CN101319646A - 一种发动机点火提前角的检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机点火提前角的检测系统及方法，包括：用于感应发动机气缸内压力变化并输出压力信号的压力传感器；用于采集电喷系统的点火信号的信号引出装置；用于响应压力传感器和信号引出装置的输出信号的处理装置，所述处理装置根据压力传感器的输出信号生成压力曲线、根据信号引出装置的输出信号生成点火曲线，所述处理装置根据压力曲线和点火曲线计算点火提前角。本发明测量精度较高，成本较低，操作简单。

Description

一种发动机点火提前角的检测系统及方法

【技术领域】

本发明涉及汽车或其他领域中使用的发动机，尤其涉及一种发动机点火提前角的检测系统及方法。

【背景技术】

汽油发动机的正常运转需要高压电或脉冲来点燃混合气，由于需要在活塞运行到上止点时气缸内的可燃气燃烧完，并使气缸中的气体加热膨胀到最大体积需要一定的时间，因此，必须在活塞到达上止点之前一定的角度就开始点火，这个提前的角度，通常被称为发动机点火提前角。具体到汽车中使用的发动机，同样要求具有一定的点火提前角，最佳的点火提前角就是在各种不同工况下使气体膨胀趋势最大段处于活塞做功下降行程。这样效率最高，振动最小，温升最低。汽车的发动机点火提前角与发动机的运转工况有关，不同的工况具有不同的点火提前角。影响点火提前量最大的因素是转速。随着转速的上升，转过同样角度的时间变短，只有更大的提前角才能得到相应的提前时间。点火过早，会造成爆震，活塞上行受阻，效率降低，磨损加剧，这是应该防止的。点火过迟，气体做功效率低，排气声大。点火提前角是否符合要求，需要对发动机点火提前角进行检测，并根据检测出的点火提前角对已经存储在汽车ECU(即电控单元)中的点火提前角的值进行标定。目前国内外汽车维修及检测领域中，点火提前角的测量手段多为手持闪光式、模拟指针式，还有一些采用数字电路组成点火测量仪，但这些点火提前角的检测装置制造成本较高，测量范围窄，测量精度也不高。而产品研发部门对汽车电喷系统匹配时，所采用的检测点火提前角的方法也很复杂，需要有专门的采集系统与控制软件，这些增加了实验室试验的操作难度和对试验人员的技术要求，也增加了整个试验系统的设备。

【发明内容】

本发明的主要目的就是解决现有技术中的技术问题，提供一种发动机点火提前角的检测系统及方法，检测系统的制造成本低，测量精度高，并且操作简单。

为实现上述目的，本发明提供一种发动机点火提前角的检测系统，包括：用于感应发动机气缸内压力变化并输出压力信号的压力传感器；用于采集电喷系统的点火信号的信号引出装置；用于响应压力传感器和信号引出装置的输出信号的处理装置，所述处理装置根据压力传感器的输出信号生成压力曲线、根据信号引出装置的输出信号生成点火曲线，所述处理装置根据压力曲线和点火曲线计算点火提前角。

所述处理装置根据压力曲线和点火曲线检测出压力曲线的周期及其一个周期内的上止点的位置，并检测出点火曲线在该周期内的点火脉冲的上升沿的位置，计算点火脉冲的上升沿和上止点的时间差值，根据时间差值计算点火提前角。

在本发明的一种优选实施例中，还包括用于感应发动机曲轴位置并输出与曲轴位置相对应的位置信号的位置传感器，所述处理装置根据位置传感器的输出信号生成曲轴位置曲线，所述处理装置根据压力曲线检测出一个周期内的上止点位置，根据点火曲线检测出点火曲线在该周期内的点火脉冲的上升沿的位置，并将上止点和点火脉冲的上升沿对应到曲轴位置曲线上，根据上止点和点火脉冲的上升沿在曲轴位置曲线上所对应的两点之间的时间差对应于曲轴旋转的角度来计算点火提前角。

其中，所述点火提前角α的计算公式为，

其中，t_|A′B′|为上止点和点火脉冲的上升沿在曲轴位置曲线上所对应的两点之间的时间差，k为将上止点和点火脉冲的上升沿在曲轴位置曲线上所对应的两点包含在内的、且脉冲数最少的脉冲的数量，t_|M′N′|为k个脉冲所占的时间，m为曲轴的飞轮盘齿数。

所述压力传感器设置在发动机的至少一个气缸的火花塞的位置处，所述信号引出装置为导电连接线。

为实现上述目的，本发明还同时提供一种发动机点火提前角的检测方法，包括以下步骤：

A1、设置压力传感器以感应发动机气缸内的压力变化并输出压力信号；

B1、通过信号引出装置采集电喷系统的点火信号；

C1、将压力传感器和信号引出装置的输出信号输出至处理装置，所述处理装置根据压力传感器的输出信号生成压力曲线、根据信号引出装置的输出信号生成点火曲线，所述处理装置根据压力曲线和点火曲线计算点火提前角。

为实现上述目的，本发明还同时提供一种发动机点火提前角的检测方法，包括以下步骤：

A2、设置压力传感器以感应发动机气缸内的压力变化并输出压力信号；

B2、通过位置传感器感应发动机曲轴位置并输出与曲轴位置相对应的位置信号；

C2、通过信号引出装置采集电喷系统的点火信号；

D2、将压力传感器、位置传感器和信号引出装置的输出信号输出至处理装置，所述处理装置根据压力传感器的输出信号生成压力曲线、根据位置传感器的输出信号生成曲轴位置曲线、根据信号引出装置的输出信号生成点火曲线；

E2、检测出压力曲线的一个周期内的上止点的位置；

F2、检测出点火曲线在该周期内的点火脉冲的上升沿的位置；

G2、计算点火脉冲的上升沿和上止点的时间差值，根据时间差值对应于曲轴旋转的角度计算点火提前角。

其中，所述步骤G2包括以下步骤：

G21、将上止点和点火脉冲的上升沿对应到曲轴位置曲线上；

G22、计算上止点和点火脉冲的上升沿在曲轴位置曲线上所对应的两点之间的时间差；

G23、确定将上止点和点火脉冲的上升沿在曲轴位置曲线上所对应的两点包含在内的、且脉冲数最少的脉冲的数量；

G24、通过以下公式计算点火提前角；

其中，t_|A′B′|为上止点和点火脉冲的上升沿在曲轴位置曲线上所对应的两点之间的时间差，k为将上止点和点火脉冲的上升沿在曲轴位置曲线上所对应的两点包含在内的、且脉冲数最少的脉冲的数量，t_|M′N′|为k个脉冲所占的时间，m为曲轴的飞轮盘齿数。

本发明的有益效果是：1)通过逼近原则，使测量结果的误差最小，测量精度高；2)本发明采用已有的通用压力传感器和常用示波器即可，所以成本较低；(3)只需要将压力传感器设置在发动机气缸的火花塞处和将点火信号引出即可，操作简单。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明一种实施例中图形分析示意图；

图3是本发明一种实施例的检测流程图；

图4是本发明另一种实施例中图形分析示意图；

图5是图4中上止点和点火脉冲对应到曲轴位置曲线上的放大图。

【具体实施方式】

请参考图1，发动机点火提前角的检测系统包括压力传感器、信号引出装置和处理装置，压力传感器用于感应发动机气缸内压力变化并将压力信号输出到处理装置；信号引出装置用于采集电喷系统的点火信号，并将点火信号输出到处理装置，信号引出装置通常为导电连接线，即将电喷系统中的点火线圈直接与处理装置的输入端子连接；处理装置用于响应压力传感器和信号引出装置的输出信号，生成压力曲线和点火曲线，再根据压力曲线和点火曲线计算点火提前角。处理装置可以是示波器，也可以是能够处理图形数据的CPU、FPGA(场可编程门阵列)等。

在一个具体实施例中，处理装置是示波器，将压力传感器的输出端和电喷系统的点火信号输出端直接或间接(例如通过电阻或放大器)地耦合到示波器的输入端，示波器通过对与时间有关的一系列压力信号和点火信号的处理，在其显示屏上显示压力曲线和点火曲线，并通过压力曲线和点火曲线计算点火提前角。计算方法为：根据压力曲线和点火曲线检测出压力曲线的周期及其上止点的位置，并检测出点火曲线在该周期内的点火脉冲的上升沿的位置，计算点火脉冲的上升沿和上止点的时间差值，将时间差值对应到曲轴转过的角度，即为点火提前角，即压力曲线的一个周期内发动机旋转两周，即为720度，将时间差值与压力曲线的周期相除，再乘以720度，就是该时间差值对应的角度，也就是发动机的点火提前角。

如图2所示，测取t_|A′B′|为A′到B′的时间，即上止点和点火脉冲信号的上升沿的时间差值；t_|E′F′|为压力曲线一个周期所用的时间。

点火提前角

在另一实施例中，为了更精确的计算点火提前角，本实施例的发动机点火提前角的检测系统还包括用于感应发动机曲轴位置并输出与曲轴位置相对应的位置信号的位置传感器，示波器根据位置传感器的输出信号生成曲轴位置曲线并与压力曲线和点火曲线同步显示。

本实施例的检测流程图如图3所示，包括以下步骤：

1、拆下发动机第一缸的火花塞，安装上压力传感器，压力传感器安装在火花塞的位置上，压力传感器输出电压信号，在示波器上显示其压力曲线图，如图4中所示的最上面的曲线，为一个周期的压力曲线。

一个周期的压力曲线图代表四个冲程的压力变化，包括两个峰值不同、各占半个周期的近似半正弦波，依次代表活塞压缩、做功、排气、进气四个冲程，从A1到A为活塞压缩阶段，活塞上行，气缸内的压力不断增加，直到活塞上行到达上止点A，气缸内的压力增加到最大。从A到A2为活塞做功阶段，气缸内的压力不断减小。从A2到A3为气缸排气阶段，由于活塞再次上行，气缸内的压力又不断增加，但这次压力的最大值小于压缩阶段的压力最大值。从A3到A4为气缸进气阶段，由于活塞下行，所以气缸内的压力又不断减小。

压力曲线的频率为： $f_1=\frac{n}{120}\mathrm{Hz}$

其中n为发动机转速，其单位为：rpm(每分钟转)，每四个冲程发动机转两圈。

2、同时将带动活塞运动的曲轴的位置传感器信号也连接到示波器，示波器显示出曲轴位置信号的波形图，如图4中所示的中间的曲线。通常情况下，曲轴的位置传感器已经设置在发动机系统中，位置传感器通过检测曲轴的飞轮盘齿数来确定曲轴的位置，这种情况下只需要将其输出端耦合到示波器的输入端即可。

设曲轴的飞轮盘齿数为m，则曲轴位置曲线图的频率为： $f2=\frac{n*m}{60}\mathrm{Hz}.$

其中，有缺齿的飞轮盘齿数＝现有齿+缺齿，有些情况下，每圈有两个缺齿，缺齿起判断曲轴位置作用。

3、点火曲线则直接由电喷系统的点火线圈处采集点火信号，对于具有偶数个气缸的发动机，发动机每转一圈，点火线圈产生一个点火脉冲，即压力曲线的一个周期内有两个点火脉冲，每隔半个周期有一个点火脉冲，如图4中的下面的曲线。对于具有奇数个气缸的发动机，发动机每转两圈，点火线圈产生一个点火脉冲，即压力曲线的每一个周期内有一个点火脉冲。所以点火曲线的频率为：

偶数气缸： $f3=\frac{n}{60}\mathrm{Hz}=2f1;$ 或

奇数气缸： ${f3}^{,}=\frac{n}{2*60}\mathrm{Hz}=f1.$

4、计算：

在压力曲线图上找到最高点A，该最高点A即表示活塞到达物理上止点位置，此时对应的曲轴位置曲线上的点A′。在点火曲线上找到点火脉冲信号的上升沿B，将上升沿对应到曲轴位置曲线上点B′，A′B′对应的曲轴转角即点火提前角，如图4、5所示。由于发动机在转动过程中，每一圈的转速是不均匀的，不同的时段转速可能不同，而位置传感器位于固定位置，这样导致曲轴位置曲线上的每个齿对应的波形的周期不固定，转速大时，该齿对应的波形的周期小，转速小时，该齿对应的波形的周期大。所以实际操作中将A′B′之间的时间差值和将A′B′包含在内的、且脉冲数最少的k个脉冲所占的时间相比较，得出点火提前角。

测取t_|A′B′|为A′到B′的时间，即上止点和点火脉冲信号的上升沿的时间差值；t_|M′N′|为k个脉冲时间，k个脉冲所对应的角度为

发动机点火提前角的计算公式是：

对于具有多个气缸的发动机，安装一个压力传感器已足够，因为每个气缸的压力曲线是一样的，不同的是每条曲线的相位角不同，也就是正弦波的起始位置不同，发动机的点火是由一个气缸决定的，其他气缸依次增加或减小相应的相位角就可以了。

本发明的测试精度通过以下方法可计算出。

以常规汽车用四缸汽油机为例，在转速为n转/分钟，选取采样频率为cHz，此时的测量精度为，

所以测试精度取决于示波器的采样频率c和转速n，且转速n越小精度越高，示波器的采样频率c越大精度越高。

常规示波器采样频率可达1MHz以上，汽油机正常运行转速一般低于6000rpm，则此时η＝0.036°。相对于一般要求精度小于等于0.1度，本发明有足够的精度满足采集需求。

本发明检测出的发动机点火提前角可以用于对预先存储在汽车ECU中的发动机点火提前角进行标定，还可以用于发动机设计或维修时需要的点火提前角的检测。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种发动机点火提前角的检测系统，其特征在于包括：

用于感应发动机气缸内压力变化并输出压力信号的压力传感器；

用于采集电喷系统的点火信号的信号引出装置；

用于响应压力传感器和信号引出装置的输出信号的处理装置，所述处理装置根据压力传感器的输出信号生成压力曲线、根据信号引出装置的输出信号生成点火曲线，所述处理装置根据压力曲线和点火曲线计算点火提前角。

2.如权利要求1所述的发动机点火提前角的检测系统，其特征在于：所述处理装置根据压力曲线和点火曲线检测出压力曲线的周期及其一个周期内的上止点的位置，并检测出点火曲线在该周期内的点火脉冲的上升沿的位置，计算点火脉冲的上升沿和上止点的时间差值，根据时间差值计算点火提前角。

3.如权利要求1所述的发动机点火提前角的检测系统，其特征在于：还包括用于感应发动机曲轴位置并输出与曲轴位置相对应的位置信号的位置传感器，所述处理装置根据位置传感器的输出信号生成曲轴位置曲线，所述处理装置根据压力曲线检测出一个周期内的上止点位置，根据点火曲线检测出点火曲线在该周期内的点火脉冲的上升沿的位置，并将上止点和点火脉冲的上升沿对应到曲轴位置曲线上，根据上止点和点火脉冲的上升沿在曲轴位置曲线上所对应的两点之间的时间差对应于曲轴旋转的角度计算点火提前角。

4.如权利要求3所述的发动机点火提前角的检测系统，其特征在于：所述处理装置为示波器，所述示波器在其显示屏上显示压力曲线、曲轴位置曲线和点火曲线。

5.如权利要求3或4所述的发动机点火提前角的检测系统，其特征在于：所述点火提前角α的计算公式为，

其中，t_|A′B′|为上止点和点火脉冲的上升沿在曲轴位置曲线上所对应的两点之间的时间差，k为将上止点和点火脉冲的上升沿在曲轴位置曲线上所对应的两点包含在内的、且脉冲数最少的脉冲的数量，t_|M′N′|为k个脉冲所占的时间，m为曲轴的飞轮盘齿数。

6.如权利要求5所述的发动机点火提前角的检测系统，其特征在于：所述压力传感器设置在发动机的至少一个气缸的火花塞的位置处，所述信号引出装置为导电连接线。

7.一种发动机点火提前角的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

A1、设置压力传感器以感应发动机气缸内的压力变化并输出压力信号；

B1、通过信号引出装置采集电喷系统的点火信号；

C1、将压力传感器和信号引出装置的输出信号输出至处理装置，所述处理装置根据压力传感器的输出信号生成压力曲线、根据信号引出装置的输出信号生成点火曲线，所述处理装置根据压力曲线和点火曲线计算点火提前角。

8.一种发动机点火提前角的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

A2、设置压力传感器以感应发动机气缸内的压力变化并输出压力信号；

B2、通过位置传感器感应发动机曲轴位置并输出与曲轴位置相对应的位置信号；

C2、通过信号引出装置采集电喷系统的点火信号；

D2、将压力传感器、位置传感器和信号引出装置的输出信号输出至处理装置，所述处理装置根据压力传感器的输出信号生成压力曲线、根据位置传感器的输出信号生成曲轴位置曲线、根据信号引出装置的输出信号生成点火曲线；

E2、检测出压力曲线的一个周期内的上止点的位置；

F2、检测出点火曲线在该周期内的点火脉冲的上升沿的位置；

G2、计算点火脉冲的上升沿和上止点的时间差值，根据时间差值对应于曲轴旋转的角度计算点火提前角。

9.如权利要求8所述的发动机点火提前角的检测方法，其特征在于：所述处理装置为示波器，所述示波器通过其显示器显示压力曲线、曲轴位置曲线和点火曲线。

10.如权利要求8或9所述的发动机点火提前角的检测方法，其特征在于：所述步骤G2包括以下步骤：

G21、将上止点和点火脉冲的上升沿对应到曲轴位置曲线上；

G22、计算上止点和点火脉冲的上升沿在曲轴位置曲线上所对应的两点之间的时间差；

G23、确定将上止点和点火脉冲的上升沿在曲轴位置曲线上所对应的两点包含在内的、且脉冲数最少的脉冲的数量；

G24、通过以下公式计算点火提前角；

其中，t_|A′B′|为上止点和点火脉冲的上升沿在曲轴位置曲线上所对应的两点之间的时间差，k为将上止点和点火脉冲的上升沿在曲轴位置曲线上所对应的两点包含在内的、且脉冲数最少的脉冲的数量，t_|M′N′|为k个脉冲所占的时间，m为曲轴的飞轮盘齿数。

Images