王敏 畢家明 王 棟

（1-浙江鋒銳發(fā)動機有限公司 浙江 義烏 322000 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

眾所周知，一款汽車性能的好壞主要取決于發(fā)動機性能，而發(fā)動機性能一般通過發(fā)動機熱試進行檢測。目前，國內(nèi)外廣乏使用的發(fā)動機試驗有冷試和熱試。本文主要對熱試進行分析，按照功能性，熱試臺架可分為性能臺架和磨合臺架。性能臺架主要用于發(fā)動機耐久性試驗和一些力矩檢測；按照ECU 獨立性和通用性，磨合臺架可分為國內(nèi)熱試臺架和進口熱試臺架。國內(nèi)熱試臺架使用的ECU 幾乎是按照整車運行工況制定的“罐頭ECU”，而進口熱試臺架使用的ECU 為“特制ECU”[1]，一個ECU 為多種機型同時使用。本文主要通過進口熱試臺架對影響發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的因素進行分析和試驗研究。

1 臺架組成及意義

臺架組成部分[2]主要有水箱、水管、冷卻液、起動電機、轉(zhuǎn)速傳感器組件、ECU、顯示面板、控制器、汽油及汽油管路、轉(zhuǎn)接線、惰輪、皮帶、熱試小車和臺架硬件基座。水箱主要分為大水箱和小水箱，小水箱也叫回水箱，用于發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)下的大、小循環(huán)降溫，防止發(fā)動機高溫造成拉缸。冷卻液市場有冰點防凍液、冷卻液（乙醚和乙醇按比例混合物）和自然水，利用高比熱容給發(fā)動機降溫和防銹。起動電機用于發(fā)動機起動時帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，給發(fā)動機點火，起動發(fā)動機。發(fā)動機起動后，起動電機停止工作。此時，發(fā)動機按照ECU 參數(shù)進入怠速工況。轉(zhuǎn)速傳感器組件用于檢測發(fā)動機轉(zhuǎn)速，傳遞轉(zhuǎn)速信號給ECU，促使ECU控制點火。ECU 是發(fā)動機運轉(zhuǎn)的核心，通過處理計算各傳感器的輸入信號來保證發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)。顯示面板主要將臺架或傳感器的檢測情況通過ECU 進行實時目視化?？刂破髦饕糜诎l(fā)動機運行過程的人為操作。汽油及汽油管路為發(fā)動機的硬性輸入條件，發(fā)動機通過燃燒汽油產(chǎn)生動力。轉(zhuǎn)接線主要是臺架和不同發(fā)動機之間的線束對接關(guān)系。惰輪和工藝皮帶替代整車上的空氣壓縮機和皮帶，為運轉(zhuǎn)必須項。發(fā)動機熱試時，需要有2 個轉(zhuǎn)換模塊，分別為ECU 通訊模塊和轉(zhuǎn)速模塊。ECU 通訊模塊負責將ECU 信息傳遞至臺架進行顯示和數(shù)據(jù)記錄，轉(zhuǎn)速模塊則負責發(fā)動機轉(zhuǎn)速信息的轉(zhuǎn)化，并傳遞至臺架進行顯示與記錄，用于后臺數(shù)據(jù)查詢。

臺架硬件基座如圖1 所示。

圖1 臺架硬件基座

2 發(fā)動機運行工況

發(fā)動機起動后，臺架可以設(shè)置手動和程控2 種運行方式。手動運行是指通過手動調(diào)節(jié)油門踏板（參照車身油門踏板），調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速；程控運行是給定發(fā)動機運行工況，發(fā)動機必須按照給定工況進行運行，運行過程中，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，無異常情況出現(xiàn)。發(fā)動機運行一般分為怠速、中高速、高速、中高速、手動油門5 個階段，每種機型按照特有屬性制定不同的運行轉(zhuǎn)速。本文將怠速設(shè)置為750 r/min 左右，中高速設(shè)置為2 200 r/min 左右，高速設(shè)置為3 800 r/min 左右，手動油門運行的轉(zhuǎn)速范圍設(shè)置為750～4000r/min。

3 發(fā)動機檢出情況介紹

發(fā)動機熱試需要的檢出項有三漏檢查、發(fā)電機電壓超限檢查、故障碼檢出以及轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性檢查等。其中，三漏檢查分別為漏水、漏油和漏氣檢查。漏水檢查是檢查發(fā)動機各接合面有無滲水情況；漏油檢查是檢查發(fā)動機各接合面有無滲油情況；漏氣檢查是檢查汽油有無泄漏情況。發(fā)電機電壓超限檢查是發(fā)動機在運行過程中發(fā)電機輸出電壓穩(wěn)定性的檢查，防止燒壞整車中小電壓的元器件。故障碼檢出是檢查發(fā)動機線束連接過程的一些異常情況，包括元器件異?；蛟骷z測出的異常情況。轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性檢查主要保證發(fā)動機的穩(wěn)定性輸出，防止整車正常運行過程中出現(xiàn)抖動或速度異常情況。

4 影響發(fā)動機性能的因素

4.1 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性

4.1.1 轉(zhuǎn)速與ECU 的關(guān)系

發(fā)動機起動后，不執(zhí)行程控操作時，手動調(diào)節(jié)油門至一定角度，發(fā)動機應保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。若ECU 標定數(shù)據(jù)異常或未標定到位，就會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速忽高忽低，如圖2 中的紅線，無法自行穩(wěn)定。

當轉(zhuǎn)速波動較大時，通常會調(diào)節(jié)油門踏板，使轉(zhuǎn)速達到一定值，觀察轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。無法穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，ECU 異常，需要對ECU 進行刷機后再使用。

4.1.2 轉(zhuǎn)速與臺架PID 的關(guān)系

若發(fā)動機正常程控磨合出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，確認油門踏板調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速正常時，需要對發(fā)動機轉(zhuǎn)速PID參數(shù)（見表1）進行調(diào)節(jié)。發(fā)動機轉(zhuǎn)速PID 參數(shù)通過理論轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值來調(diào)節(jié)油門開度，油門開度分為Ⅰ和D，Ⅰ為粗調(diào)油門控制角度，分度值為1/1 000，D 為微調(diào)油門控制角度，分度值為1/1 000 000。PID 設(shè)置轉(zhuǎn)速與程控工況一致，程控分4 個階段，PID 則設(shè)置4 個階段，與程控階段一一對應進行調(diào)節(jié)。

表1 臺架PID 參數(shù)

通過轉(zhuǎn)速波動來修正油門，調(diào)整臺架PID 參數(shù)（表1）來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定狀態(tài)（如圖3 中的紅線所示），最終使轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 調(diào)節(jié)臺架PID 修正臺架轉(zhuǎn)速

4.1.3 轉(zhuǎn)速與水溫之間的關(guān)系

發(fā)動機的工作屬于機械運動，做功方式為內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，需要克服摩擦阻力來提升機械能轉(zhuǎn)化率。發(fā)動機內(nèi)部機械運動采用潤滑油進行潤滑，潤滑方式主要有飛濺潤滑、滴油潤滑以及油環(huán)潤滑。發(fā)動機的潤滑油一般根據(jù)地理位置和發(fā)動機類型選擇性價比高的機油，發(fā)動機機油在冷機狀態(tài)下基本處于發(fā)動機油底殼位置。從圖4 所示的機油粘度隨溫度變化趨勢[3]可以看出，溫度越高，潤滑油粘度越低，潤滑效果越好。

圖4 機油粘度隨溫度變化趨勢

凸輪軸等在發(fā)動機頂部，運動時，潤滑油較少，機械能降低，待發(fā)動機水溫上升，凸輪軸等頂部充滿潤滑油，且機油粘度低時，發(fā)動機機械能最大，轉(zhuǎn)速最高，工作最穩(wěn)定。程控第2 階段（中高速）處于冷機狀態(tài)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速未達到理論程控轉(zhuǎn)速要求，待第3階段（高速）溫度上升后，轉(zhuǎn)速恢復正常和穩(wěn)定。

4.2 檢出能力

發(fā)動機檢出能力是指發(fā)動機除正常轉(zhuǎn)速外，判定其他電子元器件（相位傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、OCV閥、爆震傳感器、氧傳感器和機油壓力開關(guān)等元器件）和發(fā)電機質(zhì)量好壞，ECU 根據(jù)各元器件反饋的信息產(chǎn)生不同類型的故障碼，根據(jù)故障碼快速鎖定問題點，再進行修復。發(fā)動機異常情況故障碼碼不一定是唯一的，甚至同時出現(xiàn)多個故障碼（如圖5 所示），需要分別對不同故障問題進行分解修復，重新熱試確認合格與否。臺架檢出能力判定通常會通過日常防錯點檢確認檢出正常與否。

圖5 臺架顯示多個故障碼

5 驗證確認

本課題主要研究熱試檢測因素，檢測因素主要為檢出和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，針對轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的關(guān)系驗證進行試驗。試驗選用專利號為CN 201822205147.0、具備正常熱試能力的臺架進行，從庫區(qū)取出一臺正常發(fā)動機進行熱試試驗，并從庫區(qū)領(lǐng)用一塊未刷新數(shù)據(jù)的ECU，通過控制變量來驗證各個因素之間的關(guān)系。

5.1 發(fā)動機正常運行狀態(tài)

發(fā)動機上臺架后，對臺架執(zhí)行如下對應操作：

1）運行準備；

2）起動；

3）掃描；

4）執(zhí)行程控操作。

發(fā)動機正常運行時轉(zhuǎn)速波動狀況如圖6 所示。發(fā)動機按照程控運行，第1 階段處于怠速狀態(tài)[4]，第2、第3 階段轉(zhuǎn)速開始上升，臺架后臺PID 參數(shù)不斷修改油門參數(shù)，控制轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速線（紅色線）盡可能保持在理論轉(zhuǎn)速線（藍色線）上。開始階段，轉(zhuǎn)速低于理論轉(zhuǎn)速（圖中起始端紅線低于藍線），該問題屬于發(fā)動機水溫低，機油潤滑效果不好，導致中高速階段轉(zhuǎn)速無法和程控轉(zhuǎn)速一致。待溫度達到80 ℃后，發(fā)動機運行轉(zhuǎn)速穩(wěn)定（圖中紅線逐步趨近藍線，且基本穩(wěn)定）。

圖6 發(fā)動機正常運行

5.2 發(fā)動機PID 參數(shù)異常時運行狀態(tài)

修改PID 第3 階段D 值，從0.05 增加至0.1，觀察發(fā)動機轉(zhuǎn)速情況，如圖7 所示。

圖7 更改PID 參數(shù)后發(fā)動機運行狀態(tài)

當發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到某個值時，調(diào)用修改后的PID 參數(shù)，油門控制參數(shù)不正確，導致轉(zhuǎn)速偏離程控轉(zhuǎn)速。隨后，當轉(zhuǎn)速差值達到3 000 r/min、P 值為0.05、I 值為0.02 時，轉(zhuǎn)速被拉回至程控范圍內(nèi)。出現(xiàn)1 個PID 參數(shù)不正確，臺架其他PID 參數(shù)可將轉(zhuǎn)速拉回。若出現(xiàn)多個PID 參數(shù)不正確，則會出現(xiàn)油門參數(shù)連續(xù)錯誤，轉(zhuǎn)速很大概率會被拉偏，出現(xiàn)超高速情況，造成高速熄火。

5.3 發(fā)動機ECU 參數(shù)異常時運行狀態(tài)

調(diào)回PID 第3 階段D 值后（恢復原調(diào)整參數(shù)0.05），發(fā)動機熄火，更換一塊直接從庫區(qū)取回的ECU（ECU 數(shù)據(jù)未刷新，和臺架熱試數(shù)據(jù)不一致）。安裝該ECU，進行程控熱試，再進行手動油門熱試。此時，臺架的轉(zhuǎn)速PID 參數(shù)不參與工作，全部由ECU和手動油門控制，將轉(zhuǎn)速控制在3 400 r/min，觀察運轉(zhuǎn)情況，發(fā)動機轉(zhuǎn)速無法穩(wěn)定，波動大。

6 結(jié)論

1）發(fā)動機熱試正常所需的組件缺一不可，只有確保各組件正常，才能正常熱試。

2）發(fā)動機檢出能力是按照整車運行工況對發(fā)動機各零部件的質(zhì)量進行監(jiān)控，從發(fā)動機起動到發(fā)動機關(guān)閉，各檢出能力后臺持續(xù)監(jiān)控。

3）發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性與發(fā)動機水溫有關(guān)，水溫越高，發(fā)動機轉(zhuǎn)速越穩(wěn)定。

4）發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性與臺架PID 參數(shù)有關(guān)，出現(xiàn)一個PID 參數(shù)錯誤時，其他PID 參數(shù)可以彌補，若出現(xiàn)多個PID 參數(shù)異常，則會出現(xiàn)超速停機情況。

5）發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性與發(fā)動機ECU 標定參數(shù)有關(guān)，ECU 標定參數(shù)異常，發(fā)動機無法穩(wěn)定。