CN101458161A - 检测往复活塞式发动机曲轴的旋转位置的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于检测往复活塞式发动机的曲轴(1)的旋转位置，尤其是检测上死点的装置和方法，所述往复活塞式发动机具有至少一个活塞，该活塞通过曲柄(4)与曲轴(1)联接并在汽缸(3)里移动，所述装置包括有随活塞(2)可移动的测量体(5)和用于检测该测量体(5)的位置的传感器装置，其中所述测量体(5)能够固定在曲柄(4)上。

Description

检测往复活塞式发动机曲轴的旋转位置的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种按权利要求1的前序部分所述的装置，用来检测具有一个或者多个活塞的往复活塞式发动机曲轴的旋转位置，尤其是上死点，所述活塞通过曲柄与曲轴联接并在汽缸里移动，本发明还涉及一种检测这种往复活塞式发动机的曲轴的旋转位置，尤其是上死点的方法。

背景技术

例如为了精密地调整设定喷油时刻，必须尽可能准确地检测往复活塞式发动机的曲轴的所谓上死点。为此以前都按照企业内部的实践人工，借助于水平仪来检测上死点，水平仪置于曲轴和配重之间的分隔缝上。然而这种的测定是相对不准确的，并且还不利地要求往复活塞式发动机与水平仪事前对准。

由DE 103 04 699 A1已知有一种装置和一种方法用来自动地测定曲轴的旋转位置，在此测定中借助于两个传感器来检测传感轮和配重的旋转位置，传感轮和配重与曲轴相连。此外由DE 10 2005 054 627 A1得知有一种按权利要求1的前序所述的装置用来检测往复活塞式发动机的曲轴的的旋转位置，在此发动机中，布置在活塞喷嘴上的传感器无接触地检测活塞裙的自由端或者检测布置在活塞裙里侧上的棱边，以便测定下死点。

在两个上述的建议方案中，由传感器来检测的测量体不利地难于接近地布置在曲轴上或者说在活塞裙上，这尤其是使得装置的一种只是临时的固定变得更困难了，这种装置例如在设定喷油时刻之后又应该拆下。与此对应地，所述的DE 103 04 699 A1和DE 10 2005 054 627 A1分别建议了固定不动的装置，它们的传感器和测量体持久地固定在往复活塞式发动机上。

上述已知的解决方案的另一缺点在于测量位置的确定：如果测量位置如同在DE 103 04 699 A1中那样，直接设置在曲轴上，那么由于杠杆臂小而引起有较高的测量精度。相反，如果如同在DE 10 2005 054 627A1中那样检测活塞的位置，那么尤其是在活塞和曲柄之间的间隙可能使就这方面来说只是对曲轴的旋转位置的间接检测失真。

发明内容

本发明的任务因而是可以简单而同时又准确地检测往复活塞式发动机的曲轴的旋转位置，尤其是上死点。

为了解决该任务，按照权利要求1的前序部分通过其所述的特征改进提供了一种装置。权利要求16对从属的方法要求保护。

按照本发明的装置用于检测具有一个或者多个活塞的往复活塞式发动机的曲轴的旋转位置，尤其是上死点，其中每个活塞通过曲柄与曲轴联接并在汽缸里移动。以下尤其针对上死点的检测对本发明进行详细说明，这种检测例如对于设定往复活塞式发动机的喷油时刻来说是必需的。然而这同样也可以用来检测另外的标明的旋转位置，例如检测下死点或类似的位置。

按照本发明，随活塞可移动的测量体固定在曲柄上。

测量体固定在曲柄上，这样就可以实现对曲轴上死点的精密检测。一方面相比于曲轴本身的检测来说有较大的杠杆臂，因此使测量更精密。另一方面在曲柄和活塞之间的间隙并不影响到测量结果。

另一方面测量体固定在相对容易接近的曲柄上，可以使按照本发明的装置方便地固定在往复活塞式发动机上。

在本发明的一种优选实施方式中，传感器装置布置在可以固定于汽缸上的传感器座上。传感器座固定在汽缸上，汽缸同样也相对容易接近，这样有助于使按照本发明的装置简单地固定在往复活塞式发动机上。

如果装置只是暂时地，例如为了设定喷油时刻，固定在往复活塞式发动机上并接着又要被拆下，那么这是尤其有利的。

这里尤其有利的是：将测量体和/或传感器座可拆卸地固定在曲柄或汽缸上。为此可以使测量体或传感器座优选与曲柄或汽缸螺纹连接。测量体和曲柄或者传感器座和汽缸同样也可以按其它的方式相互连接起来，例如通过卡接、插接或夹紧连接。因此有利地可以将装置只是暂时地固定在往复活塞式发动机上并在检测之后又拆下，从而一方面用同一个装置可以检测不同的往复活塞式发动机的旋转位置，而另一方面往复活塞式发动机并没有在稳态运行时并不需要的测量装置。

尤其是为了装配这样的可拆卸的测量体或传感器座，测量体或传感器座具有对中辅助机构，对中辅助机构可以使它们更容易地固定在曲柄或汽缸上，如果装置要暂时地被固定在不同的往复活塞式发动机上，那么这是特别有利的。对中辅助机构在优选的实施方式中，具有一个或者多个突起部或者槽孔，它们以形状配合方式与曲柄或汽缸的对应轮廓、槽孔或突起部共同作用。这样的对中辅助机构可以使测量体或传感器座同样地相对于汽缸纵轴线的法向平面和/或在该法向平面里，也就是说相对于汽缸轴线的特定角度位置上实现定心。如果在优选的实施方式中，使测量体借助于一对中辅助机构相对于汽缸对中并通过一对中辅助机构相对曲柄和传感器进行固定，那么就有利地同时使测量体和布置在传感器座上的传感器装置相对一个或者多个轴线实现定心。

测量体优选地固定在曲柄和曲轴之间的连接部附近。尤其可以使测量体固定在曲柄上的远离活塞的曲柄头上。这个部位一方面是特别容易接近的，并且另一方面保证了有利的杠杆比以避免测量误差。

由于这些原因，优选地使传感器座固定在当曲轴处在待检测的、标明的旋转位置上，尤其是在其上死点上时测量体所占据的位置附近。因此在待检测的位置上，在测量体和传感器装置之间就有最小间距，这提高了传感器检测的可靠性和精密性。

如果汽缸由汽缸套构成，在汽缸套里设置有可以移动的活塞，那么可能特别有利的是：将传感器座固定在这个汽缸套上。尤其是可以使传感器座固定在汽缸套的一般容易达到的面向着曲轴的端面上。

在一种特别简单并因而有利的实施方案中，测量体和/或传感器座可以具有倒棱的板。这种倒棱的板一方面提供了第一平面，该平面用大的贴靠面精密地与缸轴线对准，尤其是可以布置在汽缸轴线的法向平面里。与第一平面倾斜的第二平面则用于使传感器装置定位或者构成测量体的可以由传感器装置来检测的部位。第二平面优选可以与第一平面基本上倾斜90°，因此汽缸轴线平行于这个平面，并且曲柄优选地在平行于第二平面的平面里运动。

传感器装置可以具有一个或者多个传感器，其中多个传感器同样也可以通过冗余地检测测量体来提高测量的可靠性和精密度，用来检测转动的测量体或者用来确定上死点。传感器装置例如可以具有第一传感器，当曲轴位于其上死点上时，它检测测量体的部位，并具有第二传感器，其在这种情况下不检测测量体的部位。因此可以使在只有第一传感器检测测量体时检测到的死点位置与并没有测量体并从而两个传感器都没检测到测量体的情况进行区分。

传感器装置的传感器可以无接触地检测测量体的位置。这里传感器可以例如可以用电磁方法，尤其是感应或者磁的方法，例如借助于磁簧接触、光学的方法，尤其借助于红外线、光栅或者类似装置和/或声学方法，尤其是在超声范围里进行检测。为此传感器装置可以具有一个或者多个电磁的、光学的和/或声学的发射器，它们的辐射线被测量体中断、反射或者散射，这通过传感器装置的一个或者多个接收器来检测。这样的发射器或接收器同样也可以布置在测量体上。

传感器装置也可以附加或备选地包括有一个或者多个机械式传感器，它们具有测量变送器(Messaufnehmer)，其机械式地量取测量体的测量轮廓。

传感器装置优选地具有存储装置用于存储曲轴的旋转位置，尤其是上死点。如果是机械的传感器装置，那么存储装置例如可以包括有与测量变送器连接的拖曳指针，拖曳指针在活塞向上运动离开曲轴时在刻度盘上移动并在各自最大达到的位置上保持住。存储装置，尤其是在非接触式的传感器时，同样也可以具有电磁存储器。

传感器装置优选包括有处理装置用来对传感器的输出信号进行处理。这样的处理装置例如可以将传感器信号的参数、强度或者类似特性转变成测量体至传感器的相对位置，并由不同的相对位置的序列求出上死点，作为处理过的相对位置的最小值或最大值。这种处理装置也可以校正或补偿测量误差或类似偏差，其措施例如对消失的信号进行平滑、滤波、内插或者其他操作。

传感器装置还可以具有输出装置用于输出曲轴的旋转位置，尤其是上死点。这种输出同样也可以用光学的、声学的和/或电子的以一种适合于继续处理的形式进行，例如用于一种调节器。如果曲轴已经达到了上死点，光学的或声学的输出例如可以告知使用者。为此例如处理装置可以对传感器的输出信号进行分析处理，并且当与测量体和传感器装置的相对位置成比例的传感器信号的梯度改变其符号时，才指示出曲轴的死点。如果存储装置构造成拖曳指针，那么其在刻度盘上最大达到的位置就说明了上死点，拖曳指针保持在这个位置上，通过指示仪器的指针与拖曳指针重合，可以精密地移近这个上死点。

在本发明的一种优选的应用中，可以将检测到的旋转位置输送给调节器，该调节器由在这个检测到的和规定的旋转位置之间的差形成调节差，并自动地这样控制旋转方向使曲轴旋转，从而使调节差最小。这里例如可以在第一步里通过由轴的旋转在检测其旋转位置期间检测其上死点，并作为预定的旋转位置存储起来，从而接着可以自动地借助于调节器移近上死点。

附图说明

本发明的其它优点和特点可以见从属权利要求和实施例。这里部分简单略表示出：

图1：往复活塞式发动机的透视的局部剖视图，其具有按照本发明的一种实施方式的装置；

图2：图1中用圆标出部位的放大图。

附图标记列表

1       曲轴

2       活塞

3       汽缸

4       曲柄

5       测量体

6       传感器

7       传感器座

8       对中辅助机构(8.1传感器座的对中辅助机构；8.2测量体的

        对中辅助机构)

9       螺纹件

具体实施方式

图1为立体局部剖视图，其中为了清楚起见将一些构件取走了，它表示了往复活塞式发动机，具有曲轴1和在汽缸3里可以移动的活塞2。活塞通过曲柄4与曲轴1联接，从而活塞2在曲轴旋转时在汽缸里上下来回移动。如果活塞2在汽缸3里占据了其离曲轴1最远的位置，那么曲轴1就位于其图1所示的上死点上。

往复活塞式发动机包括有另外的汽缸(未示出)，在这些汽缸里相应地有活塞移动，其中这些活塞针对图1中所示的活塞如此偏置地与曲轴1联接，从而使它们在曲轴1处于不同旋转位置时，分别占据它们离开曲轴1最远的位置。就此而言，曲轴1对于每个汽缸都具有一个上死点，该上死点按照本发明可以被确定，其措施是将以下所述的装置布置在对应的汽缸上。同样，在图1中所示的活塞占据其离曲轴1最大距离的位置的那些旋转位置，也可以被规定作为曲轴1的上死点，其中其它活塞的死点根据在曲轴中的角度偏移自动地得出。

正如尤其是在图2的放大图中可以见到的那样，按照本发明的一种实施方式的一种装置用于检测曲轴1的上死点，其包括有呈倒棱的板5的形式的测量体，这个板具有第一平面(图2中上面)和相对该第一平面倾斜大约90度的第二平面(图2中前面)。第一平面具有槽孔，这些槽孔被对应的突起部8.2穿过，这些突起部构造在曲柄4上并使测量体5相对于曲柄4定心。为了进行装配，将测量体5用其槽孔插在突起部8.2上，并接着通过螺纹件9与曲柄4拧紧。螺纹件9和突起部8.2因此用作为对中辅助机构。

汽缸3构造成布置在往复活塞式发动机外壳里的汽缸套。在其下面的向着曲轴1的敞开的端面上以未详细示出的方式螺纹连接有同样呈倒棱的板7的形式的传感器座。通过倒棱的传感器座7的第一平面(图2上面)贴靠在汽缸套端面上，传感器座7相对于汽缸轴线的法向平面(图2中上下面)对中。在法向平面里，用其第一平面贴靠在汽缸套的下端面上的传感器座7还可以移动。为了相对于汽缸轴线实现对中，传感器座因而还包括有对中辅助机构，其形式为三个突起部8.1，这些突起部如此地布置，以至于传感器座7正确定位时，它们贴靠在汽缸套的外圆周上。因而为了进行安装，使传感器座7首先用其第一平面贴靠在汽缸套的端面上并接着如此长地移动，直至突起部8.1贴靠在汽缸套的外圆周上。接着将传感器座7从下面拧紧固定(未示出)在汽缸套上。

通过以形状配合方式使测量体5相对于曲柄4对中，以及使传感器座7相对于汽缸3对中，也使测量体5和传感器座7相互对中。

在倒棱的传感器座7的相对第一平面基本上倾斜90°的第二平面上设有传感器装置的三个传感器6。这些传感器非接触地检测倒棱的测量体5的基本上与传感器座7的第二平面相平行的部位。

这里每个传感器6都是一种感应式传感器，其输出信号取决于在其对面的测量体5的倒棱部位的位置而发生变化，其中测量体5平行于传感器座7的第二平面。如果曲轴1旋转从图1、2中所示的上死点出发在顺时针或逆时针方向上进行旋转，那么首先变大的是测量体5的位于三个传感器6对面的部位。一旦测量体5的倒棱部位(图2中前面)的回缩的左侧或右侧下棱边达到传感器6的高度上，那么尤其是左侧或右侧传感器6的信号突然地升高。当测量体5的上棱边从下面在传感器6旁移动经过时，在经过上死点时，例如当曲轴1在顺时针方向上旋转时，首先使所有三个传感器6的信号因而升高。接着一旦测量体5的回缩的下棱边从下面在传感器6旁边掠过，尤其是左侧和右侧传感器6的输出信号减小。在上死点，测量体5离三个传感器6最远，其中中间的传感器6由于测量体5的位于其对面的突起部而输出比左侧和右侧传感器6更强的信号。在曲轴1接着继续旋转时，一旦测量体5的回缩的下棱边在传感器6旁边经过，首先尤其是左侧和右侧传感器6的传感器信号突然地增大，然后当测量体5的上棱边从上面移过传感器时，所有三个传感器的传感器值都大幅下降。

传感器装置包括有处理装置(未示出)，此处理装置监测这三个传感器的输出信号。如果它检测到所有三个传感器值的升高(测量体5的上棱边从下面掠过这三个传感器)，那么接着是左侧和右侧传感器输出信号的大幅下降(测量体5的回缩的下棱边从下面掠过传感器6)，接着尤其是左侧和右侧传感器6的输出信号重新升高(测量体5的回缩的下棱边从上面掠过传感器6)，于是就识别出：曲轴1已经通过其上死点了。因而处理装置监测这三个传感器信号。如果这些信号又变大了，在首先是所有信号都变大了并且接着尤其是左侧和右侧传感器的输出信号降低之后，那么处理装置就给输出装置(未示出)输出死点信号，输出装置用光学方法在三个传感器6的正面上以一种报警灯的形式并通过报警声作为声音补充来输出到达上死点的信号。如果使用者慢慢地在顺时针或者逆时针方向上使曲轴1转动，那么一旦他达到了上死点，输出装置就以光和声来通知他。

在本实施方式的一种未示出的变型方案中，三个传感器6构造成光栅，它们各有特定波长的电磁波的发射器和接收器，波长例如可以在红外范围里。发射器将电磁波发射出，当测量体5的一部位位于相应传感器6对面时，电磁波被测量体5反射至其接收器里。如果不是这样，那么大部分发射出的电磁波就在往复活塞式发动机的其它构件上被散射或者吸收并且只是一小部分反射至接收器里。如果由接收器所接收、反射的电磁波的部分超出特定的极限值，那么相应的传感器6就识别出测量体5的存在。倒棱的测量体5如此地进行构造，以至于在上死点处只是向下突出的部位反射了中间传感器6的电磁波，而左侧和右侧传感器由于测量体5的回缩的下棱边而没有检测到测量体。因此传感器装置可以区分以下三种状态：“上死点”(左、右传感器6：没有信号；中间传感器6：有信号)，“测量体5在传感器装置的区域里”(所有三个传感器6：有信号)和“测量体5在传感器6的区域之外”(所有三个传感器6：没有信号。与上面所述的实施方式不同，然而这里只可以以较粗的精度来检测上死点。此外必需使所述装置相对于汽缸轴线进行更精密的调节。

在本发明的另外一种未示出的实施方式中，在传感器座7上布置了测量变送器形式的传感器，它机械式地扫描测量体5的测量轮廓，并使一种组合了存储和输出装置的呈指示仪器形式的指针动作。如果测量体5接近于传感器座7，那么指针就沿着指示仪器上的刻度盘向前移动并同时带动拖曳指针。如果曲轴1到达其上死点，那么指针连同拖曳指针达到其在刻度盘上的最大值。当曲轴1继续旋转时，指针在刻度盘上相应地返回，而拖曳指针则保持在最大达到的位置上。通过观察，指针使用者因此就可以检测到上死点，其措施是：类似于上面所述的处理装置的工作原理，来检测曲轴的这样的旋转位置，从这个旋转位置起，指示仪器的指针在刻度盘上就开始返回。在超过上死点之后，使用者可以使曲轴1继续转动，其中在重新接近于上死点时，指示仪器的指针靠近于拖曳指针。因此使用者可以精密地接近曲轴1的上死点，其措施是：使指示仪器的指针和拖曳指针置于一致。

如果根据按照本发明所确定的上死点来设定往复活塞式发动机的喷油时刻，那么就可以使测量体5和传感器座7拧开并移去。因此可以使同一个按照本发明的装置应用于不同的往复活塞式发动机，而在特定的往复活塞式发动机中则取消那些对于发动机正常运行时并不需要的构件和尤其是传感器和处理装置。由于测量体5和传感器座7布置在容易接触到的曲柄4或汽缸3上，因此所述装置可方便地进行安装和拆卸。

Claims (16)

1.一种装置，用于检测具有至少一个活塞的往复活塞式发动机的曲轴(1)的旋转位置，尤其是检测上死点，所述活塞通过曲柄(4)与曲轴(1)联接并在汽缸(3)里移动，所述装置包括有随活塞(2)可移动的测量体(5)和用于检测该测量体(5)的位置的传感器装置，其特征在于，所述测量体(5)能够固定在曲柄(4)上。

2.按权利要求1所述的装置，其特征在于，传感器装置布置在传感器座(7)上，该传感器座(7)能够固定在汽缸(3)上。

3.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，测量体(5)和/或传感器座(7)可拆卸地固定在曲柄(4)或汽缸(3)上，尤其是与它们螺纹连接。

4.按上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在测量体(5)和/或传感器座(7)上设有对中辅助机构(8)，尤其是以形状配合方式与曲柄(4)或汽缸(3)共同作用的突起部。

5.按上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，测量体(5)能够固定在曲柄(4)和曲轴之间的连接部附近，尤其是在曲柄(4)上固定在远离活塞(2)的曲柄头上。

6.按上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，传感器座(7)能够固定在当曲轴(1)处在待检测的、标出的旋转位置上，尤其是在上死点上时测量体(5)所占据的位置附近。

7.按上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，传感器座，尤其是向着曲轴(1)的那侧，能够固定在活塞(2)在其中移动的汽缸套上。

8.按上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，测量体(5)和/或传感器座(7)是倒棱的板。

9.按上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，传感器装置的一个或者多个传感器(6)构造用于无接触地检测测量体(5)的位置。

10.按上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，传感器装置的一个或者多个传感器(6)具有测量变送器，该测量变送器机械式地量取测量体(5)的测量轮廓。

11.按上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，传感器装置具有存储装置，用于存储曲轴(1)的旋转位置，尤其是上死点。

12.按上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，传感器装置具有处理装置，用于处理传感器(6)的输出信号。

13.按上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，传感器装置具有输出装置，用于输出曲轴(1)的旋转位置，尤其是上死点。

14.具有至少一个活塞(2)的往复活塞式发动机，所述活塞通过曲柄(4)与曲轴(1)联接并在汽缸(3)里移动，所述往复活塞式发动机包括按照上述权利要求中任一项所述的装置，其中测量体(5)固定在曲柄(4)上。

15.用于检测具有至少一个活塞的往复活塞式发动机的曲轴(1)的旋转位置，尤其是上死点的方法，所述活塞通过曲柄(4)与曲轴(1)联接并在汽缸(3)里移动，所述方法借助于按照上述权利要求1至13中任一项所述的装置，具有以下步骤：

-将测量体(5)和传感器座(7)固定在往复活塞式发动机上；并且

-检测曲轴的旋转位置，尤其是上死点。

16.按权利要求15所述的方法，具有以下步骤：在检测到曲轴的旋转位置，尤其是上死点之后，将测量体(5)和传感器座(7)从往复活塞式发动机上拆下。

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