冷试测试发动机缺陷模式分析

王新宇 徐海滨

（上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司 266555)

冷试测试发动机缺陷模式分析

王新宇 徐海滨

（上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司 266555)

发动机冷试技术是一种装配质量在线检测技术，能及时发现装配过程的缺陷，而且能够找出产生问题的原因，降低返修成本，很大程度提升发动机的整体质量和装配效率。本文通过阐述设备测试项目、原理结合缺陷曲线，重点讲述冷试测试缺陷的探测和缺陷分析方法。

冷试；测试；缺陷分析

0 引言

冷试是一种对发动机装配质量进行综合检测的技术，主要是发动机在线完成必要的零件装配后进入到冷试工位[1]，该工位的PLC将发动机编号输入测试台架电脑，创建一份包含上述信息以及时间标记和工位编号的测试文件，发动机由冷试台架上的马达电机通过驱动齿夹紧并带动测试发动机的曲轴旋转，在不同检测阶段，通过安装在冷试台架上的各种传感器采集相关信息，对信号进行处理后

波形和结果在每次测试之后存储。通过网络从单一工位上传至到服务器。所有工位的数据都上传至同一服务器存档，以备以后调用。

如图1中提及的有关冷试的典型周期。在500 r/min时，对机油压力、起动扭矩、旋转扭矩、凸轮轴/曲轴传感器测试进行监控。如果机油压力不正常或起动扭矩/旋转扭矩太高，可能会损坏发动机，所以测试不应继续下去。否则发动机会损坏，在再次进行冷试形成波形图（曲线），同标准波形图进行对比、分析[1]，判定发动机装配质量。

图1 冷试的典型周期

1 冷试测试过程

工位上的电脑自动控制测试在不同的速度和条件下进行，形成了测试的不同阶段。在测试期间，传感器在高速情况下收集发动机实时模拟信号。整个循环之前，必须解决所有出现的问题。

在2 000 r/min时，气门机构、噪声振动舒适性NVH、油压试验和点火试验开始进行。第三阶段涵盖了进气、点火、磁阻分电器轮测试；最后阶段包括扭矩、机油压力、NVH和排气测试。在不同速度下进行此类试验是因为某些问题只有在特定的速度范围之内才比较明显。

数据以波形和信号图等多种形式记录进行分析、存储、使用。将收集的数据同预设限值比较，判定测试发动机是否通过/未通过该冷试工位。如果测试发动机没有缺陷，任何信号的波形/信号图都很类似；如果存在缺陷，观察到的数据将显示异常，结果数据和波形将发生改变。鉴于此，自动识别/发现有缺陷的发动机并指出问题的根本原因是有可能的。问题发动机在离厂之前必须修复，接下来将是我们对于故障发动机缺陷分析。

2 冷试测项目及其典型缺陷

（1）扭矩测试：①旋转扭矩，可测试特定气缸缺陷、活塞缺陷、气门泄露（进气、排气）和火花塞缺失。②起动扭矩，可测试发动机锁死，无法转动及发动机内部零件在起动时剧烈摩擦等。

（2）排气测试，可测试气门正时性能异常（进排气）、气门弹簧缺陷、挺柱缺失和特定气缸排气门泄露/粘滞，也可以检测气门泄漏、气门间隙异常等。

（3）进气测试，可测试气门正时性能异常、气门和气门弹簧缺失、气门漏气、气门间隙异常和张紧器异常等。

（4）NVH测试，可测试发动机内有污物异物、轴瓦缺失和螺栓松动等。

（5）点火测试，可测试火花塞故障和火花塞电极间隙异常、线圈功能异常等。

（6）油压测试，可测试油泵缺陷、发动机内油路堵塞和轴瓦缺失等。

3 典型冷试缺陷波形分析

3.1 扭矩测试波形

转动扭矩通过整合于驱动轴的扭矩传感器来测量，将数据输入采集板。下面的扭矩波形显示出4缸发动机特定气缸压缩在各个阶段的作用。正值扭矩代表当进排气歧管关闭时，推动发动机运转的必要能量。负值扭矩代表按照点火顺序，单个气缸内压缩空气反弹产生的力。

我们工厂生产发动机点火顺序是1-3-4-2，如图2。

图2 扭矩测试顺序

缺陷模式分析：从图2波形明显看出3缸扭矩异常，3缸扭矩变化不明显，说明提供扭矩的压力变化不明显， 从而说明气缸内气体压力变化不明显。

发动机缺陷：此台发动机经测试不合格，拆解发现3缸进气门漏气。进气气门漏气伴随旋转扭矩测试不合格。

3.2 进气和排气测试波形

在做功冲程末尾，排气门开启，排气口压力降低，直至活塞到达下止点。活塞在排气冲程中上行，将空气通过排气口排出燃烧室。在此时排气压力开始上升（图3）。活塞上行至上止点，进气门开启，排气压力再次下降。开启的排气门关闭；当活塞到达上止点时，进气门开启。排气门刚刚完成排气冲程关闭。临时气门重叠（指进排气门同时开启）阻止真空状态加剧。当排气门如排气曲线所示，开始关闭时，真空状态开始加剧，直至活塞到达下止点时，进气门关闭（图4）。

图3 活塞运动与气压变化波形图

图4 3缸排气压力波形图

（1）图4缺陷波形分析：

缺陷模式分析：从图4波形明显看出缺陷出现在3缸，继续分析在进气气门关闭阶段1和2位置有压力变化，在排气气门关闭3和4阶段没有压力的变化；气门关闭状态下没有进出气体，不应该有压力变化，从而反向说明缺陷处在进气侧。排气压力相对于正常发动机小—进气侧气门漏气导致排气保压阶段压力泄漏进而影响排气压力。

发动机缺陷：此台发动机经拆解发现3缸进气门漏气与上述旋转扭矩测试为同一台发动机（进气漏气导致进排气压力紊乱）。

图5 进气、排气压力波形图

（2）图5缺陷波形分析：

缺陷模式分析：从图5波形明显看出进气波形1和排气波形2是异常的，分析进排气门关闭状态下没有出现压力波动，说明气门密封状态良好。观察发现进气波形1，气门开启和关闭位置同时相对于正常波形滞后一定的角度（大约20°，一个齿的角度）。气门间隙大会出现气门开启滞后但关闭时会提前关闭；气门间隙小时会排气门滞后关闭，但气门开启会提前，因此此缺陷不是气门间隙异常带来的异常。所有现象分析进门开启逆时针平移了一定角度，从波形2发现排气气门开启关闭没明显变化，只是压力升高了，这也间接解释是进气门滞后关闭导致排气气压保压时间过长，从而显示排气压力升高。

发动机缺陷：此台发动机是实验mapping发动机，进气侧链轮在逆时针方向旋转一齿（说明发动机气门开启和关闭时间平移了一个齿的角度）。

3.3 点火波形

（1）低压测试中，使用低于正常值的电压发现特定问题。在火花塞电压过低时，状态良好的发动机也无法打火，此时点火可以凸显问题。举例：火花塞的电极间隙太小（间隙过小的火花塞在低电压点火）。

图6 火花塞小间隙电极压点火波形图

缺陷模式分析：从图6波形明显看出1缸点火波形异常，其他3缸点火没有击穿放电，只有1缸火花塞击穿放电。在低压状态可以放电，说明被击穿的电容变小，意味着火花塞间隙变小。

发动机缺陷：此台发动机1缸火花塞间隙0.3 mm（正常火花塞间隙：0.8～0.9 mm），火花塞间隙小。

（2）高（正常）压状态下的点火波形，状态良好发动机可以正常点火，如果发动机无法点火，缺陷凸显。举例：火花塞的电极间隙太大（间隙过大的火花塞在高电压也无法点火）。

1.1 一般资料 选取自2015年4月至2018年4月大连大学附属中山医院收治的68例重度股骨粗隆间骨折[3]患者为研究对象。根据麻醉方法的不同分为A组和B组，每组各34例患者。A组：男性18例，女性16例；年龄51～72岁，平均年龄(65.23±2.56)岁；受伤至入院时间2～10 h，平均(4.98±0.45)h。B组：男性20例，女性14例；年龄50～70岁，平均年龄(63.98±2.93)岁；受伤至入院时间3～9 h，平均(5.11±0.41)h。两组患者的一般资料比较，差异无统计学意义(P>0.05)。具有可比性。患者家属均签署知情同意书，本研究经医院伦理委员会批准。

图7 火花塞大间隙电极点火波形图

缺陷模式分析：从图7波形明显看出4缸点火波形异常，其他3缸正常点火击穿放电，只有4缸火花塞没有击穿放电。在高电压状态没有放电，说明被击穿的电容变大，意味着火花塞间隙变大。

发动机缺陷：此台发动机4缸火花塞间隙1.1 mm（正常火花塞间隙：0.8～0.9 mm），火花塞间隙偏大。

3.4 NVH波形

NVH测试旨在记录发动机内部的噪声和振动信号。信号通过噪声加速计采集，噪声加速计可将噪声能转为电压。一般来讲，震动信号通过放置在缸体、缸盖两侧的噪声加速计采集。

图8 NVH测试波形图

缺陷模式分析：如图8所示红色波形为正常波形，黄色波形为异常波形，对比明显发现黄色波形波峰远大于红色，意味着振动和噪声要大。

发动机缺陷：此台发动机连杆轴瓦漏装缺陷（连杆轴瓦漏装，运动副之间的间隙变大，发动机运行过程中造成和振动增大）。

3.5 油压波形

机油压力测试使用由卡箍固定在油道上的压力传感器测量发动机内的机油压力。在典型测试中，机油压力上升之后在高、低转速分别测量。如果在测试开始时油压就不足，应中止测试，以免损伤发动机。

理想状态下，上面的机油压力波形几乎成一条直线。机油流动通路出现任何不正常的情况都会导致波形上下波动。测试可以检测机油泵是否有缺陷，油道是否堵塞，还可以检测发动机内部的机油流动通道。

油压的影响因素—机油温度可以影响机油压力，在温度升高时，润滑液的粘稠度降低，油泵无法升高机油压力。油道通道变宽，密封间隙变大影响机油的保压，油泵也无法升高压力。机油泵本身性能影响机油压力的建立，例如机油泵泄压阀常开，机油泵间隙变大等。

图9 油压波形图

缺陷模式分析：如图9所示油压的波形较为简单，主要看油压高低。从波形2油压属于正常范围，波形1油压偏低（油路密封间隙变大）。

发动机缺陷：此台发动机主轴瓦漏装缺陷（类似油路密封间隙变大，导致油压泄漏从而影响油压建立）。

3.6 传感器的测试策略

所有的进气压力传感器（MAP）均都有三根线，即传感器搭铁线、参考电压线及信号线。传感器的搭铁线与发动机的电脑相连接。对搭铁线电压降测试来确认是否在传感器搭铁线与蓄电池接线柱搭铁之间有电压降。在点火开关打开、发动机运转时，电压降不得超过100 mV。参考电压是由发动机电脑供给的，一般为5 V控制的反馈线，参考电压为传感器提供工作电压。如果5 V的参考电压线被短路时，会影响进气压力传感器的输出信号，甚至影响到整个发动机。信号线是把信号输入到发动机电脑中，并给发动机电脑提供实际的进气压力传感器输出信号。用这个信号线来完成实际的测试。如果传感器信号线被短路时，将会影响到传感器的输出信号。

第一步，在点火开关打开、发动机不转时，读取的进气压力传感器信号进行分析。如果一开始这个读值有错误时，发动机电脑立即起反应像汽车较高海拔以及较浓混合气状态下运转，所以需要更多的燃油量。

第二步，要确认汽车诊断检测仪读取的数值与传感器测取数值一致。这样就证实发动机电脑没有代替传感器信号数值。

第三步，利用影响传感器的因素来认真细致的分析并查找引起故障的原因。

第四步，可能经常出现的发动机电脑本身的缺陷故障。一个缺陷的发动机电脑肯定会影响传感器的搭铁线、5V 的参考电压线以及其他的传感器。这样有序地故障诊断分析方法，很快就能找到故障。

4 结束语

在冷试中，使用了大量高精度传感器和强大的数据收集处理软件，测试精度高，结果准确，易于分析，冷试技术在发动机装配质量在线检测中充分体现了优越性[2]。本文通过对典型缺陷波形对应的发动机故障模式的阐释，总结出通过冷试对不合格发动机故障模式的基本分析思路，而真正运作过程中发动机缺陷分析情况要复杂的多，缺陷发动机对应的缺陷波形不同，要根据故障的具体表现来分析故障原因。

[1]佟立新.汽车发动机冷试技术的应用研究.东北大学.2014(6)：6.

[2]彭加强,马保仁.冷试技术在发动机装配线的应用研究[J].装备制造技术.2014(4期)：121.

U472.9文献标示码：A

王新宇（1980—），女，工程师，硕士，研究方向为发动机装配人员及技术管理。徐海滨（1987—），男，技师，本科，研究方向为发动机故障检测和维修。