淺談發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)測(cè)試方式及其應(yīng)用

（上汽通用五菱汽車股份有限公司柳州市545007）

發(fā)動(dòng)機(jī)熱試技術(shù)一直是國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過程中用于在線檢測(cè)其性能和可靠性的主要手段，但出于能源枯竭和環(huán)境保護(hù)的考慮，冷試技術(shù)作為新興的測(cè)試手段，已在各發(fā)動(dòng)機(jī)制造工廠得到迅速推廣，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。本文較詳細(xì)地介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際生產(chǎn)中的熱試和冷試，指出如何選擇適合的發(fā)動(dòng)機(jī)出廠試驗(yàn)方式。

1 熱試

熱試是通過正常啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，在運(yùn)轉(zhuǎn)中使用各種手段檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放等是否滿足出廠指標(biāo)的一種生產(chǎn)過程。熱試按載荷大小分為負(fù)載熱試和空載熱試。

1.1 負(fù)載熱試

1.1.1 負(fù)載熱試的目的

負(fù)載熱試作為發(fā)動(dòng)機(jī)出廠前的一個(gè)重要檢測(cè)項(xiàng)目，可有效防止質(zhì)量問題的逃逸，保證出廠的發(fā)動(dòng)機(jī)滿足性能要求。

1.1.2 負(fù)載熱試的檢測(cè)項(xiàng)目

負(fù)載熱試的檢測(cè)項(xiàng)目包括裝配質(zhì)量缺陷和零部件質(zhì)量缺陷、三漏（漏冷卻液、漏潤滑油和漏燃油）、轉(zhuǎn)速、功率、扭矩、燃油消耗率和排放等。某廠負(fù)載臺(tái)架測(cè)試工況和內(nèi)容見表1。

表1某柴油機(jī)廠熱試出廠性能指標(biāo)

1.1.3 負(fù)載熱試臺(tái)架及測(cè)試原理

負(fù)載熱試需要在熱試臺(tái)架內(nèi)完成。可簡(jiǎn)單地?zé)嵩嚺_(tái)架分成機(jī)械和電氣兩部分，其詳細(xì)內(nèi)容見圖1。

圖1熱試臺(tái)架組成圖

為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)能正常啟動(dòng)，必須按要求供應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的冷卻液、潤滑油（可提前加注）和燃油，所以臺(tái)架內(nèi)包括冷卻液供給系統(tǒng)和燃油供給系統(tǒng)。為了啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，若起動(dòng)電機(jī)未與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，那么測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)需要安裝工藝起動(dòng)電機(jī)。為了節(jié)省作業(yè)節(jié)拍，安裝起動(dòng)電機(jī)設(shè)置為快接工裝，圖2是某產(chǎn)品起動(dòng)電機(jī)快接工裝。熱試產(chǎn)生的廢氣不能隨意地排到大氣當(dāng)中，所以臺(tái)架內(nèi)連接排氣系統(tǒng)。為了滿足國家和地方排放要求，排氣系統(tǒng)中安裝的消音器和三元催化器清潔尾氣；或者將尾氣集中后通過噴淋按比例的氨水達(dá)到降低NOx的濃度后排放到大氣；又或者建設(shè)高約15m的排氣筒，降低排放速率后直接外排。

圖2起動(dòng)電機(jī)快接工裝

發(fā)動(dòng)機(jī)的三漏檢查是由人工完成，使用示蹤劑輔助作業(yè)可有效提高探測(cè)度。通過三漏的檢查可以知道裝配過程是否存在缺陷，比如油底殼漏油，拆解后可知道是涂膠不連續(xù)等。通過三漏檢查也能知道零部件質(zhì)量是否合格，比如凸輪軸罩蓋上某處滲漏，可能就是鑄造砂眼。

功率和扭矩在臺(tái)架內(nèi)的測(cè)量依靠測(cè)功器。測(cè)功器有水力式、電力式和電渦流式3種。無論哪一種，均有一個(gè)與被測(cè)機(jī)械相聯(lián)接的轉(zhuǎn)子和一個(gè)可繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的定子（圖3）。當(dāng)轉(zhuǎn)子由被測(cè)機(jī)械帶動(dòng)時(shí)，在水摩擦力或電磁力的作用下，定子也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過定子臂桿、杠桿和擺錘式測(cè)力計(jì)，使定子穩(wěn)定在平衡位置上，測(cè)得其制動(dòng)力F.

式中，R為受力半徑，單位mm.

通過公式（1），可求得扭矩Ttq

式中，n為轉(zhuǎn)速，r/min。

而通過公式（2），可求得功率Pe.

圖3測(cè)功器原理圖

油耗儀可準(zhǔn)確測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)某工況下的燃油消耗率。燃油消耗測(cè)量方法根據(jù)其測(cè)量原理有不帶回路裝置的容積流量法、定容測(cè)試法和定時(shí)測(cè)重法，還有帶回路裝置的失重法和雙流量計(jì)法。汽油機(jī)燃油管路沒有回路，選擇雙流量計(jì)法油耗儀不合適。依定時(shí)測(cè)重法設(shè)計(jì)的油耗儀，主要利用計(jì)時(shí)器和杠桿原理精確檢測(cè)燃油消耗，其原理如圖4.一端掛著油箱的測(cè)量桿浮在片型彈簧上，當(dāng)油箱油量變化時(shí)片型彈簧在特定路徑上無摩擦和無滯后地運(yùn)動(dòng)，左側(cè)的電容傳感器感應(yīng)片型彈簧的變化并將其轉(zhuǎn)化為電壓，微機(jī)將這種電壓變化轉(zhuǎn)化為油量的變化，從而測(cè)得油量消耗。

圖4測(cè)重法油耗儀原理圖

測(cè)量尾氣排放的儀器，稱之為尾氣檢測(cè)儀。對(duì)排放要求不高的領(lǐng)域的發(fā)動(dòng)機(jī)，比如農(nóng)用柴油機(jī)，可使用煙度計(jì)檢測(cè)排放是否達(dá)到出廠指標(biāo)；而對(duì)排放要求特別高的發(fā)動(dòng)機(jī)，比如乘用車、礦用防爆發(fā)動(dòng)機(jī)等，使用尾氣檢測(cè)儀檢查尾氣含量是否達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.4 負(fù)載熱試過程

在托盤或小車上的發(fā)動(dòng)機(jī)被送入測(cè)試臺(tái)架后，連接發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液、燃油、起動(dòng)電機(jī)和排氣管等工裝附件后，即可啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)通過發(fā)動(dòng)機(jī)的傳感器或臺(tái)架傳感器監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)，轉(zhuǎn)速計(jì)、測(cè)功器和油耗儀實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、功率、扭矩和油耗率等，自動(dòng)將測(cè)量值和限值比較判斷發(fā)動(dòng)機(jī)合格與否。最后，在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況或停機(jī)時(shí)人工檢查三漏情況。

1.2 空載熱試

空載熱試即無負(fù)載的熱車試驗(yàn)，它不需要測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)出廠的功率、扭矩和燃油消耗率。

因?yàn)椴灰鬁y(cè)試功率和油耗，所以空載臺(tái)架沒有測(cè)功器和油耗儀，這是空載臺(tái)架和負(fù)載臺(tái)架組成的最大區(qū)別。其它方面空載臺(tái)架也負(fù)載臺(tái)架類型，結(jié)構(gòu)上不再贅述。空載臺(tái)架的一種集裝箱式布置見圖5。

負(fù)載熱試的整個(gè)測(cè)試時(shí)間很短，通常在20分鐘以內(nèi)。測(cè)試工況少，程序簡(jiǎn)單。某汽油機(jī)廠10分鐘空載熱試程序僅怠速、中速和高速3個(gè)工況，詳細(xì)的測(cè)試順序和時(shí)間見表2。空載熱試的測(cè)試時(shí)間更短，制造成本更低，非常適合大規(guī)模的生產(chǎn)需求。

圖5某汽油機(jī)廠集裝箱式空載臺(tái)架布局圖

表2某廠10分鐘空載熱試程序

2 冷試

發(fā)動(dòng)機(jī)冷試是一種在線檢測(cè)技術(shù)，整個(gè)過程發(fā)動(dòng)機(jī)不噴油、不燃燒，所以稱為冷試。

2.1 冷試的原理

冷試能判定裝配及零部件質(zhì)量，主要是利用故障映像(Mapping)技術(shù)。同款發(fā)動(dòng)機(jī)，若設(shè)計(jì)制造都沒有失誤，那么個(gè)體之間的差異極小，發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)僅在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，通過大量合格發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)收集，可設(shè)定各特征參數(shù)的極限值，從而確定測(cè)試基準(zhǔn)；如果某臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)與測(cè)試基準(zhǔn)有明顯偏差，則表明該發(fā)動(dòng)機(jī)可能存在某些缺陷或故障。

2.2 冷試臺(tái)架

冷試像熱試一樣需要通過臺(tái)架來完成測(cè)試。冷試臺(tái)架的機(jī)械部分一般包括：底座和框架、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出站設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)夾緊機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)軸和發(fā)動(dòng)機(jī)拖拽單元、進(jìn)氣/排氣自動(dòng)封堵、振動(dòng)測(cè)試單元、油壓測(cè)試單元和電源匹配板等，其機(jī)械布置如圖6所示。軟件和控制部分包括：各種傳感器、可編程控制系統(tǒng)、人機(jī)界面和數(shù)據(jù)分析軟件。

圖6冷試臺(tái)架3D數(shù)模

2.3 冷試過程及測(cè)試程序

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)通過轉(zhuǎn)臺(tái)或梭臺(tái)進(jìn)入測(cè)試工位后，臺(tái)架頂升機(jī)構(gòu)將托盤和發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)定位托起，臺(tái)架夾緊被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)，然后伺服電機(jī)輸出端與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端對(duì)接，接著計(jì)算機(jī)控制伺服電機(jī)以不同轉(zhuǎn)速拖動(dòng)被測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)，并接收發(fā)動(dòng)機(jī)或臺(tái)架上的傳感器信號(hào)，同時(shí)通過各種算法、邏輯得到測(cè)量值，最后將測(cè)量值與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配、零部件是否合格后放行，這就是冷試的過程。

冷試的軟件測(cè)試過程可概括為5個(gè)階段和9個(gè)步驟,如圖7所示。5個(gè)測(cè)試階段:靜態(tài)自檢（0 r/min），起動(dòng)扭矩測(cè)試（50 r/min），中速測(cè)試（800 r/min），高速測(cè)試（1 500 r/min）和低速測(cè)試（150 r/min）。9個(gè)步驟：第一，臺(tái)架自檢和靜態(tài)測(cè)試；第二，扭矩檢測(cè)和安全機(jī)油壓力檢測(cè)；第三，起動(dòng)扭矩診斷；第四，油壓檢測(cè)和相位檢測(cè)；第五，中速診斷；第六，高速相位檢測(cè)，點(diǎn)火測(cè)試和NVH檢測(cè)；第七，高速診斷；第八，低速進(jìn)氣和排氣測(cè)試；第九，低速診斷，并停機(jī)。

圖7冷試的測(cè)試循環(huán)

2.4 冷試檢測(cè)內(nèi)容

（1）扭矩測(cè)試

在冷試的最初階段，測(cè)試先進(jìn)行起動(dòng)扭矩的檢測(cè)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)控制在一個(gè)比較低的水平，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)本身存在機(jī)械缺陷，可以迅速的中斷測(cè)試，這樣可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)在測(cè)試中受到損壞。起動(dòng)扭矩測(cè)試包括脫離扭矩和平均扭矩兩項(xiàng)指標(biāo)。一般在整過測(cè)試過程，會(huì)監(jiān)控合個(gè)步驟的扭矩。

通過扭矩測(cè)試可以檢測(cè)摩擦副之間雜質(zhì)、氣缸壓力不平衡、氣門泄露、活塞環(huán)缺失、缸蓋泄露、火花塞未安裝或密封不嚴(yán)等缺陷。

（2）正時(shí)測(cè)試

采集曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器的信號(hào)，生成冷試系統(tǒng)可用于分析的波形圖，可確定正時(shí)系統(tǒng)是否與設(shè)計(jì)相符，從而探測(cè)正時(shí)系統(tǒng)在裝配時(shí)產(chǎn)生的一些缺陷，比如鏈條傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)信號(hào)標(biāo)記錯(cuò)齒等。當(dāng)然，通過波形圖和設(shè)定的參數(shù)判斷，也可探測(cè)到如信號(hào)輪缺齒、齒形缺陷等零部件質(zhì)量問題。正時(shí)波形圖如8所示，從圖形可得到曲軸和凸輪軸相對(duì)角度等信息。

圖8正時(shí)波形圖

（3）點(diǎn)火測(cè)試

點(diǎn)火測(cè)試時(shí)，一旦收到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)到設(shè)定位置的正時(shí)信號(hào)，冷試系統(tǒng)向點(diǎn)火線圈發(fā)送信號(hào)，點(diǎn)火線圈接收到點(diǎn)火信號(hào)和系統(tǒng)供給的12 V點(diǎn)火電壓后，開始模擬發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。點(diǎn)火檢測(cè)利用點(diǎn)火線圈中初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的相互感應(yīng)這個(gè)特性，通過磁場(chǎng)傳感器來感應(yīng)點(diǎn)火過程中磁場(chǎng)的變化情況，并記錄感應(yīng)的波形去判斷測(cè)試結(jié)果。點(diǎn)火測(cè)試一般在高速階段進(jìn)行測(cè)試，屬于動(dòng)態(tài)點(diǎn)火。測(cè)試分密封和非密封點(diǎn)火兩個(gè)階段，而每個(gè)階段又連續(xù)測(cè)試多次。

點(diǎn)火測(cè)試主要考察的是波形中點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間和多次點(diǎn)火的成功率，通過參數(shù)的合理設(shè)置，點(diǎn)火測(cè)試可以探測(cè)火花塞間隙小或大、點(diǎn)火線圈中初級(jí)或次級(jí)線圈匝數(shù)錯(cuò)誤等缺陷。從圖9可見，不同火花塞間隙在測(cè)試中表現(xiàn)的點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間不同。

圖9點(diǎn)火測(cè)試波形圖

（4）NVH測(cè)試

冷試臺(tái)架上的NVH測(cè)試,主要是通過檢測(cè)機(jī)械干擾引起的異常振動(dòng)和可探測(cè)噪音確定裝配缺陷。振動(dòng)測(cè)試一般有3個(gè)以上的測(cè)點(diǎn)，通過加速計(jì)傳感器將發(fā)動(dòng)機(jī)在測(cè)試中的振幅傳給處理器，經(jīng)二階濾波和軟件處理（比如快速傅里葉變換）生產(chǎn)波形圖，對(duì)照正常限值以檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的機(jī)械故障。噪音測(cè)試主要通過麥克風(fēng)，檢查測(cè)試過程中的異常聲音。

NVH測(cè)試能探測(cè)缺陷包括：氣門總成缺陷（比如氣門桿彎曲、氣門關(guān)閉不嚴(yán)等）、挺桿漏裝、挺桿問題、發(fā)動(dòng)機(jī)異響、凸輪軸和搖臂問題、某些緊固件未擰緊、連桿軸瓦漏裝等。

（5）機(jī)油壓力測(cè)試

通過主油道上的機(jī)油快接插頭，冷試系統(tǒng)可測(cè)得各階段的機(jī)油壓力。在整個(gè)測(cè)試過程中，系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)油壓力。通過機(jī)油壓力測(cè)試，可以探測(cè)油道泄露或阻塞、機(jī)油泵故障、主軸瓦漏裝等缺陷。為了保證測(cè)量的精度，通常采用高速和低速2種油壓傳感器。

（6）OCV/VVT測(cè)試

為了保證與整車條件相若的測(cè)試，在不影響布線的情況下，測(cè)試模塊和受測(cè)傳感器盡可能布置得更近一些。

VVT測(cè)試的原理是冷試系統(tǒng)提供一個(gè)高電平（5 V）給發(fā)動(dòng)機(jī)OCV，通電后的OCV動(dòng)作接通VVT執(zhí)行器—鏈輪油道，在高速1 500 r/min條件下電流持續(xù)16個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)，通過相位變化檢查鏈輪相應(yīng)速度是否在設(shè)定范圍內(nèi)；同理，提供一個(gè)低電平（0 V），使OCV接通鏈輪另一油路，檢查OCV關(guān)閉。

通過考察OCV打開或關(guān)閉的響應(yīng)速度，可探測(cè)到OCV問題、鏈輪問題、缸蓋問題等質(zhì)量缺陷。VVT測(cè)試波形圖如圖10所示。

圖10 VVT測(cè)試波形圖

（7）進(jìn)氣、排氣壓力測(cè)試

進(jìn)氣、排氣壓力測(cè)試通過存儲(chǔ)在低速階段與發(fā)動(dòng)機(jī)相位角度相關(guān)的壓力脈沖，比較測(cè)量值與預(yù)設(shè)值之間的差異探測(cè)缺陷。

空氣通過合適的小孔進(jìn)入或離開缸蓋和封堵之間的通道，空口安裝壓力傳感器，與相位角相關(guān)的進(jìn)氣、排氣壓力脈沖將會(huì)被傳感器捕獲，并形成可用于缺陷分析的波形圖。通過分析波形中峰值的相位和比較波形的振幅，可以探測(cè)氣門間隙錯(cuò)誤、氣門泄露、活塞環(huán)缺失、進(jìn)氣歧管泄露（若已安裝）等缺陷。

3 熱試、冷試的區(qū)別和優(yōu)缺點(diǎn)

熱試和冷試的區(qū)別在于，熱試直接檢測(cè)結(jié)果是否滿足出廠要求，直觀明了；冷試只是探測(cè)裝配質(zhì)量和零部件質(zhì)量，間接地反應(yīng)整機(jī)滿足出廠要求的程度。

熱試和冷試的比較，詳見表3.

表3熱試和冷試的區(qū)別

4 結(jié)束語

熱試和冷試都是發(fā)動(dòng)機(jī)的出廠檢測(cè)手段，現(xiàn)階段應(yīng)用最廣的還是熱試，但是冷試更符合發(fā)展的需求。

100%冷試結(jié)合熱試抽檢是個(gè)很好的選擇。因?yàn)槔湓囘^程中無燃燒、加熱等，不能檢測(cè)熱力循環(huán)中相關(guān)的缺陷，所以冷試后可結(jié)合空載熱試抽檢實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)質(zhì)量水平的有效監(jiān)控。

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