论文部分内容阅读
摘 要：发动机出厂检验，冷试已逐步取代传统的热试，冷试测试工艺需根据发动机的特性进行设计，并经过大量的数据验证应用于生产。文中具体描述了冷试测试工艺。
关键词：发动机；测试；装配质量；
中图分类号：TH162 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2014）-10-00-02
前言
发动机检测设备冷试技术为20世纪中期发展起来的，随着汽车技术的发展，人们对发动机质量要求越来越高，因此发动机出厂质量控制工作变得越来越重要。为了保证发动机的出厂质量，先期各发动机厂都采取了100%热试的质量监控方式。但是热试节拍慢，需要大量的热试设备，同时消耗大量的燃油、机油和冷却液等，且热试后返工成本较高，在现代化的工厂内热试对环境及安全影響也较大。在安全、成本节约、环境保护以及发动机质量提升的综合需求加大的情况下，冷试技术应运而生。
一、冷试测试技术的概念
冷试技术集成了现代控制技术、传感器技术、数据采集分析技术以及过程统计技术于一体的新型发动机检测技术，冷试采用伺服电机倒拖发动机，检测期间发动机不着车，通过电机带动，模拟发动机工作状态，利用各种传感器精确检测发动机质量。由于冷试自身的优势，在发动机下线检测环节，有逐渐取代传统热试的趋势。
二、冷试测试原理
（一）测试项目的确定
根据发动机特性及故障影像，结合发动机装配工艺特点，最终确定冷试检测项目，并由冷试测试项目结合测试过程计算冷试节拍。图1测试过程及节拍对应关系。图2典型的测试过程。通常冷试测试项目有如下几点。
电气导通性：火花塞、喷油器、燃油传感器、凸轮轴相位传感器、水温传感器、爆震传感器、进气压力温度传感器、机油压力温度传感器、氧传感器、曲轴位置传感器、节气门位置传感器、火花塞测试、点火线圈测试等；
机械测试：扭矩测试、正时系统测试、NVH测试、进/排气系统、机油系统、曲轴相位测试、气缸、活塞等；
执行元器件测试：油门（节气门）、VVT测试、废气再循环装置测试等；
燃油系统（共轨）测试和喷油器测试：油轨、高压油泵、压力调节器和喷油器等；
点火系统：点火线圈、火花塞等；
涡轮增压器测试：功能测试、NVH等；
三、测试项目工艺设计
下面列举几种典型的测试项目。
（一）扭矩测试
当伺服电机带动发动机旋转时，安装在驱动轴上的扭矩传感器可以测量伺服电机带动发动机旋转时所需要的扭矩，该扭矩为克服发动机运动件摩擦及发动机气缸内压缩空气做功所需要的扭矩。通过扭矩最大值、最小值、平均值和跨度值、以及最大值最小值的位置等参数的计算来分析一个发动机周期的波形。图3冷试台架扭矩曲线图。该测试的主要目的是检测下列故障：活塞环卡死、凸轮轴抱死、连杆瓦异常磨损、缸孔粗糙等。
（二）NVH测试
利用传感器采集发动机工作时的时序信号，通过振动分析评估系统，由冷试软件生成谱域信号波形图，根据发动机对应的阶谱查找发动机缺陷，对采样数据进行计算峰值、RMS值、标准偏差，并对数据进行频域分析。图4标准NVH和异常NVH检测曲线。该测试的目的是测试发动机的被拖动过程中的振动强度，可以检测的故障包括：运动部件清洗不干净、旋转部件干涉、旋转部件不平衡、燃烧室异物、旋转部件瞬时移位或断裂等。
（三）进排气系统
由气门间隙、配气时序、气门座圈密封环带等质量问题引起的进排气压力异常，分别采集高速/低速的进排气压力，生成压力变化曲线，对一个工作循环中的进排气压力最大值、最小值、平均值、微分、拐点相位、积分分别进行计算，以及气门关闭区间的气压监控、气门持续开启的角度等，分别与控制限对比，检测进行进/排气压力异常检测。
通过数学模型和逻辑分析，对进排气压力波形的绝对压力、压力峰值的曲轴相位，以及压力幅值进行分析比较，可以检测的故障有：气道砂眼、凸轮型线超差、漏装一道气环、漏装两道气环、漏装油环、液压挺住发软、气门密封不严、气门间隙不合格、进排气歧管密封不严、进气歧管裂纹、排气歧管裂纹。
（四）正时（VVT）系统
对VVT的测试主要是对该机构的凸轮轴相位器的响应时间和响应速度的测试。VVT机构的测试通过测试台架自带的逻辑卡为发动机的机油控制阀发送改变相位指令，测试机测试凸轮轴相对于其初始位置的变化角度，并计算凸轮相位器的响应时间及响应速度。利用曲轴相位传感器和曲轴位置传感器，记录、显示、评价VVT相位器动作过程的合理性：含动作时机、开启/关闭的速度、开启持续时间、开启/关闭时相位角。通过对比评价完成故障的检测：VVT-i控制阀卡滞、控制阀断路及短路、锁销不解锁、相位器动作缓慢、信号盘位置不合格、信号盘宽度不合格、凸轮轴相位传感器及相位角不合格等。
（五）点火系统
点火电压测试在发动机高速运转时进行，采用与发动机ECU控制相同的方式来驱动线圈和火花塞，控制火花塞进行点火（点火提前或者滞后可采用软件操控），并模拟真实环境。通过分析点火信号的波形，放电电压峰值/电流峰值、放电持续时间、点火成功率等参数，与存储在内存中的正常点火系统进行比较，判断点火系统和火花塞是否正常，开路或者短路。下图为10次连续点火过程中点火线圈的电流变化。可检测到的缺陷：火花塞开路/短路、电极间隙、线束对接情况自检、点火线圈针脚异常、初级线圈电阻是否异常、点火线圈匝数异常、输出高电压是否异常、火花塞陶瓷体裂纹、火花塞电阻大、电阻小或无电阻等。
（六）燃油轨系统
向燃油轨内通入相当于发动机工作状态汽油压力的压缩气体，然后由测试程序控制燃油喷嘴逐个开启关闭，通过检测燃油喷嘴的开启时间及压缩空气的压降情况，来确定燃油轨的零件及装配质量，完成对电磁线圈喷油器动作控制，通过压降完成密封性检测。这种测试方法可以检测以下两种故障：油轨泄露缺陷、喷油嘴不动作。 （七）机油压力监控系统
冷试前在发动机上安装机油压力过渡双向阀（安装在台架上的机油压力传感器位置），通过转接头采集流过双向阀的油压，对发动机运行的各个阶段均进行采集和评价，含安全油压、首次油压、高速油压、低速油压，各过程油压最大值、最小值、平均值、跨度值、最大值最小值的位置。
通过在高速、低速分别测试主油道内的压力，再对采集的数据进行时域和频域分析。可检测的故障包括：缸盖罩密封垫漏油、缸盖油室漏油、机油泵泄压阀无法打开、机油泵供油不足、漏压钢珠、主油道异物、上缸体高压油道及低压油腔漏油、下缸体油腔漏油、上/下缸体结合面漏油、轴瓦错漏装、连杆瓦错漏装、活塞冷却喷嘴漏装等。
（八）增压器测试
通过接触式加速度传感器和压力传感器，采集增压器运行过程中震动大小、密封性和压力输出。主要检测故障为：增压器密封不严、增压器内部异物、增压压力不足、增压器控制阀短路/断路、NVH等。
以上是典型的冷试工艺设计，通过该工艺设计，冷试检测后发动机成交合格率达到99.9%，随着工艺的逐步完善和修正，合格率将得到进一步提升。
四、结论
随着发动机技术的不断发展，冷试检测技术将得到广泛的应用，其优点是很明显的，大概分为以下几点：
1、冷试可以实现了对发动机机械系统以及发动机上应用到的各种控制系统和部件的全面测试，测试项目全面、精确，并能够准确的定位出不合格发动机的故障点（装配/机加工缺陷、零部件功能故障）；
2、由于冷试的节拍很快，可以通过一台冷试设备实现过去需要多个热试台架才能完成的出厂试验，减少了投资成本；
3、冷试没有燃油消耗，大幅降低了设备的运行使用成本（包括降低了占地面积和人工成本）；
4、由于冷试不需要发动机点火运转，对环境的污染小，将不产生燃烧室噪音及废气排放。
由于冷試是在发动机不点火情况下测试的，故无法测试发动机的输出功率，其测试结果也不完全和发动机实际使用状态相一致，所以冷试技术的应用并不能完全作为发动机出厂质量的惟一监控手段。作为冷试测试的补充，发动机出厂热试也是一个必要的质量监控手段。随着发动机的逐渐批量生产，热试的比例将逐渐降低。一般情况下，在发动机批量生产后，热试的比例一般在5%～10%左右。
参考文献：
[1]张朝辉.发动机冷试技术[J].柴油机设计与制造，2012年第4期
[2]宋炯毅、王钰、计维斌.汽油发动机冷试工艺设计[J].内燃机，2011年第3期
[3]林巨广、许华、任永强、朱振东.发动机冷试关键技术的研究[J].机械设计与制造，2012年第1期
[4]苏锡年、段明皞、王涛、郁林聪.发动机冷试技术的研究[J]液压与气动，2009年第3期
关键词：发动机；测试；装配质量；
中图分类号：TH162 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2014）-10-00-02
前言
发动机检测设备冷试技术为20世纪中期发展起来的，随着汽车技术的发展，人们对发动机质量要求越来越高，因此发动机出厂质量控制工作变得越来越重要。为了保证发动机的出厂质量，先期各发动机厂都采取了100%热试的质量监控方式。但是热试节拍慢，需要大量的热试设备，同时消耗大量的燃油、机油和冷却液等，且热试后返工成本较高，在现代化的工厂内热试对环境及安全影響也较大。在安全、成本节约、环境保护以及发动机质量提升的综合需求加大的情况下，冷试技术应运而生。
一、冷试测试技术的概念
冷试技术集成了现代控制技术、传感器技术、数据采集分析技术以及过程统计技术于一体的新型发动机检测技术，冷试采用伺服电机倒拖发动机，检测期间发动机不着车，通过电机带动，模拟发动机工作状态，利用各种传感器精确检测发动机质量。由于冷试自身的优势，在发动机下线检测环节，有逐渐取代传统热试的趋势。
二、冷试测试原理
（一）测试项目的确定
根据发动机特性及故障影像，结合发动机装配工艺特点，最终确定冷试检测项目，并由冷试测试项目结合测试过程计算冷试节拍。图1测试过程及节拍对应关系。图2典型的测试过程。通常冷试测试项目有如下几点。
电气导通性：火花塞、喷油器、燃油传感器、凸轮轴相位传感器、水温传感器、爆震传感器、进气压力温度传感器、机油压力温度传感器、氧传感器、曲轴位置传感器、节气门位置传感器、火花塞测试、点火线圈测试等；
机械测试：扭矩测试、正时系统测试、NVH测试、进/排气系统、机油系统、曲轴相位测试、气缸、活塞等；
执行元器件测试：油门（节气门）、VVT测试、废气再循环装置测试等；
燃油系统（共轨）测试和喷油器测试：油轨、高压油泵、压力调节器和喷油器等；
点火系统：点火线圈、火花塞等；
涡轮增压器测试：功能测试、NVH等；
三、测试项目工艺设计
下面列举几种典型的测试项目。
（一）扭矩测试
当伺服电机带动发动机旋转时，安装在驱动轴上的扭矩传感器可以测量伺服电机带动发动机旋转时所需要的扭矩，该扭矩为克服发动机运动件摩擦及发动机气缸内压缩空气做功所需要的扭矩。通过扭矩最大值、最小值、平均值和跨度值、以及最大值最小值的位置等参数的计算来分析一个发动机周期的波形。图3冷试台架扭矩曲线图。该测试的主要目的是检测下列故障：活塞环卡死、凸轮轴抱死、连杆瓦异常磨损、缸孔粗糙等。
（二）NVH测试
利用传感器采集发动机工作时的时序信号，通过振动分析评估系统，由冷试软件生成谱域信号波形图，根据发动机对应的阶谱查找发动机缺陷，对采样数据进行计算峰值、RMS值、标准偏差，并对数据进行频域分析。图4标准NVH和异常NVH检测曲线。该测试的目的是测试发动机的被拖动过程中的振动强度，可以检测的故障包括：运动部件清洗不干净、旋转部件干涉、旋转部件不平衡、燃烧室异物、旋转部件瞬时移位或断裂等。
（三）进排气系统
由气门间隙、配气时序、气门座圈密封环带等质量问题引起的进排气压力异常，分别采集高速/低速的进排气压力，生成压力变化曲线，对一个工作循环中的进排气压力最大值、最小值、平均值、微分、拐点相位、积分分别进行计算，以及气门关闭区间的气压监控、气门持续开启的角度等，分别与控制限对比，检测进行进/排气压力异常检测。
通过数学模型和逻辑分析，对进排气压力波形的绝对压力、压力峰值的曲轴相位，以及压力幅值进行分析比较，可以检测的故障有：气道砂眼、凸轮型线超差、漏装一道气环、漏装两道气环、漏装油环、液压挺住发软、气门密封不严、气门间隙不合格、进排气歧管密封不严、进气歧管裂纹、排气歧管裂纹。
（四）正时（VVT）系统
对VVT的测试主要是对该机构的凸轮轴相位器的响应时间和响应速度的测试。VVT机构的测试通过测试台架自带的逻辑卡为发动机的机油控制阀发送改变相位指令，测试机测试凸轮轴相对于其初始位置的变化角度，并计算凸轮相位器的响应时间及响应速度。利用曲轴相位传感器和曲轴位置传感器，记录、显示、评价VVT相位器动作过程的合理性：含动作时机、开启/关闭的速度、开启持续时间、开启/关闭时相位角。通过对比评价完成故障的检测：VVT-i控制阀卡滞、控制阀断路及短路、锁销不解锁、相位器动作缓慢、信号盘位置不合格、信号盘宽度不合格、凸轮轴相位传感器及相位角不合格等。
（五）点火系统
点火电压测试在发动机高速运转时进行，采用与发动机ECU控制相同的方式来驱动线圈和火花塞，控制火花塞进行点火（点火提前或者滞后可采用软件操控），并模拟真实环境。通过分析点火信号的波形，放电电压峰值/电流峰值、放电持续时间、点火成功率等参数，与存储在内存中的正常点火系统进行比较，判断点火系统和火花塞是否正常，开路或者短路。下图为10次连续点火过程中点火线圈的电流变化。可检测到的缺陷：火花塞开路/短路、电极间隙、线束对接情况自检、点火线圈针脚异常、初级线圈电阻是否异常、点火线圈匝数异常、输出高电压是否异常、火花塞陶瓷体裂纹、火花塞电阻大、电阻小或无电阻等。
（六）燃油轨系统
向燃油轨内通入相当于发动机工作状态汽油压力的压缩气体，然后由测试程序控制燃油喷嘴逐个开启关闭，通过检测燃油喷嘴的开启时间及压缩空气的压降情况，来确定燃油轨的零件及装配质量，完成对电磁线圈喷油器动作控制，通过压降完成密封性检测。这种测试方法可以检测以下两种故障：油轨泄露缺陷、喷油嘴不动作。 （七）机油压力监控系统
冷试前在发动机上安装机油压力过渡双向阀（安装在台架上的机油压力传感器位置），通过转接头采集流过双向阀的油压，对发动机运行的各个阶段均进行采集和评价，含安全油压、首次油压、高速油压、低速油压，各过程油压最大值、最小值、平均值、跨度值、最大值最小值的位置。
通过在高速、低速分别测试主油道内的压力，再对采集的数据进行时域和频域分析。可检测的故障包括：缸盖罩密封垫漏油、缸盖油室漏油、机油泵泄压阀无法打开、机油泵供油不足、漏压钢珠、主油道异物、上缸体高压油道及低压油腔漏油、下缸体油腔漏油、上/下缸体结合面漏油、轴瓦错漏装、连杆瓦错漏装、活塞冷却喷嘴漏装等。
（八）增压器测试
通过接触式加速度传感器和压力传感器，采集增压器运行过程中震动大小、密封性和压力输出。主要检测故障为：增压器密封不严、增压器内部异物、增压压力不足、增压器控制阀短路/断路、NVH等。
以上是典型的冷试工艺设计，通过该工艺设计，冷试检测后发动机成交合格率达到99.9%，随着工艺的逐步完善和修正，合格率将得到进一步提升。
四、结论
随着发动机技术的不断发展，冷试检测技术将得到广泛的应用，其优点是很明显的，大概分为以下几点：
1、冷试可以实现了对发动机机械系统以及发动机上应用到的各种控制系统和部件的全面测试，测试项目全面、精确，并能够准确的定位出不合格发动机的故障点（装配/机加工缺陷、零部件功能故障）；
2、由于冷试的节拍很快，可以通过一台冷试设备实现过去需要多个热试台架才能完成的出厂试验，减少了投资成本；
3、冷试没有燃油消耗，大幅降低了设备的运行使用成本（包括降低了占地面积和人工成本）；
4、由于冷试不需要发动机点火运转，对环境的污染小，将不产生燃烧室噪音及废气排放。
由于冷試是在发动机不点火情况下测试的，故无法测试发动机的输出功率，其测试结果也不完全和发动机实际使用状态相一致，所以冷试技术的应用并不能完全作为发动机出厂质量的惟一监控手段。作为冷试测试的补充，发动机出厂热试也是一个必要的质量监控手段。随着发动机的逐渐批量生产，热试的比例将逐渐降低。一般情况下，在发动机批量生产后，热试的比例一般在5%～10%左右。
参考文献：
[1]张朝辉.发动机冷试技术[J].柴油机设计与制造，2012年第4期
[2]宋炯毅、王钰、计维斌.汽油发动机冷试工艺设计[J].内燃机，2011年第3期
[3]林巨广、许华、任永强、朱振东.发动机冷试关键技术的研究[J].机械设计与制造，2012年第1期
[4]苏锡年、段明皞、王涛、郁林聪.发动机冷试技术的研究[J]液压与气动，2009年第3期