一种发动机气门油封泄漏测量方法以及装置
阅读说明：本技术 一种发动机气门油封泄漏测量方法以及装置 (Engine valve oil seal leakage measuring method and device ) 是由 王越 黄雪青 杜学军 瞿晓君 于 2021-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种发动机气门油封泄漏测量方法以及装置,装置模拟发动机(不点火)在台架运行时的工况,对被测发动机缸盖通氦气,并自主设计集气装置装在进、排气门接口,对氦气进行收集,来对渗漏进行有效定量测量。有效的解决发动机在各个工况下多个零部件因临界区域的交互作用而无法判定引起机油耗高的异常现象,还可以用来测量内燃机瞬态工况下气门油封泄漏量。可对发动机缸盖中气门油封进行精确的密封性测量和检测,该装置精度高、测量速度快,适用于汽油和柴油发动机。特别是在发动机开发、制造生产、维修阶段的机油消耗测量和检测。(The invention relates to a method and a device for measuring leakage of an engine valve oil seal, wherein the device simulates the working condition of an engine (not ignited) during the operation of a rack, helium is introduced into a cylinder cover of the engine to be measured, and a gas collecting device is designed to be arranged at an inlet valve interface and an exhaust valve interface independently to collect the helium so as to effectively and quantitatively measure leakage. The abnormal phenomenon that engine oil consumption is high due to the fact that interaction of a plurality of parts of the engine in critical areas cannot be judged under various working conditions is effectively solved, and the valve oil seal leakage rate under the transient working condition of the internal combustion engine can be measured. The device can be used for accurately measuring and detecting the air valve oil seal in the cylinder cover of the engine, has high precision and high measuring speed, and is suitable for gasoline and diesel engines. Especially in the engine development, manufacturing and maintenance stages.)
技术领域
本发明涉及一种汽车发动机领域，特别涉及一种发动机气门油封泄漏测量方法以及装置。
背景技术
近年来,汽油发动机特别是汽油直喷Gasoline Direct Injection(以下简称GDI)发动机以其热效率高、燃油消耗低等一系列优势成为当今的研究热点并赢得了市场青睐。研究表明，少量机油参与缸内燃油的燃烧会较为显著地增加微粒排放，并且发动机排放的微粒中含有大量来自于机油的金属元素包括Zn、Ca、Mg、Ba等，这些元素会对人体健康造成一定的影响。相关的研究和报道指出,缸内直喷汽油机特别是涡轮增压缸内直喷汽油机存在较为明显的烧机油现象。并且还会影响燃油经济性、尾气排放、动力性能、可靠性、使用寿命及维修保养成本。
随着日渐严格的机动车排放需求以及国家对节能减排相关法政策出台，特别是现阶段涡轮直喷发动机对气门油封的要求也越来越严格，它要求气门油封应能更好的承受高温，耐磨等条件，并且有使用寿命长，密封可靠等性能。
目前，市场上对气门油封的测量、检测主要使用数显卡尺、投影仪、三坐标测量、径向力检测、以发动机机油或空气为介质的泄漏量试验机、有限元模拟仿真分析，这些方法主要基于静态状况下，而涡轮直喷发动机燃烧室在高温(2000℃)、高压(平均有效压力22bar)环境中与气门油封的“动态控制”能力息息相关。又因为气门油封是一次性装配零件，正常装配完成后再拆除即为报废品，所以目前市场上缺乏对发动机气门油封在静态、动态控制下的高精度泄漏量测试设备。
为了更深入的研究气门油封泄漏引起的机油消耗异常对发动机的性能的影响和气门油封的失效测试，设计了一种可模拟发动机各工况运行下气门油封泄漏量的测试设备，最后，通过该设备测试得到了不同失效状态的气门油封泄漏量和机油消耗的关系。大量的计算及仿真测试和现实中发动机运行时气门油封动态控制下的泄漏量存在着较大误差，而且，运算过程和仿真过程耗时较长，总体来说缺乏精度保障和实用性。
发明内容
为了提高发动机油消耗测量效率以及测试实用性，提出了一种发动机气门油封泄漏测量方法以及装置，大大节约了测量、检测成本，有效缩短了产品开发周期。
本发明的技术方案为：一种发动机气门油封泄漏测量方法，将被测发动机缸盖固定安装在缸盖适配装置上，形成气缸盖总成，进气凸轮轴电机和排气凸轮轴电机输出轴带动气缸盖总成中的进、排气凸轮轴转动，配合缸盖适配装置中的燃烧室和温控装置，模拟发动机正常运行工况；气缸盖总成除了与润滑单元、曲轴箱通风管接口外其他外接口均封堵，加压氦气通过曲轴箱通风管接口吸入，被测发动机缸盖进、排气侧通过集气装置对气门油封泄漏气体进行收集，收集的气体通过检测管道送入氦气质谱检漏单元，氦气质谱检漏单元将气体电离并对应于不同的离子质量m、不同的离子偏转轨道半径R，即q为离子电荷量，不同质荷比的离子的运动偏转半径不同，通过离子过滤器只允许氦气离子到达收集极，在收集极用电流来表达测量到的离子流，即泄漏值，实现动态控制下单独对气门油封的泄漏量进行检漏。
优选的，所述氦气质谱检漏单元检测室内石英薄膜层上采用刻蚀技术均匀刻蚀了具有氦渗透性的纳米级的微孔，孔径大小只允许氦气分子渗透进去，检测室将进入的氦气电离后测量电流值的大小即是泄漏率。
一种发动机气门油封泄漏测量方法中所用缸盖适配装置，用于与被测发动机缸盖密封装配，并且模拟形成发动机工作环境；缸盖适配装置分上下两层，上层为燃烧室，燃烧室为对应有被测发动机缸盖的各个缸体的燃烧室增压腔，下层为中空腔体，用于储存发动机机油，中空腔体通过进出油管与润滑单元连接。
优选的，所述每个增压腔内通过外置加压气泵根据试验工况需要，泵入0bar至30bar的压力，模拟发动机运行时气缸内的压力。
一种发动机气门油封泄漏测量方法中所用集气装置，在被测缸盖的每根进、排气气门导管口均连接一个集气装置，每个包括一根集气管和一个集气腔室，集气管直径与进、排气气门导管口经相配，在集气管外包有半圆柱体集气腔室，在集气管上有与集气腔室连通一侧的数个集气孔，集气腔室下部靠近燃烧室一侧有泄油孔，集气腔室外壁有一个连接孔，连接孔与检测管路连接。
优选的，所述集气孔为氦气集气孔，用于收集从进、排气气门油封密封唇和进、排气气门之间泄漏的氦气混合气体。
优选的，所述集气腔室，为进、排气气门与检测管路之间的压力差腔体，同时在腔室内进行气油分离，对收集的气体进行过滤。
一种发动机气门油封泄漏测量装置，包括缸盖适配装置、氦气瓶、进气侧氦气检测管路、排气凸轮轴驱动电机、进气凸轮轴驱动电机、氦气进气管、氦气通气盖、排气侧管道固定装置、进气管道固定装置、排气侧氦气检测管路、润滑单元、氦气质谱检漏单元、集气装置以及控制系统；
缸盖适配装置：用于与被测发动机缸盖装配密封拧紧后构成气缸盖总成，缸盖适配装置内置燃烧室并集成温控箱，底部为中空储存发动机机油，模拟形成发动机工作环境；
进气侧氦气检测管路：用于将进气侧集气装置收集泄漏的氦气通入氦气质谱检漏单元；
进气侧管道固定装置：用于与发动机排气端进气面适配，装配后拧紧，固定进气侧氦气检测管路；
排气凸轮轴驱动电机：用于驱动排气凸轮轴，使之达到测量要求的转速；
进气凸轮轴驱动电机：用于驱动进气凸轮轴，使之达到测量要求的转速；
氦气进气管：用于氦气瓶与氦气通气盖的连接，使氦气通入被测发动机缸盖内；
氦气通气盖：用于密封发动机机油口盖，与氦气进气管连通，将氦气瓶中氦气通入被测发动机缸盖内；
排气侧管道固定装置：用于与发动机进气端排气面适配，装配后拧紧，固定排气侧氦气检测管路；
排气侧氦气检测管路：用于将排气侧集气装置收集泄漏的氦气通入氦气质谱检漏单元；
润滑单元：机油存储在缸盖适配器下层的中空腔体内，通过机油泵和润滑油油箱在气缸盖总成形成润滑油循环回路，保证配气机构的正常工作；
氦气质谱检漏单元：集气装置收集氦气分子，通过负压进入氦气质谱检漏单元，检测室内石英薄膜层只允许氦气分子渗透进去，对氦气量进行测量；
集气装置：在被测缸盖的每根进、排气气门导管口均连接一个集气装置，对氦气进行收集；
控制系统：对温度、各电机以及气体通道之间的连接阀门进行控制。
本发明的有益效果在于：本发明发动机气门油封泄漏测量方法以及装置，有效的解决发动机在各个工况下多个零部件因临界区域的交互作用而无法判定引起机油耗高的泄漏异常现象，还可以用来测量内燃机瞬态工况。可对缸盖总成件进行精确的密封性测量和检测，该设备精度高、测量速度快，适用于汽油和柴油发动机。特别是在发动机开发、制造生产、维修阶段的机油消耗测量和检测。
附图说明
图1为本发明发动机机油消耗测量装置进行耗油测试示意图；
图2为本发明装置缸盖适配装置剖视图；
图3为本发明装置缸盖适配装置与润滑油泵连接位置示意图；
图4为本发明测量装置中集气装置位置示意图；
图5为本发明集气装置结构示意图；
图6为本发明发动机机油消耗测量装置实施例结构示意图。
附图标识：1、缸盖适配装置；101、温控箱；102、燃烧室增压腔；2、氦气瓶；3、进气侧氦气检测管路；4、排气凸轮轴驱动电机；5、进气凸轮轴驱动电机；6、氦气进气管；7、氦气通气盖；8、缸盖；9、排气侧管道固定装置；10、排气侧氦气检测管路；11、机油泵；12、工作台；13、控制面板；14、氦气质谱检漏单元；15、集气装置；1501、集气孔；1502、泄油孔；1503、连接孔；1504、集气管；1505、集气腔室。
具体实施方式
如图1所示发动机机油消耗测量装置进行耗油测试示意图，设计缸盖适配装置，将被测缸盖固定安装在缸盖适配装置上，形成气缸盖总成，驱动单元包括进气凸轮轴电机和排气凸轮轴电机，电机输出轴带动气缸盖总成中的进、排气凸轮轴转动，配合缸盖适配装置中的燃烧室和温控装置，模拟发动机正常运行工况；气缸盖总成除了与润滑单元、曲轴箱通风管接口外其他外接口均封堵，加压氦气通过曲轴箱通风管接口吸入，被测缸盖进、排气侧通过集气装置对气门油封泄漏气体进行收集，收集的气体通过检测管道送入氦气质谱检漏单元，氦气质谱检漏单元对泄漏气体中的氦气量来反推气门油封泄漏情况。实现动态控制下单独对气门油封的泄漏量进行检漏。
驱动电机带动进、排气凸轮轴转动，模拟发动机正常运行工况利用吸入式氦气质谱检漏仪对缸盖总成内部充入高于一个大气压力的氦气，当气门油封有泄漏时，氦气就会通过间隙渗漏到进、排气道，再采用吸枪的方式对气道内气门油封周围的氦气浓度进行测量。
氦气质谱检漏单元将气体电离并对应于不同的离子质量m、不同的离子偏转轨道半径R，即q为离子电荷量，不同质荷比的离子的运动偏转半径不同，通过离子过滤器只允许氦气离子到达收集极，在收集极用电流来表达测量到的离子流，即泄漏值。
氦气质谱检漏单元检测室内石英薄膜层上采用刻蚀技术均匀刻蚀了具有氦渗透性的纳米级的微孔，孔径大小只允许氦气分子渗透进去。检测室将进入的氦气电离后测量电流值的大小即是泄漏率，经过统计分析，最后评判机油消耗量。该设备检测精度可达到1.0E-7mbar L/s、测试时间短、可实现静态/动态测试。
如图2、3所述，缸盖适配装置：用于与被测缸盖密封装配，并且模拟形成发动机工作环境，缸盖适配装置分上下两层，上层为燃烧室，燃烧室为对应有被测缸盖的各个缸体的燃烧室增压腔102，下层为中空腔体，用于储存发动机机油，中空腔体通过进出油管11与润滑单元连接。中空腔体内壁有数个温控箱101，由测试要求将发动机机油温度加热至90℃(发动机实验要求油温)并通过温控装置保持该工作温度区间，以满足缸盖总成内各个零部件在凸轮轴转速运行至0～3000RPM任意工况下的润滑需求。对燃烧室可加压，模拟实际发动机运行时燃烧室内的缸压。
被测缸盖主要由气门、气门导管、气门油封、气门弹簧、气门弹簧上座、气门锁片、液压支撑、摇臂机构、凸轮轴(部分发动机凸轮轴与缸盖罩壳为一个集成部件)组成。由于气门整体位于燃烧室的上侧，气门头是向下伸缩运动，与气门油封形成一对滑动摩擦副。气门油封的结构主要分为环状螺旋弹簧、气门油封主唇部、气门油封金属区。由于气门和气门导管之间为高频往复运动并采用飞溅润滑，顶置式配气机构的机油会顺着气门导杆慢慢向流进燃烧室。气门油封和气门导杆之间为过盈配合，气门油封为了满足气门导杆与气门导管之间的润滑，必须确保有少量机油通过，同时又要控制不让过量的机油进入燃烧室内参与燃烧。如果气门油封失效，例如气门油封因高温碳化后硬化、严重磨损、环状螺旋弹簧失效、气门金属区域变形等，机油会顺着气门杆和气门油封通过滑动摩擦运动被吸入燃烧室造成“烧机油现象”，同时，机油与混合气混合在不完全燃烧的情况下产生油烟和润滑油烧焦的微粒。
如图4所示测量装置中集气装置位置示意图，以直列四缸单缸四气门发动机为例，在被测缸盖的每根进、排气气门导管口均连接一个集气装置15，图中集气装置15共16个。如图5所示集气装置结构示意图，每个集气装置15包括一根集气管1504和一个集气腔室1505，集气管1504直径与进、排气气门导管口经相配，在集气管1504外包有半圆柱体集气腔室1505，在集气管1504上有与集气腔室1505连通一侧的数个集气孔1501(图5中为两排8个)，集气腔室1505下部(靠近燃烧室一侧)有1个泄油孔1502，集气腔室1505外壁有一个连接孔1503，连接孔1503与进气侧氦气检测管路3(图4中)或排气侧氦气检测管路连接，其中，集气孔1501为氦气集气孔，用于收集从进、排气气门油封密封唇和进、排气气门之间泄漏的气体(包括氦气和空气)，通过负压将收集的气体吸入进气侧氦气检测管路3和排气侧氦气检测管路直至吸入式氦质谱检漏仪，通过氦质谱检漏仪将气体中氦气分离出后，以此计算泄漏量。每个集气装置中有8个集气孔1501和1个泄油孔1502，8个集气孔1501用于收集泄漏的气体，收集的气体通过集气腔室1505上的连接孔1503导出，集气腔室1505中的泄油孔1502用于分离吸入的少量油气中的机油流出。集气腔室1505保证了进、排气气门与氦气检测管路之间的压力差，同时又在腔室进行了气油分离，对收集的气体进行过滤，保证氦气检测管路的通畅。
如图6所示发动机机油消耗测量装置实施例结构示意图，装置包括缸盖适配装置1、氦气瓶2、进气侧氦气检测管路3、排气凸轮轴驱动电机4、进气凸轮轴驱动电机5、氦气进气管6、氦气通气盖7、排气侧管道固定装置9、进气管道固定装置、排气侧氦气检测管路10、工作台12、控制面板13、氦气质谱检漏单元14以及集气装置15。
氦气通气盖7：用于密封发动机机油口盖，与氦气进气管6连通，将氦气瓶2中氦气(检测介质)通入被测缸盖8内。
进气管道固定装置(图1中未显示，可参考下面的排气侧适配器9)：用于与发动机排气端进气面适配，装配后拧紧，固定进气侧氦气检测管路3。
排气管道固定装置9：用于与发动机进气端排气面适配，装配后拧紧，固定排气侧氦气检测管路10。
进气侧氦气检测管路3：用于将进气集气装置15收集泄漏的氦气混合气体通入负压吸入氦气质谱检漏单元14。
排气侧氦气检测管路9：用于将排气集气装置15收集泄漏的氦气混合气体通入负压吸入氦气质谱检漏单元14。
工作台12：用于集成安装该测量设备所有的子设备零部件。
控制面板13：控制该测量设备上的所有电器元件的操作和数据显示，并带有和外接数据输出的接口。
微机控制系统：将数据和程序通过输入设备输入计算机，计算机根据控制决策，控制进气驱动电机伺服电机排气驱动电机伺服电机、驱动轴、联轴器使凸轮轴转速到0～3000RPM转速区，检测介质氦气通过氦气进气管、氦气通气盖进入缸盖内，充气压力大于1bar。自主设计的集气装置15收集从气门油封密封唇和气门之间泄漏的氦气，同时，计算机控制氦气质谱检漏单元通过负压将收集的氦气混合气体吸入进行检测。
进气凸轮轴驱动电机5：用于驱动进气凸轮轴，使之达到测量要求的转速。
排气凸轮轴驱动电机4：用于驱动排气凸轮轴，使之达到测量要求的转速。
氦气进气管6：用于氦气瓶2与氦气通气盖的连接，使氦气通入缸盖8内。
润滑单元：机油存储在缸盖适配器下层的中空腔体内，腔体中的机油通过机油泵11泵入缸盖适配器内部油道，机油进入缸盖内润滑凸轮轴、滚珠摇臂、气门等，润滑后的机油通过缸盖8内的回油道流入缸盖适配器1中的回油道最后回到腔体中，形成回路；如图3所示，通过机油泵11可收集回油道内回流的润滑油并将其引回润滑油油箱，从而保证配气机构的正常工作。
该装置模拟发动机(不点火)在台架运行时的工况；微机控制系统将数据和程序通过输入设备输入计算机，计算机根据控制决策控制缸盖适配装置1(内置温控箱)的机油油温加热到90℃的温度区域。并控制进气凸轮轴驱动电机5和排气凸轮轴驱动电机4转动、通过驱动轴或联轴器带动使凸轮轴转速到0～3000RPM转速区，氦气瓶2将用于存储测量使用的介质氦气通过氦气进气管6、氦气通气盖7进入缸盖8内，充气压力大于1bar。集气装置15收集从气门油封密封唇和气门之间泄漏的氦气，通过负压将收集的氦气经进气侧氦气检测管路3和排气侧氦气检测管路10分别以1·10^-7毫巴·升/秒(低流量)、1·10^-6毫巴·升/秒(高流量)进入氦气质谱检漏单元14,被收集后的氦气分子通过负压进入氦气质谱检漏单元14，氦气质谱检漏单元14快速进行泄漏量测试。装置检测精度可达到1.0E-7mbar L/s、测试时间短、可实现静态/动态测试，还可实现对批量产品(气门油封)的优化设计及快速检测。
发动机机油消耗测量装置，可模拟发动机(不点火)在台架运行时各工况下氦气分子从气门油封处的泄漏率，经过统计分析，最后评判机油消耗量。该测量装置由润滑油泵、温控装置、缸盖适配装置、两台伺服电机、氦气瓶(介质)、微机控制系统、气门油封集气装置和进、排气面集成管路、氦气质谱检漏单元等组成；通过伺服电机控制凸轮轴转速0～3000RPM、机油油温加热至90℃(按不同发动机实验要求决定)时氦气瓶向缸盖及缸盖罩壳内充入一定量氦气检测介质，自主设计的集气装置收集进、排气门油封泄漏的氦气分子，收集后的氦气分子通过负压进入氦气质谱检漏单元，获取泄漏率,该设备检测精度可达到1.0E-7mbar L/s、测试时间短、可实现静态(凸轮轴、气门静止)/动态(模拟发动机不点火运转)测试、可测量内燃机瞬态工况机油油耗，还可实现发动机生产商及气门油封生产商在批量生产中气门油封的快速检测。
该装置有效地改进了发动机机油消耗的测量方法，改变了现有的测量机油消耗设备只能检测整机而无法检测单个零部件的缺点，提高了测量精度，降低了检测成本和维修率，提升了发动机的质量和性能。
以上所述仅为本发明的实施例及运用技术原理。本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和代替而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，不限于本实施例所述。
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