冷試測試發動機缺陷模式分析

王新宇 徐海濱

（上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司 266555)

冷試測試發動機缺陷模式分析

王新宇 徐海濱

（上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司 266555)

發動機冷試技術是一種裝配質量在線檢測技術，能及時發現裝配過程的缺陷，而且能夠找出產生問題的原因，降低返修成本，很大程度提升發動機的整體質量和裝配效率。本文通過闡述設備測試項目、原理結合缺陷曲線，重點講述冷試測試缺陷的探測和缺陷分析方法。

冷試；測試；缺陷分析

0 引言

冷試是一種對發動機裝配質量進行綜合檢測的技術，主要是發動機在線完成必要的零件裝配后進入到冷試工位[1]，該工位的PLC將發動機編號輸入測試臺架電腦，創建一份包含上述信息以及時間標記和工位編號的測試文件，發動機由冷試臺架上的馬達電機通過驅動齒夾緊并帶動測試發動機的曲軸旋轉，在不同檢測階段，通過安裝在冷試臺架上的各種傳感器采集相關信息，對信號進行處理后

波形和結果在每次測試之后存儲。通過網絡從單一工位上傳至到服務器。所有工位的數據都上傳至同一服務器存檔，以備以后調用。

如圖1中提及的有關冷試的典型周期。在500 r/min時，對機油壓力、起動扭矩、旋轉扭矩、凸輪軸/曲軸傳感器測試進行監控。如果機油壓力不正常或起動扭矩/旋轉扭矩太高，可能會損壞發動機，所以測試不應繼續下去。否則發動機會損壞，在再次進行冷試形成波形圖（曲線），同標準波形圖進行對比、分析[1]，判定發動機裝配質量。

圖1 冷試的典型周期

1 冷試測試過程

工位上的電腦自動控制測試在不同的速度和條件下進行，形成了測試的不同階段。在測試期間，傳感器在高速情況下收集發動機實時模擬信號。整個循環之前，必須解決所有出現的問題。

在2 000 r/min時，氣門機構、噪聲振動舒適性NVH、油壓試驗和點火試驗開始進行。第三階段涵蓋了進氣、點火、磁阻分電器輪測試；最后階段包括扭矩、機油壓力、NVH和排氣測試。在不同速度下進行此類試驗是因為某些問題只有在特定的速度范圍之內才比較明顯。

數據以波形和信號圖等多種形式記錄進行分析、存儲、使用。將收集的數據同預設限值比較，判定測試發動機是否通過/未通過該冷試工位。如果測試發動機沒有缺陷，任何信號的波形/信號圖都很類似；如果存在缺陷，觀察到的數據將顯示異常，結果數據和波形將發生改變。鑒于此，自動識別/發現有缺陷的發動機并指出問題的根本原因是有可能的。問題發動機在離廠之前必須修復，接下來將是我們對于故障發動機缺陷分析。

2 冷試測項目及其典型缺陷

（1）扭矩測試：①旋轉扭矩，可測試特定氣缸缺陷、活塞缺陷、氣門泄露（進氣、排氣）和火花塞缺失。②起動扭矩，可測試發動機鎖死，無法轉動及發動機內部零件在起動時劇烈摩擦等。

（2）排氣測試，可測試氣門正時性能異常（進排氣）、氣門彈簧缺陷、挺柱缺失和特定氣缸排氣門泄露/粘滯，也可以檢測氣門泄漏、氣門間隙異常等。

（3）進氣測試，可測試氣門正時性能異常、氣門和氣門彈簧缺失、氣門漏氣、氣門間隙異常和張緊器異常等。

（4）NVH測試，可測試發動機內有污物異物、軸瓦缺失和螺栓松動等。

（5）點火測試，可測試火花塞故障和火花塞電極間隙異常、線圈功能異常等。

（6）油壓測試，可測試油泵缺陷、發動機內油路堵塞和軸瓦缺失等。

3 典型冷試缺陷波形分析

3.1 扭矩測試波形

轉動扭矩通過整合于驅動軸的扭矩傳感器來測量，將數據輸入采集板。下面的扭矩波形顯示出4缸發動機特定氣缸壓縮在各個階段的作用。正值扭矩代表當進排氣歧管關閉時，推動發動機運轉的必要能量。負值扭矩代表按照點火順序，單個氣缸內壓縮空氣反彈產生的力。

我們工廠生產發動機點火順序是1-3-4-2，如圖2。

圖2 扭矩測試順序

缺陷模式分析：從圖2波形明顯看出3缸扭矩異常，3缸扭矩變化不明顯，說明提供扭矩的壓力變化不明顯， 從而說明氣缸內氣體壓力變化不明顯。

發動機缺陷：此臺發動機經測試不合格，拆解發現3缸進氣門漏氣。進氣氣門漏氣伴隨旋轉扭矩測試不合格。

3.2 進氣和排氣測試波形

在做功沖程末尾，排氣門開啟，排氣口壓力降低，直至活塞到達下止點。活塞在排氣沖程中上行，將空氣通過排氣口排出燃燒室。在此時排氣壓力開始上升（圖3）。活塞上行至上止點，進氣門開啟，排氣壓力再次下降。開啟的排氣門關閉；當活塞到達上止點時，進氣門開啟。排氣門剛剛完成排氣沖程關閉。臨時氣門重疊（指進排氣門同時開啟）阻止真空狀態加劇。當排氣門如排氣曲線所示，開始關閉時，真空狀態開始加劇，直至活塞到達下止點時，進氣門關閉（圖4）。

圖3 活塞運動與氣壓變化波形圖

圖4 3缸排氣壓力波形圖

（1）圖4缺陷波形分析：

缺陷模式分析：從圖4波形明顯看出缺陷出現在3缸，繼續分析在進氣氣門關閉階段1和2位置有壓力變化，在排氣氣門關閉3和4階段沒有壓力的變化；氣門關閉狀態下沒有進出氣體，不應該有壓力變化，從而反向說明缺陷處在進氣側。排氣壓力相對于正常發動機小—進氣側氣門漏氣導致排氣保壓階段壓力泄漏進而影響排氣壓力。

發動機缺陷：此臺發動機經拆解發現3缸進氣門漏氣與上述旋轉扭矩測試為同一臺發動機（進氣漏氣導致進排氣壓力紊亂）。

圖5 進氣、排氣壓力波形圖

（2）圖5缺陷波形分析：

缺陷模式分析：從圖5波形明顯看出進氣波形1和排氣波形2是異常的，分析進排氣門關閉狀態下沒有出現壓力波動，說明氣門密封狀態良好。觀察發現進氣波形1，氣門開啟和關閉位置同時相對于正常波形滯后一定的角度（大約20°，一個齒的角度）。氣門間隙大會出現氣門開啟滯后但關閉時會提前關閉；氣門間隙小時會排氣門滯后關閉，但氣門開啟會提前，因此此缺陷不是氣門間隙異常帶來的異常。所有現象分析進門開啟逆時針平移了一定角度，從波形2發現排氣氣門開啟關閉沒明顯變化，只是壓力升高了，這也間接解釋是進氣門滯后關閉導致排氣氣壓保壓時間過長，從而顯示排氣壓力升高。

發動機缺陷：此臺發動機是實驗mapping發動機，進氣側鏈輪在逆時針方向旋轉一齒（說明發動機氣門開啟和關閉時間平移了一個齒的角度）。

3.3 點火波形

（1）低壓測試中，使用低于正常值的電壓發現特定問題。在火花塞電壓過低時，狀態良好的發動機也無法打火，此時點火可以凸顯問題。舉例：火花塞的電極間隙太小（間隙過小的火花塞在低電壓點火）。

圖6 火花塞小間隙電極壓點火波形圖

缺陷模式分析：從圖6波形明顯看出1缸點火波形異常，其他3缸點火沒有擊穿放電，只有1缸火花塞擊穿放電。在低壓狀態可以放電，說明被擊穿的電容變小，意味著火花塞間隙變小。

發動機缺陷：此臺發動機1缸火花塞間隙0.3 mm（正常火花塞間隙：0.8～0.9 mm），火花塞間隙小。

（2）高（正常）壓狀態下的點火波形，狀態良好發動機可以正常點火，如果發動機無法點火，缺陷凸顯。舉例：火花塞的電極間隙太大（間隙過大的火花塞在高電壓也無法點火）。

1.1 一般資料 選取自2015年4月至2018年4月大連大學附屬中山醫院收治的68例重度股骨粗隆間骨折[3]患者為研究對象。根據麻醉方法的不同分為A組和B組，每組各34例患者。A組：男性18例，女性16例；年齡51～72歲，平均年齡(65.23±2.56)歲；受傷至入院時間2～10 h，平均(4.98±0.45)h。B組：男性20例，女性14例；年齡50～70歲，平均年齡(63.98±2.93)歲；受傷至入院時間3～9 h，平均(5.11±0.41)h。兩組患者的一般資料比較，差異無統計學意義(P>0.05)。具有可比性。患者家屬均簽署知情同意書，本研究經醫院倫理委員會批準。

圖7 火花塞大間隙電極點火波形圖

缺陷模式分析：從圖7波形明顯看出4缸點火波形異常，其他3缸正常點火擊穿放電，只有4缸火花塞沒有擊穿放電。在高電壓狀態沒有放電，說明被擊穿的電容變大，意味著火花塞間隙變大。

發動機缺陷：此臺發動機4缸火花塞間隙1.1 mm（正常火花塞間隙：0.8～0.9 mm），火花塞間隙偏大。

3.4 NVH波形

NVH測試旨在記錄發動機內部的噪聲和振動信號。信號通過噪聲加速計采集，噪聲加速計可將噪聲能轉為電壓。一般來講，震動信號通過放置在缸體、缸蓋兩側的噪聲加速計采集。

圖8 NVH測試波形圖

缺陷模式分析：如圖8所示紅色波形為正常波形，黃色波形為異常波形，對比明顯發現黃色波形波峰遠大于紅色，意味著振動和噪聲要大。

發動機缺陷：此臺發動機連桿軸瓦漏裝缺陷（連桿軸瓦漏裝，運動副之間的間隙變大，發動機運行過程中造成和振動增大）。

3.5 油壓波形

機油壓力測試使用由卡箍固定在油道上的壓力傳感器測量發動機內的機油壓力。在典型測試中，機油壓力上升之后在高、低轉速分別測量。如果在測試開始時油壓就不足，應中止測試，以免損傷發動機。

理想狀態下，上面的機油壓力波形幾乎成一條直線。機油流動通路出現任何不正常的情況都會導致波形上下波動。測試可以檢測機油泵是否有缺陷，油道是否堵塞，還可以檢測發動機內部的機油流動通道。

油壓的影響因素—機油溫度可以影響機油壓力，在溫度升高時，潤滑液的粘稠度降低，油泵無法升高機油壓力。油道通道變寬，密封間隙變大影響機油的保壓，油泵也無法升高壓力。機油泵本身性能影響機油壓力的建立，例如機油泵泄壓閥常開，機油泵間隙變大等。

圖9 油壓波形圖

缺陷模式分析：如圖9所示油壓的波形較為簡單，主要看油壓高低。從波形2油壓屬于正常范圍，波形1油壓偏低（油路密封間隙變大）。

發動機缺陷：此臺發動機主軸瓦漏裝缺陷（類似油路密封間隙變大，導致油壓泄漏從而影響油壓建立）。

3.6 傳感器的測試策略

所有的進氣壓力傳感器（MAP）均都有三根線，即傳感器搭鐵線、參考電壓線及信號線。傳感器的搭鐵線與發動機的電腦相連接。對搭鐵線電壓降測試來確認是否在傳感器搭鐵線與蓄電池接線柱搭鐵之間有電壓降。在點火開關打開、發動機運轉時，電壓降不得超過100 mV。參考電壓是由發動機電腦供給的，一般為5 V控制的反饋線，參考電壓為傳感器提供工作電壓。如果5 V的參考電壓線被短路時，會影響進氣壓力傳感器的輸出信號，甚至影響到整個發動機。信號線是把信號輸入到發動機電腦中，并給發動機電腦提供實際的進氣壓力傳感器輸出信號。用這個信號線來完成實際的測試。如果傳感器信號線被短路時，將會影響到傳感器的輸出信號。

第一步，在點火開關打開、發動機不轉時，讀取的進氣壓力傳感器信號進行分析。如果一開始這個讀值有錯誤時，發動機電腦立即起反應像汽車較高海拔以及較濃混合氣狀態下運轉，所以需要更多的燃油量。

第二步，要確認汽車診斷檢測儀讀取的數值與傳感器測取數值一致。這樣就證實發動機電腦沒有代替傳感器信號數值。

第三步，利用影響傳感器的因素來認真細致的分析并查找引起故障的原因。

第四步，可能經常出現的發動機電腦本身的缺陷故障。一個缺陷的發動機電腦肯定會影響傳感器的搭鐵線、5V 的參考電壓線以及其他的傳感器。這樣有序地故障診斷分析方法，很快就能找到故障。

4 結束語

在冷試中，使用了大量高精度傳感器和強大的數據收集處理軟件，測試精度高，結果準確，易于分析，冷試技術在發動機裝配質量在線檢測中充分體現了優越性[2]。本文通過對典型缺陷波形對應的發動機故障模式的闡釋，總結出通過冷試對不合格發動機故障模式的基本分析思路，而真正運作過程中發動機缺陷分析情況要復雜的多，缺陷發動機對應的缺陷波形不同，要根據故障的具體表現來分析故障原因。

[1]佟立新.汽車發動機冷試技術的應用研究.東北大學.2014(6)：6.

[2]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期)：121.

U472.9文獻標示碼：A

王新宇（1980—），女，工程師，碩士，研究方向為發動機裝配人員及技術管理。徐海濱（1987—），男，技師，本科，研究方向為發動機故障檢測和維修。