隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，作為汽車心臟的發(fā)動機為了滿足更高的性能要求，其系統(tǒng)亦日趨復雜化，在生產(chǎn)過程中對發(fā)動機進行快速全面的診斷越來越受到人們的重視。本文重點介紹了發(fā)動機冷試技術(shù)的優(yōu)勢，并通過相關(guān)的案例來更直觀地介紹其檢測機制。



隨著相關(guān)測試技術(shù)的不斷進步以及計算機處理能力的迅速提高，目前越來越多的汽車生產(chǎn)廠家開始采用節(jié)拍較快、質(zhì)量檢測水平較高及生產(chǎn)成本較低的發(fā)動機冷試來進行發(fā)動機下線時的高精度檢測，以更好地確保產(chǎn)品質(zhì)量。作為新型的發(fā)動機測試技術(shù)，冷試通過其獨有的測試原理及相關(guān)的高精度優(yōu)勢，在發(fā)動機質(zhì)量檢測方面迅速占據(jù)了整個汽車行業(yè)發(fā)動機測試的半壁江山。

發(fā)動機冷試試驗原理

發(fā)動機冷試是用來檢測內(nèi)燃機裝配質(zhì)量的一種方法。當采用此技術(shù)檢測發(fā)動機時，發(fā)動機不需要燃料來運行，也不需要冷卻液進行冷卻。被測試的發(fā)動機進入測試臺，通過氣缸或液壓缸夾緊發(fā)動機的進氣、排氣口，同時通過專用機油壓力適配器連接到設(shè)備上，用抱爪或其他夾緊機構(gòu)自動夾緊發(fā)動機的飛輪或適配器，測試臺的伺服電動機驅(qū)動發(fā)動機以不同的速度旋轉(zhuǎn)，與此同時，測試系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集卡同時從發(fā)動機進氣口、出氣口和夾緊機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩傳感器以及主油道出口的壓力傳感器上采集測試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過測試臺專用軟件進行分析，然后將分析結(jié)果與測試臺已設(shè)定好的極限值進行比較，從而確定發(fā)動機是否被正確裝配。另外，設(shè)備通過測試程序?qū)Πl(fā)動機上相關(guān)傳感器發(fā)送執(zhí)行操作的指令，同時發(fā)動機各種傳感器及執(zhí)行器也通過CAN-Line或K-Line將反饋信號反饋給測試臺，測試臺軟件對發(fā)動機反饋的各種信息進行一系列的分析比較，最終確定發(fā)動機各傳感器及執(zhí)行器是否正常工作。

現(xiàn)代冷試技術(shù)的發(fā)展

冷試試驗中，在非常小的誤差內(nèi)保持曲軸轉(zhuǎn)速是檢測缺陷和分析問題精確程度的關(guān)鍵。過去一段時間，由于驅(qū)動系統(tǒng)很難克服發(fā)動機運行過程中產(chǎn)生的劇烈負載變化，從而不能保持發(fā)動機的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，冷試試驗系統(tǒng)檢測、定位產(chǎn)品組裝缺陷問題的能力因此受到了限制。最近幾年來，新型伺服電動機驅(qū)動技術(shù)的應用降低了速度變化，其中專門為試驗臺設(shè)計的專用驅(qū)動系統(tǒng)，其試驗臺架和測功機應用設(shè)計的全數(shù)字AC通量矢量驅(qū)動器，配備全閉環(huán)控制系統(tǒng)精確修正位置，電動機速度和轉(zhuǎn)矩通過一個頻率為4kHz的增量編碼器反饋。這種新型驅(qū)動系統(tǒng)同時還配備了基于測量電動機電流和電壓的轉(zhuǎn)矩計算器，它可以超過位置編碼器的速率高速探測轉(zhuǎn)矩波動。


更值得一提的是數(shù)字電流整流器的應用，它可以10kHz的頻率工作，大大提高了驅(qū)動電動機的反應速度，使其能夠?qū)ω撦d波動在非常短的時間內(nèi)做出反應，這意味著可將單次發(fā)動機運轉(zhuǎn)時的速度波動范圍控制在±3%。在此基礎(chǔ)上，新型冷試試驗臺在測量精度上有了較大的飛躍，我們可以更精確地檢驗氣門泄漏、軸承間隙過松或過緊以及活塞環(huán)的損壞等項目。

試驗開發(fā)和產(chǎn)品最初試驗數(shù)據(jù)的確定

發(fā)動機的測繪是在冷試試驗應用開發(fā)中一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。所謂測繪，就是在特定驅(qū)動速度下檢測發(fā)動機預期的壓力、負載等特征。通常我們需要采取一定數(shù)量的發(fā)動機樣本作為試驗基礎(chǔ)進行測試并采集相關(guān)數(shù)據(jù)，通過對試驗數(shù)據(jù)的分析來優(yōu)化測試轉(zhuǎn)速及相關(guān)的測量參數(shù)，例如：進排氣系統(tǒng)、單缸測試或者多缸測試，最大探測靈敏度等。同時，通過發(fā)動機測試，我們還可以用來確定產(chǎn)品的可變性特征。

測繪通常需要分為兩個部分，即：基線測繪與缺陷特征測繪。其中基線測繪是對一批一定數(shù)量的合格的發(fā)動機產(chǎn)品進行測繪，以確定試驗可行性、產(chǎn)品可變性和檢測到的信號質(zhì)量等因素。缺陷特征反饋是在同樣的條件下，對同一批發(fā)動機裝載缺陷后重新進行檢測而獲得的。信號采集系統(tǒng)的敏感性限制是根據(jù)在逐步縮小缺陷尺寸的同時，其反饋信號變化的衰減程度而確定的。隨著伺服電動機驅(qū)動系統(tǒng)提供連續(xù)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，冷試臺在辨別不同類型的缺陷特征方面具備了很強的能力。最初試驗參數(shù)和試驗軟件算法就是根據(jù)這些基本測繪數(shù)據(jù)庫而設(shè)定的。

新一代冷試臺優(yōu)越的試驗性能

1．對發(fā)動機排氣系統(tǒng)和氣缸的檢測

新一代冷試試驗臺可以非常理想地用來檢測、評估發(fā)動機進排氣系統(tǒng)和氣缸的完整性，例如當關(guān)閉氣門檢測泄漏時，某氣缸的排氣壓力可以在發(fā)動機部分循環(huán)運動過程中進行比較。在首次打開氣門后，監(jiān)測排氣壓力衰減變化和檢查排氣門打開的實際角度。通常峰值壓力反應了氣缸的壓縮集成性能，而通過峰值壓力的衰減變化過程我們可以確定進氣門打開的位置。排氣壓力平均壓力值則可以用來參考確定氣門的泄漏情況。同時，如排氣門打開角度超過3°～40°范圍及排氣峰值壓力過高，則可驗證有一個或兩個排氣門液壓挺桿軟或者是存在其他缺陷。再有，如排氣壓力在氣缸壓縮行程中升高及出現(xiàn)非常高的開啟壓力，則說明一個排氣門面和閥座有泄漏。凸輪軸每前進一個齒，氣門在所有氣缸上的開啟位置會提前最大達22 °，新型驅(qū)動系統(tǒng)精確控制、提供連續(xù)穩(wěn)定的速度能有效避免出現(xiàn)速度波動，這些波動產(chǎn)生的影響可能會掩蓋許多缺陷信號，特別是在氣缸壓縮行程中表現(xiàn)更加明顯。

圖1所示為某發(fā)動機排氣壓力測試缺陷波形，根據(jù)圖形的缺陷表現(xiàn)以及相關(guān)理論分析，我們檢測出活塞環(huán)未張開或者存在漏裝的缺陷，最終拆檢后，確認了活塞環(huán)未張開的缺陷。

2. 通過對潤滑油道壓力、流量，油泵壓力、流量和油位控制的監(jiān)測，冷試試驗臺可以辨別多種典型的機械方面的缺陷，例如：曲軸軸承和連桿的尺寸配套出現(xiàn)故障，或者連桿瓦及主軸瓦發(fā)生漏裝及錯裝。



3．對機械缺陷的檢測

在熱試驗中，發(fā)動機機油泵在低轉(zhuǎn)速時其效率很低，檢測效果不明顯；而在高轉(zhuǎn)速時，機油泵上的卸壓閥開始起作用，也會對所采集的機油相關(guān)信號造成影響，掩蓋發(fā)動機的部分缺陷信息。而在冷試試驗條件下，我們利用不同轉(zhuǎn)速下對機油泵的流量和壓力的檢測，以及通過對其壓力波動值的監(jiān)測，可以完全避免此類干擾，并更精確地監(jiān)測出相關(guān)缺陷。并且在驅(qū)動電動機帶動發(fā)動機曲軸慢速轉(zhuǎn)動的同時，系統(tǒng)可以在無干擾的條件下采集到高保真信號，這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)對機油泵和卸壓閥進行高精度的測量。例如：通過發(fā)現(xiàn)機油泵壓力比正常值過低并且按順序波動，則可判斷曲軸或連桿的軸瓦松動或丟失；如果連桿軸承間隙多出0.01mm，則會檢測到在活塞到達上死點前，油道壓力有明顯的升高。

在發(fā)動機整個冷試過程中，設(shè)備會有一個監(jiān)控油壓。監(jiān)控油壓主要是為了確保發(fā)動機在整個測試循環(huán)過程中，機油泵能夠持續(xù)不斷地提供足夠充份及足夠壓力的機油，以保證發(fā)動機內(nèi)部各個相對運動部件之間有足夠的潤滑，避免因零件故障或裝配錯誤而導致供油不足引起發(fā)動機的燒蝕。同時，在發(fā)動機起動運轉(zhuǎn)初始階段，我們必須加入一個步驟以保證機油壓力在一個預定的時間內(nèi)達到一個安全值，這樣可以保證發(fā)動機有足夠的潤滑。圖2所示為某機型的機油壓力測試曲線及兩種常見故障缺陷曲線。

4．對點火系統(tǒng)的檢測

發(fā)動機冷試臺控制發(fā)動機點火系統(tǒng)工作，并通過傳感器感應點火線圈工作過程中周圍磁場的變化，間接判斷點火系統(tǒng)的好壞。這種測試方法可以檢測點火系統(tǒng)中線路的連接、較寬的火花塞間隙以及點火線圈中潛在的問題等多種故障。正常的點火系統(tǒng)工作過程一般都包括充電階段及放電階段，通過對充電階段的電壓、充電時間及充電能量的計算，我們可以檢測點火線圈內(nèi)在的故障，而通過放電階段的放電時間的檢測，我們可以檢測出火花塞間隙的缺陷、絕緣陶瓷的質(zhì)量以及裝配過程中附著在火花塞表面的雜質(zhì)情況等。



圖3所示為某發(fā)動機點火系統(tǒng)測試波形及對應的缺陷火花塞的測試波形圖。通過檢測，我們發(fā)現(xiàn)某個火花塞放電時間過長，懷疑為火花塞間隙過小或者間隙間存在雜質(zhì)導致放電時間提前，經(jīng)過拆檢我們發(fā)現(xiàn)，火花塞電極受到過外部撞擊導致間隙過小。

5．燃油軌的測試

圖4所示為某機型的某臺發(fā)動機多次測試，燃油軌的測試曲線疊加圖。左側(cè)疊加曲線顯示燃油軌首次測試數(shù)據(jù)與再次重復測試之間，其數(shù)據(jù)的差異過大，整體離散性過大，缺乏測試結(jié)果的一致性，導致在實際生產(chǎn)中難以設(shè)定較準確的測試標準，加大了判斷發(fā)動機故障的難度。

經(jīng)過分析我們發(fā)現(xiàn)，由于零件的長途運輸以及我們所需的最低安全庫存等緣故，燃油軌從供應商運往公司再到我們正式生產(chǎn)測試，中間需要經(jīng)歷一段比較長的運輸與存儲等待時間，在此期間，燃油軌運輸前所進行的防銹處理的防銹油等物質(zhì)，會在運輸過程中逐漸凝結(jié)，導致燃油噴射器的部分堵塞；而在冷試這種快節(jié)奏的測試情況下，燃油軌檢測時間只有短短的幾秒鐘，短時間的壓縮空氣噴射無法將噴油器的凝結(jié)防銹油等物質(zhì)完全清理，而在第二次測試的時候，由于有了第一次測試時的預測試，噴油器基本恢復正常，因此第二次之后的測試結(jié)果，基本接近于一條穩(wěn)定的曲線。

如此，我們進行了各種試驗，嘗試提高測試氣壓、延長測試時間等方法，最終確定了一個方案，在測試模塊中增加了一個對燃油軌的預測試功能，即在正式檢測該測試項目之前，先對燃油軌進行一次充壓、開啟噴油器的過程，也就完成了對燃油噴嘴的一次清理，這樣，后續(xù)的檢測結(jié)果的重復性與離散性大大縮小，提高了檢測精度。
圖4右圖所示即為調(diào)整測試程序后，同一臺發(fā)動機多次測試的曲線疊加情況，從曲線中我們可以看到，其測試結(jié)果的一致性有了極大的改善。

5. 電器性能測試

通過對發(fā)動機上相關(guān)的執(zhí)行器分時段進行通斷電，然后利用相應的反饋信號進行判斷，我們可以檢測發(fā)動機相關(guān)電器信號的裝配情況。諸如節(jié)氣門、溫度傳感器、進氣壓力傳感器、二次空氣噴射泵和可變正時調(diào)節(jié)器等，這些執(zhí)行原件在相應的運轉(zhuǎn)條件下進行通斷電時，其表現(xiàn)出來的電壓或電流值是不一樣的，這樣在設(shè)備中通過對其進行檢測，便可以檢測出相應的缺陷。

總結(jié)



發(fā)動機冷試是現(xiàn)代發(fā)動機生產(chǎn)中一種較先進的測試方式，它的成功應用可以使用戶在組裝現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)缺陷產(chǎn)品，提供生產(chǎn)線實時產(chǎn)品質(zhì)量控制數(shù)據(jù)并對裝配工藝提供改善依據(jù)，有效地降低了發(fā)動機生產(chǎn)中產(chǎn)品的缺陷率和生產(chǎn)成本。另外，與傳統(tǒng)的熱試驗相比，它有其獨特的優(yōu)勢，能夠在快節(jié)拍的生產(chǎn)節(jié)奏下達到更精確控制發(fā)動機產(chǎn)品質(zhì)量的目的，目前正在被越來越多的發(fā)動機生產(chǎn)廠家所采用。