基于冷试的汽车发动机活塞泄漏的缺陷分析

倪计民、赵骎之

（同济大学 200092)

1 冷试介绍

冷试是装配线上针对发动机性能测试的非常重要的测试台架（图1），采用电机驱动发动机，模拟发动机实际运行过程并通过一系列的测试项目来对发动机性能进行检测，由于不使用汽油作为动力，故不产生热量，所以称之为冷试。冷试具有测试时间短、测试精确及环保等优点，是目前发动机生产企业对发动机测试所使用的最主要的检测手段。

图1 冷试测试原理

本文使用的阶段式冷试布置方式是将发动机测试分为2部分，分别为短发冷试和长发冷试。短发冷试也被称为机械测试，主要在发动机主体装配完成后进行性能测试，包括进排气测试、正时测试、扭矩测试及振动测试等。发动机冷试时由电机拖动发动机在60～3 000 r/min之间运转，在发动机运转过程中通过压力、温度和振动等传感器的数据，以及发动机电气元件的功能等综合判断产品的质量情况。而活塞环安装缺陷的发现，正是在短发冷试进行扭矩测试时发现的。

长发冷试也被称为电气测试，主要是发动机在完成整机装配待下线前进行最终功能测试，测试项目包括点火测试、喷油测试、传感器测试及振动测试等。

1.1 冷试中扭矩测试方法

冷试时，通过电机控制不同的转速，进行不同工况下的测试，最高转速一般不超过3 000 r/min。而在进行机械扭矩测量时，发动机转速一般为60 r/min，可在发动机转动时对发动机各类摩擦副进行监控。扭矩传感器安装于发动机驱动电机上，通过测试发动机压缩行程和做功行程的扭矩，检测发动机性能。

当发动机进入冷试工位后，固定在测试台架上，连接好适配器，设置完各种测试参数后，即可开始进行测试。测试后生成机械扭矩结果曲线，上传至服务器保存，用以判断发动机压缩和做功期间扭矩的变化情况[1]。

1.2 扭矩曲线

如图2所示，该曲线为发动机冷试中扭矩测试曲线。纵坐标为扭矩值，横坐标为曲轴转角，图中的波形曲线代表发动机4个缸在一个曲轴旋转周期内的扭矩，4个缸的点火顺序分别为1-3-2-4。测试开始时，由电机带动曲轴旋转，当曲轴旋转至某个特定位置后产生惯性力，从而引起发动机扭矩的变化，所产生的能量有正负之分。由电机带动的部分在图中表现为负能量，即坐标轴下方，如图3（a）所示；而由曲轴自身的惯性所产生的扭矩变化在图中表现为正能量，即坐标轴上方，如图3（b）所示。

1.3 扭矩测试的评价参数

每台发动机经过冷试扭矩测试后都会生成图形曲线，经过对相关参数的评价，判断该台发动机是否合格。因此，评价参数成为该台发动机扭矩是否合格的关键指标。如图3（a）（b）所示，测得扭矩的能量正向数值应处于设置的参数范围内，而参数范围通过同一型号的发动机经过数万台的累计测试结果，并以5西格玛计算方式获得。同理可得，扭矩的能量负向数值与冷试系统设置好的参数进行比对，最终形成完整的图形曲线。

图2 扭矩测试曲线

图3 冷试扭矩变化

2 活塞和活塞环在发动机中的作用

发动机好比是汽车的“心脏”，而活塞则可以理解为是发动机的“中枢”，它还是发动机中最忙碌的一个部件，不断地进行着从下止点到上止点，再从上止点到下止点的往复运动，完成吸气、压缩、做功和排气的工作。活塞的内部为掏空设计，更像是一个帽子，两端的圆孔连接活塞销，活塞销连接连杆，连杆则与曲轴相连，将活塞的往复运动转化为曲轴的圆周运动。

2.1 活塞的作用

(1)为燃烧室提供与曲轴箱之间的运动密封。

(2)承受燃烧期间所产生的气体压力，并通过连杆将其转变为曲轴旋转的作用力。

(3)将燃烧气体所放出的热量与活塞顶的热量传递给气缸壁。

2.2 活塞环的作用

一般活塞的裙体处都有3条皱纹，是为了安装2道气环和1道油环，其中气环在上。气环的主要作用是密封气缸，将气缸与曲轴箱隔离开来，并将活塞上的热量传给冷却的气缸。在装配时，两道气环的开口需要错开，起到密封的作用。

油环的作用主要是刮除飞溅到缸壁上的多余油液，并将油液刮布均匀。活塞环必须具有弹性，因而在滑过活塞和压缩到最小尺寸之后，不会发生永久变形。在工作期间，活塞环后面的气体压力加大了与气缸壁之间的接触压力。目前广泛应用的活塞环材料主要有优质灰铸铁、球墨铸铁及合金铸铁等。

此外，活塞环由于位置不同，它们采用的表面处理也有差别。其中第一道活塞环外圆面通常进行镀铬或喷钼处理，主要是为了改善润滑和提高活塞环的耐磨度。其他活塞环大都会采用镀锡或磷化处理，主要是为了改善耐磨性。

如果活塞环的安装不当或密封性不好，就会导致缸壁上的机油上窜至燃烧室，并与混合气一起燃烧，从而引起烧机油的故障现象。若活塞环与缸壁的配合间隙过小或活塞环因积炭被卡死在环槽内等情况，活塞做上下往复运动时，很可能会将气缸壁刮伤，长时间后会在气缸壁上形成很深的沟纹，也就是常说的“拉缸”现象。气缸壁有了沟纹，密封性会不良，同样会造成烧机油的情况。因此应定期检查活塞的工作状态，避免以上2种情况的发生，从而保证发动机的运行状况良好。

3 缺陷情况介绍

A公司装配线自2017年以来多次发生短发冷试扭矩测试不合格的现象，具体表现为发动机某缸的扭矩正向能量数值或负向能量数值未达到评价范围，如图4、5所示。

以该台EA211-MPI某同型号发动机的合格与不合格扭矩曲线为例，图4中的发动机第3缸的正向扭矩数值明显低于另外3个气缸。不合格的第3缸扭矩数值为42.1 N.m，而其他3个缸的数值分别为61.3 N.m、62.9 N.m和64.0 N.m，该型号发动机的扭矩评价参数为50.0～75.0 N.m。因此经冷试扭矩测试判断结果为不合格[2]。

4 缺陷分析

根据合格的冷试扭矩曲线与不合格冷试扭矩曲线对比，初步判断可能是因为燃烧室的气密封性能下降造成的，因此对以下3个部位进行检查，以判断出现扭矩不正常的原因。

图4 冷试扭矩测试不合格曲线

图5 冷试扭矩测试合格曲线

4.1 气门泄漏

一般来说，发动机在压缩和做功行程中，进排气门应该处于关闭状态，若气门本身存在缺陷或者气门上夹杂异物导致没有关闭，就会造成气门泄漏，从而影响燃烧室密封性，导致扭矩不合格。在查看了该缺陷发动机的冷试进气曲线后，结果为合格（图6），因此，该台发动机的扭矩不合格并非因为气门漏气而造成。

4.2 火花塞泄漏

火花塞位于发动机缸盖中，当发动机活塞运动至上止点附近时释放电火花。在冷试中，火花塞的泄漏测试属于冷试振动测试中的一环，在进行火花塞测试时，电机带动发动机曲轴转速在2 000 r/min，易于发现泄漏量较大的发动机缺陷。而从该台发动机的振动测试结果来看，结果是合格的（图7），因此可以判断并非因为火花塞泄漏。

4.3 活塞气环不密封

若活塞环泄漏，其泄漏量较低，在冷试中不会引起其他测试项的不合格报警，因此在扭矩测试中即可被发现，也符合该台缺陷发动机最终结果的判断。而后经发动机下线至返修拆解后发现，发动机活塞气环处有损伤，引起燃烧室泄漏，导致压缩比下降，影响发动机性能。

5 分析结果及改进

经统计分析，自2017年以来发生的8台冷试扭矩测试不合格发动机，经返修拆解发现均为活塞第1道气环有损伤，导致扭矩不在评价参数范围内。因此怀疑在装配过程中，活塞安装时可能存在质量隐患。排查装配过程后，决定优化装配工艺，在装配活塞时增加目检，并将短发冷试扭矩最大值合格参数由原先的54.0～65.0 N.m调整为50.0～61.0 N.m，并通知供应商对活塞生产过程进行优化[3]。

经过装配工艺优化以及冷试参数调整，目前尚未发现由活塞环卡死而造成的发动机扭矩不合格现象。

图6 冷试进排气测试结果

图7 冷试振动噪声测试结果