發動機冷試技術

張朝輝

（上海大眾汽車有限公司，上海201805）

發動機冷試技術

張朝輝

（上海大眾汽車有限公司，上海201805）

通過發動機冷試技術的研究，根據實際生產經驗建立冷試波形圖模型并設定自動判定發動機測試是否合格的監控窗口，以提高發動機實物裝配質量。

冷試技術波形圖模型監控窗口裝配質量

1 冷試概念

冷試是點燃式內燃機在不點火的狀態下，通過驅動電機馬達倒拖發動機旋轉，利用冷試臺架內布置的各種專用傳感器采集相關測試信號，經信號處理后，由冷試軟件處理形成波形圖（曲線）并與由專業人員設定的監控窗口進行匹配（對比），自動判定發動機是否合格的測試工藝。

2 冷試技術的發展

上世紀90年代中期，隨著人們對勞動效率、生產成本和生產環境的日益關注，傳統的發動機熱試技術已無法滿足現代化的生產需求；一種高效、環保的測試手段，發動機冷試技術應運而生。相比傳統熱試的10分鐘/測試循環，冷試只要1分鐘/測試循環，大大縮短了測試的節拍，且熱試過程中需消耗燃油和冷卻液并產生大量廢氣、廢物；而冷試技術不僅節拍短并可對發動機每一次的旋轉狀態進行監控和分析，有效提高了發動機測試的可靠性及針對性。

3 冷試技術的臺架硬件

3.1 冷試臺架硬件

圖1為發動機冷試的自動執行流程圖，發動機冷試臺架硬件主要由以下部分組成：

（1）測試間：含驅動電機、測試傳感器、發動機夾緊機構、輔助單元、通風裝置、消防感應裝置等，并帶有防爆、隔音功能；

（2）測量柜：裝載測試傳感器數據采集卡、測量卡、信號放大卡、軟件通訊卡、振動與噪音分析評估系統等；

（3）電氣柜：PLC控制柜（介質模塊：測試用燃油、液壓油、壓縮空氣等介質集成模塊，與測試間通過各管路對接）；

（4）測試PC：將來自采集卡的信號生成波形圖，并判斷波形圖是否合格；

（5）服務器：保存測試PC的數據。

3.2 冷試測試傳感器

發動機冷試技術涉及到眾多傳感器，此處僅以排氣壓力傳感器為例，作一簡單介紹。排氣壓力傳感器布置于冷試臺架機械結構上，當發動機進入冷試臺架后，排氣壓力傳感器通過機械結構上的氣缸運動與發動機排氣口對接（緊密貼合）；當電機拖動發動機旋轉后，傳感器采集排氣口的壓力，并傳遞給排氣壓力測量卡，通過通訊卡，測量卡將信號傳遞給冷試軟件，冷試軟件生成波形圖后自動與監控窗口進行匹配后，判定排氣壓力是否合格。圖2為發動機冷試中的排氣測量流程。

圖1 冷試自動執行流程圖

4 冷試測試循環及測試內容

冷試時，通過電機控制不同的轉速，進行不同工況下的測試，最高轉速一般不超過3 000 r/min。圖3是目前普遍使用的冷試測試循環，即：

（1）靜態傳感器測試（發動機靜態時），用于檢測發動機傳感器（含燃油噴嘴）部分的通斷連接是否正確和可靠；

（2）起始扭矩測試（發動機轉速為60 r/min），在發動機轉動初期對發動機的摩擦副進行監控；

（3）油壓測試/機械測試（發動機轉速為1000 r/min），發動機轉速從60 r/min提升至1 000 r/min，首先進行機油壓力和燃油共軌壓力的測試，汽油機的燃油壓力冷試時可達16 MPa左右，柴油機的燃油壓力高達60 MPa及VVT和AKF功能測試，測試合格后進行機械部分測試（正時位置、進氣壓力、排氣壓力和扭矩等）；

（4）振動與噪音和渦輪增壓器測試（發動機轉速為3000 r/min時），通過傅里葉變換將傳感器采集的時域信號轉換成譜域信號，利用階譜圖對發動機的各階次進行分析和診斷；

（5）機械測試（發動機轉速為120 r/min），再次測試正時位置、進氣壓力、排氣壓力和扭矩；

（6）點火測試（發動機靜態時），通過對發動機點火線圈充電，利用設備中的磁感應線圈感應發動機點火系統，充電電壓、放電電壓的變化進而評判發動機點火系統的狀態。

以上測試內容集成在5大測試項目中，分別是機械測試、點火測試、噴射測試（燃油噴嘴信號）、傳感器測試和測振（振動與噪音測試）

4.1 扭矩測試

扭矩傳感器安裝于發動機驅動電機上，通過測試發動機壓縮行程和做功行程的扭矩，檢測發動機性能。圖5是BMW公司直列6缸系列發動機的冷試扭矩波形圖，其中波峰值表示，發動機進氣門和排氣門同時關閉時，電機轉動發動機需要的能量，波谷值表示，發動機進氣門和排氣門同時關閉時，產生的能量。

4.2 進氣壓力測試

圖2 排氣壓力測試過程

圖3 冷試自動執行流程圖

圖4 BMW發動機冷試扭矩波形圖

根據測試工藝不同，進氣壓力測試一般有2種形式：（1）短發動機冷試時，進氣壓力傳感器直接布置于發動機缸蓋進氣道處（需安裝4個進氣壓力傳感器）；（2）整發動機冷試時，進氣壓力傳感器布置于進氣歧管節氣門處（安裝1個進氣壓力傳感器）。簡單來說進氣壓力的檢測是一個隨著曲軸的轉動而變化的動態檢測，通過傳感器信號采集卡采集活塞從上止點至下止點，進氣門打開至排氣門關閉這一過程的壓力變化，并由冷試軟件生成進氣壓力波形圖。

與進氣壓力測試類似，短發動機冷試時，排氣壓力傳感器直接布置于發動機缸蓋排氣道處（需安裝4個排氣壓力傳感器）；整發動機冷試時，排氣壓力傳感器布置于排氣管排氣口處（安裝1個排氣壓力傳感器）。同樣，排氣壓力檢測也是一個動態檢測，采集活塞從下止點至上止點，進氣門關閉至排氣門打開過程的壓力變化，并由冷試軟件生成排氣壓力波形圖。

通過基本的扭矩、進氣壓力和排氣壓力測試，可以發現是否存在氣門不密封（尺寸問題、異物）、鎖片脫落、凸輪軸凸輪尺寸超差、缸蓋有沙眼、活塞環卡滯等缺陷。

4.4 傳感器測試

傳感器測試包括執行元件和感應元件的測試，以檢測發動機傳感器部分的功能性是否正常。

4.4.1 燃油共軌壓力測試

燃油共軌壓力測試的目的：一是測試發動機高壓油泵功能；其次是測試發動機燃油共軌系統密封性。為了模擬發動機整車工況，冷試時需在發動機內注入燃油，以測試發動機共軌燃油壓力（15 MPa左右）。燃油共軌壓力測試需滿足以下條件：（1）設備向發動機供燃油（低壓0.6 MPa左右）；（2）設備模擬整車ECU（發動機控制單元）信號，控制發動機高壓油泵的流量閥的打開與關閉；（3）設備測量卡讀取發動機燃油壓力傳感器數據。

若燃油壓力測試曲線與冷試模型曲線偏差明顯，參見圖5，則可能存在以下情況：（1）燃油共軌系統不密封；（2）高壓油泵功能性缺陷。

1981年，調水入洪澤湖的時間有34個旬，基本覆蓋全年，入洪澤湖泵站裝機利用小時為7 500 h，入湖平均流量為385 m3/s；調水出洪澤湖的時間有31個旬，主要在7月中旬—9月上旬、10月—6月上旬，出洪澤湖泵站裝機利用小時為6 700 h，出湖平均流量為266 m3/s。

圖5 冷試燃油壓力合格和不合格曲線

4.4.2 機油壓力測試

在發動機油底殼至主油道之間尋找一個合適的測量點，以便安裝機油壓力傳感器。機油壓力的檢測是冷試中非常重要的測試項目，對發動機油道堵塞、主油道相關零缺陷、RSH安裝孔尺寸、軸瓦是否安裝等對發動機功能影響較大的問題非常敏感。結構越復雜的發動機，通過機油壓力查找發動機缺陷難度越大，因此冷試經驗的積累是非常重要的。

4.5 振動與噪音測試

眾所周知，發動機傳統的熱試有一個很重要的評判發動機是否合格的環節，即人工判定發動機是否有異響。但是靠人工評判對熱試人員的經驗要求很高，同時發動機異響沒有一個明確的標準，而每個人對異響的理解本身就不同，所以很難對異響進行界定。冷試技術中的振動與噪音測試就將這一疑難雜癥輕松化解。

4.5.1 振動與噪音測試原理

振動測試一般采用接觸式振動傳感器。利用傳感器采集發動機工作時的時序信號，通過振動與噪音分析評估系統，利用傅里葉變換將時序信號轉換成譜域信號，并由冷試軟件生成譜域信號波形圖，根據發動機對應的階譜查找發動機缺陷。一款鏈式發動機的曲軸鏈輪齒數為46，即發動機旋轉一圈，曲軸鏈輪與正時鏈條需發生46次嚙合。由傅里葉變換生成的第46階次即是該款發動機旋轉一圈曲軸鏈輪與正時鏈條從第1次至第46次嚙合時振動信號的疊加。疊加后的信號越強說明正時鏈傳動過程中相關零件有異常。

圖6 46階次的波形圖部分

4.5.2 變色龍分析（Chameleon）

變色龍分析是德國Medav公司，近2年新開發的振動與噪音分析領域的新技術。該技術具有動態變化的特點，所以命名為Chameleon（變色龍），Chameleon又稱"Self-learning"system。變色龍系統通過采集前100臺發動機信息，自動建立一參考波形圖，之后第101臺發動機的波形圖與參考波形圖進行點對點的對比（如曲軸旋轉720°，就有720個對比點）。通過對比，只要有1個點的信號值有偏差，系統就會提示，此時就需由專業人員對該波形圖進行分析。變色龍的參考波形圖是動態調整的，通過該系統可清楚地對生產過程中發動機的細微變化進行監控。

5 冷試模型的建立及窗口設定

冷試最大的特點是所有發動機的測試結果都能以波形圖的形式保存并追溯。在一款發動機投產初期，n（≥100）臺經過冷試的發動機都必須經過熱試或測功。熱試或測功合格后，選取n臺發動機的冷試波形圖，通過冷試軟件自動生成冷試模型，該模型的每一個波形圖就是之前n臺發動機的冷試狀態。根據實際生產狀態，可隨時更改。在確定當前波形圖為合格波形圖后，就可在相應的位置設定窗口。如圖6中的扭矩曲線，壓縮行程的波峰值，可設定用窗口最大值（Max）進行監控；做功行程的波谷值，可設定用窗口最小值（Min）進行監控。同時根據之前n臺發動機的測試結果設定窗口最大值的上公差和下公差及窗口最小值的上公差和下公差，即：當壓縮行程的扭矩波峰值在窗口最大值的上公差和下公差范圍內時，表示合格；反之，表示不合格。常用的冷試監控窗口設置類型有：最大值監控、最小值監控、平均值監控、偏差值監控、積分值監控、零位值監控、零點值監控和包絡線監控，根據不同的波形圖及發動機特性進行匹配監控。

冷試也可以說是對比測試，對于正常的、沒有缺陷的發動機，所有測試產生的波形圖應該都是類似的；而對于偏差較大的波形圖，則必須進行分析和原因查找。此外，如果實際生產過程中，發動機構造或零件狀態發生更改，則必須重新采集新狀態發動機波形圖，并建立新的模型，同時更改窗口的上公差和下公差。因此冷試的模型和窗口值是需動態維護和調整的，在實際生產過程中，需至少有一個專業人員進行長期跟蹤、維護和調整。

6 發動機冷試常見故障分析

6.1 連桿軸瓦初期磨損

連桿軸瓦的損傷或者連桿頸的抱死是一個世界性的難題。通過研究冷試扭矩曲線，即發動機從壓縮行程至做功行程中，活塞回到上止點位置時，發動機扭矩值歸零，通過對比扭矩零點位置（活塞上止點位置）與曲軸轉角位置間的關系，發現當冷試過程中連桿軸瓦已有損傷時，該發動機扭矩零點位置較正常發動機明顯滯后。圖7中的缺陷曲線扭矩零點位置較其他正常發動機明顯滯后，經拆解發現該發動機連桿軸瓦已磨損。

圖7 連桿軸瓦初期磨損發動機扭矩曲線

6.2 軸承橋與凸輪軸調節器干涉

該缺陷是上海大眾EA888系列發動機通過冷試振動與噪音測試項目發現的缺陷。冷試現象表現為發動機缸蓋階譜測試不合格，通過與正常的發動機對比，發現缺陷發動機的階譜波形圖中每2.5個階次出現1個異常峰值，即曲軸每旋轉1圈，該異常發生2.5次（見圖8）。

也就是說發動機每完成一個工作循環（曲軸旋轉2圈），該異常發生5次。通過比較EA888系列發動機零件，可知只有進氣凸輪軸正時可變調節器蓋板有5個連接螺栓。拆解冷試不合格發動機后，發現該發動機與進氣凸輪軸正時可變調節器連接的軸承橋有一毛坯點尺寸超差且與調節器蓋板發生了干涉。

圖9 缸蓋階譜波形圖

7 結論

通過10多年的發展，發動機冷試技術已廣泛應用于發動機生產過程中的裝配線終檢測試，并逐步取代傳統的熱試。無論從經濟效益、環境效益和實際結果來看，冷試技術的能力已遠遠超過了熱試技術。近年來國外許多高端發動機開始采用冷試技術作為發動機裝配線終檢，冷試臺架的供應商們開發了更多的測試項目，使冷試技術越發豐富和可靠。相信通過對發動機冷試技術的學習、研究和應用，一定能提高發動機質量。

Technology of Engine Cold-Test

Zhang Chaohui
（Shanghai Volkswagen Co.,Ltd.,Shanghai 201805,China)

According to the production experience and the research of engine cold-test technology, cold-test waveform models are built and monitoring windows are set that can automatically judge whetch an engine is OK or not to improve engine assembly quality.

cold-test technology,waveform model,monitoring window,,assembly quality

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.04.009

來稿日期：2012-05-11

張朝輝（1982-），男，本科，主要研究方向為發動機冷試技術的應用。