發動機冷試技術應用研究

張宏高，秦黃吉，林一

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

發動機冷試技術應用研究

張宏高，秦黃吉，林一

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

闡述發動機冷試的概念及基本原理，通過實際案例分析介紹發動機冷試在生產裝配過程中的應用。

發動機；冷試；VVT；OCV；點火

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.067

CLC NO.: U472.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-204-03

引言

發動機冷試作為一種新型的發動機在線檢測技術，由于其測試時間短，使用成本低，排放污染物少，環保等特點，被廣泛運用到上汽通用五菱發動機裝配生產過程中。而傳統的的熱試試驗則改成抽檢項，逐步形成了冷試試驗為主，熱試試驗為輔，冷試和熱試相結合的發動機檢測試驗方案。

1、冷試概述

1.1 概念

冷試是一種檢測總裝流程錯誤及發動機零件缺陷的方法，使用交流伺服電機通過連接設備與發動機的飛輪相連接，在計算機控制下以不同的轉速拖動被測試發動機，在發動機不噴油，不燃燒的情況下使用傳感器收集各種數據，測試臺軟件通過專門的測試算法對采集數據進行處理，并將處理結果與指定的限定值比較，從而對發動機的裝配質量進行判定。冷試能提前發現裝配過程中的質量問題和零部件缺陷，把缺陷控制的生產線內，從而達到提升發動機產品質量的目的。

1.2 試驗原理

發動機在冷試過程中不噴油，不對外做功，但是發動機同樣具有進氣、壓縮、做功和排氣四個沖程，并且循環往復。在此過程中，通過收集傳感器信號產生的波形圖對發動機的點火、相位、扭矩、振動、油壓、進氣和排氣等性能進行綜合性測試。之所以能診斷出發動機故障，主要是運用了故障映像（Mapping）技術，其原理可簡單概括為以下幾點：

①針對同一型號發動機，假設設計和制造均沒有誤差，它們之間就有共同的“信號特征”，即發動機在測試過程所采集的各項參數均為合格范圍內。

②對大量已知合格發動機進行測試，所采集的特性參數處于一定范圍內，依據此范圍通過計算6σ確定測試的基準。

③假設某臺發動機進行冷試測試，其所采集的特性參數與測試確定的基準出現明顯偏差，則可判定該發動機存在故障或缺陷。

2、冷試應用

2.1 試驗過程

發動機在冷試過程中測試是分成四個階段進行的，各階段均對應相應的發動機轉速和測試項目：

①A階段：安全監控階段，同時進行最大扭矩啟動測試和機油壓力中斷測試，此時發動機的轉速是0～500RPM。

②B階段：測試高速油壓以及高壓點火情況，發動機為最高轉速2000RPM。

③C階段：進行低壓點火測試、進氣測試、OCV相位信號測試，發動機的轉速是300RPM。

④D階段：進行扭矩測試、低速油壓測試以及排氣測試，發動機的轉速是150RPM。

2.2 發動機冷試故障分析

冷試雖然不能檢測發動機的功率和油耗，但是在檢測發動機其他整體性能方面具有顯著的優點，下面本文將針對發動機在冷試試驗過程出現的典型性故障案例進行詳細的分析。

2.2.1 進氣側OCV驅動不完整

2.2.1.1 故障描述

某型號發動機因供應商凸輪軸鏈輪產能不足，需開發零件二家供應商。二家供應商零件在PTR(生產試運行)驗證過程中，27臺發動機冷試檢測出現5臺進氣側OCV驅動不完整”，無法開啟VVT功能。

2.2.1.2 VVT工作原理

①VVT：用于實現轉子（凸輪軸）與定子（凸輪軸鏈輪）相對轉動的手段。在定子與轉子之間分隔兩個油腔，通過控制進入兩個油腔的機油量來控制轉子相對定子轉動的角度。如圖1所示。

②OCV：控制機油量，通過控制通電時間的長短來控制閥的行程。根據電磁原理，OCV通電后在內部形成磁場，磁場吸引閥針運動，由于加在OCV閥兩端的電壓是恒定的（既電瓶電壓），因此只能通過控制通電的時間長短來控制針閥的運動位移，從而達到控制閥針的目的。如圖2所示。

2.2.1.3 冷試檢測原理

在冷試試驗過程中，冷試設備主要是通過監控曲軸和凸輪軸的相對位置來監控VVT的開啟情況。

①未開啟前，相對位置為140±5°；開啟后，相對位置為90±5°，如圖3所示。

②VVT在1--8個循環內開啟，為正常；8—16個循環內開啟，為開啟慢。之后不再監控。如圖4所示。

③查詢6000臺量合格發動機主油道壓力分布情況，主要集中在（0.38—0.45）MPa和（0.5—0.54）MPa這兩個區域，如圖5和圖6所示。

2.2.1.4 零件對比分析

查詢對比一家/二家零件技術要求發現，一家零件設計開啟壓力為（0.3-0.6）Mpa,二家零件設計開啟壓力為（03.-0.8）Mpa。通過制作專用的檢測工裝進一步檢測發現一家零件開啟壓力約為0.51Mpa,二家零件開啟壓力約為0.6Mpa。結合該型號發動機高速油壓分布范圍（0.3-0.54）Mpa分析，二家零件設計開啟壓力不滿足該型號發動機的油壓條件，需重新設計改進。

2.2.2 點火測試不合格

2.2.2.1 故障描述

某型號發動機點火線圈開發零件二家供應商。二家零件在PTR(生產試運行)驗證過程中，158臺發動機冷試檢測出現30臺點火測試不合格，主要故障模式為“火花塞點火線圈噪音超出范圍”及“火花塞/線圈小間隙”。

2.2.2.2 點火測試原理

在冷試中，冷試點火分為兩個測試階段：

①正常點火測試：在給定能量（冷試臺架提供）下，火花塞會擊穿點火，主要檢測火花塞能否正常擊穿點火。

②不密封點火測試：在給定能量下，火花塞不會擊穿點火，主要檢測火花塞間隙是否正常。

兩個階段設備均提供相同電流，在不同進氣量的情況下分別進行10次點火，通過檢測兩個階段的點火成功率及點火時間等參數（見表1），來判定發動機點火系統是否正常。

表1

2.2.2.3 故障分析

查詢冷試波形發現“火花塞點火線圈噪音超出范圍”及“火花塞/線圈小間隙”這兩種故障模式均為不密封點火測試階段出現不合格。根據經驗判斷，影響該問題的潛在原因有：

①火花塞間隙??；

②氣門間隙小導致進氣量不穩定；

③兩家點火線圈能量及次級電壓差異。

針對前兩項潛在原因，通過收集不合格發動機測試數據信息（見表2），發現充電電流及平均進氣量正常，點火百分比在第二個測試階段超出范圍，故有可能火花塞間隙不正常。

表2

針對第三項潛在原因，對一家和二家供應商點火線圈差異進行了分析，詳細分析如下：

◇分析方法：隨機抽取一家和二家供應商點火線圈，進行電性能對比測試。

◇測試條件：電源電壓：14V；線束電阻：約120mΩ；電壓測試負載電容：23pF；溫度：（23±3）℃；能量測量：1000V齊納二極管。

◇測試結果：如圖 7和圖8所示：

◇結果分析：在相同的測試條件和相同的充電時間下，兩家供應商的零件均滿足圖紙點火能量≥40mJ的技術要求。但是對比發現二家零件的點火能量比一家的能量高約5mJ，次級電壓也高約4kV。因此，原匹配一家供應商點火線圈的冷試測試監控參數，在切換使用二家供應商零件時，原本不發生擊穿的火花塞，將可能發生擊穿，次級電壓的跳變將會耦合到初級電流波形，從而出現喧囂。

為了最終確定第一項和第三項潛在原因，抽取10臺量裝配二家點火線圈的發動機送熱試觀察。熱試試驗驗證發現10臺發動機全部熱試合格，拆解檢查測量火花塞間隙以及氣門間隙均測試合格。故可最終判定冷試點火測試監控參數不合理，為減少冷試設備對二家零件的誤判，需對該監控參數進行優化，使其能兼容二家供應商的點火線圈。

2.2.2.4 參數優化

調整裝配線該型號發動機冷試點火判定參數“level discrimination spark”值，及相關點火參數，見表3。

表3

Mapping驗證結果： 見表4，參數修改前后設備對火花塞檢測能力基本無變化。

表4

批量驗證結果： 見附表5，第一次參數修改后首次驗證142臺發動機共137臺一次測試合格，而第二次驗證40臺卻出現7臺不合格；故重新調整參數，第二次參數調整后，驗證96臺，一次合格率100%。

表5

3、結束語

冷試技術作為一種新型的發動機裝配在線檢測技術，其作用不是僅僅是能快速高效的檢測出發動機產品的質量優劣，把產品缺陷有效的控制在生產線內。同時，其更應該是作為一種在分析解決產生問題根源、持續改進的工具和技術。發動機冷試過程是一個持續的過程，各個參數的限定值需要不斷地修正、更新，直至穩定，裝配零部件的變化或裝配設備狀態的變化都可能要求重新考慮和定義測試參數的限定值。如何在發動機裝配線日常生產以及解決問題過程中靈活有效的運用冷試技術提升發動機產品及其零部件的質量，并在實踐運用中不斷的完善冷試技術，將是每個發動機裝配工廠今后研究課題。

[1] 蘇錫年.發動機冷試技術的研究[J].液壓與氣動.2008(9).

[2] 卜宇君.發動機冷試排氣測試故障檢測與診斷方法[D].上海交通大學,2013.

[3] 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] 周洲,王冰. 發動機冷試測試技術的應用研究[J]. 制造業自動化,2015.

Engine cold test technology application research

Zhang Honggao, Qin Huangji, Lin Yi
( The saic-gm-wuling automobile Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545007 )

The concept and basic principle of the engine cold test are introduced, and the application of the engine cold test in the production and assembly process is analyzed by the actual case.

engine; cold; VVT; OCV; ignite

U472.5

A

1671-7988(2016)10-204-03

張宏高（1987.10—），男，助理工程師，就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司。主要從事發動機制造工藝優化、質量改進等工作。