈慶旭.發動機冷試與加工數據的多元相關性研究與應用[J]. 上海：上海交通大學,2012.

[6] 彭加強,馬保仁.冷試技術在發動機裝配線的應用研究[J].裝備制造技術,2014,4,118-121.

[7] 余世福.汽油發動機點火正時及故障模式的仿真模擬研究[J]. 四川：四川大學,2005.

[8] 寧克,宋愛國.發動機進氣及排氣過程中的冷測試技術[J].測控技術,2004,23(12)：16-18.