基于冷試的汽車發動機活塞泄漏的缺陷分析

倪計民、趙骎之

（同濟大學 200092)

1 冷試介紹

冷試是裝配線上針對發動機性能測試的非常重要的測試臺架（圖1），采用電機驅動發動機，模擬發動機實際運行過程并通過一系列的測試項目來對發動機性能進行檢測，由于不使用汽油作為動力，故不產生熱量，所以稱之為冷試。冷試具有測試時間短、測試精確及環保等優點，是目前發動機生產企業對發動機測試所使用的最主要的檢測手段。

圖1 冷試測試原理

本文使用的階段式冷試布置方式是將發動機測試分為2部分，分別為短發冷試和長發冷試。短發冷試也被稱為機械測試，主要在發動機主體裝配完成后進行性能測試，包括進排氣測試、正時測試、扭矩測試及振動測試等。發動機冷試時由電機拖動發動機在60～3 000 r/min之間運轉，在發動機運轉過程中通過壓力、溫度和振動等傳感器的數據，以及發動機電氣元件的功能等綜合判斷產品的質量情況。而活塞環安裝缺陷的發現，正是在短發冷試進行扭矩測試時發現的。

長發冷試也被稱為電氣測試，主要是發動機在完成整機裝配待下線前進行最終功能測試，測試項目包括點火測試、噴油測試、傳感器測試及振動測試等。

1.1 冷試中扭矩測試方法

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。而在進行機械扭矩測量時，發動機轉速一般為60 r/min，可在發動機轉動時對發動機各類摩擦副進行監控。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。

當發動機進入冷試工位后，固定在測試臺架上，連接好適配器，設置完各種測試參數后，即可開始進行測試。測試后生成機械扭矩結果曲線，上傳至服務器保存，用以判斷發動機壓縮和做功期間扭矩的變化情況[1]。

1.2 扭矩曲線

如圖2所示，該曲線為發動機冷試中扭矩測試曲線。縱坐標為扭矩值，橫坐標為曲軸轉角，圖中的波形曲線代表發動機4個缸在一個曲軸旋轉周期內的扭矩，4個缸的點火順序分別為1-3-2-4。測試開始時，由電機帶動曲軸旋轉，當曲軸旋轉至某個特定位置后產生慣性力，從而引起發動機扭矩的變化，所產生的能量有正負之分。由電機帶動的部分在圖中表現為負能量，即坐標軸下方，如圖3（a）所示；而由曲軸自身的慣性所產生的扭矩變化在圖中表現為正能量，即坐標軸上方，如圖3（b）所示。

1.3 扭矩測試的評價參數

每臺發動機經過冷試扭矩測試后都會生成圖形曲線，經過對相關參數的評價，判斷該臺發動機是否合格。因此，評價參數成為該臺發動機扭矩是否合格的關鍵指標。如圖3（a）（b）所示，測得扭矩的能量正向數值應處于設置的參數范圍內，而參數范圍通過同一型號的發動機經過數萬臺的累計測試結果，并以5西格瑪計算方式獲得。同理可得，扭矩的能量負向數值與冷試系統設置好的參數進行比對，最終形成完整的圖形曲線。

圖2 扭矩測試曲線

圖3 冷試扭矩變化

2 活塞和活塞環在發動機中的作用

發動機好比是汽車的“心臟”，而活塞則可以理解為是發動機的“中樞”，它還是發動機中最忙碌的一個部件，不斷地進行著從下止點到上止點，再從上止點到下止點的往復運動，完成吸氣、壓縮、做功和排氣的工作。活塞的內部為掏空設計，更像是一個帽子，兩端的圓孔連接活塞銷，活塞銷連接連桿，連桿則與曲軸相連，將活塞的往復運動轉化為曲軸的圓周運動。

2.1 活塞的作用

(1)為燃燒室提供與曲軸箱之間的運動密封。

(2)承受燃燒期間所產生的氣體壓力，并通過連桿將其轉變為曲軸旋轉的作用力。

(3)將燃燒氣體所放出的熱量與活塞頂的熱量傳遞給氣缸壁。

2.2 活塞環的作用

一般活塞的裙體處都有3條皺紋，是為了安裝2道氣環和1道油環，其中氣環在上。氣環的主要作用是密封氣缸，將氣缸與曲軸箱隔離開來，并將活塞上的熱量傳給冷卻的氣缸。在裝配時，兩道氣環的開口需要錯開，起到密封的作用。

油環的作用主要是刮除飛濺到缸壁上的多余油液，并將油液刮布均勻。活塞環必須具有彈性，因而在滑過活塞和壓縮到最小尺寸之后，不會發生永久變形。在工作期間，活塞環后面的氣體壓力加大了與氣缸壁之間的接觸壓力。目前廣泛應用的活塞環材料主要有優質灰鑄鐵、球墨鑄鐵及合金鑄鐵等。

此外，活塞環由于位置不同，它們采用的表面處理也有差別。其中第一道活塞環外圓面通常進行鍍鉻或噴鉬處理，主要是為了改善潤滑和提高活塞環的耐磨度。其他活塞環大都會采用鍍錫或磷化處理，主要是為了改善耐磨性。

如果活塞環的安裝不當或密封性不好，就會導致缸壁上的機油上竄至燃燒室，并與混合氣一起燃燒，從而引起燒機油的故障現象。若活塞環與缸壁的配合間隙過小或活塞環因積炭被卡死在環槽內等情況，活塞做上下往復運動時，很可能會將氣缸壁刮傷，長時間后會在氣缸壁上形成很深的溝紋，也就是常說的“拉缸”現象。氣缸壁有了溝紋，密封性會不良，同樣會造成燒機油的情況。因此應定期檢查活塞的工作狀態，避免以上2種情況的發生，從而保證發動機的運行狀況良好。

3 缺陷情況介紹

A公司裝配線自2017年以來多次發生短發冷試扭矩測試不合格的現象，具體表現為發動機某缸的扭矩正向能量數值或負向能量數值未達到評價范圍，如圖4、5所示。

以該臺EA211-MPI某同型號發動機的合格與不合格扭矩曲線為例，圖4中的發動機第3缸的正向扭矩數值明顯低于另外3個氣缸。不合格的第3缸扭矩數值為42.1 N.m，而其他3個缸的數值分別為61.3 N.m、62.9 N.m和64.0 N.m，該型號發動機的扭矩評價參數為50.0～75.0 N.m。因此經冷試扭矩測試判斷結果為不合格[2]。

4 缺陷分析

根據合格的冷試扭矩曲線與不合格冷試扭矩曲線對比，初步判斷可能是因為燃燒室的氣密封性能下降造成的，因此對以下3個部位進行檢查，以判斷出現扭矩不正常的原因。

圖4 冷試扭矩測試不合格曲線

圖5 冷試扭矩測試合格曲線

4.1 氣門泄漏

一般來說，發動機在壓縮和做功行程中，進排氣門應該處于關閉狀態，若氣門本身存在缺陷或者氣門上夾雜異物導致沒有關閉，就會造成氣門泄漏，從而影響燃燒室密封性，導致扭矩不合格。在查看了該缺陷發動機的冷試進氣曲線后，結果為合格（圖6），因此，該臺發動機的扭矩不合格并非因為氣門漏氣而造成。

4.2 火花塞泄漏

火花塞位于發動機缸蓋中，當發動機活塞運動至上止點附近時釋放電火花。在冷試中，火花塞的泄漏測試屬于冷試振動測試中的一環，在進行火花塞測試時，電機帶動發動機曲軸轉速在2 000 r/min，易于發現泄漏量較大的發動機缺陷。而從該臺發動機的振動測試結果來看，結果是合格的（圖7），因此可以判斷并非因為火花塞泄漏。

4.3 活塞氣環不密封

若活塞環泄漏，其泄漏量較低，在冷試中不會引起其他測試項的不合格報警，因此在扭矩測試中即可被發現，也符合該臺缺陷發動機最終結果的判斷。而后經發動機下線至返修拆解后發現，發動機活塞氣環處有損傷，引起燃燒室泄漏，導致壓縮比下降，影響發動機性能。

5 分析結果及改進

經統計分析，自2017年以來發生的8臺冷試扭矩測試不合格發動機，經返修拆解發現均為活塞第1道氣環有損傷，導致扭矩不在評價參數范圍內。因此懷疑在裝配過程中，活塞安裝時可能存在質量隱患。排查裝配過程后，決定優化裝配工藝，在裝配活塞時增加目檢，并將短發冷試扭矩最大值合格參數由原先的54.0～65.0 N.m調整為50.0～61.0 N.m，并通知供應商對活塞生產過程進行優化[3]。

經過裝配工藝優化以及冷試參數調整，目前尚未發現由活塞環卡死而造成的發動機扭矩不合格現象。

圖6 冷試進排氣測試結果

圖7 冷試振動噪聲測試結果