压降法及质量流量法在发动机长缸试漏测试中的应用研究

陈鹏　颜灿宝　张娇

摘 要：长缸试漏测试是发动机制造领域常用的成品出厂质量检测手段，用于对发动机总成水通道及油通道进行试漏检测，以评估其密封性能。压降法及质量流量法是气密性检测的两种常用方式，被广泛应用于长缸试漏测试领域，本文探索两种方式的测试原理，并研究其在长缸试漏中的优劣及应用前景。

关键词：发动机 长缸 试漏 压降 质量流量 测试

Principle of manual tappet selected system and error analysis in engine assembly line

Chen Peng Yan Canbao Zhang Jiao

Abstract：Long-block leakage test is a common method to detect engine function before unloading， test include water system and oil system hermetic detection. Pressure drop and mass flow are primary methods in this field. Thesis apply itself to explore principle of them， and research merit and demerit in Long-block leakage test station.

Key words：Engine Long-block Leakage test Pressure drop Mass flow Test

1 长缸试漏检测介绍

在发动机运行过程中，机油对发动机内部运动部件进行润滑，实现减少磨损、清洁零件以及降温的目的。冷却水受水泵、大小循环系统、散热器的组合控制，调节其在发动机内部的流向及流速，使发动机体始终处于最优的工作温度。机油在发动机内部的流动通道称为油通道（如图1）、冷却水的流动通道则称为水通道（如图2）。

为保证机油、冷却水正常工作，发动机制造过程中需保证油通道（以下称油道）、水通道（以下称水道）的密封性，发动机制造产线通常在发动机长缸状态（各工厂定义有差异，通常为未装进/排气歧管）时，对其进行总成试漏测试，通过气密性检测，检测密封效果。

长缸试漏测试时，封堵对水道、油道泄漏位置进行加压密封，并往相应通道中充入对应压力的气体，测量各通道的气密性参数，以判断发动机的泄漏情况。

根据不同的测试场景，气密性检测有沉水法、压降法、质量流量法、体积流量法及示踪气体法等多种方式。对于长缸试漏测试，行业内普遍采用压降法或质量流量法进行检测，本文将对该两种方式展开讨论。

2 压降法及质量流量法介绍

由于测试介质（加压空气）与实际工作介质（油、水）的差异大，空气有可压缩性，且粘度较低，这意味着空气通过漏点的速度比液体快得多，且空气本质上没有表面张力，这个特点使它更容易通过小的漏点[1]，所以在以空气为测试介质时，无论是压降法和还是质量流量法，均应为其设置一个允许空气泄漏量范围。

2.1 压降法

2.1.1 压降法工作原理

压降法是根据加压气体在测试循环内的压降，进而转换为泄漏率，以作为泄漏评价指标的一种试漏测试方式，泄漏率公式如下：

式中，Q为泄漏率，V为被测腔室体积，ΔP为压降，t为测试时间。

在实际测试中，在不同时间点，不同测试场地内，环境大气压力存在差异。此外，测试气体压力随环境温度升高而升高，随着环境温度降低而减小，实际压降与场所温度和大气压的波动存在关联，压降计算公式如下：

式中，ΔP为压降，P1为保压前的气压，P2为保压后的气压，p为保压前的大气压力，P'为保压后的大气压力，T1为保压前温度，T2为保压后温度。

将式（2）带入式（1）中可得，泄漏率公式为：

由以上可知，泄漏率测量变量众多，试漏设备不仅对保压前后的大气压力p、P'，保压前后的温度T1、T2无法有效测得，对于发动机水道、油道来说，其腔室不规则，通道复杂，也无法准確测量其有效容积V，通过测量变量获得准确泄漏率的方式是很难实现的。

为此，压降法测试过程中，引入了相对测量的概念。保压前后大气压力、气体温度、腔室体积的组合影响用补偿值m代替，可按需通过标定进行修正。此时，泄漏率公式简化为式（4），泄漏率与测试压降呈线性关系

这时候可以通过设置标准参考件，使用固定泄漏率漏口对其进行标定，建立泄漏率Q与压降ΔP的线性（如图3 ）方程如下：

式中，k为漏口的固定泄漏率，ΔP为该漏口的标定压降，ΔP'为参考件零位补偿压降，X为被测工件实际测量时的压降。

2.1.2 压降法测试过程

常用的压降法泄漏测试分为充气-保压-测试-排气四个阶段（如图4），第一步为充气阶段，充气阀v1打开，通过调压阀将稳定的、满足压力的气体充入被测腔室（如图5）。第二步为稳压阶段，充气阀v1关闭，测量气体经过静置，气压在被测腔室内稳定下来，为测试做准备。第三步为测试阶段，压力传感器记录过程的压力变化，并计算出起止阶段压降。第四步为排气阶段，将被测腔室内的气体排出[2]。

由于水道、油道的测试压力通常不同，压降法长缸试漏测试时，两个测试通道互相独立，有单独的测试气路控制，互不干扰，两个通道可同时测试。

2.2 质量流量法

2.2.1 质量流量法工作原理

质量流量法是通过测试过程持续向被测腔室内部充气，维持测试系统气压恒定，并监控气体流量指标，实现泄漏检测的目的。

所谓质量流量是指流体数量用质量来表示的流量，公式如下：

式中，qs为气体质量流量，ρ为气体密度，v为平均流速，A为管道截面积。

质量流量法在测试过程中外部气源与被测腔室始终贯通，将部件加压至设定压力并持续充气，确保被测工件的压力不因泄漏而下降。如工件存在泄漏，外部气源将向腔室内补充测试气体，此时流量传感器可记录通过的流量，获得真实的泄漏情况，因此，质量流量法获得的值是实时的绝对值。

对于流量传感器，其管道截面积是固定的，而空气的密度恒定，通过测量其流速便可获得质量流量值。

由于该方法通过流量传感器的真实读值，判断腔室密闭性，因此区别于压降法的相对值判定，质量流量法测量的是绝对值。质量流量法测试的关键因素是保持稳定的压力以产生可靠的结果。为了准确测试，需要设置测试周期时间（例如充气时间和测试时间）以适应最大被测体积的零件，只有这样，才能在零件中建立稳定的压力并获得可重复性的测试结果

与压降法通过被测工件与标准参考件的压降情况对比，得出相对泄漏率的方式不同，质量流量法测量的是气体流量的绝对值，因此该方法不需要参考件，也无需对设备进行频繁标定修正补偿值。

2.2.2 质量流量法测试过程

质量流量法分为充气-测试-排气三个步骤（如图6），第一步为充气阶段，充气阀V1，旁路阀V2开启，向腔室内充入测试气体（如图7）。第二步为测试阶段，此时v2阀关闭，v3阀打开，气源始终对工件进行充气，保证被测件的压力不因泄漏而下降，取测试阶段结束的瞬间，流量传感器的瞬时值作为最终测试结果。第三步为排气阶段，将测试气体排出腔室。

考虑到流量传感器获取的是测量阶段结束时的瞬时值，所以测试阶段的气压稳定性非常重要，如气压波动大，将导致取值的偶然性增加，无法表征最准确的泄漏情况。为最大限度避免该情况发生，许多主机厂在充气阀前增加一个稳压储气缸，以确保测试压力恒定。

与压降法相比，由于取消了保压步骤，且仅取测试阶段终结时的瞬时值，所以测试时间也大幅降低，质量流量法的整体测试时间可大幅缩短。

3 压降法及质量流量法在长缸试漏测试中的对比

两种试漏测试方式的差异，决定了其不同的使用场景。针对长缸试漏测试，两者的差异对比如下：

3.1 参考件

对于压降法来说，系统测试结果是被测件与参考件比较得出的相对值，所以需要为测试设置专用的参考件。通常情况下，参考件选用与被测工件同款的、相同装配状态的正常发动机制成，要求参考件与被测工件的腔室构造、体积具备高度一致性。一旦被测发动机任一指标与参考件存在差异，由式（1）可知，将影响泄漏率测试结果。这就决定了生产线参考件数量与被测发动机机型数量一致，这就为多机型共线生产时的线旁管理带来挑战。

而质量流量法，在测试过程中持续往腔室内充气，测量值为测试阶段结束时的瞬时值，因为测量的是绝对值，所以不需要制作参考件。

3.2 对被测工件个体差异的兼容性

如上所述，压降法测量相对值，所以要求被测发动机个体的腔室状态一致性高，这就对各零件状态提出高要求，来料及装配时需确保其形状、材质及内腔容积一致，否则会显著影响测试结果。此外，压降法对于加压过程容积存在变化的工件兼容性较差，如腔室内有机油、冷却液，或橡胶材质的零件等，在加压过程中被测腔体容积无法保证统一，必然影响压降取值，这种情况无法通过选用合适参考件克服。

由式（6）可知，质量流量法测试结果与被测腔室体积无关。在确保充气目标压力达标的前提下，理论上设备能够兼容被测工件任意的腔室构造、体积。这就为多款机型共线生产提供了可能性，例如：一条生产线可能同时生产三缸、四缸或者六缸发动机，即使每个发动机设计的腔室体积可能因进气、燃油系统和油底壳设计而异，也能有效兼容。这时候，质量流量测试是完美的选择。同理，由于摒弃了压降变量，加压时，腔室的容积变化不会导致测试结果波动，发动机体内存在机油、冷却液等可压缩介质也不影响试漏测试结果。

3.3 测量精度

当发动机水道油道密封要求极高，或判定限制苛刻时，压降法具备较高的可靠性。压降法测试时，被测腔室与外部气源完全隔离，不受外部气压波动影响，气压传感器对测试步骤的过程气压持续监控，并计算压降，取值的准确性及代表性有保障。加之参考件补偿、标定阶段为测量系统建立了准确的补偿和线性关系，确保泄漏测试值真实体现被测发动机泄漏情况，可靠性高。

质量流量法测试过程中对被测工件不实行隔离处理，所以外部气源的稳定性对测试结果的影响较大，加之取值为测试结束的瞬时值，具备一定的偶然性。为克服该缺陷，通常设备提供方会为外部气源增加一套稳压机构，以抵抗气压波动，可即便如此，取值的准确性仍无法与压降法相提并论。质量流量法受制于传感器工作环境要求，并不适用于过高或过低的测试气压，通常测试气压低于3.5kpa或高于1000kpa时，质量流量法不适用。

所以，对于被测工件漏点极度隐蔽，允许泄漏值范围苛刻，或对于极小空气流动的高真空的环境，压降法明显优于质量流量法。

3.4 内漏探测

发动机水道油道贯通是很严重的质量缺陷，由于油水贯通属于内漏，缺陷很难识别，再叠加外部漏点的干扰，故障排查尤其困难。

对于压降法，可通过水、油通道的互相探测，获知内漏情况，如图8所示，测试开始时，v1打开，v2关闭，油道正常测试，此时若存在内漏情况，P2压力传感器将监测到压力上升，通过对P2压降设置极限，可实现内漏探测的目的。在油道测试结束后，油道排气泄压，紧接着对水道进行测试，此时v1关闭，v2打开，同理检测P1的压力变化可探测内漏。

该方式存在一定的局限性，水道、油道无法同时测试，该方式会大幅增加整体测试时间，在产线节拍固定的情况下，只能通过压缩各通道的测试时间实现，而对于压降法而言，过短的测试时间将直接影响试漏测试的检测精度。

质量流量法可通过合理的测试管路设置，单独对发动机内漏情况进行检测。如图9所示，测试开始时，v1、v3打开，v2、v4关闭，此时测试气压对油道进行测试，S1探测油道的泄漏情况，而由于v3阀的存在，水道与大气联通，若存在内漏情况，油道的测试气压将泄漏至水道并排放至大气中，此时S3可探测到流量变化，对流量设置适当的限值便可探测内漏。油道测试结束后，测试气压泄压，紧接着v1、v3关闭，v2、v4开启，此时对水道进行测试，同理，S3的流量变化可作为内漏的指标进行监测[3]。之所以水道、油道单独测试时，均对内漏进行检测，目的是为了防止出现水油道单向贯通的情况，同时在漏点较小时，可以相互印证，多重防错，避免缺陷逃逸。

相较于压降法，质量流量法總体测试时间大量缩短，即使水、油道依次测试，总测试时间仍大大低于压降法，可在保证结果准确性的前提下，满足生产节拍。

3.5 总结

综上所述，两种试漏方式的对比见表一，总体而言，压降法在检测精度、低漏量漏点的探测方面优势明显，而质量流量法以其测试节拍短、对多机型共线的兼容性强、无参考件等特点，使用更便捷，更利于现场管理。

参考文献：

[1]刘伟，冯武堂，赵宝明.发动机在线气密试漏技术[J]. 汽车制造业，2009，05.

[2]武书.汽车发动机缸体压降法试漏原理及影响因素分析[J].机械制造， 2019，57（5）.

[3]王勇，马凯.气密性检测技术在发动机生产过程中的应用[J].汽车工艺与材料， 2009（7）.