壓降法及質量流量法在發動機長缸試漏測試中的應用研究

陳鵬　顏燦寶　張嬌

摘 要：長缸試漏測試是發動機制造領域常用的成品出廠質量檢測手段，用于對發動機總成水通道及油通道進行試漏檢測，以評估其密封性能。壓降法及質量流量法是氣密性檢測的兩種常用方式，被廣泛應用于長缸試漏測試領域，本文探索兩種方式的測試原理，并研究其在長缸試漏中的優劣及應用前景。

關鍵詞：發動機 長缸 試漏 壓降 質量流量 測試

Principle of manual tappet selected system and error analysis in engine assembly line

Chen Peng Yan Canbao Zhang Jiao

Abstract：Long-block leakage test is a common method to detect engine function before unloading， test include water system and oil system hermetic detection. Pressure drop and mass flow are primary methods in this field. Thesis apply itself to explore principle of them， and research merit and demerit in Long-block leakage test station.

Key words：Engine Long-block Leakage test Pressure drop Mass flow Test

1 長缸試漏檢測介紹

在發動機運行過程中，機油對發動機內部運動部件進行潤滑，實現減少磨損、清潔零件以及降溫的目的。冷卻水受水泵、大小循環系統、散熱器的組合控制，調節其在發動機內部的流向及流速，使發動機體始終處于最優的工作溫度。機油在發動機內部的流動通道稱為油通道（如圖1）、冷卻水的流動通道則稱為水通道（如圖2）。

為保證機油、冷卻水正常工作，發動機制造過程中需保證油通道（以下稱油道）、水通道（以下稱水道）的密封性，發動機制造產線通常在發動機長缸狀態（各工廠定義有差異，通常為未裝進/排氣歧管）時，對其進行總成試漏測試，通過氣密性檢測，檢測密封效果。

長缸試漏測試時，封堵對水道、油道泄漏位置進行加壓密封，并往相應通道中充入對應壓力的氣體，測量各通道的氣密性參數，以判斷發動機的泄漏情況。

根據不同的測試場景，氣密性檢測有沉水法、壓降法、質量流量法、體積流量法及示蹤氣體法等多種方式。對于長缸試漏測試，行業內普遍采用壓降法或質量流量法進行檢測，本文將對該兩種方式展開討論。

2 壓降法及質量流量法介紹

由于測試介質（加壓空氣）與實際工作介質（油、水）的差異大，空氣有可壓縮性，且粘度較低，這意味著空氣通過漏點的速度比液體快得多，且空氣本質上沒有表面張力，這個特點使它更容易通過小的漏點[1]，所以在以空氣為測試介質時，無論是壓降法和還是質量流量法，均應為其設置一個允許空氣泄漏量范圍。

2.1 壓降法

2.1.1 壓降法工作原理

壓降法是根據加壓氣體在測試循環內的壓降，進而轉換為泄漏率，以作為泄漏評價指標的一種試漏測試方式，泄漏率公式如下：

式中，Q為泄漏率，V為被測腔室體積，ΔP為壓降，t為測試時間。

在實際測試中，在不同時間點，不同測試場地內，環境大氣壓力存在差異。此外，測試氣體壓力隨環境溫度升高而升高，隨著環境溫度降低而減小，實際壓降與場所溫度和大氣壓的波動存在關聯，壓降計算公式如下：

式中，ΔP為壓降，P1為保壓前的氣壓，P2為保壓后的氣壓，p為保壓前的大氣壓力，P'為保壓后的大氣壓力，T1為保壓前溫度，T2為保壓后溫度。

將式（2）帶入式（1）中可得，泄漏率公式為：

由以上可知，泄漏率測量變量眾多，試漏設備不僅對保壓前后的大氣壓力p、P'，保壓前后的溫度T1、T2無法有效測得，對于發動機水道、油道來說，其腔室不規則，通道復雜，也無法準確測量其有效容積V，通過測量變量獲得準確泄漏率的方式是很難實現的。

為此，壓降法測試過程中，引入了相對測量的概念。保壓前后大氣壓力、氣體溫度、腔室體積的組合影響用補償值m代替，可按需通過標定進行修正。此時，泄漏率公式簡化為式（4），泄漏率與測試壓降呈線性關系

這時候可以通過設置標準參考件，使用固定泄漏率漏口對其進行標定，建立泄漏率Q與壓降ΔP的線性（如圖3 ）方程如下：

式中，k為漏口的固定泄漏率，ΔP為該漏口的標定壓降，ΔP'為參考件零位補償壓降，X為被測工件實際測量時的壓降。

2.1.2 壓降法測試過程

常用的壓降法泄漏測試分為充氣-保壓-測試-排氣四個階段（如圖4），第一步為充氣階段，充氣閥v1打開，通過調壓閥將穩定的、滿足壓力的氣體充入被測腔室（如圖5）。第二步為穩壓階段，充氣閥v1關閉，測量氣體經過靜置，氣壓在被測腔室內穩定下來，為測試做準備。第三步為測試階段，壓力傳感器記錄過程的壓力變化，并計算出起止階段壓降。第四步為排氣階段，將被測腔室內的氣體排出[2]。

由于水道、油道的測試壓力通常不同，壓降法長缸試漏測試時，兩個測試通道互相獨立，有單獨的測試氣路控制，互不干擾，兩個通道可同時測試。

2.2 質量流量法

2.2.1 質量流量法工作原理

質量流量法是通過測試過程持續向被測腔室內部充氣，維持測試系統氣壓恒定，并監控氣體流量指標，實現泄漏檢測的目的。

所謂質量流量是指流體數量用質量來表示的流量，公式如下：

式中，qs為氣體質量流量，ρ為氣體密度，v為平均流速，A為管道截面積。

質量流量法在測試過程中外部氣源與被測腔室始終貫通，將部件加壓至設定壓力并持續充氣，確保被測工件的壓力不因泄漏而下降。如工件存在泄漏，外部氣源將向腔室內補充測試氣體，此時流量傳感器可記錄通過的流量，獲得真實的泄漏情況，因此，質量流量法獲得的值是實時的絕對值。

對于流量傳感器，其管道截面積是固定的，而空氣的密度恒定，通過測量其流速便可獲得質量流量值。

由于該方法通過流量傳感器的真實讀值，判斷腔室密閉性，因此區別于壓降法的相對值判定，質量流量法測量的是絕對值。質量流量法測試的關鍵因素是保持穩定的壓力以產生可靠的結果。為了準確測試，需要設置測試周期時間（例如充氣時間和測試時間）以適應最大被測體積的零件，只有這樣，才能在零件中建立穩定的壓力并獲得可重復性的測試結果

與壓降法通過被測工件與標準參考件的壓降情況對比，得出相對泄漏率的方式不同，質量流量法測量的是氣體流量的絕對值，因此該方法不需要參考件，也無需對設備進行頻繁標定修正補償值。

2.2.2 質量流量法測試過程

質量流量法分為充氣-測試-排氣三個步驟（如圖6），第一步為充氣階段，充氣閥V1，旁路閥V2開啟，向腔室內充入測試氣體（如圖7）。第二步為測試階段，此時v2閥關閉，v3閥打開，氣源始終對工件進行充氣，保證被測件的壓力不因泄漏而下降，取測試階段結束的瞬間，流量傳感器的瞬時值作為最終測試結果。第三步為排氣階段，將測試氣體排出腔室。

考慮到流量傳感器獲取的是測量階段結束時的瞬時值，所以測試階段的氣壓穩定性非常重要，如氣壓波動大，將導致取值的偶然性增加，無法表征最準確的泄漏情況。為最大限度避免該情況發生，許多主機廠在充氣閥前增加一個穩壓儲氣缸，以確保測試壓力恒定。

與壓降法相比，由于取消了保壓步驟，且僅取測試階段終結時的瞬時值，所以測試時間也大幅降低，質量流量法的整體測試時間可大幅縮短。

3 壓降法及質量流量法在長缸試漏測試中的對比

兩種試漏測試方式的差異，決定了其不同的使用場景。針對長缸試漏測試，兩者的差異對比如下：

3.1 參考件

對于壓降法來說，系統測試結果是被測件與參考件比較得出的相對值，所以需要為測試設置專用的參考件。通常情況下，參考件選用與被測工件同款的、相同裝配狀態的正常發動機制成，要求參考件與被測工件的腔室構造、體積具備高度一致性。一旦被測發動機任一指標與參考件存在差異，由式（1）可知，將影響泄漏率測試結果。這就決定了生產線參考件數量與被測發動機機型數量一致，這就為多機型共線生產時的線旁管理帶來挑戰。

而質量流量法，在測試過程中持續往腔室內充氣，測量值為測試階段結束時的瞬時值，因為測量的是絕對值，所以不需要制作參考件。

3.2 對被測工件個體差異的兼容性

如上所述，壓降法測量相對值，所以要求被測發動機個體的腔室狀態一致性高，這就對各零件狀態提出高要求，來料及裝配時需確保其形狀、材質及內腔容積一致，否則會顯著影響測試結果。此外，壓降法對于加壓過程容積存在變化的工件兼容性較差，如腔室內有機油、冷卻液，或橡膠材質的零件等，在加壓過程中被測腔體容積無法保證統一，必然影響壓降取值，這種情況無法通過選用合適參考件克服。

由式（6）可知，質量流量法測試結果與被測腔室體積無關。在確保充氣目標壓力達標的前提下，理論上設備能夠兼容被測工件任意的腔室構造、體積。這就為多款機型共線生產提供了可能性，例如：一條生產線可能同時生產三缸、四缸或者六缸發動機，即使每個發動機設計的腔室體積可能因進氣、燃油系統和油底殼設計而異，也能有效兼容。這時候，質量流量測試是完美的選擇。同理，由于摒棄了壓降變量，加壓時，腔室的容積變化不會導致測試結果波動，發動機體內存在機油、冷卻液等可壓縮介質也不影響試漏測試結果。

3.3 測量精度

當發動機水道油道密封要求極高，或判定限制苛刻時，壓降法具備較高的可靠性。壓降法測試時，被測腔室與外部氣源完全隔離，不受外部氣壓波動影響，氣壓傳感器對測試步驟的過程氣壓持續監控，并計算壓降，取值的準確性及代表性有保障。加之參考件補償、標定階段為測量系統建立了準確的補償和線性關系，確保泄漏測試值真實體現被測發動機泄漏情況，可靠性高。

質量流量法測試過程中對被測工件不實行隔離處理，所以外部氣源的穩定性對測試結果的影響較大，加之取值為測試結束的瞬時值，具備一定的偶然性。為克服該缺陷，通常設備提供方會為外部氣源增加一套穩壓機構，以抵抗氣壓波動，可即便如此，取值的準確性仍無法與壓降法相提并論。質量流量法受制于傳感器工作環境要求，并不適用于過高或過低的測試氣壓，通常測試氣壓低于3.5kpa或高于1000kpa時，質量流量法不適用。

所以，對于被測工件漏點極度隱蔽，允許泄漏值范圍苛刻，或對于極小空氣流動的高真空的環境，壓降法明顯優于質量流量法。

3.4 內漏探測

發動機水道油道貫通是很嚴重的質量缺陷，由于油水貫通屬于內漏，缺陷很難識別，再疊加外部漏點的干擾，故障排查尤其困難。

對于壓降法，可通過水、油通道的互相探測，獲知內漏情況，如圖8所示，測試開始時，v1打開，v2關閉，油道正常測試，此時若存在內漏情況，P2壓力傳感器將監測到壓力上升，通過對P2壓降設置極限，可實現內漏探測的目的。在油道測試結束后，油道排氣泄壓，緊接著對水道進行測試，此時v1關閉，v2打開，同理檢測P1的壓力變化可探測內漏。

該方式存在一定的局限性，水道、油道無法同時測試，該方式會大幅增加整體測試時間，在產線節拍固定的情況下，只能通過壓縮各通道的測試時間實現，而對于壓降法而言，過短的測試時間將直接影響試漏測試的檢測精度。

質量流量法可通過合理的測試管路設置，單獨對發動機內漏情況進行檢測。如圖9所示，測試開始時，v1、v3打開，v2、v4關閉，此時測試氣壓對油道進行測試，S1探測油道的泄漏情況，而由于v3閥的存在，水道與大氣聯通，若存在內漏情況，油道的測試氣壓將泄漏至水道并排放至大氣中，此時S3可探測到流量變化，對流量設置適當的限值便可探測內漏。油道測試結束后，測試氣壓泄壓，緊接著v1、v3關閉，v2、v4開啟，此時對水道進行測試，同理，S3的流量變化可作為內漏的指標進行監測[3]。之所以水道、油道單獨測試時，均對內漏進行檢測，目的是為了防止出現水油道單向貫通的情況，同時在漏點較小時，可以相互印證，多重防錯，避免缺陷逃逸。

相較于壓降法，質量流量法總體測試時間大量縮短，即使水、油道依次測試，總測試時間仍大大低于壓降法，可在保證結果準確性的前提下，滿足生產節拍。

3.5 總結

綜上所述，兩種試漏方式的對比見表一，總體而言，壓降法在檢測精度、低漏量漏點的探測方面優勢明顯，而質量流量法以其測試節拍短、對多機型共線的兼容性強、無參考件等特點，使用更便捷，更利于現場管理。

參考文獻：

[1]劉偉，馮武堂，趙寶明.發動機在線氣密試漏技術[J]. 汽車制造業，2009，05.

[2]武書.汽車發動機缸體壓降法試漏原理及影響因素分析[J].機械制造， 2019，57（5）.

[3]王勇，馬凱.氣密性檢測技術在發動機生產過程中的應用[J].汽車工藝與材料， 2009（7）.