氣密性測試技術在發動機生產制程的應用

譚明作

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州545005）

0 引言

汽油發動機是內燃機的一種，是通過在發動機內部（燃燒室）點燃A/F混合氣，使燃燒室內產生高溫高壓氣體來推動活塞，經過連桿，帶動曲軸和飛輪進行旋轉運動，將熱能轉化為動能并輸出。參與發動機工作過程的內部介質有被點燃后的高溫高壓氣體、冷卻液、潤滑機油等，如果這些內部介質之間發生交叉泄漏，那么發動機的可靠性和性能指標將受到嚴重影響，甚至會損毀發動機。

對于發動機不同部位的密封性要求，其泄漏量的閾值是有所區別的。根據發動機的工作特性和技術設計要求，在能夠保證發動機的可靠性及性能指標下，是允許存在一個合適范圍內的泄漏量[1]。如：進排氣門與氣門座之間的配合，是無法做到絕對的不漏。由于在發動機生產制造過程中，無法模擬出發動機的實際運行狀態，因此發動機零部件之間的實際泄漏量測量往往采用替代的檢測方式，目前普遍采用氣密性檢測方式。

氣密性檢測是保證零部件質量及生產制程質量的重要手段。氣密性檢測設備已普遍應用于發動機制造行業，氣密性檢測已逐漸替代傳統的浸油撿漏、沉水檢漏等檢測方式。氣密性檢測設備作為生產和檢測一體的檢試設備，需要定期進行校準[2]。

目前對于發動機氣密性要求，是尚無國家標準可參考。我司生產的不同平臺的汽油發動機，其生產制程的氣密性控制，即試漏儀的工藝參數制定，都是通過大量的生產驗證、沉水試驗以及臺架試機等多種手段結合起來，經過對數據的正態分布，6δ準則等分析手段，得出對應機型的經驗數據作為該機型的試漏工藝參數和泄漏量控制值。

1 氣密性試漏儀結構原理

氣密性試漏儀工作原理是檢測密閉容腔內的壓力變化量，再轉換為每分鐘氣體泄漏量來判斷密閉容腔是否有泄漏。測量循環由五個階段組成：等候（預充氣）、充氣、穩定、測試、排氣。測量循環如圖1所示。

圖1 氣密性試漏儀測量循環

我司目前采用的氣密性試漏儀為阿黛凱（ATEQ）F系列和D系列（層流管式）。

1.1 阿黛凱F系列試漏儀原理

阿黛凱F系列試漏儀原理圖如圖2所示，采用壓差法測量，測出測試零件與標準零件或封堵短管兩端壓差，并計算出泄漏量，計算方法見公式1。

式中：F為泄漏流量 ；V為測試零件容積；ΔP為壓降。

圖2 阿黛凱F系列試漏儀原理圖

1.2 阿黛凱D系列試漏儀原理

阿黛凱D系列試漏儀原理圖如圖3所示，采用壓差法測量，測出層流管兩端壓差，并計算出實時泄漏量，計算方法見公式2。

式中：μ為流體的密度；L為層流管的長度；Q為層流管流量；R為層流管的內半徑；ΔP為層流管兩端的壓差。

圖3 阿黛凱D系列試漏儀原理圖

2 氣密性檢測在發動機制程的應用

2.1 長缸體試漏循環階段時間參數的確定

長缸體狀態，即發動機在已經完成了除進、排氣管裝配工序之外的單機狀態。如圖4所示。

圖4 長缸體狀態的單機

在確定試漏儀測量循環程序各階段時間時，需要結合產線的生產節拍設計和產品被測試部分的腔體容量，對循環階段的時間進行適應性調整。表1是我司某機型長缸體試漏循環各測試階段的時間參數。油道的腔體屬于較大容積，需要進行預充氣，以減少總測試時間，提高生產節拍，因此油道試漏采用了阿黛凱D系列的試漏儀，具備預充氣功能，能有效減少充氣時間。而水道試漏則采用了阿黛凱F系列試漏儀。

表1 某機型長缸體試漏循環各測試階段的時間參數

2.2 長缸體泄漏量控制范圍的確定

第一步，首先需要制作一個小泄漏量的不合格件。對該不合格件進行1×10的重復測試，取這10次測試結果的算術平均值作為初定的泄漏量控制上限。

第二步，以初定的泄漏量控制上限為判定依據，收集該試漏設備所測出的在初定泄漏量上限范圍內的50臺數據（條件允許則可適當加大數據量），然后利用六西格瑪原理計算出數據分布的X±3σ（按過程能力指數CPK為1，見表2），分別以X+3σ、X-3σ做為初步的泄漏量監控范圍上、下限。

表2 CPK與USL、PPM關系

第三步，初定監控范圍后，則開始進行工藝驗證或生產驗證，使得數據達到125臺套后，重新運用六西格瑪原理優化泄漏量監控上、下限，同時需要通過對不合格件進行沉水試驗，判定泄漏量范圍制定的合理性。

第四步，在完成第三步的泄漏量監控范圍優化后，仍需定期（前期建議1 000臺套/次）利用六西格瑪原理對X±3σ進行監控，如圖5所示。

圖5 某機型長缸體試漏（油道）數據分布

2.3 試漏儀設備狀態確認

試漏儀作為發動機生產制程的關鍵檢測設備，必須在每個班正常生產前進行開班首檢，以保證試漏設備處于正常工作狀態，確保發動機生產制程檢測工具的有效性。開班首檢方式通過對標準件（OK件和NOK件）進行檢測確認。

試漏儀每年需要進行一次標定。在進行標定時，首先要確保試漏儀及其管接系統是零泄漏，再將標準漏口安裝于試漏管路中，連續進行3次試漏驗證，要求試漏結果在Q±10%以內（Q為標準漏口標定泄漏率）。

2.4 長缸體氣密性檢測的作用

通過長缸體氣密性檢測，可以有效探測出缸蓋內漏、前罩殼裂痕、火花塞密封缺陷、機油濾清器連接管螺紋缺陷、曲軸皮帶螺栓密封缺陷、油軌夾膠、各零件結合面刮花、結合面異物等多種發動機生產制程的裝配缺陷以及部分零件缺陷。氣密性檢測是保證發動機生產制程質量的有效手段。

環境溫度、濕度，工件溫度以及氣源壓力等，對氣密性試漏都有顯著影響，因此在實際運用中需要考慮以上因素。特別是機加工剛下線的工件，如果采用氣密性進行試漏時，尤其需要注意工件溫度與測試策略的關系，以確保檢測結果的準確性和一致性。

我司發動機生產線是全封閉式全室空調環境，保證了裝配環境有較高的一致性，裝配零件與環境溫度基本一致，測試氣源均經過穩壓處理，確保的檢測條件的一致性。通過在發動機生產制程使用氣密性測試手段，我司某機型發動機總成的質量水平有了顯著提高，零公里PPM為86，而在沒有運用氣密性測試手段的另外一種機型，零公里PPM則接近900。同時，因為發動機生產制程使用了氣密性測試手段，我司某機型發動機的臺架測試時間也從15 min縮短到10 min，減少了5 min的試機成本，同時又提高了試機效率。

3 結束語

近10年來，隨著生產線在線檢測技術的升級應用和智能制造裝備的投入使用，我國汽車工業生產制造水平有了長足的進步，國產汽車整車質量及發動機總成質量與合資品牌汽車的質量差距越來越小。隨著中國制造2025的持續推進，我國汽車工業也將迎來與國外汽車工業齊肩并進的機會，甚至超越他們。