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(fā)動(dòng)機(jī)冷試技術(shù)應(yīng)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(fā)動(dòng)機(jī)冷試的概念及基本原理，通過(guò)實(shí)際案例分析介紹發(fā)動(dòng)機(jī)冷試在生產(chǎn)裝配過(guò)程中的應(yīng)用。

發(fā)動(dòng)機(jī)；冷試；VVT；OCV；點(diǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)冷試作為一種新型的發(fā)動(dòng)機(jī)在線檢測(cè)技術(shù)，由于其測(cè)試時(shí)間短，使用成本低，排放污染物少，環(huán)保等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用到上汽通用五菱發(fā)動(dòng)機(jī)裝配生產(chǎn)過(guò)程中。而傳統(tǒng)的的熱試試驗(yàn)則改成抽檢項(xiàng)，逐步形成了冷試試驗(yàn)為主，熱試試驗(yàn)為輔，冷試和熱試相結(jié)合的發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)試驗(yàn)方案。

1、冷試概述

1.1 概念

冷試是一種檢測(cè)總裝流程錯(cuò)誤及發(fā)動(dòng)機(jī)零件缺陷的方法，使用交流伺服電機(jī)通過(guò)連接設(shè)備與發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪相連接，在計(jì)算機(jī)控制下以不同的轉(zhuǎn)速拖動(dòng)被測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)不噴油，不燃燒的情況下使用傳感器收集各種數(shù)據(jù)，測(cè)試臺(tái)軟件通過(guò)專門(mén)的測(cè)試算法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果與指定的限定值比較，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配質(zhì)量進(jìn)行判定。冷試能提前發(fā)現(xiàn)裝配過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題和零部件缺陷，把缺陷控制的生產(chǎn)線內(nèi)，從而達(dá)到提升發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

1.2 試驗(yàn)原理

發(fā)動(dòng)機(jī)在冷試過(guò)程中不噴油，不對(duì)外做功，但是發(fā)動(dòng)機(jī)同樣具有進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣四個(gè)沖程，并且循環(huán)往復(fù)。在此過(guò)程中，通過(guò)收集傳感器信號(hào)產(chǎn)生的波形圖對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火、相位、扭矩、振動(dòng)、油壓、進(jìn)氣和排氣等性能進(jìn)行綜合性測(cè)試。之所以能診斷出發(fā)動(dòng)機(jī)故障，主要是運(yùn)用了故障映像（Mapping）技術(shù)，其原理可簡(jiǎn)單概括為以下幾點(diǎn)：

①針對(duì)同一型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，假設(shè)設(shè)計(jì)和制造均沒(méi)有誤差，它們之間就有共同的“信號(hào)特征”，即發(fā)動(dòng)機(jī)在測(cè)試過(guò)程所采集的各項(xiàng)參數(shù)均為合格范圍內(nèi)。

②對(duì)大量已知合格發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，所采集的特性參數(shù)處于一定范圍內(nèi)，依據(jù)此范圍通過(guò)計(jì)算6σ確定測(cè)試的基準(zhǔn)。

③假設(shè)某臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷試測(cè)試，其所采集的特性參數(shù)與測(cè)試確定的基準(zhǔn)出現(xiàn)明顯偏差，則可判定該發(fā)動(dòng)機(jī)存在故障或缺陷。

2、冷試應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

發(fā)動(dòng)機(jī)在冷試過(guò)程中測(cè)試是分成四個(gè)階段進(jìn)行的，各階段均對(duì)應(yīng)相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和測(cè)試項(xiàng)目：

①A階段：安全監(jiān)控階段，同時(shí)進(jìn)行最大扭矩啟動(dòng)測(cè)試和機(jī)油壓力中斷測(cè)試，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是0～500RPM。

②B階段：測(cè)試高速油壓以及高壓點(diǎn)火情況，發(fā)動(dòng)機(jī)為最高轉(zhuǎn)速2000RPM。

③C階段：進(jìn)行低壓點(diǎn)火測(cè)試、進(jìn)氣測(cè)試、OCV相位信號(hào)測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是300RPM。

④D階段：進(jìn)行扭矩測(cè)試、低速油壓測(cè)試以及排氣測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是150RPM。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)冷試故障分析

冷試雖然不能檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和油耗，但是在檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)其他整體性能方面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，下面本文將針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在冷試試驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)的典型性故障案例進(jìn)行詳細(xì)的分析。

2.2.1 進(jìn)氣側(cè)OCV驅(qū)動(dòng)不完整

2.2.1.1 故障描述

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)因供應(yīng)商凸輪軸鏈輪產(chǎn)能不足，需開(kāi)發(fā)零件二家供應(yīng)商。二家供應(yīng)商零件在PTR(生產(chǎn)試運(yùn)行)驗(yàn)證過(guò)程中，27臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)冷試檢測(cè)出現(xiàn)5臺(tái)進(jìn)氣側(cè)OCV驅(qū)動(dòng)不完整”，無(wú)法開(kāi)啟VVT功能。

2.2.1.2 VVT工作原理

①VVT：用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子（凸輪軸）與定子（凸輪軸鏈輪）相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的手段。在定子與轉(zhuǎn)子之間分隔兩個(gè)油腔，通過(guò)控制進(jìn)入兩個(gè)油腔的機(jī)油量來(lái)控制轉(zhuǎn)子相對(duì)定子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。如圖1所示。

②OCV：控制機(jī)油量，通過(guò)控制通電時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)控制閥的行程。根據(jù)電磁原理，OCV通電后在內(nèi)部形成磁場(chǎng)，磁場(chǎng)吸引閥針運(yùn)動(dòng)，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(guò)控制通電的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)控制針閥的運(yùn)動(dòng)位移，從而達(dá)到控制閥針的目的。如圖2所示。

2.2.1.3 冷試檢測(cè)原理

在冷試試驗(yàn)過(guò)程中，冷試設(shè)備主要是通過(guò)監(jiān)控曲軸和凸輪軸的相對(duì)位置來(lái)監(jiān)控VVT的開(kāi)啟情況。

①未開(kāi)啟前，相對(duì)位置為140±5°；開(kāi)啟后，相對(duì)位置為90±5°，如圖3所示。

②VVT在1--8個(gè)循環(huán)內(nèi)開(kāi)啟，為正常；8—16個(gè)循環(huán)內(nèi)開(kāi)啟，為開(kāi)啟慢。之后不再監(jiān)控。如圖4所示。

③查詢6000臺(tái)量合格發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)區(qū)域，如圖5和圖6所示。

2.2.1.4 零件對(duì)比分析

查詢對(duì)比一家/二家零件技術(shù)要求發(fā)現(xiàn)，一家零件設(shè)計(jì)開(kāi)啟壓力為（0.3-0.6）Mpa,二家零件設(shè)計(jì)開(kāi)啟壓力為（03.-0.8）Mpa。通過(guò)制作專用的檢測(cè)工裝進(jìn)一步檢測(cè)發(fā)現(xiàn)一家零件開(kāi)啟壓力約為0.51Mpa,二家零件開(kāi)啟壓力約為0.6Mpa。結(jié)合該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)高速油壓分布范圍（0.3-0.54）Mpa分析，二家零件設(shè)計(jì)開(kāi)啟壓力不滿足該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的油壓條件，需重新設(shè)計(jì)改進(jìn)。

2.2.2 點(diǎn)火測(cè)試不合格

2.2.2.1 故障描述

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈開(kāi)發(fā)零件二家供應(yīng)商。二家零件在PTR(生產(chǎn)試運(yùn)行)驗(yàn)證過(guò)程中，158臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)冷試檢測(cè)出現(xiàn)30臺(tái)點(diǎn)火測(cè)試不合格，主要故障模式為“火花塞點(diǎn)火線圈噪音超出范圍”及“火花塞/線圈小間隙”。

2.2.2.2 點(diǎn)火測(cè)試原理

在冷試中，冷試點(diǎn)火分為兩個(gè)測(cè)試階段：

①正常點(diǎn)火測(cè)試：在給定能量（冷試臺(tái)架提供）下，火花塞會(huì)擊穿點(diǎn)火，主要檢測(cè)火花塞能否正常擊穿點(diǎn)火。

②不密封點(diǎn)火測(cè)試：在給定能量下，火花塞不會(huì)擊穿點(diǎn)火，主要檢測(cè)火花塞間隙是否正常。

兩個(gè)階段設(shè)備均提供相同電流，在不同進(jìn)氣量的情況下分別進(jìn)行10次點(diǎn)火，通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)階段的點(diǎn)火成功率及點(diǎn)火時(shí)間等參數(shù)（見(jiàn)表1），來(lái)判定發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)是否正常。

表1

2.2.2.3 故障分析

查詢冷試波形發(fā)現(xiàn)“火花塞點(diǎn)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(diǎn)火測(cè)試階段出現(xiàn)不合格。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，影響該問(wèn)題的潛在原因有：

①火花塞間隙?。?/p>

②氣門(mén)間隙小導(dǎo)致進(jìn)氣量不穩(wěn)定；

③兩家點(diǎn)火線圈能量及次級(jí)電壓差異。

針對(duì)前兩項(xiàng)潛在原因，通過(guò)收集不合格發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)信息（見(jiàn)表2），發(fā)現(xiàn)充電電流及平均進(jìn)氣量正常，點(diǎn)火百分比在第二個(gè)測(cè)試階段超出范圍，故有可能火花塞間隙不正常。

表2

針對(duì)第三項(xiàng)潛在原因，對(duì)一家和二家供應(yīng)商點(diǎn)火線圈差異進(jìn)行了分析，詳細(xì)分析如下：

◇分析方法：隨機(jī)抽取一家和二家供應(yīng)商點(diǎn)火線圈，進(jìn)行電性能對(duì)比測(cè)試。

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

◇測(cè)試結(jié)果：如圖 7和圖8所示：

◇結(jié)果分析：在相同的測(cè)試條件和相同的充電時(shí)間下，兩家供應(yīng)商的零件均滿足圖紙點(diǎn)火能量≥40mJ的技術(shù)要求。但是對(duì)比發(fā)現(xiàn)二家零件的點(diǎn)火能量比一家的能量高約5mJ，次級(jí)電壓也高約4kV。因此，原匹配一家供應(yīng)商點(diǎn)火線圈的冷試測(cè)試監(jiān)控參數(shù)，在切換使用二家供應(yīng)商零件時(shí)，原本不發(fā)生擊穿的火花塞，將可能發(fā)生擊穿，次級(jí)電壓的跳變將會(huì)耦合到初級(jí)電流波形，從而出現(xiàn)喧囂。

為了最終確定第一項(xiàng)和第三項(xiàng)潛在原因，抽取10臺(tái)量裝配二家點(diǎn)火線圈的發(fā)動(dòng)機(jī)送熱試觀察。熱試試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)10臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)全部熱試合格，拆解檢查測(cè)量火花塞間隙以及氣門(mén)間隙均測(cè)試合格。故可最終判定冷試點(diǎn)火測(cè)試監(jiān)控參數(shù)不合理，為減少冷試設(shè)備對(duì)二家零件的誤判，需對(duì)該監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使其能兼容二家供應(yīng)商的點(diǎn)火線圈。

2.2.2.4 參數(shù)優(yōu)化

調(diào)整裝配線該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)冷試點(diǎn)火判定參數(shù)“l(fā)evel discrimination spark”值，及相關(guān)點(diǎn)火參數(shù)，見(jiàn)表3。

表3

Mapping驗(yàn)證結(jié)果： 見(jiàn)表4，參數(shù)修改前后設(shè)備對(duì)火花塞檢測(cè)能力基本無(wú)變化。

表4

批量驗(yàn)證結(jié)果： 見(jiàn)附表5，第一次參數(shù)修改后首次驗(yàn)證142臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)共137臺(tái)一次測(cè)試合格，而第二次驗(yàn)證40臺(tái)卻出現(xiàn)7臺(tái)不合格；故重新調(diào)整參數(shù)，第二次參數(shù)調(diào)整后，驗(yàn)證96臺(tái)，一次合格率100%。

表5

3、結(jié)束語(yǔ)

冷試技術(shù)作為一種新型的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配在線檢測(cè)技術(shù)，其作用不是僅僅是能快速高效的檢測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量?jī)?yōu)劣，把產(chǎn)品缺陷有效的控制在生產(chǎn)線內(nèi)。同時(shí)，其更應(yīng)該是作為一種在分析解決產(chǎn)生問(wèn)題根源、持續(xù)改進(jìn)的工具和技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)冷試過(guò)程是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，各個(gè)參數(shù)的限定值需要不斷地修正、更新，直至穩(wěn)定，裝配零部件的變化或裝配設(shè)備狀態(tài)的變化都可能要求重新考慮和定義測(cè)試參數(shù)的限定值。如何在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線日常生產(chǎn)以及解決問(wèn)題過(guò)程中靈活有效的運(yùn)用冷試技術(shù)提升發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品及其零部件的質(zhì)量，并在實(shí)踐運(yùn)用中不斷的完善冷試技術(shù)，將是每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工廠今后研究課題。

[1] 蘇錫年.發(fā)動(dòng)機(jī)冷試技術(shù)的研究[J].液壓與氣動(dòng).2008(9).

[2] 卜宇君.發(fā)動(dòng)機(jī)冷試排氣測(cè)試故障檢測(cè)與診斷方法[D].上海交通大學(xué),2013.

[3] 彭加強(qiáng),馬保仁. 冷試技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的應(yīng)用研究[J]. 裝備制造技術(shù),2014.

[4] 周洲,王冰. 發(fā)動(dòng)機(jī)冷試測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用研究[J]. 制造業(yè)自動(dòng)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(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝優(yōu)化、質(zhì)量改進(jìn)等工作。