張朝輝

（上海大眾汽車有限公司，上海201805）

發(fā)動(dòng)機(jī)冷試技術(shù)

張朝輝

（上海大眾汽車有限公司，上海201805）

通過發(fā)動(dòng)機(jī)冷試技術(shù)的研究，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)建立冷試波形圖模型并設(shè)定自動(dòng)判定發(fā)動(dòng)機(jī)測試是否合格的監(jiān)控窗口，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物裝配質(zhì)量。

冷試技術(shù)波形圖模型監(jiān)控窗口裝配質(zhì)量

1 冷試概念

冷試是點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)在不點(diǎn)火的狀態(tài)下，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)馬達(dá)倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，利用冷試臺(tái)架內(nèi)布置的各種專用傳感器采集相關(guān)測試信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理后，由冷試軟件處理形成波形圖（曲線）并與由專業(yè)人員設(shè)定的監(jiān)控窗口進(jìn)行匹配（對比），自動(dòng)判定發(fā)動(dòng)機(jī)是否合格的測試工藝。

2 冷試技術(shù)的發(fā)展

上世紀(jì)90年代中期，隨著人們對勞動(dòng)效率、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)環(huán)境的日益關(guān)注，傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)熱試技術(shù)已無法滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)需求；一種高效、環(huán)保的測試手段，發(fā)動(dòng)機(jī)冷試技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。相比傳統(tǒng)熱試的10分鐘/測試循環(huán)，冷試只要1分鐘/測試循環(huán)，大大縮短了測試的節(jié)拍，且熱試過程中需消耗燃油和冷卻液并產(chǎn)生大量廢氣、廢物；而冷試技術(shù)不僅節(jié)拍短并可對發(fā)動(dòng)機(jī)每一次的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和分析，有效提高了發(fā)動(dòng)機(jī)測試的可靠性及針對性。

3 冷試技術(shù)的臺(tái)架硬件

3.1 冷試臺(tái)架硬件

圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)冷試的自動(dòng)執(zhí)行流程圖，發(fā)動(dòng)機(jī)冷試臺(tái)架硬件主要由以下部分組成：

（1）測試間：含驅(qū)動(dòng)電機(jī)、測試傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)夾緊機(jī)構(gòu)、輔助單元、通風(fēng)裝置、消防感應(yīng)裝置等，并帶有防爆、隔音功能；

（2）測量柜：裝載測試傳感器數(shù)據(jù)采集卡、測量卡、信號(hào)放大卡、軟件通訊卡、振動(dòng)與噪音分析評估系統(tǒng)等；

（3）電氣柜：PLC控制柜（介質(zhì)模塊：測試用燃油、液壓油、壓縮空氣等介質(zhì)集成模塊，與測試間通過各管路對接）；

（4）測試PC：將來自采集卡的信號(hào)生成波形圖，并判斷波形圖是否合格；

（5）服務(wù)器：保存測試PC的數(shù)據(jù)。

3.2 冷試測試傳感器

發(fā)動(dòng)機(jī)冷試技術(shù)涉及到眾多傳感器，此處僅以排氣壓力傳感器為例，作一簡單介紹。排氣壓力傳感器布置于冷試臺(tái)架機(jī)械結(jié)構(gòu)上，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入冷試臺(tái)架后，排氣壓力傳感器通過機(jī)械結(jié)構(gòu)上的氣缸運(yùn)動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口對接（緊密貼合）；當(dāng)電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)后，傳感器采集排氣口的壓力，并傳遞給排氣壓力測量卡，通過通訊卡，測量卡將信號(hào)傳遞給冷試軟件，冷試軟件生成波形圖后自動(dòng)與監(jiān)控窗口進(jìn)行匹配后，判定排氣壓力是否合格。圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)冷試中的排氣測量流程。

圖1 冷試自動(dòng)執(zhí)行流程圖

4 冷試測試循環(huán)及測試內(nèi)容

冷試時(shí)，通過電機(jī)控制不同的轉(zhuǎn)速，進(jìn)行不同工況下的測試，最高轉(zhuǎn)速一般不超過3 000 r/min。圖3是目前普遍使用的冷試測試循環(huán)，即：

（1）靜態(tài)傳感器測試（發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)時(shí)），用于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器（含燃油噴嘴）部分的通斷連接是否正確和可靠；

（2）起始扭矩測試（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為60 r/min），在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)初期對發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦副進(jìn)行監(jiān)控；

（3）油壓測試/機(jī)械測試（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1000 r/min），發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從60 r/min提升至1 000 r/min，首先進(jìn)行機(jī)油壓力和燃油共軌壓力的測試，汽油機(jī)的燃油壓力冷試時(shí)可達(dá)16 MPa左右，柴油機(jī)的燃油壓力高達(dá)60 MPa及VVT和AKF功能測試，測試合格后進(jìn)行機(jī)械部分測試（正時(shí)位置、進(jìn)氣壓力、排氣壓力和扭矩等）；

（4）振動(dòng)與噪音和渦輪增壓器測試（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3000 r/min時(shí)），通過傅里葉變換將傳感器采集的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成譜域信號(hào)，利用階譜圖對發(fā)動(dòng)機(jī)的各階次進(jìn)行分析和診斷；

（5）機(jī)械測試（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為120 r/min），再次測試正時(shí)位置、進(jìn)氣壓力、排氣壓力和扭矩；

（6）點(diǎn)火測試（發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)時(shí)），通過對發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈充電，利用設(shè)備中的磁感應(yīng)線圈感應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)，充電電壓、放電電壓的變化進(jìn)而評判發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的狀態(tài)。

以上測試內(nèi)容集成在5大測試項(xiàng)目中，分別是機(jī)械測試、點(diǎn)火測試、噴射測試（燃油噴嘴信號(hào)）、傳感器測試和測振（振動(dòng)與噪音測試）

4.1 扭矩測試

扭矩傳感器安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，通過測試發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮行程和做功行程的扭矩，檢測發(fā)動(dòng)機(jī)性能。圖5是BMW公司直列6缸系列發(fā)動(dòng)機(jī)的冷試扭矩波形圖，其中波峰值表示，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門和排氣門同時(shí)關(guān)閉時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)需要的能量，波谷值表示，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門和排氣門同時(shí)關(guān)閉時(shí)，產(chǎn)生的能量。

4.2 進(jìn)氣壓力測試

圖2 排氣壓力測試過程

圖3 冷試自動(dòng)執(zhí)行流程圖

圖4 BMW發(fā)動(dòng)機(jī)冷試扭矩波形圖

根據(jù)測試工藝不同，進(jìn)氣壓力測試一般有2種形式：（1）短發(fā)動(dòng)機(jī)冷試時(shí)，進(jìn)氣壓力傳感器直接布置于發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)氣道處（需安裝4個(gè)進(jìn)氣壓力傳感器）；（2）整發(fā)動(dòng)機(jī)冷試時(shí)，進(jìn)氣壓力傳感器布置于進(jìn)氣歧管節(jié)氣門處（安裝1個(gè)進(jìn)氣壓力傳感器）。簡單來說進(jìn)氣壓力的檢測是一個(gè)隨著曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化的動(dòng)態(tài)檢測，通過傳感器信號(hào)采集卡采集活塞從上止點(diǎn)至下止點(diǎn)，進(jìn)氣門打開至排氣門關(guān)閉這一過程的壓力變化，并由冷試軟件生成進(jìn)氣壓力波形圖。

與進(jìn)氣壓力測試類似，短發(fā)動(dòng)機(jī)冷試時(shí)，排氣壓力傳感器直接布置于發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋排氣道處（需安裝4個(gè)排氣壓力傳感器）；整發(fā)動(dòng)機(jī)冷試時(shí)，排氣壓力傳感器布置于排氣管排氣口處（安裝1個(gè)排氣壓力傳感器）。同樣，排氣壓力檢測也是一個(gè)動(dòng)態(tài)檢測，采集活塞從下止點(diǎn)至上止點(diǎn)，進(jìn)氣門關(guān)閉至排氣門打開過程的壓力變化，并由冷試軟件生成排氣壓力波形圖。

通過基本的扭矩、進(jìn)氣壓力和排氣壓力測試，可以發(fā)現(xiàn)是否存在氣門不密封（尺寸問題、異物）、鎖片脫落、凸輪軸凸輪尺寸超差、缸蓋有沙眼、活塞環(huán)卡滯等缺陷。

4.4 傳感器測試

傳感器測試包括執(zhí)行元件和感應(yīng)元件的測試，以檢測發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器部分的功能性是否正常。

4.4.1 燃油共軌壓力測試

燃油共軌壓力測試的目的：一是測試發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油泵功能；其次是測試發(fā)動(dòng)機(jī)燃油共軌系統(tǒng)密封性。為了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)整車工況，冷試時(shí)需在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)注入燃油，以測試發(fā)動(dòng)機(jī)共軌燃油壓力（15 MPa左右）。燃油共軌壓力測試需滿足以下條件：（1）設(shè)備向發(fā)動(dòng)機(jī)供燃油（低壓0.6 MPa左右）；（2）設(shè)備模擬整車ECU（發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元）信號(hào)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油泵的流量閥的打開與關(guān)閉；（3）設(shè)備測量卡讀取發(fā)動(dòng)機(jī)燃油壓力傳感器數(shù)據(jù)。

若燃油壓力測試曲線與冷試模型曲線偏差明顯，參見圖5，則可能存在以下情況：（1）燃油共軌系統(tǒng)不密封；（2）高壓油泵功能性缺陷。

1981年，調(diào)水入洪澤湖的時(shí)間有34個(gè)旬，基本覆蓋全年，入洪澤湖泵站裝機(jī)利用小時(shí)為7 500 h，入湖平均流量為385 m3/s；調(diào)水出洪澤湖的時(shí)間有31個(gè)旬，主要在7月中旬—9月上旬、10月—6月上旬，出洪澤湖泵站裝機(jī)利用小時(shí)為6 700 h，出湖平均流量為266 m3/s。

圖5 冷試燃油壓力合格和不合格曲線

4.4.2 機(jī)油壓力測試

在發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼至主油道之間尋找一個(gè)合適的測量點(diǎn)，以便安裝機(jī)油壓力傳感器。機(jī)油壓力的檢測是冷試中非常重要的測試項(xiàng)目，對發(fā)動(dòng)機(jī)油道堵塞、主油道相關(guān)零缺陷、RSH安裝孔尺寸、軸瓦是否安裝等對發(fā)動(dòng)機(jī)功能影響較大的問題非常敏感。結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)，通過機(jī)油壓力查找發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷難度越大，因此冷試經(jīng)驗(yàn)的積累是非常重要的。

4.5 振動(dòng)與噪音測試

眾所周知，發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)的熱試有一個(gè)很重要的評判發(fā)動(dòng)機(jī)是否合格的環(huán)節(jié)，即人工判定發(fā)動(dòng)機(jī)是否有異響。但是靠人工評判對熱試人員的經(jīng)驗(yàn)要求很高，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)異響沒有一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn)，而每個(gè)人對異響的理解本身就不同，所以很難對異響進(jìn)行界定。冷試技術(shù)中的振動(dòng)與噪音測試就將這一疑難雜癥輕松化解。

4.5.1 振動(dòng)與噪音測試原理

振動(dòng)測試一般采用接觸式振動(dòng)傳感器。利用傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的時(shí)序信號(hào)，通過振動(dòng)與噪音分析評估系統(tǒng)，利用傅里葉變換將時(shí)序信號(hào)轉(zhuǎn)換成譜域信號(hào)，并由冷試軟件生成譜域信號(hào)波形圖，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)對應(yīng)的階譜查找發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷。一款鏈?zhǔn)桨l(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸鏈輪齒數(shù)為46，即發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，曲軸鏈輪與正時(shí)鏈條需發(fā)生46次嚙合。由傅里葉變換生成的第46階次即是該款發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈曲軸鏈輪與正時(shí)鏈條從第1次至第46次嚙合時(shí)振動(dòng)信號(hào)的疊加。疊加后的信號(hào)越強(qiáng)說明正時(shí)鏈傳動(dòng)過程中相關(guān)零件有異常。

圖6 46階次的波形圖部分

4.5.2 變色龍分析（Chameleon）

變色龍分析是德國Medav公司，近2年新開發(fā)的振動(dòng)與噪音分析領(lǐng)域的新技術(shù)。該技術(shù)具有動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，所以命名為Chameleon（變色龍），Chameleon又稱"Self-learning"system。變色龍系統(tǒng)通過采集前100臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)信息，自動(dòng)建立一參考波形圖，之后第101臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的波形圖與參考波形圖進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的對比（如曲軸旋轉(zhuǎn)720°，就有720個(gè)對比點(diǎn)）。通過對比，只要有1個(gè)點(diǎn)的信號(hào)值有偏差，系統(tǒng)就會(huì)提示，此時(shí)就需由專業(yè)人員對該波形圖進(jìn)行分析。變色龍的參考波形圖是動(dòng)態(tài)調(diào)整的，通過該系統(tǒng)可清楚地對生產(chǎn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的細(xì)微變化進(jìn)行監(jiān)控。

5 冷試模型的建立及窗口設(shè)定

冷試最大的特點(diǎn)是所有發(fā)動(dòng)機(jī)的測試結(jié)果都能以波形圖的形式保存并追溯。在一款發(fā)動(dòng)機(jī)投產(chǎn)初期，n（≥100）臺(tái)經(jīng)過冷試的發(fā)動(dòng)機(jī)都必須經(jīng)過熱試或測功。熱試或測功合格后，選取n臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷試波形圖，通過冷試軟件自動(dòng)生成冷試模型，該模型的每一個(gè)波形圖就是之前n臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷試狀態(tài)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)，可隨時(shí)更改。在確定當(dāng)前波形圖為合格波形圖后，就可在相應(yīng)的位置設(shè)定窗口。如圖6中的扭矩曲線，壓縮行程的波峰值，可設(shè)定用窗口最大值（Max）進(jìn)行監(jiān)控；做功行程的波谷值，可設(shè)定用窗口最小值（Min）進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)根據(jù)之前n臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的測試結(jié)果設(shè)定窗口最大值的上公差和下公差及窗口最小值的上公差和下公差，即：當(dāng)壓縮行程的扭矩波峰值在窗口最大值的上公差和下公差范圍內(nèi)時(shí)，表示合格；反之，表示不合格。常用的冷試監(jiān)控窗口設(shè)置類型有：最大值監(jiān)控、最小值監(jiān)控、平均值監(jiān)控、偏差值監(jiān)控、積分值監(jiān)控、零位值監(jiān)控、零點(diǎn)值監(jiān)控和包絡(luò)線監(jiān)控，根據(jù)不同的波形圖及發(fā)動(dòng)機(jī)特性進(jìn)行匹配監(jiān)控。

冷試也可以說是對比測試，對于正常的、沒有缺陷的發(fā)動(dòng)機(jī)，所有測試產(chǎn)生的波形圖應(yīng)該都是類似的；而對于偏差較大的波形圖，則必須進(jìn)行分析和原因查找。此外，如果實(shí)際生產(chǎn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造或零件狀態(tài)發(fā)生更改，則必須重新采集新狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)波形圖，并建立新的模型，同時(shí)更改窗口的上公差和下公差。因此冷試的模型和窗口值是需動(dòng)態(tài)維護(hù)和調(diào)整的，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需至少有一個(gè)專業(yè)人員進(jìn)行長期跟蹤、維護(hù)和調(diào)整。

6 發(fā)動(dòng)機(jī)冷試常見故障分析

6.1 連桿軸瓦初期磨損

連桿軸瓦的損傷或者連桿頸的抱死是一個(gè)世界性的難題。通過研究冷試扭矩曲線，即發(fā)動(dòng)機(jī)從壓縮行程至做功行程中，活塞回到上止點(diǎn)位置時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩值歸零，通過對比扭矩零點(diǎn)位置（活塞上止點(diǎn)位置）與曲軸轉(zhuǎn)角位置間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)冷試過程中連桿軸瓦已有損傷時(shí)，該發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩零點(diǎn)位置較正常發(fā)動(dòng)機(jī)明顯滯后。圖7中的缺陷曲線扭矩零點(diǎn)位置較其他正常發(fā)動(dòng)機(jī)明顯滯后，經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)該發(fā)動(dòng)機(jī)連桿軸瓦已磨損。

圖7 連桿軸瓦初期磨損發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩曲線

6.2 軸承橋與凸輪軸調(diào)節(jié)器干涉

該缺陷是上海大眾EA888系列發(fā)動(dòng)機(jī)通過冷試振動(dòng)與噪音測試項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)的缺陷。冷試現(xiàn)象表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋階譜測試不合格，通過與正常的發(fā)動(dòng)機(jī)對比，發(fā)現(xiàn)缺陷發(fā)動(dòng)機(jī)的階譜波形圖中每2.5個(gè)階次出現(xiàn)1個(gè)異常峰值，即曲軸每旋轉(zhuǎn)1圈，該異常發(fā)生2.5次（見圖8）。

也就是說發(fā)動(dòng)機(jī)每完成一個(gè)工作循環(huán)（曲軸旋轉(zhuǎn)2圈），該異常發(fā)生5次。通過比較EA888系列發(fā)動(dòng)機(jī)零件，可知只有進(jìn)氣凸輪軸正時(shí)可變調(diào)節(jié)器蓋板有5個(gè)連接螺栓。拆解冷試不合格發(fā)動(dòng)機(jī)后，發(fā)現(xiàn)該發(fā)動(dòng)機(jī)與進(jìn)氣凸輪軸正時(shí)可變調(diào)節(jié)器連接的軸承橋有一毛坯點(diǎn)尺寸超差且與調(diào)節(jié)器蓋板發(fā)生了干涉。

圖9 缸蓋階譜波形圖

7 結(jié)論

通過10多年的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)冷試技術(shù)已廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過程中的裝配線終檢測試，并逐步取代傳統(tǒng)的熱試。無論從經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和實(shí)際結(jié)果來看，冷試技術(shù)的能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了熱試技術(shù)。近年來國外許多高端發(fā)動(dòng)機(jī)開始采用冷試技術(shù)作為發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線終檢，冷試臺(tái)架的供應(yīng)商們開發(fā)了更多的測試項(xiàng)目，使冷試技術(shù)越發(fā)豐富和可靠。相信通過對發(fā)動(dòng)機(jī)冷試技術(shù)的學(xué)習(xí)、研究和應(yīng)用，一定能提高發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量。

Technology of Engine Cold-Test

Zhang Chaohui
（Shanghai Volkswagen Co.,Ltd.,Shanghai 201805,China)

According to the production experience and the research of engine cold-test technology, cold-test waveform models are built and monitoring windows are set that can automatically judge whetch an engine is OK or not to improve engine assembly quality.

cold-test technology,waveform model,monitoring window,,assembly quality

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.04.009

來稿日期：2012-05-11

張朝輝（1982-），男，本科，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)冷試技術(shù)的應(yīng)用。