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發(fā)動機熱試技術(shù)一直是國內(nèi)發(fā)動機生產(chǎn)過程中用于在線檢測其性能和可靠性的主要手段，但出于能源枯竭和環(huán)境保護的考慮，冷試技術(shù)作為新興的測試手段，已在各發(fā)動機制造工廠得到迅速推廣，并在實際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。本文較詳細地介紹了發(fā)動機實際生產(chǎn)中的熱試和冷試，指出如何選擇適合的發(fā)動機出廠試驗方式。

1 熱試

熱試是通過正常啟動發(fā)動機，在運轉(zhuǎn)中使用各種手段檢測發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放等是否滿足出廠指標的一種生產(chǎn)過程。熱試按載荷大小分為負載熱試和空載熱試。

1.1 負載熱試

1.1.1 負載熱試的目的

負載熱試作為發(fā)動機出廠前的一個重要檢測項目，可有效防止質(zhì)量問題的逃逸，保證出廠的發(fā)動機滿足性能要求。

1.1.2 負載熱試的檢測項目

負載熱試的檢測項目包括裝配質(zhì)量缺陷和零部件質(zhì)量缺陷、三漏（漏冷卻液、漏潤滑油和漏燃油）、轉(zhuǎn)速、功率、扭矩、燃油消耗率和排放等。某廠負載臺架測試工況和內(nèi)容見表1。

表1某柴油機廠熱試出廠性能指標

1.1.3 負載熱試臺架及測試原理

負載熱試需要在熱試臺架內(nèi)完成?？珊唵蔚責嵩嚺_架分成機械和電氣兩部分，其詳細內(nèi)容見圖1。

圖1熱試臺架組成圖

為了保證發(fā)動機能正常啟動，必須按要求供應(yīng)發(fā)動機運轉(zhuǎn)所需的冷卻液、潤滑油（可提前加注）和燃油，所以臺架內(nèi)包括冷卻液供給系統(tǒng)和燃油供給系統(tǒng)。為了啟動發(fā)動機，若起動電機未與發(fā)動機連接，那么測試發(fā)動機需要安裝工藝起動電機。為了節(jié)省作業(yè)節(jié)拍，安裝起動電機設(shè)置為快接工裝，圖2是某產(chǎn)品起動電機快接工裝。熱試產(chǎn)生的廢氣不能隨意地排到大氣當中，所以臺架內(nèi)連接排氣系統(tǒng)。為了滿足國家和地方排放要求，排氣系統(tǒng)中安裝的消音器和三元催化器清潔尾氣；或者將尾氣集中后通過噴淋按比例的氨水達到降低NOx的濃度后排放到大氣；又或者建設(shè)高約15m的排氣筒，降低排放速率后直接外排。

圖2起動電機快接工裝

發(fā)動機的三漏檢查是由人工完成，使用示蹤劑輔助作業(yè)可有效提高探測度。通過三漏的檢查可以知道裝配過程是否存在缺陷，比如油底殼漏油，拆解后可知道是涂膠不連續(xù)等。通過三漏檢查也能知道零部件質(zhì)量是否合格，比如凸輪軸罩蓋上某處滲漏，可能就是鑄造砂眼。

功率和扭矩在臺架內(nèi)的測量依靠測功器。測功器有水力式、電力式和電渦流式3種。無論哪一種，均有一個與被測機械相聯(lián)接的轉(zhuǎn)子和一個可繞固定軸轉(zhuǎn)動的定子（圖3）。當轉(zhuǎn)子由被測機械帶動時，在水摩擦力或電磁力的作用下，定子也隨之轉(zhuǎn)動，經(jīng)過定子臂桿、杠桿和擺錘式測力計，使定子穩(wěn)定在平衡位置上，測得其制動力F.

式中，R為受力半徑，單位mm.

通過公式（1），可求得扭矩Ttq

式中，n為轉(zhuǎn)速，r/min。

而通過公式（2），可求得功率Pe.

圖3測功器原理圖

油耗儀可準確測量發(fā)動機某工況下的燃油消耗率。燃油消耗測量方法根據(jù)其測量原理有不帶回路裝置的容積流量法、定容測試法和定時測重法，還有帶回路裝置的失重法和雙流量計法。汽油機燃油管路沒有回路，選擇雙流量計法油耗儀不合適。依定時測重法設(shè)計的油耗儀，主要利用計時器和杠桿原理精確檢測燃油消耗，其原理如圖4.一端掛著油箱的測量桿浮在片型彈簧上，當油箱油量變化時片型彈簧在特定路徑上無摩擦和無滯后地運動，左側(cè)的電容傳感器感應(yīng)片型彈簧的變化并將其轉(zhuǎn)化為電壓，微機將這種電壓變化轉(zhuǎn)化為油量的變化，從而測得油量消耗。

圖4測重法油耗儀原理圖

測量尾氣排放的儀器，稱之為尾氣檢測儀。對排放要求不高的領(lǐng)域的發(fā)動機，比如農(nóng)用柴油機，可使用煙度計檢測排放是否達到出廠指標；而對排放要求特別高的發(fā)動機，比如乘用車、礦用防爆發(fā)動機等，使用尾氣檢測儀檢查尾氣含量是否達到國家標準。

1.1.4 負載熱試過程

在托盤或小車上的發(fā)動機被送入測試臺架后，連接發(fā)動機的冷卻液、燃油、起動電機和排氣管等工裝附件后，即可啟動發(fā)動機進行測試。測試時通過發(fā)動機的傳感器或臺架傳感器監(jiān)控發(fā)動機的工作參數(shù)，轉(zhuǎn)速計、測功器和油耗儀實時測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、功率、扭矩和油耗率等，自動將測量值和限值比較判斷發(fā)動機合格與否。最后，在發(fā)動機怠速工況或停機時人工檢查三漏情況。

1.2 空載熱試

空載熱試即無負載的熱車試驗，它不需要測試發(fā)動機出廠的功率、扭矩和燃油消耗率。

因為不要求測試功率和油耗，所以空載臺架沒有測功器和油耗儀，這是空載臺架和負載臺架組成的最大區(qū)別。其它方面空載臺架也負載臺架類型，結(jié)構(gòu)上不再贅述?？蛰d臺架的一種集裝箱式布置見圖5。

負載熱試的整個測試時間很短，通常在20分鐘以內(nèi)。測試工況少，程序簡單。某汽油機廠10分鐘空載熱試程序僅怠速、中速和高速3個工況，詳細的測試順序和時間見表2?？蛰d熱試的測試時間更短，制造成本更低，非常適合大規(guī)模的生產(chǎn)需求。

圖5某汽油機廠集裝箱式空載臺架布局圖

表2某廠10分鐘空載熱試程序

2 冷試

發(fā)動機冷試是一種在線檢測技術(shù)，整個過程發(fā)動機不噴油、不燃燒，所以稱為冷試。

2.1 冷試的原理

冷試能判定裝配及零部件質(zhì)量，主要是利用故障映像(Mapping)技術(shù)。同款發(fā)動機，若設(shè)計制造都沒有失誤，那么個體之間的差異極小，發(fā)動機的測量數(shù)據(jù)僅在較小的范圍內(nèi)波動，通過大量合格發(fā)動機的數(shù)據(jù)收集，可設(shè)定各特征參數(shù)的極限值，從而確定測試基準；如果某臺發(fā)動機測試數(shù)據(jù)與測試基準有明顯偏差，則表明該發(fā)動機可能存在某些缺陷或故障。

2.2 冷試臺架

冷試像熱試一樣需要通過臺架來完成測試。冷試臺架的機械部分一般包括：底座和框架、發(fā)動機進出站設(shè)備、發(fā)動機夾緊機構(gòu)、驅(qū)動軸和發(fā)動機拖拽單元、進氣/排氣自動封堵、振動測試單元、油壓測試單元和電源匹配板等，其機械布置如圖6所示。軟件和控制部分包括：各種傳感器、可編程控制系統(tǒng)、人機界面和數(shù)據(jù)分析軟件。

圖6冷試臺架3D數(shù)模

2.3 冷試過程及測試程序

當發(fā)動機通過轉(zhuǎn)臺或梭臺進入測試工位后，臺架頂升機構(gòu)將托盤和發(fā)動機整個定位托起，臺架夾緊被測發(fā)動機，然后伺服電機輸出端與發(fā)動機飛輪端對接，接著計算機控制伺服電機以不同轉(zhuǎn)速拖動被測試發(fā)動機，并接收發(fā)動機或臺架上的傳感器信號，同時通過各種算法、邏輯得到測量值，最后將測量值與設(shè)定的參數(shù)進行比較，確認發(fā)動機裝配、零部件是否合格后放行，這就是冷試的過程。

冷試的軟件測試過程可概括為5個階段和9個步驟,如圖7所示。5個測試階段:靜態(tài)自檢（0 r/min），起動扭矩測試（50 r/min），中速測試（800 r/min），高速測試（1 500 r/min）和低速測試（150 r/min）。9個步驟：第一，臺架自檢和靜態(tài)測試；第二，扭矩檢測和安全機油壓力檢測；第三，起動扭矩診斷；第四，油壓檢測和相位檢測；第五，中速診斷；第六，高速相位檢測，點火測試和NVH檢測；第七，高速診斷；第八，低速進氣和排氣測試；第九，低速診斷，并停機。

圖7冷試的測試循環(huán)

2.4 冷試檢測內(nèi)容

（1）扭矩測試

在冷試的最初階段，測試先進行起動扭矩的檢測，此時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速會控制在一個比較低的水平，一旦發(fā)動機本身存在機械缺陷，可以迅速的中斷測試，這樣可以保證發(fā)動機不會在測試中受到損壞。起動扭矩測試包括脫離扭矩和平均扭矩兩項指標。一般在整過測試過程，會監(jiān)控合個步驟的扭矩。

通過扭矩測試可以檢測摩擦副之間雜質(zhì)、氣缸壓力不平衡、氣門泄露、活塞環(huán)缺失、缸蓋泄露、火花塞未安裝或密封不嚴等缺陷。

（2）正時測試

采集曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器的信號，生成冷試系統(tǒng)可用于分析的波形圖，可確定正時系統(tǒng)是否與設(shè)計相符，從而探測正時系統(tǒng)在裝配時產(chǎn)生的一些缺陷，比如鏈條傳動發(fā)動機正時信號標記錯齒等。當然，通過波形圖和設(shè)定的參數(shù)判斷，也可探測到如信號輪缺齒、齒形缺陷等零部件質(zhì)量問題。正時波形圖如8所示，從圖形可得到曲軸和凸輪軸相對角度等信息。

圖8正時波形圖

（3）點火測試

點火測試時，一旦收到發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)到設(shè)定位置的正時信號，冷試系統(tǒng)向點火線圈發(fā)送信號，點火線圈接收到點火信號和系統(tǒng)供給的12 V點火電壓后，開始模擬發(fā)動機點火。點火檢測利用點火線圈中初級線圈和次級線圈之間的相互感應(yīng)這個特性，通過磁場傳感器來感應(yīng)點火過程中磁場的變化情況，并記錄感應(yīng)的波形去判斷測試結(jié)果。點火測試一般在高速階段進行測試，屬于動態(tài)點火。測試分密封和非密封點火兩個階段，而每個階段又連續(xù)測試多次。

點火測試主要考察的是波形中點火持續(xù)時間和多次點火的成功率，通過參數(shù)的合理設(shè)置，點火測試可以探測火花塞間隙小或大、點火線圈中初級或次級線圈匝數(shù)錯誤等缺陷。從圖9可見，不同火花塞間隙在測試中表現(xiàn)的點火持續(xù)時間不同。

圖9點火測試波形圖

（4）NVH測試

冷試臺架上的NVH測試,主要是通過檢測機械干擾引起的異常振動和可探測噪音確定裝配缺陷。振動測試一般有3個以上的測點，通過加速計傳感器將發(fā)動機在測試中的振幅傳給處理器，經(jīng)二階濾波和軟件處理（比如快速傅里葉變換）生產(chǎn)波形圖，對照正常限值以檢測發(fā)動機裝配的機械故障。噪音測試主要通過麥克風，檢查測試過程中的異常聲音。

NVH測試能探測缺陷包括：氣門總成缺陷（比如氣門桿彎曲、氣門關(guān)閉不嚴等）、挺桿漏裝、挺桿問題、發(fā)動機異響、凸輪軸和搖臂問題、某些緊固件未擰緊、連桿軸瓦漏裝等。

（5）機油壓力測試

通過主油道上的機油快接插頭，冷試系統(tǒng)可測得各階段的機油壓力。在整個測試過程中，系統(tǒng)監(jiān)控機油壓力。通過機油壓力測試，可以探測油道泄露或阻塞、機油泵故障、主軸瓦漏裝等缺陷。為了保證測量的精度，通常采用高速和低速2種油壓傳感器。

（6）OCV/VVT測試

為了保證與整車條件相若的測試，在不影響布線的情況下，測試模塊和受測傳感器盡可能布置得更近一些。

VVT測試的原理是冷試系統(tǒng)提供一個高電平（5 V）給發(fā)動機OCV，通電后的OCV動作接通VVT執(zhí)行器—鏈輪油道，在高速1 500 r/min條件下電流持續(xù)16個發(fā)動機循環(huán)，通過相位變化檢查鏈輪相應(yīng)速度是否在設(shè)定范圍內(nèi)；同理，提供一個低電平（0 V），使OCV接通鏈輪另一油路，檢查OCV關(guān)閉。

通過考察OCV打開或關(guān)閉的響應(yīng)速度，可探測到OCV問題、鏈輪問題、缸蓋問題等質(zhì)量缺陷。VVT測試波形圖如圖10所示。

圖10 VVT測試波形圖

（7）進氣、排氣壓力測試

進氣、排氣壓力測試通過存儲在低速階段與發(fā)動機相位角度相關(guān)的壓力脈沖，比較測量值與預(yù)設(shè)值之間的差異探測缺陷。

空氣通過合適的小孔進入或離開缸蓋和封堵之間的通道，空口安裝壓力傳感器，與相位角相關(guān)的進氣、排氣壓力脈沖將會被傳感器捕獲，并形成可用于缺陷分析的波形圖。通過分析波形中峰值的相位和比較波形的振幅，可以探測氣門間隙錯誤、氣門泄露、活塞環(huán)缺失、進氣歧管泄露（若已安裝）等缺陷。

3 熱試、冷試的區(qū)別和優(yōu)缺點

熱試和冷試的區(qū)別在于，熱試直接檢測結(jié)果是否滿足出廠要求，直觀明了；冷試只是探測裝配質(zhì)量和零部件質(zhì)量，間接地反應(yīng)整機滿足出廠要求的程度。

熱試和冷試的比較，詳見表3.

表3熱試和冷試的區(qū)別

4 結(jié)束語

熱試和冷試都是發(fā)動機的出廠檢測手段，現(xiàn)階段應(yīng)用最廣的還是熱試，但是冷試更符合發(fā)展的需求。

100%冷試結(jié)合熱試抽檢是個很好的選擇。因為冷試過程中無燃燒、加熱等，不能檢測熱力循環(huán)中相關(guān)的缺陷，所以冷試后可結(jié)合空載熱試抽檢實現(xiàn)對發(fā)動機生產(chǎn)質(zhì)量水平的有效監(jiān)控。

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