关于汽车发动机热试检测因素的分析

王敏 毕家明 王 栋

（1-浙江锋锐发动机有限公司 浙江 义乌 322000 2-浙江吉利动力总成有限公司）

引言

众所周知，一款汽车性能的好坏主要取决于发动机性能，而发动机性能一般通过发动机热试进行检测。目前，国内外广乏使用的发动机试验有冷试和热试。本文主要对热试进行分析，按照功能性，热试台架可分为性能台架和磨合台架。性能台架主要用于发动机耐久性试验和一些力矩检测；按照ECU 独立性和通用性，磨合台架可分为国内热试台架和进口热试台架。国内热试台架使用的ECU 几乎是按照整车运行工况制定的“罐头ECU”，而进口热试台架使用的ECU 为“特制ECU”[1]，一个ECU 为多种机型同时使用。本文主要通过进口热试台架对影响发动机转速稳定性的因素进行分析和试验研究。

1 台架组成及意义

台架组成部分[2]主要有水箱、水管、冷却液、起动电机、转速传感器组件、ECU、显示面板、控制器、汽油及汽油管路、转接线、惰轮、皮带、热试小车和台架硬件基座。水箱主要分为大水箱和小水箱，小水箱也叫回水箱，用于发动机高速运转下的大、小循环降温，防止发动机高温造成拉缸。冷却液市场有冰点防冻液、冷却液（乙醚和乙醇按比例混合物）和自然水，利用高比热容给发动机降温和防锈。起动电机用于发动机起动时带动飞轮旋转，给发动机点火，起动发动机。发动机起动后，起动电机停止工作。此时，发动机按照ECU 参数进入怠速工况。转速传感器组件用于检测发动机转速，传递转速信号给ECU，促使ECU控制点火。ECU 是发动机运转的核心，通过处理计算各传感器的输入信号来保证发动机正常运转。显示面板主要将台架或传感器的检测情况通过ECU 进行实时目视化。控制器主要用于发动机运行过程的人为操作。汽油及汽油管路为发动机的硬性输入条件，发动机通过燃烧汽油产生动力。转接线主要是台架和不同发动机之间的线束对接关系。惰轮和工艺皮带替代整车上的空气压缩机和皮带，为运转必须项。发动机热试时，需要有2 个转换模块，分别为ECU 通讯模块和转速模块。ECU 通讯模块负责将ECU 信息传递至台架进行显示和数据记录，转速模块则负责发动机转速信息的转化，并传递至台架进行显示与记录，用于后台数据查询。

台架硬件基座如图1 所示。

图1 台架硬件基座

2 发动机运行工况

发动机起动后，台架可以设置手动和程控2 种运行方式。手动运行是指通过手动调节油门踏板（参照车身油门踏板），调节发动机转速；程控运行是给定发动机运行工况，发动机必须按照给定工况进行运行，运行过程中，转速稳定，无异常情况出现。发动机运行一般分为怠速、中高速、高速、中高速、手动油门5 个阶段，每种机型按照特有属性制定不同的运行转速。本文将怠速设置为750 r/min 左右，中高速设置为2 200 r/min 左右，高速设置为3 800 r/min 左右，手动油门运行的转速范围设置为750～4000r/min。

3 发动机检出情况介绍

发动机热试需要的检出项有三漏检查、发电机电压超限检查、故障码检出以及转速稳定性检查等。其中，三漏检查分别为漏水、漏油和漏气检查。漏水检查是检查发动机各接合面有无渗水情况；漏油检查是检查发动机各接合面有无渗油情况；漏气检查是检查汽油有无泄漏情况。发电机电压超限检查是发动机在运行过程中发电机输出电压稳定性的检查，防止烧坏整车中小电压的元器件。故障码检出是检查发动机线束连接过程的一些异常情况，包括元器件异常或元器件检测出的异常情况。转速稳定性检查主要保证发动机的稳定性输出，防止整车正常运行过程中出现抖动或速度异常情况。

4 影响发动机性能的因素

4.1 转速稳定性

4.1.1 转速与ECU 的关系

发动机起动后，不执行程控操作时，手动调节油门至一定角度，发动机应保持稳定转速。若ECU 标定数据异常或未标定到位，就会出现转速忽高忽低，如图2 中的红线，无法自行稳定。

当转速波动较大时，通常会调节油门踏板，使转速达到一定值，观察转速稳定性。无法稳定转速时，ECU 异常，需要对ECU 进行刷机后再使用。

4.1.2 转速与台架PID 的关系

若发动机正常程控磨合出现转速不稳，确认油门踏板调节转速正常时，需要对发动机转速PID参数（见表1）进行调节。发动机转速PID 参数通过理论转速与实际转速的差值来调节油门开度，油门开度分为Ⅰ和D，Ⅰ为粗调油门控制角度，分度值为1/1 000，D 为微调油门控制角度，分度值为1/1 000 000。PID 设置转速与程控工况一致，程控分4 个阶段，PID 则设置4 个阶段，与程控阶段一一对应进行调节。

表1 台架PID 参数

通过转速波动来修正油门，调整台架PID 参数（表1）来调节转速达到稳定状态（如图3 中的红线所示），最终使转速趋于稳定状态。

图3 调节台架PID 修正台架转速

4.1.3 转速与水温之间的关系

发动机的工作属于机械运动，做功方式为内能转化为机械能，需要克服摩擦阻力来提升机械能转化率。发动机内部机械运动采用润滑油进行润滑，润滑方式主要有飞溅润滑、滴油润滑以及油环润滑。发动机的润滑油一般根据地理位置和发动机类型选择性价比高的机油，发动机机油在冷机状态下基本处于发动机油底壳位置。从图4 所示的机油粘度随温度变化趋势[3]可以看出，温度越高，润滑油粘度越低，润滑效果越好。

图4 机油粘度随温度变化趋势

凸轮轴等在发动机顶部，运动时，润滑油较少，机械能降低，待发动机水温上升，凸轮轴等顶部充满润滑油，且机油粘度低时，发动机机械能最大，转速最高，工作最稳定。程控第2 阶段（中高速）处于冷机状态，发动机转速未达到理论程控转速要求，待第3阶段（高速）温度上升后，转速恢复正常和稳定。

4.2 检出能力

发动机检出能力是指发动机除正常转速外，判定其他电子元器件（相位传感器、转速传感器、OCV阀、爆震传感器、氧传感器和机油压力开关等元器件）和发电机质量好坏，ECU 根据各元器件反馈的信息产生不同类型的故障码，根据故障码快速锁定问题点，再进行修复。发动机异常情况故障码码不一定是唯一的，甚至同时出现多个故障码（如图5 所示），需要分别对不同故障问题进行分解修复，重新热试确认合格与否。台架检出能力判定通常会通过日常防错点检确认检出正常与否。

图5 台架显示多个故障码

5 验证确认

本课题主要研究热试检测因素，检测因素主要为检出和转速稳定性，针对转速稳定性的关系验证进行试验。试验选用专利号为CN 201822205147.0、具备正常热试能力的台架进行，从库区取出一台正常发动机进行热试试验，并从库区领用一块未刷新数据的ECU，通过控制变量来验证各个因素之间的关系。

5.1 发动机正常运行状态

发动机上台架后，对台架执行如下对应操作：

1）运行准备；

2）起动；

3）扫描；

4）执行程控操作。

发动机正常运行时转速波动状况如图6 所示。发动机按照程控运行，第1 阶段处于怠速状态[4]，第2、第3 阶段转速开始上升，台架后台PID 参数不断修改油门参数，控制转速，使转速线（红色线）尽可能保持在理论转速线（蓝色线）上。开始阶段，转速低于理论转速（图中起始端红线低于蓝线），该问题属于发动机水温低，机油润滑效果不好，导致中高速阶段转速无法和程控转速一致。待温度达到80 ℃后，发动机运行转速稳定（图中红线逐步趋近蓝线，且基本稳定）。

图6 发动机正常运行

5.2 发动机PID 参数异常时运行状态

修改PID 第3 阶段D 值，从0.05 增加至0.1，观察发动机转速情况，如图7 所示。

图7 更改PID 参数后发动机运行状态

当发动机转速达到某个值时，调用修改后的PID 参数，油门控制参数不正确，导致转速偏离程控转速。随后，当转速差值达到3 000 r/min、P 值为0.05、I 值为0.02 时，转速被拉回至程控范围内。出现1 个PID 参数不正确，台架其他PID 参数可将转速拉回。若出现多个PID 参数不正确，则会出现油门参数连续错误，转速很大概率会被拉偏，出现超高速情况，造成高速熄火。

5.3 发动机ECU 参数异常时运行状态

调回PID 第3 阶段D 值后（恢复原调整参数0.05），发动机熄火，更换一块直接从库区取回的ECU（ECU 数据未刷新，和台架热试数据不一致）。安装该ECU，进行程控热试，再进行手动油门热试。此时，台架的转速PID 参数不参与工作，全部由ECU和手动油门控制，将转速控制在3 400 r/min，观察运转情况，发动机转速无法稳定，波动大。

6 结论

1）发动机热试正常所需的组件缺一不可，只有确保各组件正常，才能正常热试。

2）发动机检出能力是按照整车运行工况对发动机各零部件的质量进行监控，从发动机起动到发动机关闭，各检出能力后台持续监控。

3）发动机转速稳定性与发动机水温有关，水温越高，发动机转速越稳定。

4）发动机转速稳定性与台架PID 参数有关，出现一个PID 参数错误时，其他PID 参数可以弥补，若出现多个PID 参数异常，则会出现超速停机情况。

5）发动机转速稳定性与发动机ECU 标定参数有关，ECU 标定参数异常，发动机无法稳定。