图1  冷试系统结构

发动机冷试技术作为一种新型发动机在线检测方式，具有效率高、测试项目全、安全以及环保节能等特点，从而迅速被各大汽车厂商引入发动机的装配生产中，为发动机装配线在线质量检测提供了保证。

发动机装配质量的好坏直接决定整车性能的优劣。在环境保护以及发动机质量提升的综合需求下，冷试技术应运而生。冷试相比热试具有测试周期短、测试台架数量少、使用成本较低、无废气排放以及安全性较高等特点，检测过程中，通过高精度的仪器和大量传感器来捕捉发动机的工况，具有高度的独立性、精确度和完善性。从发展和提升水平的观点出发，冷试技术将逐步成为今后我国发动机出厂在线检测的重要手段。

图2  正常波形与主盖下瓦漏装波形对比

冷试系统的结构与原理

发动机冷试过程中使用三相交流伺服电动机通过连接设备与发动机的飞轮相连接， 在计算机控制下，电动机以不同的转速拖动被测试发动机，在发动机不喷油、不做功的情况下使用传感器收集各种数据， 测试软件通过专门的测试算法对采集数据进行处理， 并将处理结果与指定的限定值比较， 从而决定该发动机装配、零部件是否存在缺陷。冷试过程中的驱动系统总成由伺服电动机、过载离合器、转矩传感器和卡爪组成。驱动系统通过卡爪与发动机飞轮相连，拖动发动机转动。

之所以能通过冷试试验对发动机的装配质量进行诊断，主要是利用故障映像(Mapping) 技术，可以将其原理简要概括为以下几点：同类型发动机，如果设计制造都没有误差的话，它们之间就会拥有共同的“信号特征”，即发动机在测试过程中所采集到的各项参数均在合格范围内；对大量已知的合格发动机进行测试，所采集到的特性参数处于一定的范围内，依据此范围可以建立各特征参数的极限值，从而确定测试基准；如果对某台发动机进行测试后，其所采集到的特性参数与正常值之间出现明显偏差，即特性参数与基准不符，则表明该发动机存在某些缺陷或故障。

图3  正常点火波形图与异常情况点火波形图的对比

发动机冷试系统采用基于虚拟仪器技术的分析测试系统进行设计，利用计算机加上各种传感器、信号调节器、数据采集卡和信号同步卡等，实现高速多通道动态数据采集，并结合过程通信、信号处理及图形用户界面的应用软件，构成一种全新的采集测试分析系统，冷试系统结构如图1所示。

冷试的实施方案应该根据具体的装配要求，按照不同的装配质量参数编写制定。本文以某汽油发动机冷试过程中的机油压力异常、点火系统故障、进排气压力异常、正时错误以及转矩异常为实例，说明发动机生产的主要装配缺陷可以通过冷试检测出来。

图4  进排气压力曲线

机油压力异常

发动机工作时，很多传动零件都是在很小的间隙下作高速相对运动的，如曲轴主轴颈与主轴承，凸轮轴颈与凸轮轴承，活塞、活塞环与气缸壁面，配气机构各运动副及传动齿轮副等。若不对这些零件进行润滑，它们之间将发生强烈的摩擦，金属表面之间的干摩擦不仅增加发动机的功率消耗，加速零件工作表面的磨损，而且还可能由于摩擦产生的热将零件工作表面烧损，致使发动机无法运转。润滑系统的功用就是在发动机工作时连续不断地把数量足够、温度适当的洁净机油输送到全部传动件的摩擦表面，并在摩擦表面之间形成油膜，实现液体摩擦，从而减小摩擦阻力、降低功率消耗、减轻机件磨损，以达到提高发动机工作可靠性和耐久性的目的。其中凸轮轴轴承、连杆轴承及曲轴主轴承等负荷较大的摩擦表面是采用压力润滑的方式，即在机油泵的作用下以一定的压力将机油不断输送到摩擦表面。

机油压力测试使用固定在主油道上的压力传感器测量发动机内的机油压力，冷试机对传感器输出的模拟信号取样，在时域内对油压的最大值、最小值和平均值进行计算，与正常工况时的曲线进行对比，结合机油压力曲线对润滑系统的性能进行判断。另外，机油粘稠度与机油压力和温度有关，因此，为了使用正确的机油压力与限定值进行比较，必须使用机油温度对机油压力进行修正。测试软件将使用测量到的油温对油压进行补偿，即所有的测试曲线均为补偿后的机油压力曲线。

图5  第一道活塞环丢失波形与正常波形对比

机油油压测试包含初始油压、低速油压和高速油压3种。其中机油泵故障、机油收集器“O”型圈漏装及机油滤清器油道堵塞等故障会导致无法建立初始油压从而使得冷试终止，而高速油压一般是用来检测发动机卸压阀是否正常工作，所以往往通过低速油压来发现一些装配缺陷，图2所示为正常波形与主盖下瓦漏装波形对比。

点火系统故障

发动机点火系统由点火线圈、高压导线和火花塞组成。冷试中发动机虽然采用不喷燃油、不做功的方式运转，但对于点火系统的性能检测还是必要的。冷试点火系统检测可以发现火花塞间隙过大、过小，点火线圈故障和高压导线异常损坏等缺陷。图3所示为三缸机正常点火波形图与异常情况点火波形图的对比，通过观察波形图可以很明显地发现点火系统的故障。

图6  进气门泄露波形与正常波形对比

进排气压力异常

进气压力测试主要用于发现气缸进气口连接处气门密封等问题。排气压力测试可用来评价气缸的压缩能力等。在冷试过程中，进气口压力测试和排气口压力测试互相配合工作，可以准确发现并辨别发动机是否存在漏气孔、气门密封问题以及时序配合等潜在的问题。图4为一组标准发动机进、排气曲线示意图，图中进气压力纵坐标用真空度表示，非负压表示，但两者实质一样。

本文通过第一道活塞环丢失、进气门泄露、排气门泄露故障来分析冷试波形图。

1.第一道活塞环丢失，如图5所示，绿色曲线为正常波形图，红色曲线为异常波形图。由图5可以看到：排气口开启压力正常并且开启位置正确；排气口最小压力低；排气口峰值压力低，进气门开启位置正确。

图7  排气门泄露波形与正常波形对比

2.进气门泄露，如图6所示，绿色曲线为正常波形图，红色曲线为异常波形图。由图6可以看到：在气缸压缩循环过程中排气口压力正常；2位置压力与5位置压力相同；排气门开启角度正确并且开启压力正确；排气峰值压力低，但进气开启是正确的；进气门关闭位置压力正常。

3.排气门泄露，如图7所示，绿色曲线为正常波形图，红色曲线为异常波形图。

图7中，在气缸压缩行程中排气口压力增加； 2位置压力高于5位置压力；排气门开启位置正确但是开启压力高；排气压力峰值偏高；进气门关闭位置压力正常。

图8  凸轮轴信号对比

正时错误

在发动机工作时，凸轮轴与曲轴的转角位置要相互对应，以此来保证进、排气门在正确的时刻开启或关闭。如果发生正时错误，就可能造成活塞顶气门的现象。发动机装配过程中，在曲轴、凸轮轴、正时链上都有相应的对齐标记，安装时必须保证三者之间的标记全部对齐，这样才能获得正确的正时。在冷试测试过程中，曲轴/凸轮正时测试则是用来反映发动机正时问题。图8所示为两组凸轮轴曲线对比图，红色曲线为正时错误时凸轮轴信号，其中凸轮轴与曲轴正时错位20°，黄色曲线为正常情况下凸轮轴信号曲线。由图可以明显观察到凸轮轴信号错误。

图9  第2连杆下瓦未装转矩波形与正常波形对比

转矩异常

转矩也是衡量发动机性能的一个重要指标。通过对转矩最大值、最小值、平均值、变化范围和最大、最小位置的测量，来发现发动机的摩擦副是否存在故障缺陷，并判断发动机是否运转正常。转矩测试分为起动转矩和运行转矩测试，起动转矩不合格将会导致冷试终止，如曲轴/凸轮轴抱死故障；大多数装配缺陷体则现在运行转矩异常上。图9所示为第2缸连杆下瓦未装时运行转矩波形与正常波形对比。

结语

发动机冷试试验周期短，测试时间一般为1～2min，采用了大量高精度传感器，测试精度比较高，可以满足发动机装配质量在线检测的需要。发动机冷试技术作为一种新型的装配质量在线检测技术，将在市场上拥有非常广阔的前景。