發動機冷試油壓溫度補償功能的應用

周俊杰，聶燦明，凌以靜

（上汽通用五菱汽車股份有限公司制造部，廣西 柳州545007）

0 引言

冷試是發動機在冷狀態下由外部電機驅動進行各項測試，由于在成本、環保、安全等方面的優勢，冷試已取代熱試成為主流的發動機裝配線下線質量檢測控制手段。

冷試通常包括正時測試、油壓測試、VVT或VVL測試、進氣測試、排氣測試、NVH測試等內容，油壓測試是冷試的核心測試項，通過監控發動機缸體主油道機油壓力值檢測發動機潤滑系統的缺陷，其分為高速油壓測試和低速油壓測試。高速油壓測試在1 500 rpm左右進行，低速油壓測試在150 rpm左右進行。低速油壓測試中，油壓傳感器通過測試機構與發動機缸體主油道接通實現低速油壓的測量，獲得油壓測量值（Y）。低速油壓測試能夠探測的缺陷包括機油泵泄壓閥常開、主軸瓦漏裝、曲軸主軸頸直徑偏小、主軸瓦偏薄、主軸瓦倒角過大、凸輪軸鋼珠漏裝等。

1 油溫補償法總體介紹

在冷試設備實際使用中，一般通過合格發動機批量測試數據計算出參數上下限值，并結合缺陷驗證結果確定各參數限值（包括低速油壓測試），如圖1所示。由于低速油壓各參數受溫度變化影響大，油壓測量值分布較不集中，上下限值設置較寬，過程探測能力減弱。

圖1 參數上下限設置

為避免溫度對低速油壓測試的影響，可通過機油加熱和油溫補償兩種方式。機油加熱需要將機油控制在較高恒定溫度，效果明顯，但伴隨的問題是能源消耗大，機油受熱揮發嚴重，車間員工抱怨，故不建議采用此方式。

油溫補償法引入一個新參數油壓補償值（Y補），該參數在油壓測量值（Y）基礎上進行溫度補償，將油壓測量值補償至基礎油溫下對應的油壓，即油壓補償值（Y補），該參數基本不受溫度影響，數據分布較集中，收嚴該參數限值，降低缺陷逃逸風險。

油溫補償法主要步驟：采集某機型的低速油壓測量值、油溫測試數據，通過數據擬合獲得其理論油壓-油溫關系方程，預先設置方程階數為5階，形式如y=ax5+bx4+cx3+dx2+ex+f，獲得5個常數系數項，并設置基礎油溫。根據理論油壓-油溫關系方程y（x）、實測油溫x、基礎油溫x0，基礎油溫下的理論油壓值Y0，對Y值進行增補或削減得到油壓補償值（Y補），該參數能夠真實地反映發動機的真實特性且波動范圍較小，能夠有效提升低速油壓測試的缺陷探測能力。理論油壓-油溫關系方程根據發動機實際特性得出，不同產品有不同的關系方程。

1.1 數據采集

針對某款機型，采集油溫變化范圍內對應的油壓值，冷試油溫變化范圍一般在16℃～40℃之間，該溫度范圍根據廠房溫度、機油溫度等因素確定，機油溫度通過管道由室外進入裝配線，夏天機油溫度高于廠房溫度，冬天機油溫度低于廠房溫度。

進行數據采集前需要準備一臺已經測試合格的發動機，并確認紅外溫度傳感器和油壓傳感器是否都在正常標定周期內。由于所需要的起始油溫較低，選擇冬季采集較合理，若在夏天進行需對發動機或者機油進行降溫處理；數據采集需要逐步提升油溫，進行升溫操作時要臨時中斷數據采集，升溫結束后恢復至150 r/min并繼續數據采集（升溫操作流程：當采集的油溫數據無法進一步上升時，提高發動機轉速至500 r/min運行約5 min）。

打開測試軟件的油壓傳感器油溫補償校準模塊，采集數據時發動機轉速設置與低速油壓測試轉速一致，發動機轉速穩定后開始記錄理論油壓值y和油溫x.整個數據采集過程中發動機油溫從最低溫逐步上升至所需的最高溫度，中途發動機油溫出現下降則需要重新采集數據。

1.2 理論油壓-油溫關系方程確定

進行油壓溫度補償的核心任務就是確定理論油壓-油溫關系方程，對獲得的理論油壓和油溫數據進行5階多項式方程擬合處理，確定理論油壓-油溫關系方程：y=ax5+bx4+cx3+dx2+ex+f，即獲得5個常數系數，x軸表示機油溫度，y軸表示理論油壓值。

1.3 油壓補償值計算公式

在低速油壓測試算法設置中輸入理論油壓-油溫關系方程，基礎油溫x0設為常溫25℃，此時對應的理論油壓值為y0，油壓測量值Y，油溫補償值通過以下公式得到Y補=Y+（y0-yx）。

當機油溫度x=25℃時，理論油壓值為yx=y0，油壓補償值Y補=Y+0；

當機油溫度x＞25℃時，理論油壓值為yx＜y0，油壓補償值Y補=Y+（y0-yx）；

當機油溫度x＜25℃時，理論油壓值為yx＞y0，油壓補償值Y補=Y-（yx-y0）。

2 問題描述

溫度下降導致發動機低速油壓測量值升高，低速油壓測試值限值根據往年測量數據設置，兼容往年的溫度變化范圍。2018/1/26溫度降至歷史低點，B15系列發動機低速油壓測量值整體上升，超過參數上限值，導致冷試批量誤判，如圖2所示。

圖2 低速油壓測量值散點圖

為避免批量誤判，可采取以下幾種方法：

①繼續擴大低速油壓測試測試值限值范圍，兼容更寬的溫度波動范圍，避免誤判；

②通過機油加熱避免；

③通過油溫補償方式將油壓實測值進行修正得到油壓補償值。

三種方法的優缺點分析：

方法①增加油壓測量值限值范圍，低速油壓測試缺陷探測能力降低，缺陷流出風險加大。

方法②穩定有效，能夠使低速油壓測量值穩定在一定較小范圍內，但會增加能源消耗，帶來車間環境問題等。

方法③通過油溫補償法，新增油壓補償值參數，該參數能夠穩定在一定范圍內。補償方程設置繁瑣，每種機型都要單獨配置。

因此計劃通過方法①+③解決誤判問題，油壓測量值易受溫度變化影響，直接將該參數限值放寬，避免誤判。給油壓補償值設定較嚴格的限值，提高缺陷探測能力。

3 數據采集和方程擬合

準備一臺B15系列發動機，讓其在低速油壓測試轉速下運轉，機油溫度在發動機運轉過程中會逐漸升高，同時采集機油溫度和機油壓力數據，如圖3所示。

圖3 油溫-油壓數據

當油溫無法上升時需要進行升溫操作，該過程不采集數據，其目的是提高機油溫度，這也是采集的油壓-油溫數據擬合曲線后分布不連續的原因。

將采集的數據導入Excel表格，選中所有數據插入散點圖，去除異常點，并在Excel中調出多項式界面擬合出5階多項式方程，即理論油壓-油溫關系方程，如圖4所示：y=-0.000 411 96x5+0.055 881 25x4-3.008 447 67x3+80.789 978 26x2-1.099 046 40x+6 363.550 521 13

4 效果驗證

在B15系列機型的冷試測試計劃低速油壓測試算法設置中輸入油壓-油溫關系方程的5個系數（a=-0.000 411 96，b=0.055 881 25，c=-3.008 447 67，d=80.78997826，e=-1.09904640，f=6363.55052113），基礎油溫設定為x0=25℃，理論油壓值為y0=180 kPa。

當機油溫度x=25℃時，油壓補償值Y補=Y；

當機油溫度x＞25℃時，油壓補償值Y補=Y+（180-yx）；

當機油溫度x＜25℃時，油壓補償值Y補=Y-（yx-180）。

設置完成后，低速油壓測試窗口中出現兩條波形，一條是油壓測量值Y的波形，另一條是油壓補償值Y補的波形。當機油溫度高于25℃時，油壓測量值Y波形低于油壓補償值Y補波形，如下圖5所示。

圖4 理論油壓-油溫關系方程

圖5 油壓補償值波形和油壓原始值波形

油溫補償功能啟用后，收集一段時間內同一臺發動機的測試數據，如圖6所示，隨著溫度的變化，油壓補償值的波動范圍小，油壓測量值的波動范圍大。

圖6 油溫補償效果驗證圖

故放寬油壓測量值范圍解決誤判問題，設置低速油壓補償值的范圍提升缺陷探測能力。通過批量數據計算后，低速油壓最大值限值由100～300 kPa調整為100～350 kPa，低速油壓補償值限定值，低速油壓最大值補償值限值設置為125～240 kPa.

例如某臺缺陷發動機常溫下的低速油壓實測值為80 kPa，其在低溫環境下的測量值高于100 kPa，在合格范圍內，但是油壓溫度補償算法會對測量值修正到常溫狀態下，即油壓補償值仍然不合格。所以說油壓補償值的設置提高了發動機的缺陷探測能力。

5 結束語

本文介紹了油壓溫度補償方法在冷試臺架的應用，并有效解決了溫度變化造成的冷試誤判問題，并提高過程監控能力。溫度補償的方法已經廣泛應用于工業生產的多個方面，機加工冷卻液、計量儀器等，油壓溫度補償方程的確定過于繁雜，每種機型都需要有專門的算法，對多機型柔性生產的產線而言，設備維護人員的工作量是很大的問題。