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发动机冷试中的排气测试曲线分析 |
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作者： |
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随着汽车工业的不断发展以及相关测试技术的不断进步，在发动机生产过程中，传统的依靠生产线末台架的热试试验来检验产品缺陷的方式，正越来越多地被具有较快生产节拍、较低生产成本的发动机冷试试验所取代。
由于发动机冷试不像常规的热试那样能够真实表现发动机的功率和扭矩，而是通过间接的方式考察整机装配性能，因此，在发动机冷试试验过程中，测试项目及测试方案的选取相对而言显得尤为重要，需要针对实际生产的特定发动机及相关测试系统进行一定的调整匹配来最终确定。
本文通过作者在生产过程中的相关经验，针对国内生产厂家所生产的某种型号发动机的排气压力测试技术方案，进行了简单的总结及分析，希望对其他相关的测试项目有所启发，也希望能与同行进行更深入的探讨。
排气系统的测试
发动机冷试中排气压力测试的方法是，移去排气管，在每个气缸对应的排气口安装独立的压力传感器进行排气端口的压力测量。
排气压力测试与进气真空度测试相结合，可以用来检测进排气系统的缺陷，如检测气门安装是否到位，气缸是否存在泄漏点，活塞环是否完全张开，正时系统及可变正时系统是否正确装配，以及凸轮轴及液压挺柱等的装配缺陷。
发动机排气压力测试图形
1. 排气压力曲线
发动机进行冷试时，一般不会装发动机排气管，测试设备在每一个气缸的排气口处，都对应连接一个压力传感器，该传感器可以实时监测由排气口传出的气体压力。
图1为某4缸发动机冷试的排气压力曲线，我们单取1缸曲线进行分析。该4缸发动机应用可变气门正时技术，在不进行可变正时调节时，排气门存在一定的提前开启角。
图1 排气压力曲线
从1缸压缩做功冲程的下止点开始，到1缸排气门打开之前的时刻，进、排气门处于关闭状态，1缸缸内气体无输出，相应的对应该传感器检测不到1缸的气体压力，此时传感器检测采集到的气体压力曲线，为2缸排气冲程所产生的。
到达图1所示a点之后，1缸排气门开启，此时1缸排气压力开始作用于1缸压力传感器。由于在a点之前（1缸排气门开启之前），1缸相邻的气缸刚刚产生较大的排气压力，这一压力同时作用到1缸压力传感器上，如此，a点开始，1缸排气门开启的瞬间，其气体压力便有一个突降；另外，在a点的时候，1缸活塞还处于下行趋势，这个也引起了一定的压力突降。
在a点之后，活塞继续向下止点移动，直到接近下止点时，1缸此时的排气与相邻气缸的排气共同作用，产生排气压力的震荡；到达BDC后，随着1缸活塞由下行转为上行，1缸气体开始受压缩并通过排气门传导到其对应的压力传感器，在气压的震荡过程中，1缸排气产生的气体压力逐渐占据主导地位，气压逐渐上升，直到相邻气缸的排气气门再次打开的时刻，气体压力再次突降。
在测试排气压力过程中，压力传感器并非完全封闭状态，而是与消音器相连通，允许排气以一定的速率通过消音器排出。
通过测试曲线图还可以看到，对应1缸排气的压力传感器在720°的一个工作循环中，测试到了4次波峰值，但每一个气缸在一个工作循环中只有一次排气过程，那么，这其余的3个波峰是如何得到的呢？其实，这里涉及到了该发动机的二次空气喷射技术。
该发动机的二次空气喷射，采用了新鲜空气通过气缸盖上的专设管道喷入排气门后的方式。而在冷测试过程中，未测试二次空气喷射系统的时候，该条用于二次空气喷射系统的专设管道，便起到了1个联通4个气缸排气压力的作用。也就是说，某一冲程某气缸的排气压力，会通过管路传导到其他3个气缸的压力传感器，从而在发动机的1个工作循环中，在每个对应的传感器上都检测到4次排气过程。但还需要分析对应气缸的传感器检测到的压力曲线，以便更精确、更灵敏地反映发动机的排气情况。
2. 典型冷试排气压力曲线
对图2所示的典型冷试排气压力曲线，已有相关文章描述其测试原理，在此不再赘述。
图2 典型排气压力曲线
测试点的选取
通过检测该排气图形的排气压力最大值、最小值及平均值，即可判断出气门开启关闭的性能，再通过气门开启时刻的情况，能够关联检测相关进排气机构的性能，如凸轮轴的加工情况、正时链轮及链条的装配情况、液压挺柱的工作状况，包括气门弹簧及气门座圈和气门座的缺陷等。
同时，在采集测试曲线的时候，对某一气缸采集全程720°内的压力曲线而非仅仅是排气冲程的曲线，一是可以全面考核该气缸整个工作循环中的工作情况，二是考虑通过该传感器能够间接检测出相邻气缸的工作状况，对问题的分析解决提供参考。
单缸传感器测试范围为720°全程，为了间接地检测缸盖上用于二次空气喷射的管道是否通畅，我们设置了对第3、4气缸的最小值检测，即检测点图1所示MIN2。
同时，考虑到排气门开启之后气体压力会有较明显变化，通过选取排气门开启之后气体压力下降区域，该区域压力曲线下降速率快且平滑，发动机整机的很小的缺陷，在该区域也能精确体现，因此选取该区域进行数据采集测量，并取该区域某一定角度范围内的排气压力平均值，来检测排气门开启时刻，间接检测气门相关控制零件包括液压挺柱及凸轮轴等的装配质量（图1所示MEAN）。
为了检测二次空气喷射系统是否起作用，我们共用排气压力中的某一个传感器，用来检测二次空气喷射泵工作是否正常，同时可以检测二次空气喷射系统各个相关的真空阀、真空管路、电磁阀是否存在故障等。
发动机装配过程中，活塞环漏装、活塞环串口以及活塞环卡死在环槽内，是非常严重的质量问题，为了检测类似该缺陷，我们选取了MIN1进行验证。
下面我们单就通过MIN1如何检测活塞环缺陷做一简单分析。
对上文提到的4缸发动机排气压力测试曲线，单取最小值分析，该最小值可以综合考核排气门的开启时刻、正时的调整正确与否、凸轮轴、液压挺柱及气门座圈、气门导杆和摇臂等系统的质量问题，以及活塞环的安装情况等。
以活塞环缺陷在排气压力曲线上的表现为例，如果活塞气环漏装，或者气环被卡死在活塞环槽内，那么活塞与气缸壁之间将留有比较大的间隙，如果该缺陷未被发现，那么在发动机正常工作的时候，便会产生一定的泄漏，不仅影响发动机的动力性，并且泄漏的可燃混合气以及燃烧后的高温废气还会引起发动机机油的快速变质，导致整机缺少正常润滑；而且高温高压废气的泄漏会导致曲轴箱压力迅速升高，容易引起其他相关事故。
那么，从冷试的排气图形中，又如何准确检测该处缺陷呢？
冷试中，因为没有可燃混合气的燃烧，气缸内在正常的工作循环下便没有高压高温气体，因此我们可以以正常的气体压缩膨胀进行分析，如图3为发动机工作循环。
图3 发动机工作循环
我们设定该气缸燃烧室容积为V1，下止点以上总容积为V2，活塞运行过程中的气缸容积为Vx；同时我们设定大气压力为P0，气缸内实时压力为可变的Px，曲轴箱内气体压力近似于大气压力P0，大气密度及气缸内气体密度分别设定为ρ2和ρx。
进气阶段，活塞下行，新鲜空气进入气缸，此时活塞环漏装或卡死导致的泄漏基本可以忽略。此阶段一直到进气终止，气缸内进入的气体容积为V2。
之后进入压缩冲程，活塞从下止点向上止点运行，气缸内气体随之受压缩而压力不断升高。此过程中Px> P0。
首先我们假设该气缸为完全密闭容器，那么ρ2×V2/ P0 =ρx× Vx/ Px ；在压缩完成到达做功冲程，活塞再次回到下止点的时候，气缸内压力应该与压缩冲程刚开始的时刻是相等的。
但是在实际情况中，活塞环肯定会有一定的泄漏量，只不过是泄漏量多或少的问题。我们可以将正常发动机状态近似为理想状态，而活塞环漏装或卡死才会引起比较大的泄漏。
压缩冲程，气缸内压力Px>P0，此时气缸内气体会向曲轴箱泄漏。由于泄漏，在活塞向下止点运动的时候，气缸内压力与曲轴箱压力平衡的时刻，肯定是在下止点之前，假设该时刻为M点。
那么在做功冲程，在M点之前，Px>P0，气缸内气体仍然会向曲轴箱内泄漏；M点时刻，Px=P0 ；M点之后，BDC之前，随着气缸空间的增大，气缸内开始形成一定的真空，Px
如此，回到排气压力曲线上，由于泄漏，该气缸在上行过程中无法产生足够大的排气压力；又由于活塞下行过程中M点后气缸内的真空，造成了b点的急剧下降，以至于引起该点气体压力过低。通过检测这两处的排气压力值，并适当设定其参考参数，结合其他相关的测试项，便可以检测出该缺陷了。
案例分析
1.案例一
某发动机在测试过程中1缸扭矩值偏低，查看对应1缸的排气压力曲线，发现1缸排气压力最大值较其他缸测试排气压力值偏低，最小值比标准值低（如图4所示），通过以上过程的综合分析，怀疑为进排气系统故障或活塞缺陷。确认该缺陷后，利用气缸压力表对发动机缸压进行检测，发现1缸泄漏严重，初步分析活塞环漏装或未充分张开。
图4 排气压力值偏低
拆检发动机，发现1缸活塞第二道气环被异物卡死无法张开，导致发动机在工作过程中气环密封不严而发生压缩气体的泄漏（如图5所示）。
图5 活塞环卡死
2.案例二
某4缸发动机，测试发现3缸排气压力平均值偏高，查看测试图形(如图6所示)，发现3缸排气门开启时刻延后，且排气压力最大值的拐点过于尖锐，根据以上的理论分析，认为有可能因为液压挺柱偏软，导致排气门迟开。之后拆检缸盖，确认1缸两个排气门液压挺柱软，更换液压挺柱后再次测试合格。
图6 排气门开启角度滞后
结束语
排气压力测试是发动机冷试的一项重要测试项目，通过这个测试窗口，我们能够发现很多发动机的装配故障及零部件缺陷，控制产品的质量。同时，测试过程中关键点的选取也是控制发动机装配质量的一个重要因素，需要充分考虑各种因素的影响后，才能确定。当然，对实际生产中发生的各种故障，我们不能单一的凭借排气压力这一项来进行分析判断，还需要综合考虑进气真空度、运转扭矩以及电器元件等各种测试项目，才能更好地达到我们控制产品质量、向客户输送合格产品的测试目的。(end)
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(7/10/2009) |
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