關于汽車發動機熱試檢測因素的分析

王敏 畢家明 王 棟

（1-浙江鋒銳發動機有限公司 浙江 義烏 322000 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

眾所周知，一款汽車性能的好壞主要取決于發動機性能，而發動機性能一般通過發動機熱試進行檢測。目前，國內外廣乏使用的發動機試驗有冷試和熱試。本文主要對熱試進行分析，按照功能性，熱試臺架可分為性能臺架和磨合臺架。性能臺架主要用于發動機耐久性試驗和一些力矩檢測；按照ECU 獨立性和通用性，磨合臺架可分為國內熱試臺架和進口熱試臺架。國內熱試臺架使用的ECU 幾乎是按照整車運行工況制定的“罐頭ECU”，而進口熱試臺架使用的ECU 為“特制ECU”[1]，一個ECU 為多種機型同時使用。本文主要通過進口熱試臺架對影響發動機轉速穩定性的因素進行分析和試驗研究。

1 臺架組成及意義

臺架組成部分[2]主要有水箱、水管、冷卻液、起動電機、轉速傳感器組件、ECU、顯示面板、控制器、汽油及汽油管路、轉接線、惰輪、皮帶、熱試小車和臺架硬件基座。水箱主要分為大水箱和小水箱，小水箱也叫回水箱，用于發動機高速運轉下的大、小循環降溫，防止發動機高溫造成拉缸。冷卻液市場有冰點防凍液、冷卻液（乙醚和乙醇按比例混合物）和自然水，利用高比熱容給發動機降溫和防銹。起動電機用于發動機起動時帶動飛輪旋轉，給發動機點火，起動發動機。發動機起動后，起動電機停止工作。此時，發動機按照ECU 參數進入怠速工況。轉速傳感器組件用于檢測發動機轉速，傳遞轉速信號給ECU，促使ECU控制點火。ECU 是發動機運轉的核心，通過處理計算各傳感器的輸入信號來保證發動機正常運轉。顯示面板主要將臺架或傳感器的檢測情況通過ECU 進行實時目視化。控制器主要用于發動機運行過程的人為操作。汽油及汽油管路為發動機的硬性輸入條件，發動機通過燃燒汽油產生動力。轉接線主要是臺架和不同發動機之間的線束對接關系。惰輪和工藝皮帶替代整車上的空氣壓縮機和皮帶，為運轉必須項。發動機熱試時，需要有2 個轉換模塊，分別為ECU 通訊模塊和轉速模塊。ECU 通訊模塊負責將ECU 信息傳遞至臺架進行顯示和數據記錄，轉速模塊則負責發動機轉速信息的轉化，并傳遞至臺架進行顯示與記錄，用于后臺數據查詢。

臺架硬件基座如圖1 所示。

圖1 臺架硬件基座

2 發動機運行工況

發動機起動后，臺架可以設置手動和程控2 種運行方式。手動運行是指通過手動調節油門踏板（參照車身油門踏板），調節發動機轉速；程控運行是給定發動機運行工況，發動機必須按照給定工況進行運行，運行過程中，轉速穩定，無異常情況出現。發動機運行一般分為怠速、中高速、高速、中高速、手動油門5 個階段，每種機型按照特有屬性制定不同的運行轉速。本文將怠速設置為750 r/min 左右，中高速設置為2 200 r/min 左右，高速設置為3 800 r/min 左右，手動油門運行的轉速范圍設置為750～4000r/min。

3 發動機檢出情況介紹

發動機熱試需要的檢出項有三漏檢查、發電機電壓超限檢查、故障碼檢出以及轉速穩定性檢查等。其中，三漏檢查分別為漏水、漏油和漏氣檢查。漏水檢查是檢查發動機各接合面有無滲水情況；漏油檢查是檢查發動機各接合面有無滲油情況；漏氣檢查是檢查汽油有無泄漏情況。發電機電壓超限檢查是發動機在運行過程中發電機輸出電壓穩定性的檢查，防止燒壞整車中小電壓的元器件。故障碼檢出是檢查發動機線束連接過程的一些異常情況，包括元器件異常或元器件檢測出的異常情況。轉速穩定性檢查主要保證發動機的穩定性輸出，防止整車正常運行過程中出現抖動或速度異常情況。

4 影響發動機性能的因素

4.1 轉速穩定性

4.1.1 轉速與ECU 的關系

發動機起動后，不執行程控操作時，手動調節油門至一定角度，發動機應保持穩定轉速。若ECU 標定數據異常或未標定到位，就會出現轉速忽高忽低，如圖2 中的紅線，無法自行穩定。

當轉速波動較大時，通常會調節油門踏板，使轉速達到一定值，觀察轉速穩定性。無法穩定轉速時，ECU 異常，需要對ECU 進行刷機后再使用。

4.1.2 轉速與臺架PID 的關系

若發動機正常程控磨合出現轉速不穩，確認油門踏板調節轉速正常時，需要對發動機轉速PID參數（見表1）進行調節。發動機轉速PID 參數通過理論轉速與實際轉速的差值來調節油門開度，油門開度分為Ⅰ和D，Ⅰ為粗調油門控制角度，分度值為1/1 000，D 為微調油門控制角度，分度值為1/1 000 000。PID 設置轉速與程控工況一致，程控分4 個階段，PID 則設置4 個階段，與程控階段一一對應進行調節。

表1 臺架PID 參數

通過轉速波動來修正油門，調整臺架PID 參數（表1）來調節轉速達到穩定狀態（如圖3 中的紅線所示），最終使轉速趨于穩定狀態。

圖3 調節臺架PID 修正臺架轉速

4.1.3 轉速與水溫之間的關系

發動機的工作屬于機械運動，做功方式為內能轉化為機械能，需要克服摩擦阻力來提升機械能轉化率。發動機內部機械運動采用潤滑油進行潤滑，潤滑方式主要有飛濺潤滑、滴油潤滑以及油環潤滑。發動機的潤滑油一般根據地理位置和發動機類型選擇性價比高的機油，發動機機油在冷機狀態下基本處于發動機油底殼位置。從圖4 所示的機油粘度隨溫度變化趨勢[3]可以看出，溫度越高，潤滑油粘度越低，潤滑效果越好。

圖4 機油粘度隨溫度變化趨勢

凸輪軸等在發動機頂部，運動時，潤滑油較少，機械能降低，待發動機水溫上升，凸輪軸等頂部充滿潤滑油，且機油粘度低時，發動機機械能最大，轉速最高，工作最穩定。程控第2 階段（中高速）處于冷機狀態，發動機轉速未達到理論程控轉速要求，待第3階段（高速）溫度上升后，轉速恢復正常和穩定。

4.2 檢出能力

發動機檢出能力是指發動機除正常轉速外，判定其他電子元器件（相位傳感器、轉速傳感器、OCV閥、爆震傳感器、氧傳感器和機油壓力開關等元器件）和發電機質量好壞，ECU 根據各元器件反饋的信息產生不同類型的故障碼，根據故障碼快速鎖定問題點，再進行修復。發動機異常情況故障碼碼不一定是唯一的，甚至同時出現多個故障碼（如圖5 所示），需要分別對不同故障問題進行分解修復，重新熱試確認合格與否。臺架檢出能力判定通常會通過日常防錯點檢確認檢出正常與否。

圖5 臺架顯示多個故障碼

5 驗證確認

本課題主要研究熱試檢測因素，檢測因素主要為檢出和轉速穩定性，針對轉速穩定性的關系驗證進行試驗。試驗選用專利號為CN 201822205147.0、具備正常熱試能力的臺架進行，從庫區取出一臺正常發動機進行熱試試驗，并從庫區領用一塊未刷新數據的ECU，通過控制變量來驗證各個因素之間的關系。

5.1 發動機正常運行狀態

發動機上臺架后，對臺架執行如下對應操作：

1）運行準備；

2）起動；

3）掃描；

4）執行程控操作。

發動機正常運行時轉速波動狀況如圖6 所示。發動機按照程控運行，第1 階段處于怠速狀態[4]，第2、第3 階段轉速開始上升，臺架后臺PID 參數不斷修改油門參數，控制轉速，使轉速線（紅色線）盡可能保持在理論轉速線（藍色線）上。開始階段，轉速低于理論轉速（圖中起始端紅線低于藍線），該問題屬于發動機水溫低，機油潤滑效果不好，導致中高速階段轉速無法和程控轉速一致。待溫度達到80 ℃后，發動機運行轉速穩定（圖中紅線逐步趨近藍線，且基本穩定）。

圖6 發動機正常運行

5.2 發動機PID 參數異常時運行狀態

修改PID 第3 階段D 值，從0.05 增加至0.1，觀察發動機轉速情況，如圖7 所示。

圖7 更改PID 參數后發動機運行狀態

當發動機轉速達到某個值時，調用修改后的PID 參數，油門控制參數不正確，導致轉速偏離程控轉速。隨后，當轉速差值達到3 000 r/min、P 值為0.05、I 值為0.02 時，轉速被拉回至程控范圍內。出現1 個PID 參數不正確，臺架其他PID 參數可將轉速拉回。若出現多個PID 參數不正確，則會出現油門參數連續錯誤，轉速很大概率會被拉偏，出現超高速情況，造成高速熄火。

5.3 發動機ECU 參數異常時運行狀態

調回PID 第3 階段D 值后（恢復原調整參數0.05），發動機熄火，更換一塊直接從庫區取回的ECU（ECU 數據未刷新，和臺架熱試數據不一致）。安裝該ECU，進行程控熱試，再進行手動油門熱試。此時，臺架的轉速PID 參數不參與工作，全部由ECU和手動油門控制，將轉速控制在3 400 r/min，觀察運轉情況，發動機轉速無法穩定，波動大。

6 結論

1）發動機熱試正常所需的組件缺一不可，只有確保各組件正常，才能正常熱試。

2）發動機檢出能力是按照整車運行工況對發動機各零部件的質量進行監控，從發動機起動到發動機關閉，各檢出能力后臺持續監控。

3）發動機轉速穩定性與發動機水溫有關，水溫越高，發動機轉速越穩定。

4）發動機轉速穩定性與臺架PID 參數有關，出現一個PID 參數錯誤時，其他PID 參數可以彌補，若出現多個PID 參數異常，則會出現超速停機情況。

5）發動機轉速穩定性與發動機ECU 標定參數有關，ECU 標定參數異常，發動機無法穩定。