基于冷試的汽車發(fā)動機活塞泄漏的缺陷分析

倪計民、趙骎之

（同濟大學(xué) 200092)

1 冷試介紹

冷試是裝配線上針對發(fā)動機性能測試的非常重要的測試臺架（圖1），采用電機驅(qū)動發(fā)動機，模擬發(fā)動機實際運行過程并通過一系列的測試項目來對發(fā)動機性能進行檢測，由于不使用汽油作為動力，故不產(chǎn)生熱量，所以稱之為冷試。冷試具有測試時間短、測試精確及環(huán)保等優(yōu)點，是目前發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)對發(fā)動機測試所使用的最主要的檢測手段。

圖1 冷試測試原理

本文使用的階段式冷試布置方式是將發(fā)動機測試分為2部分，分別為短發(fā)冷試和長發(fā)冷試。短發(fā)冷試也被稱為機械測試，主要在發(fā)動機主體裝配完成后進行性能測試，包括進排氣測試、正時測試、扭矩測試及振動測試等。發(fā)動機冷試時由電機拖動發(fā)動機在60～3 000 r/min之間運轉(zhuǎn)，在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中通過壓力、溫度和振動等傳感器的數(shù)據(jù)，以及發(fā)動機電氣元件的功能等綜合判斷產(chǎn)品的質(zhì)量情況。而活塞環(huán)安裝缺陷的發(fā)現(xiàn)，正是在短發(fā)冷試進行扭矩測試時發(fā)現(xiàn)的。

長發(fā)冷試也被稱為電氣測試，主要是發(fā)動機在完成整機裝配待下線前進行最終功能測試，測試項目包括點火測試、噴油測試、傳感器測試及振動測試等。

1.1 冷試中扭矩測試方法

冷試時，通過電機控制不同的轉(zhuǎn)速，進行不同工況下的測試，最高轉(zhuǎn)速一般不超過3 000 r/min。而在進行機械扭矩測量時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速一般為60 r/min，可在發(fā)動機轉(zhuǎn)動時對發(fā)動機各類摩擦副進行監(jiān)控。扭矩傳感器安裝于發(fā)動機驅(qū)動電機上，通過測試發(fā)動機壓縮行程和做功行程的扭矩，檢測發(fā)動機性能。

當(dāng)發(fā)動機進入冷試工位后，固定在測試臺架上，連接好適配器，設(shè)置完各種測試參數(shù)后，即可開始進行測試。測試后生成機械扭矩結(jié)果曲線，上傳至服務(wù)器保存，用以判斷發(fā)動機壓縮和做功期間扭矩的變化情況[1]。

1.2 扭矩曲線

如圖2所示，該曲線為發(fā)動機冷試中扭矩測試曲線?？v坐標(biāo)為扭矩值，橫坐標(biāo)為曲軸轉(zhuǎn)角，圖中的波形曲線代表發(fā)動機4個缸在一個曲軸旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的扭矩，4個缸的點火順序分別為1-3-2-4。測試開始時，由電機帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)至某個特定位置后產(chǎn)生慣性力，從而引起發(fā)動機扭矩的變化，所產(chǎn)生的能量有正負(fù)之分。由電機帶動的部分在圖中表現(xiàn)為負(fù)能量，即坐標(biāo)軸下方，如圖3（a）所示；而由曲軸自身的慣性所產(chǎn)生的扭矩變化在圖中表現(xiàn)為正能量，即坐標(biāo)軸上方，如圖3（b）所示。

1.3 扭矩測試的評價參數(shù)

每臺發(fā)動機經(jīng)過冷試扭矩測試后都會生成圖形曲線，經(jīng)過對相關(guān)參數(shù)的評價，判斷該臺發(fā)動機是否合格。因此，評價參數(shù)成為該臺發(fā)動機扭矩是否合格的關(guān)鍵指標(biāo)。如圖3（a）（b）所示，測得扭矩的能量正向數(shù)值應(yīng)處于設(shè)置的參數(shù)范圍內(nèi)，而參數(shù)范圍通過同一型號的發(fā)動機經(jīng)過數(shù)萬臺的累計測試結(jié)果，并以5西格瑪計算方式獲得。同理可得，扭矩的能量負(fù)向數(shù)值與冷試系統(tǒng)設(shè)置好的參數(shù)進行比對，最終形成完整的圖形曲線。

圖2 扭矩測試曲線

圖3 冷試扭矩變化

2 活塞和活塞環(huán)在發(fā)動機中的作用

發(fā)動機好比是汽車的“心臟”，而活塞則可以理解為是發(fā)動機的“中樞”，它還是發(fā)動機中最忙碌的一個部件，不斷地進行著從下止點到上止點，再從上止點到下止點的往復(fù)運動，完成吸氣、壓縮、做功和排氣的工作。活塞的內(nèi)部為掏空設(shè)計，更像是一個帽子，兩端的圓孔連接活塞銷，活塞銷連接連桿，連桿則與曲軸相連，將活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為曲軸的圓周運動。

2.1 活塞的作用

(1)為燃燒室提供與曲軸箱之間的運動密封。

(2)承受燃燒期間所產(chǎn)生的氣體壓力，并通過連桿將其轉(zhuǎn)變?yōu)榍S旋轉(zhuǎn)的作用力。

(3)將燃燒氣體所放出的熱量與活塞頂?shù)臒崃總鬟f給氣缸壁。

2.2 活塞環(huán)的作用

一般活塞的裙體處都有3條皺紋，是為了安裝2道氣環(huán)和1道油環(huán)，其中氣環(huán)在上。氣環(huán)的主要作用是密封氣缸，將氣缸與曲軸箱隔離開來，并將活塞上的熱量傳給冷卻的氣缸。在裝配時，兩道氣環(huán)的開口需要錯開，起到密封的作用。

油環(huán)的作用主要是刮除飛濺到缸壁上的多余油液，并將油液刮布均勻?；钊h(huán)必須具有彈性，因而在滑過活塞和壓縮到最小尺寸之后，不會發(fā)生永久變形。在工作期間，活塞環(huán)后面的氣體壓力加大了與氣缸壁之間的接觸壓力。目前廣泛應(yīng)用的活塞環(huán)材料主要有優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵、球墨鑄鐵及合金鑄鐵等。

此外，活塞環(huán)由于位置不同，它們采用的表面處理也有差別。其中第一道活塞環(huán)外圓面通常進行鍍鉻或噴鉬處理，主要是為了改善潤滑和提高活塞環(huán)的耐磨度。其他活塞環(huán)大都會采用鍍錫或磷化處理，主要是為了改善耐磨性。

如果活塞環(huán)的安裝不當(dāng)或密封性不好，就會導(dǎo)致缸壁上的機油上竄至燃燒室，并與混合氣一起燃燒，從而引起燒機油的故障現(xiàn)象。若活塞環(huán)與缸壁的配合間隙過小或活塞環(huán)因積炭被卡死在環(huán)槽內(nèi)等情況，活塞做上下往復(fù)運動時，很可能會將氣缸壁刮傷，長時間后會在氣缸壁上形成很深的溝紋，也就是常說的“拉缸”現(xiàn)象。氣缸壁有了溝紋，密封性會不良，同樣會造成燒機油的情況。因此應(yīng)定期檢查活塞的工作狀態(tài)，避免以上2種情況的發(fā)生，從而保證發(fā)動機的運行狀況良好。

3 缺陷情況介紹

A公司裝配線自2017年以來多次發(fā)生短發(fā)冷試扭矩測試不合格的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為發(fā)動機某缸的扭矩正向能量數(shù)值或負(fù)向能量數(shù)值未達到評價范圍，如圖4、5所示。

以該臺EA211-MPI某同型號發(fā)動機的合格與不合格扭矩曲線為例，圖4中的發(fā)動機第3缸的正向扭矩數(shù)值明顯低于另外3個氣缸。不合格的第3缸扭矩數(shù)值為42.1 N.m，而其他3個缸的數(shù)值分別為61.3 N.m、62.9 N.m和64.0 N.m，該型號發(fā)動機的扭矩評價參數(shù)為50.0～75.0 N.m。因此經(jīng)冷試扭矩測試判斷結(jié)果為不合格[2]。

4 缺陷分析

根據(jù)合格的冷試扭矩曲線與不合格冷試扭矩曲線對比，初步判斷可能是因為燃燒室的氣密封性能下降造成的，因此對以下3個部位進行檢查，以判斷出現(xiàn)扭矩不正常的原因。

圖4 冷試扭矩測試不合格曲線

圖5 冷試扭矩測試合格曲線

4.1 氣門泄漏

一般來說，發(fā)動機在壓縮和做功行程中，進排氣門應(yīng)該處于關(guān)閉狀態(tài)，若氣門本身存在缺陷或者氣門上夾雜異物導(dǎo)致沒有關(guān)閉，就會造成氣門泄漏，從而影響燃燒室密封性，導(dǎo)致扭矩不合格。在查看了該缺陷發(fā)動機的冷試進氣曲線后，結(jié)果為合格（圖6），因此，該臺發(fā)動機的扭矩不合格并非因為氣門漏氣而造成。

4.2 火花塞泄漏

火花塞位于發(fā)動機缸蓋中，當(dāng)發(fā)動機活塞運動至上止點附近時釋放電火花。在冷試中，火花塞的泄漏測試屬于冷試振動測試中的一環(huán)，在進行火花塞測試時，電機帶動發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速在2 000 r/min，易于發(fā)現(xiàn)泄漏量較大的發(fā)動機缺陷。而從該臺發(fā)動機的振動測試結(jié)果來看，結(jié)果是合格的（圖7），因此可以判斷并非因為火花塞泄漏。

4.3 活塞氣環(huán)不密封

若活塞環(huán)泄漏，其泄漏量較低，在冷試中不會引起其他測試項的不合格報警，因此在扭矩測試中即可被發(fā)現(xiàn)，也符合該臺缺陷發(fā)動機最終結(jié)果的判斷。而后經(jīng)發(fā)動機下線至返修拆解后發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機活塞氣環(huán)處有損傷，引起燃燒室泄漏，導(dǎo)致壓縮比下降，影響發(fā)動機性能。

5 分析結(jié)果及改進

經(jīng)統(tǒng)計分析，自2017年以來發(fā)生的8臺冷試扭矩測試不合格發(fā)動機，經(jīng)返修拆解發(fā)現(xiàn)均為活塞第1道氣環(huán)有損傷，導(dǎo)致扭矩不在評價參數(shù)范圍內(nèi)。因此懷疑在裝配過程中，活塞安裝時可能存在質(zhì)量隱患。排查裝配過程后，決定優(yōu)化裝配工藝，在裝配活塞時增加目檢，并將短發(fā)冷試扭矩最大值合格參數(shù)由原先的54.0～65.0 N.m調(diào)整為50.0～61.0 N.m，并通知供應(yīng)商對活塞生產(chǎn)過程進行優(yōu)化[3]。

經(jīng)過裝配工藝優(yōu)化以及冷試參數(shù)調(diào)整，目前尚未發(fā)現(xiàn)由活塞環(huán)卡死而造成的發(fā)動機扭矩不合格現(xiàn)象。

圖6 冷試進排氣測試結(jié)果

圖7 冷試振動噪聲測試結(jié)果