发动机进气及排气过程中的冷测试技术

线变化情况。当排气阀门接近完全关闭位置时，进气阀门开始
2 发动机冷测试曲线分析
开启。在这个短暂的时间内，进气阀门和排气阀门同时处于开 启状态，这种情况称为“交叠”（overlap）状态。正像排气冲程
发动机冷测试的结果如图 2 的曲线所示，该曲线是对一组 中所讨论的那样，排气压力和汽缸压力达到最大值。而此时，在
在做功冲程之前的 TDC（汽缸顶） 点，压力达到最大值。但是，这个压力 没有被任何压力传感器所检测。因为进 气阀和排气阀都是关闭的，进气口和排 气口处的压力传感器将检测不到任何 压力的变化，即进气和排气过程中压力
TDC 12 10 8 6 4 2 0
做功冲程
BDC
排气冲程
TDC
进气冲程
BDC
排气阀高度
进气压力测试主要用于发现汽缸进气口连接处和进气阀等 处总的衬垫泄漏。排气压力测试可用来评价汽缸的压缩能力等。 在冷测试过程中，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、阀门密封 问题、活塞垫圈安装问题、汽缸壁问题、冲击调节阀调节问题， 以及时序配合等潜在的问题。这种测试的结果可以用发动机输 出力矩的测试结果来验证。
能力测试非常相似，不同点在于：①压力测试位置在进气和排气 变形，孔尺寸不恰当；⑦孔表面边缘存在刻线、划痕或碎片。
口，而不是在汽缸本身上；②压力测试是连续的；③在冷测试过 2.3 进气冲程
程中，如果发动机正常的话，当进气阀和排气阀都关闭时，不论
在进气冲程开始时刻，从图 2 中可看到最为复杂的压力曲
活塞是否运动，进气口和排气口压力都不会有任何改变。
进气阀高度
压缩冲程
曲线为一条平直的线，这将保持到排气
角度/°
阀门打开。如果在做功冲程的前半段， 进气口或排气口处的压力传感器测得 的压力有变化，则可以断定可能有以下 一种或几种故障存在：①进气通道或排 气通道上有漏气孔；②进气阀或排气阀
排气压力曲线
TDC 后，压力开 始下降，进气阀 打开也造成了 压力的迅速下 降。
1 发动机冷测试原理
发动机冷测试技术原理如图 1 所示。
Abstract: In order to satisfy the need of engine on-line verification during the process of assembly or repair, a novel engine cold test technique is proposed. In this method, an electric motor is coupled to the crankshaft, and forces the engine to rotate at speeds up to about 1 500 r/min. It uses pressure transducers installed on intake and exhaust ports to verify the assembly process as well as check various engine component stack-up conditions, at a given stage in the assembly process. It is specifically intended to compare the functional characteristics of each engine produced to criteria established by performing the same functional verification on a population of known good engines. Cold Test can not only identify and separate the bad engines from the good engines, but also identify the general source of the problem. Key words：engine test; cold test; pressure measurement
摘要：针对发动机装配或检验维修过程中在线检测的需要提出 了一种新颖的发动机冷测试技术。它将一个电动机连接到发动 机主轴上带动发动机以转速 1 500 r/min 以上运转，然后通过安 装在进气口和排气口的压力传感器检测发动机排气和进气过程 中的压力变化，并将检测所得到的发动机的功能参数同正常发 动机的标准数据进行比较，从而不仅可以发现存在故障的发动 机，而且可以找到故障问题的来源。 关键词： 发动机检测；冷测试；压力测量 中图分类号：TP206 文献标识码：A
发动机冷测试的基本过程是非常简单的，当汽缸的排气阀 打开，并且汽缸中的活塞仍在向上运动时，汽缸体积缩小，吸 入的空气被压缩，压力提高。当排气阀被关闭，排气管内密闭 气体的气压保持不变。
当进气阀打开时，电动机带动发动机的活塞开始向下运动， 其效果同发动机实际运行过程中，火花塞点燃燃料产生推力推
发动机进气及排气过程中的冷测试技术
出气阀门 密封圈
火花塞
压力传感器
进气阀门 密封圈
压力传感器
图 1 发动机冷测试的原理图
进气压力测试和排气压力测试有着相同的原理。在进气压 力测试中，首先移去进气导管，在进气口安装独立的压力传感 器进行进气端口的压力测量。另一种测试方法是在节流阀上安 装一个传感器，但是，由于节流阀的容量非常大，这会导致这 种进气压力测试方法的分辨率非常小。
分析进气压力突变点的位置同样可以发现是否存在发动机 时序配合问题。如果这个突变点的出现时间不对，则可以断定 有以下一种或几种故障存在：①柔性连接部件出现故障；②机 械凸轮突出位置不恰当，或凸轮安装存在问题；③阀门跃起过 高，或其他任何可能改变阀门开启时序的阀门关闭的运动问题。
3 提高发动机冷测试技术的故障检测能力
图 2 发动机冷测试 720°循环过程的测试曲线
进气阀关闭
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《测控技术》2004 年第 23 卷第 12 期
致排气压力快速下降 之后 30°的位置。这个点 之后排气阀门完全关闭。一旦排气阀门被完全关闭，排气压力 的下降就停止了，排气端口压力传感器检测到的排气压力将保 持为一个常数直到排气阀门再次开启。如果此时排气压力不为 常数，出现变化的话，则可能出现以下一种或几种故障：①衬 垫泄漏；②排气通道有孔或裂缝；③排气阀门泄漏。
仍然按照 4 个冲程运行：进气、压缩、膨胀和排气。然后通过 安装在进气口和排气口的压力传感器检测发动机排气和进气过 程中的压力变化，并将检测所得到的发动机的功能参数同正常 发动机的标准数据进行比较，从而不仅可以发现存在故障的发 动机，而且可以找到故障问题的来源。发动机冷测试技术目前 已开始被德国大众汽车公司所采用，用于发动机装配或检验维 修过程中的在线检测和故障分析。
发动机装配过程中的检测技术是发动机出厂检测的重要内 容。由于传统的发动机性能检测都是基于发动机点火运行的热 测试方法，因此无法实现发动机装配过程的在线检测。本研究 提出了一种新颖的发动机冷测试技术。它将一个电动机连接到 发动机主轴上带动发动机以转速 1 500 r/min 以上运转，发动机
收稿日期：2004–07–07 作者简介：Joachim Ninke（1968—），男，日耳曼族，德国慕尼 黑人，工程师，德国大众汽车公司测试技术研究所主任，东南 大学在职博士研究生，现为德国戴姆勒·克莱斯勒（即德国奔驰 公司）汽车测试技术研究所首席工程师, 研究方向为汽车发动机 测试技术; 宋爱国（1968—），男，安徽黄山市人，博士，东南 大学仪器科学与工程系系主任、教授、博士生导师，研究方向 为测控技术与智能系统。
排气阀关闭
有裂缝；③进气阀或排气阀颈部的密封
垫圈有泄漏。 由于此时汽缸内的压力低于排气
颈内的压力，随着活塞向下往 BDC(汽 缸底)运动，当排气阀门打开瞬间，排气
排气阀打开
BDC 后，压力开 始上升。
排气口的密闭空气压力在下一次排气 阀打开之前应该保持基本不变，否则则 说明存在漏气故障。
过程中压力将有一个突然的降低，接着
带动发动机的活塞又开始向下运动，一旦活塞接近底部，排气 启。分析峰值排气压力可以发现以下发动机故障：①阀门泄漏；
阀门打开。整个循环重新开始。
②进气阀门时序配合不当；③活塞环装配不当导致活塞环在活
值得注意的是，冷测试中进气和排气压力测试和汽缸的压缩 塞边缘被撞击；④活塞环遗失；⑤火花塞泄漏；⑥汽缸孔形状
表示阀门完全打开。
图 2 中 TDC 表示活塞到达汽缸的
高度/mm 0 28 56 84 112 140 168 196 224 252 280 308 336 364 392 420 448 476 504 532 560 588 616 644 672 700
顶点，BDC 表示活塞到达汽缸底部。 2.1 做功冲程
排气冲程中活塞向上运动，排气阀
真空度/in.Hg
进气压力曲线
24 22 20 18 16 14 12
进气口的密闭空气压力在下一 次进气阀打开之前应该保持基 本不变，否则则说明存在漏气 故障。
BDC 后，真空 度开始下降。
进气阀打开，汽缸的 真空度迅速下降。
排气阀完全关闭，此时汽 缸的真空度下降到最低 点。接着真空度开始上 升。
当进气阀门开启，活塞压缩而且进气传感器检测结果表明 开始出现真空负压状态。真空负压状态将持续加强到 BDC 点。 BDC 点是进气端口所能够达到的最大真空点。对这个极值点的 分析可以判断是否存在以下故障：①排气阀门或进气阀门颈部 泄漏；②阀门环安装存在位置误差，导致汽缸真空压力不正常； ③汽缸孔边缘存在刻线、划痕、碎片等。 2.4 压缩冲程
压缩冲程开始时，活塞在 BDC 点。在接下来的 90°范围中 进气阀门仍然是开启的。由于活塞处于上升过程中，因此汽缸 容量在不断减小，前面产生的真空负压力也在减小。通过热力 学中基本公式：P1V1 = P2V2 可以知道，真空度减小的速度与体 积增加的速度相等。在进气阀完全关闭之前进气压力形成了一 条光滑的曲线。一旦进气阀完全关闭，这个真空负压将保存在 进气通道中直到下一次阀门被打开。如果此时进气压力不为常 数，出现变化的话，则可能出现以下一种或几种故障：①衬垫 泄漏；②活塞泄漏；③进气阀门泄漏；④进气通道有孔或裂缝。