CN101813563B - 发动机活塞位置和相位全工况测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发动机活塞位置和相位全工况测量系统及其测量方法，解决了能够精确测量发动机活塞的停止位置和各缸相位且能够判断发动机曲轴正反向旋转。本发明采用光电元件作为传感器，能在低速时产生出准确的信号，所设计的曲轴信号靶盘均布有128处不同的缺口，通过信号靶盘随曲轴旋转一周产生出128组的不同的信号，标定出活塞的绝对位置，且能够判断发动机的正反向旋转。凸轮轴信号靶盘的四个有效区域也能将发动机的相位标定出来。本发明所设计的测量系统及方法不论从功能还是精度上能够满足直喷汽油机瞬时反转直接起停系统的活塞位置和发动机相位的实时监测，同时也能完成现有发动机对曲轴转速和凸轮轴相位的测量。

Description

发动机活塞位置和相位全工况测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种发动机活塞位置和相位全工况测量系统及测量方法，属于全工况范围内发动机活塞位置和相位的测量以及曲轴正反向旋转的判断。

背景技术

我国车用发动机多使用电磁式转速传感器和凸轮轴相位传感器，因此无法测量发动机活塞的停止时的位置和各缸相位。目前，能够精确测量发动机活塞的停止位置和各缸相位且能够判断发动机曲轴正反向旋转的测量系统尚属空白。为了直喷汽油机瞬时反转直接起停系统的需要，要实现对活塞位置的闭环控制，活塞停止位置和发动机各缸所处的相位必须实时监测，且能够判断发动机停机前的正反向旋转。本发明不论从功能还是精度上能够满足上述这些设计要求。本发明采用光电元件作为测量部分，能够在低速时产生出准确的信号，所设计的信号靶盘均布有128处不同的缺口，所以信号靶盘随曲轴旋转一周时将产生出128组不同的信号，活塞的绝对位置被测量系统标定了出来，且能够判断发动机的正反向旋转。而且，本发明同时具备测量发动机转速和凸轮轴相位的功能，能够替代现有发动机上的转速传感器和凸轮轴相位传感器。

发明内容

技术问题：传统发动机对曲轴转速等信号多采用电磁感应式传感器，这种传感器的结构一般是内含一永久磁体和一个感应线圈，当曲轴靶盘转过电磁式传感器时，由于齿峰和齿谷的变化，使得磁场发生变化，在线圈中感应出一交流电压，其频率和幅值随发动机转速变化而变化，在发动机低速时信号幅值会很小甚至为零，因此无法测量发动机在低转速时活塞位置和各缸相位。直喷汽油机瞬时反转直接起停系统所要求控制活塞的停止位置，传统的电磁感应式传感器显然是无法满足控制要求的。本发明正是在这样的背景下提出了一种发动机活塞位置和相位全工况测量系统及测量方法。该测量系统和方法，它能检测全工况范围内的发动机活塞位置和相位，并且能判断发动机的正反向旋转。本发明为直喷汽油机瞬时反转直接起停系统实现对活塞位置的闭环控制提供了必要条件。

解决上述问题的技术方案结合附图说明如下：

本发明提供的一种发动机活塞位置和相位全工况测量系统，包括信号靶盘、传感器、传感器支架，信号处理电路、单片机及电源电路，其特征在于，

所述的信号靶盘由曲轴信号靶盘和凸轮轴信号靶盘组成，曲轴信号靶盘置于发动机皮带轮的一侧与曲轴同轴安装，并随曲轴同向旋转，凸轮轴信号靶盘与凸轮轴同轴安装，并随凸轮轴同向旋转；

所述的传感器为整体槽式光电传感器，曲轴整体槽式光电传感器采用由发送器和接收器构成的七对对射式红外光电传感器，通过传感器支架上安装在发动机缸体上，凸轮轴整体槽式光电传感器采用由发送器和接收器构成的三对对射式红外光电传感器，通过传感器支架上安装在发动机的气门室罩盖内；

所述的信号处理电路通过信号线将接收到的曲轴整体槽式光电传感器的接收器输出信号处理成方波，信号处理电路与单片机用信号线连接，将方波信号送入单片机的A/D转换成数字信号，单片机负责将数字信号给相应的变量赋，对这些变量的运算和比较，完成在全工况内发动机活塞位置和各缸相位的测量以及发动机曲轴正反向旋转的判断；

所述的电源电路通过电源线对传感器、信号处理电路和单片机供电。

所述的曲轴信号靶盘的圆周上均布有128处不同的缺口，这些缺口将整个圆周平均分成128个区域，曲轴信号靶盘的缺口区域是由七个同心圆环状缺口区域组成，每个圆环区域的缺口产生的信号都影响变量a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅和a₆的赋值，最外围的环状区域产生的信号对变量a₀赋值，最靠近圆心的环状区域产生的信号对变量a₆赋值，中间的五个环带的缺口产生的信号由外向内依次对变量a₁、a₂、a₃、a₄和a₅赋值，当两个相邻的环带径向相邻处都有缺口时打通。

所述的曲轴信号靶盘的缺口遵照二进制数0000000至1111111逆时针递增排列挖制，挖空的缺口不遮光，红外光电传感器对外输出高电平，没有缺口则不透光，红外光电传感器对外输出低电平，做信号处理的单片机将这些高低电平的组合识别为二进制数，发动机正向旋转则这些二进制数进入递增周期，发动机反向旋转则这些二进制数进入递减周期。

所述的凸轮轴信号靶盘将一个圆盘以同圆心但不同半径的扇形形状划分成有四个有效区域，各有效区域分别代表发动机的四个气缸中的一个正处于压缩行程，按凸轮轴的旋转方向依次为1缸、3缸、4缸和2缸，这四个有效区域以不同的方式遮挡三对对射式光电传感器中发射器发出的光线，具体方式是：当1缸处于压缩冲程时，凸轮轴信号靶盘将遮挡控制变量Q₁和Q₂的发射器发出的光线，不遮挡控制变量Q₀的发射器发出的光线；当3缸处于压缩冲程时，凸轮轴信号靶盘将遮挡控制变量Q₂的发射器发出的光线，不遮挡控制变量Q₁和Q₀的发射器发出的光线；当4缸处于压缩冲程时，凸轮轴信号靶盘将不遮挡控制变量Q₂，Q₁和Q₀的发射器发出的光线；当2缸处于压缩冲程时，凸轮轴信号靶盘将遮挡控制变量Q₂，Q₁和Q₀的发射器发出的光线；随着凸轮轴的旋转凸轮轴信号靶盘将影响凸轮轴整体槽式光电传感器产生的信号，即随着发动机相位的改变而改变了变量Q₀、Q₁和Q₂的赋值，随着凸轮轴旋转一周将产生四组不同的信号，实时测量发动机的相位。

所述的曲轴信号靶盘与曲轴整体槽式光电传感器的安装关系是：应将发动机的状态调整为发动机第一缸处于压缩行程上止点，此时曲轴信号靶盘缺口区域中的128处不同的缺口的1号和81号位置中心应分别对准曲轴整体槽式传感器A和曲轴整体槽式传感器B，整体槽式传感器A和整体槽式传感器B安装时都对准曲轴信号靶盘的圆心处，两者的间隔80个缺口区域，间隔角度顺时针相差135°。

所述的曲轴整体槽式光电传感器和凸轮轴整体槽式光电传感器均采用U型槽结构，发射器安装在U型槽一侧，接收器安装在U型槽的另一侧，每对光电传感器的发射器和接收器的中心对准，同时曲轴整体槽式光电传感器的七对发射器和接收器应与曲轴信号靶盘上的七个同心圆环状缺口区域对应，凸轮轴整体槽式光电传感器的三对发射器和接收器应与凸轮轴信号靶盘上的四个有效区域相对应，在安装后的整体槽式传感器的槽间隙应有足够的空间让信号靶盘通过。

所述的曲轴信号靶盘采用单个或2个，采用双曲轴信号靶盘应同轴错位安装，即两个信号靶盘的圆心重合错开1°安装，这种安装方式的作用是防止测量系统做出误判，使信号靶盘在360°整周的范围内缺口区域连续，使测量系统准确检测出任何发动机停机曲轴位置。

所述的信号处理电路的接收器接收由发射器发出的红外光线，再经过信号靶盘缺口区域过滤由接收器接收，此时接收器产生的信号波形接近正弦波型，要将信号通过信号处理电路处理成方波，再送入单片机的A/D转换成数字信号，根据数字信号给相应的变量赋值。

单片机的存储部分包括存入的活塞位置标定表和凸轮轴相位表，所述的活塞位置标定表是根据曲轴信号靶盘所挖制的128组不同形式的缺口而定，活塞位置标定表的作用是建立信号与曲轴位置的对应关系；所述的凸轮轴相位表是根据凸轮轴信号靶盘的四处有效区域而定，凸轮轴相位表的作用是建立信号与发动机相位的对应关系。

一种用于发动机活塞位置和相位全工况测量系统的测量方法，所述的测量方法包括以下步骤：

步骤1：变量赋值，单片机读取变量a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅和a₆以及变量b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅和b₆的值，并按照一定的设计的加权规则计算出变量A和变量B；

步骤2：冗余判断，为防止测量系统的损坏而测量出不准确的结果，所以要进行冗余判断。在此步骤中要将变量A和变量B作差，并赋给变量C，再对变量C的的值与规定好的测量系统正常工作的正确值进行比较，若与正常值一致，则说明测量结果有效准确，若与正常值不一致，则测量系统将进入故障模式等待维修；

步骤3：发动机正反转判断，由于发动机在静止前会发生数次正反向旋转，这种旋转对发动机的停止位置会很大影响，所以要判读发动机曲轴的旋向，通过比较变量A两次连续取值的大小，可以得出发动机曲轴的旋转方向，也可以判断出发动机是否已经静止；

步骤4：曲轴是否旋转一周及当前表更换，通过对每两次变量A的值之差的变化来判断发动机曲轴是否旋转了一周，如果曲轴旋转了一周则需要更换当前的活塞标定表；

步骤5：凸轮轴相位判断步骤，通过变量Q₀、Q₁和Q₂的值与凸轮轴相位表来比较得出发动机的相位；

步骤4或步骤5任选其一，最后完成发动机活塞位置和相位的实时测量。

所述的步骤1包括：

步骤S1：读取a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅和a₆的值后，按照A＝a₆*2⁶+a₅*2⁵+a₄*2⁴+a₃*2³+a₂*2²+a₁*2¹+a₀*2⁰的方式对变量A赋值；

步骤S2：读取b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅和b₆的值后，按照B＝b₆*2⁶+b₅*2⁵+b₄*2⁴+b₃*2³+b₂*2²+b₁*2¹+b₀*2⁰的方式对变量B赋值；

步骤S3：将变量A和变量B两者做差后取绝对值并将此绝对值赋给变量C；

所述的步骤2包括：

步骤S4：判断变量C的值是否等于1010000或0000000；

步骤S5：在当前状态满足变量C的值是否等于0000000后，测量系统的单片机重新读取变量C；

步骤S6：在当前状态满足变量C的值是否等于1010000后，测量系统的单片机重新读取变量C；

步骤S7：若当前状态使变量C的值既不等于1010000也不等于000000后，本测量系统进入故障模式；

步骤S8：重新读取变量C后，判断变量C的值是否等于1010000；

步骤S9：重新读取变量C后，判断变量C的值是否等于0000000；

步骤S10：在测量系统进入故障模式后，故障灯会开启提示驾驶者；

步骤S11：在冗余判断后认定测量系统处于正常工作状态，说明变量A和变量B有效，并记录变量A和变量B；

所述的步骤3包括：

步骤S12：判断变量A的当前值A2与其上一次的值A1之差是否大于1；

步骤S13：判断变量A的当前值A2与其上一次的值A1之差是否等于1111111；

步骤S14：判断变量A的当前值A2与其上一次的值A1之差是否等于-1111111；

步骤S15：若A2＝A1则说明发动机曲轴已经处于静止状态；

步骤S16：若满足变量A的当前值A2与其上一次的值A1之差大于0且不等于1111111，则说明发动机曲轴处于正向旋转状态；

步骤S17：若满足变量A的当前值A2与其上一次的值A1之差小于0且不等于-1111111，则说明发动机曲轴处于反向旋转状态。

所述的步骤4包括：

步骤S18：要做发动机曲轴是否完成一整周的旋转的判断，判断的条件为：变量A的当前值A2与上一次测量变量A1之差为变量K，判断变量K两次等于-1111111的期间内K是否连续127次大于0，若满足此条件，则说明发动机曲轴完成了一周的旋转；若不满足此条件，则说明发动机曲轴没有旋转一整周；

步骤S19：确定发动机曲轴已经完成了一周的旋转；

步骤S20：发动机曲轴没有完成一周的旋转，记录变量K连续大于0的次数的变量i需要清零；

步骤S21：确定发动机曲轴没有完成一周的旋转；

步骤S22：发动机曲轴已经完成了一周的旋转。由于发动机的工作状态是曲轴旋转两周为一个周期，因此需要更换活塞位置标定表查询活塞位置；

步骤S23：根据当前的活塞位置标定表确定压缩缸的活塞位置；

步骤S24：测量系统向瞬时反转直接起停系统发出发动机曲轴为正向旋转的信号；

步骤S25：判断信号靶盘是否经过了1号缺口区域且发动机曲轴之前有反转现象，若有满足条件则要更换当前表，若不满足条件则用当前表查找压缩缸的活塞位置；

步骤S26：测量系统向瞬时反转直接起停系统发出发动机曲轴为反向旋转的信号；

步骤S27：判断信号靶盘是否经过了1号缺口区域，若有满足条件则要更换当前表，若不满足条件则用当前表查找压缩缸的活塞位置；

步骤S28：测量系统记录压缩缸的活塞位置。

本发明的有益效果：本发明设计了一种能在全工况范围内测量发动机活塞和相位的系统及其测量方法，该系统还能实现发动机正反转的判别。本发明为闭环控制活塞的位置提供了必要条件，使活塞可靠地停在目标位置范围内，使直喷汽油机的瞬时反转直接起停系统能够可靠地起动发动机。本发明对直接起停系统实现产品化提供了可靠且必须的平台。而且，本发明同时具备测量发动机转速和凸轮轴相位的功能，能够替代现有发动机上的转速传感器和凸轮轴相位传感器。因此本发明具有很广阔的市场潜力和实际应用价值，且可为我国在汽车节能减排方面增加一项具有自主知识产权的先进技术。

附图说明

图1发动机活塞位置和相位全工况测量系统测量工作过程示意图。

图2变量赋值流程图。

图3冗余判断流程图。

图4发动机曲轴正反转判断流程图。

图5曲轴是否旋转一周判断及当前表更换流程图。

图6测量系统与瞬时反转直接起停系统硬件结构示意图。

图7信号靶盘设计图。图8信号靶盘缺口区域局部放大图。

图9(a)曲轴整体槽式传感器示意图。

图9(b)是图9(a)的侧视图。

图10信号靶盘与整体槽式传感器安装示意图。

图11(a)凸轮轴整体槽式传感器示意图。

图11(b)是图11(a)的侧视图。

图12凸轮轴信号靶盘示意图。

图13凸轮轴信号靶盘与凸轮轴整体槽式传感器安装示意图。

图14双曲轴信号靶盘安装示意图。

图中：1-整体槽式传感器A，2-整体槽式传感器B，3-与发动机皮带轮固定用通孔，4-缺口区域，5-发射器，6-接收器，7-传感器支架，8-固定用螺栓孔，9-发射器，10-接收器，11-有效区域，12-整体槽式传感器C，I-1缸，II-缸，III-缸，IV-4缸，图7和图14中的箭头为曲轴旋转方向(向皮带轮方向看)

具体实施方式

下面结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容及其实施方式。

本发明所设计的测量系统的测量部分使用光电式元件，这样保证了发动机在低转速状态下的信号准确；在充分考虑安装尺寸，信号噪声大小，现有加工工艺水平以及生产成本等问题后，本发明所设计的信号靶盘共设有128处不同的缺口，这些缺口将整个圆周平均分成128个区域，因为每一处的缺口都不相同，所以信号靶盘随曲轴旋转一周时将产生出128组不同的信号，即活塞在气缸中每移动2.8125°CA(CA：曲轴转角)，就会对应一组特殊的信号，这样就把活塞的绝对位置标定了出来，且能够判断发动机的正反转，其误差仅为±1.8125°CA。配合发动机的发火顺序依靠本发明的测量系统，可以测量在发动机在最高转速直至曲轴静止范围内的活塞位置和发动机各缸所处的相位。本发明所设计的信号靶盘设有的128处缺口，这128个缺口的任意两处都是不同的，这样设计的目的是让活塞在气缸中每往复一次产生128个不同的信号，即在一个往复周期内活塞每移动2.8125°CA就产生一个不同的信号，这样活塞在气缸中的绝对位置被标定出来。光电传感器本身是靠光电载流子是否被充分激发而产生信号，无须像磁电式传感器那样感应出交流电压，其产生信号的幅值不受曲轴转速变化影响，因此稳定信号幅值稳定；其次光本身为高速，而且相关电路都由电子零件构成，响应时间非常短；另外，光电传感器的高级设计技术使投光光束集中在小光点，这样即可实现高分辨率。鉴于光电传感器这些自身所带有的特性，当发动机加减速时本发明所设计的测量系统仍能提供可靠的信号。

识别缺口采用的是光电传感器，采用的光电传感器由发送器和接收器构成，本发明采用七对对射式红外光电传感器，将这七对对射式红外光电传感器的发送器和接收器装入特定的槽中组成一个整体的槽式传感器，信号靶盘的缺口部分将从这个槽式传感器的槽中通过，这样信号靶盘每转过一个角度，这七对传感器将产生出一组信号。为了使在一个往复周期中每个活塞位置都能产生一组不同的信号，且能判断出发动机曲轴的正反向旋转，即在发动机停油熄火后的正反向旋转，信号靶盘遵照二进制数0000000至1111111逆时针递增排列而挖制缺口，本发明设计为挖空的缺口不遮光光电管对外输出高电平，没有缺口则不透光光电管对外输出低电平，信号靶盘随曲轴旋转一周将使光电管输出″低低低低低低低″→″低低低低低低高″→......→″高高高高高高低″→″高高高高高高高″→″低低低低低低低″→″低低低低低低高″等，做信号处理的单片机将这些高低电平的组合可识别为二进制数″0000000″→″0000001″→......→″1111110″→″1111111″→″0000000″→″0000001″等，如果发动机是正向旋转则这些二进制数进入递增周期，即″0000000″→″0000001″→......→″1111110″→″1111111″→″0000000″→″0000001″等，如果发动机是反向旋转则这些二进制数进入递减周期，″0000001″→″0000000″→″1111111″→″1111110″→......→″0000001″→″0000000″等。

本发明安装两组组装好的整体槽式传感器以作为冗余设计。一组整体槽式传感器A对准安装在图7的所示的1号处中心线，另一处整体槽式传感器B对准安装在图7的81号处中心线。这样做的目的是为了保证测量的可靠性和有效性，以此方式安装整体槽式传感器可以进行冗余校核。在正常工作状态下，单片机将从整体槽式传感器1和整体槽式传感器2所读出的二进制数之差的绝对值为1010000或为0，而且这两个差将逐次间隔出现。若所读出的二进制数之差不满足上述规律则说明测量系统发生故障，并进入故障模式。

在经过信号处理电路和A/D转换后，由两组槽式传感器每组包含七对光电传感器所输出的七路信号进入作为测量系统的核心的单片机，一组分别定义为变量a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅和a₆，另一组分别定义为b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅和b₆。为能实时测量活塞位置，在安装时应将发动机的状态调整为发动机第一缸处于压缩行程上止点，此时信号靶盘缺口区域中的1号位置中心应对准整体槽式传感器A，并且保持测量系统的供电。如果测量系统失去供电，则在下次运行本系统前必须进行初始化工作，即重新将发动机调整为发动机第一缸处于压缩行程上止点，且信号靶盘缺口区域中的1号位置中心应对准整体槽式传感器A。开启电源后，测量系统即标定此时发动机第一缸处于压缩行程上止点。测量系统根据本发明的规定的活塞位置标定表，可以实时的测量出发动机活塞位置、相位以及发动机曲轴的正反向旋转信号。

本发明设计了一种活塞位置标定表，目的在于测量发动机活塞的位置。测量系统是根据本发明设计的活塞位置测量表得出活塞位置。由于发动机的一个工作循环曲轴旋转两周，因此四缸发动机需要两个活塞位置标定表(活塞位置标定表<一>和活塞位置标定表<二>)且根据发动机的运转状态使用不同的表查询活塞位置。本发明定义了“当前表”的概念，所谓“当前表”就是需要根据这个“当前表”来查询活塞位置，而且“当前表”要根据发动机的状态实时的做出改变。下文中的两个活塞位置标定表是以发火顺序为1-3-4-2的四缸发动机为例设计的活塞位置标定表。为了表述方便，活塞位置一栏将简化表述，例如第一缸活塞处于压缩上止点，简化表述为(1)0°；再例如，第三缸活塞处于压缩上止点前90°，简化表述为(3)90°。注：所有活塞位置都以压缩行程和压缩上止点前为参照。

本发明还提出了通过加装凸轮轴信号测量装置可实现可断电的测量装置及方法。由于凸轮轴每旋转一圈就标志着发动机完成一个工作周期，所以加装在凸轮轴上的凸轮轴信号靶盘，可以区分停机时发动机的相位。凸轮轴信号靶盘设计有四个有效区域，每个有效区域都对应着相应气缸的压缩冲程。本发明设计为不遮光的区域光电管对外输出高电平，不透光的区域光电管对外输出低电平。当安装在凸轮轴信号靶盘上的凸轮轴整体槽式传感器检测到对应区域时，会对应产生出相应的信号，发动机每一个工作周期，凸轮轴整体槽式传感器会因凸轮轴的旋转产生四组排列不同电平信号，分别是″低低高″，″低高高″，″高高高″，″低低低″，做信号处理的单片机将这些高低电平的组合可识别为二进制数为″001″，″011″，″111″和″000″。各信号与处于压缩行程的气缸的对应关系见凸轮轴相位表。在经过信号处理电路和A/D转换后，由凸轮轴槽式传感器每组包含三对光电传感器所输出的三路信号进入作为测量系统的核心的单片机，分别定义为变量Q0、Q1和Q2。测量系统的单片机能都实时检测变量Q0、Q1和Q2的组合，再通过凸轮轴相位表即可得知发动机的相位。因此测量系统只要开启，能够立即判断发动机当前的活塞位置和相位，无需初始化。即使测量系统断电时发动机改变，测量系统开启之时，即能在第一时间做出有效准确的判断，不会出现无法分辨发动机相位的情况。

值得一提的是，如果为降低成本不使用凸轮轴靶盘及相应的测量系统，则要使用两套活塞位置标定表且不使用凸轮轴相位表，以区别某缸是处于压缩行程还是排气行程。如果使用了凸轮轴靶盘及相应的测量系统，则使用用一套活塞位置标定表且使用凸轮轴相位表，即可区别发动机的相位。

为使曲轴信号靶盘具有一定的强度，而防止在发动机高速旋转的损坏或振动，同时也是为了保证足够的测量精度。曲轴信号靶盘任意两个缺口区域之间并没有打通。当发动机停止时曲轴的槽式传感器所处的检测位置正好在曲轴信号靶盘的缺口区域之间的未打通区域，测量系统的单片机会做出发动机曲轴正处于0号缺口区域的判断。为了防止这种误判，本发明采取双曲轴信号靶盘同轴错位安装的安装方式。两个信号靶盘上都有槽式传感器，且同轴错开1°安装，这样的设计使信号靶盘在360°整周的范围内缺口区域连续，可使测量系统准确检测出任何发动机停机曲轴位置。

本发明的曲轴信号靶盘的最外围缺口区域，是完全可以替代传统测量曲轴转速的信号靶盘的，而且使用任意一个缺口区域都能替代传统的缺齿信号，因此本发明也能准确测量曲轴的转速。本发明的凸轮轴信号也能够完成凸轮轴相位的测量，因此本发明可以替代现有发动机的曲轴转速传感器和凸轮轴相位传感器。

活塞位置标定表<一>

活塞位置标定表<二>

凸轮轴相位表

本系统对发动机本身改造不多，因此批量生产成本不高，研发周期也较短，却是直喷汽油机瞬时反转直接起停系统实现闭环控制活塞位置所必需的装置，将大大提高瞬时反转直接起动的可靠性，将对发动机排放性和经济性带来很大改善。同时也对提高中国车用内燃机在市场上的竞争力有很大好处。总之，本发明的开发无论从经济效益，还是对社会效益都将带来巨大的收获。

参阅图1：发动机活塞位置和相位全工况测量系统测量工作过程的主要部分参阅图1所示。测试方法由变量赋值，冗余判断，发动机的正反转判断，曲轴是否旋转一周判断及当前表更换，然后得出发动机的活塞位置和相位。图1中虚线的部分是表示如果生产成本允许可以使用本专利设计的凸轮轴信号靶盘和凸轮轴整体槽式传感器直接检测发动机的相位，就省略掉曲轴是否旋转一周判断及当前表更换的步骤，而得出准确的发动机的活塞位置和相位。

参阅图2：经过信号处理电路和A/D转换后，由两组槽式传感器每组包含七对光电传感器所输出的七路信号进入作为测量系统的核心的单片机，一组分别定义为变量a0、a1、a₂、a₃、a₄、a₅和a₆，另一组分别定义为b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅和b₆。这每组的这七个变量的每一次取值将组成一个七位的二进制数并将这个值存入变量A和B。变量A和B的组成方法如下：以变量A为例，变量a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅和a₆按顺序分别为变量A的最低位至最高位，即A＝a₆*2⁶+a₅*2⁵+a₄*2⁴+a₃*2³+a₂*2²+a₁*2¹+a₀*2⁰。变量a₀由信号靶盘上的最靠近边缘的缺口生成，变量a₆由信号靶盘上的最靠近圆心的缺口生成，变量a₁、a₂、a₃、a₄和a₅依次由中间环带区域的缺口生成，变量B也以同样的方法赋值。当变量A和变量B都赋值后，将两者做差后取绝对值并将此绝对值赋给变量C。

在步骤S1中，读取a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅和a₆的值后，按照A＝a₆*2⁶+a₅*2⁵+a₄*2⁴+a₃*2³+a₂*2²+a₁*2¹+a₀*2⁰的方式对变量A赋值。

在步骤S2中，读取b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅和b₆的值后，按照B＝b₆*2⁶+b₅*2⁵+b₄*2⁴+b₃*2³+b₂*2²+b₁*2¹+b₀*2⁰的方式对变量B赋值。

在步骤S3中，将变量A和变量B两者做差后取绝对值并将此绝对值赋给变量C，此后程序将进入冗余判断流程。

参考图3：判断变量C是否等于1010000或0000000，因为两组整体槽式传感器安装的相位差是135°(发动机曲轴旋转的反方向)，信号靶盘均分为128个缺口区域，相位差是135°是间隔80个缺口区域。按照所设计的缺口挖制方式，如果本测量系统工作正常，变量C的值只能为1010000和0000000且应交替出现。若满足变量C条件系统则对认为变量A和变量B有效并记录，此后程序将进入发动机曲轴正反转判断流程；若不满足变量C条件则说明测量系统工作不正常，本测量系统应进入故障模式，且开启故障灯提示驾驶者。

在步骤S4中，判断变量C的值是否等于1010000或0000000。

在步骤S5中，在当前状态满足变量C的值是否等于0000000后，测量系统的单片机重新读取变量C。

在步骤S6中，在当前状态满足变量C的值是否等于1010000后，测量系统的单片机重新读取变量C。

在步骤S7中，若当前状态使变量C的值既不等于1010000也不等于000000后，本测量系统进入故障模式。

在步骤S8中，重新读取变量C后，判断变量C的值是否等于1010000。

在步骤S9中，重新读取变量C后，判断变量C的值是否等于0000000。

在步骤S10中，在测量系统进入故障模式后，故障灯会开启提示驾驶者。

在步骤S11中，在冗余判断后认定测量系统处于正常工作状态，说明变量A和变量B有效，并记录变量A和变量B。

参考图4：判断发动机曲轴正反转需要比较变量A的当前值与其前一次值的大小，若当前值A2比前一次值A1大，或者两者之差等于-1111111，则说明发动机曲轴正向旋转；若当前值A2比前一次值A1小，或者两者之差等于1111111，则说明发动机曲轴反向旋转；若A2等于A1则说明发动机曲轴静止。

在步骤S12中，判断变量A的当前值A2与其上一次的值A1之差是否大于1。

在步骤S13中，判断变量A的当前值A2与其上一次的值A1之差是否等于1111111。

在步骤S14中，判断变量A的当前值A2与其上一次的值A1之差是否等于-1111111。

在步骤S15中，若A2＝A1则说明发动机曲轴已经处于静止状态。

在步骤S16中，若满足变量A的当前值A2与其上一次的值A1之差大于0且不等于1111111，则说明发动机曲轴处于正向旋转状态。

在步骤S17中，若满足变量A的当前值A2与其上一次的值A1之差小于0且不等于-1111111，则说明发动机曲轴处于反向旋转状态。

在步骤S26中，测量系统向瞬时反转直接起停系统发出发动机曲轴为反向旋转的信号。

在步骤S24中，测量系统向瞬时反转直接起停系统发出发动机曲轴为正向旋转的信号。

参考图5：再结合当前的活塞位置标定表后即可根据变量A确定正处于压缩行程的活塞位置。为了方便下一次瞬时反转起动，发动机电控系统需要记录活塞位置。

在步骤S18中，要做发动机曲轴是否完成一整周的旋转的判断。判断的条件为：变量A的当前值A2与上一次测量变量A1之差为变量K，判断变量K两次等于-1111111的期间内K是否连续127次大于0，若满足此条件，则说明发动机曲轴完成了一周的旋转；若不满足此条件，则说明发动机曲轴没有旋转一整周。

在步骤S19中，确定发动机曲轴已经完成了一周的旋转。

在步骤S20中，发动机曲轴没有完成一周的旋转，记录变量K连续大于0的次数的变量i需要清零。

在步骤S21中，确定发动机曲轴没有完成一周的旋转。

在步骤S22中，发动机曲轴已经完成了一周的旋转。由于发动机的工作状态是曲轴旋转两周为一个周期，因此需要更换活塞位置标定表查询活塞位置。

在步骤S23中，根据当前的活塞位置标定表确定压缩缸的活塞位置。

在步骤S25中，判断信号靶盘是否经过了1号缺口区域且发动机曲轴之前有反转现象，若有满足条件则要更换当前表，若不满足条件则用当前表查找压缩缸的活塞位置。

在步骤S27中，判断信号靶盘是否经过了1号缺口区域，若有满足条件则要更换当前表，若不满足条件则用当前表查找压缩缸的活塞位置。

在步骤S28中，测量系统记录压缩缸的活塞位置。

参阅图6：本发明所包含的曲轴信号靶盘与发动机的曲轴同轴安装，曲轴信号靶盘的转速和转向与曲轴完全相同，因此它能通过曲轴转角准确地反映活塞在气缸中的位置。电源对光电传感器的发射器、接收器以及测量系统的单片机供电。接收器接收由发射器发出的红外光线，再经过曲轴信号靶盘缺口区域过滤由接收器接收。此时接收器产生的信号波形接近正弦波型，因此要将信号通入信号处理电路处理成方波，再送入单片机的A/D转换成数字信号，根据数字信号对相应的变量赋值。测量系统根据本发明所设计测量流程将会计算出活塞位置信号和相位信号，并送入瞬时反转直接起停系统。

参阅图7：本发明包含的信号靶盘与发动机曲轴同轴安装，安装在发动机的皮带轮一侧。在安装时应将发动机的状态调整为发动机第一缸处于压缩行程上止点，此时信号靶盘缺口区域中的1号位置中心应对准整体槽式传感器A，信号靶盘上的六个与皮带轮连接的螺栓孔其中有一个较小，就是为了防止安装时窜位。信号靶盘的外围挖制出一系列的缺口，整体槽式传感器将根据缺口的形状确定活塞在气缸中的位置以及发动机相位。整体槽式传感器A和整体槽式传感器B安装时都对准信号靶盘的圆心处，两者的间隔80个缺口区域，间隔角度顺时针相差135°，安装好后测量系统要开始工作保持供电。信号靶盘具有一定的厚度以防止因发动机振动而带来的变形。

参阅图8：信号靶盘的缺口区域是由七个同心圆环状缺口区域组成的，每个圆环区域的缺口产生的信号将影响变量a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅和a₆的赋值。最外围的环状区域产生的信号将对变量a₀赋值，最靠近圆心的环状区域产生的信号将对变量a₆赋值，中间的五个环带的缺口产生的信号将由外向内依次对变量a₁、a₂、a₃、a₄和a₅赋值。当两个相邻的环带都有缺口时，为简化工艺降低加工成本，两个径向相邻的缺口可以打通，如图4中的127号、126号和125号缺口区域都存在打通径向相邻的缺口的情况。

参阅图9：本发明所设计的U型槽要装有七对对射式光电传感器，U型槽的一侧安装发射器，另一侧安装接收器，安装好后要保证每对光电传感器的发射器和接收器的中心对准。另外，在安装后的整体槽式传感器的槽间隙要保证有足够的空间让信号靶盘通过。

参阅图10：测量系统能准确测量就需要信号靶盘和两个整体槽式传感器的正确配合，二者安装好后的位置关系如图6所示。信号靶盘与发动机皮带轮相连接，传感器支架通过固定用螺栓孔固定在发动机的机体上，整体槽式传感器A和整体槽式传感器B固定在传感器支架的对应位置上。

参阅图11：本发明所设计的U型槽要装有三对对射式光电传感器，U型槽的一侧安装发射器，另一侧安装接收器，安装好后要保证每对光电传感器的发射器和接收器的中心对准。另外，在安装后的整体槽式传感器的槽间隙要保证有足够的空间让凸轮轴信号靶盘通过。

参阅图12：本发明所设计的凸轮轴信号靶盘有四个有效区域代表发动机的四个气缸，分别按凸轮轴的旋转方向依次代表为1缸、3缸、4缸和2缸。凸轮轴信号靶盘环带区域由外向内依次影响变量Q₀、Q₁和Q₂的赋值。

参阅图13：测量系统能准确测量就需要凸轮轴信号靶盘和凸轮轴整体槽式传感器的正确配合，二者安装好后的位置关系如图9所示。

参阅图14：为防止测量系统做出误判，本发明采取双曲轴信号靶盘同轴错位安装的安装方式。安装时要保证两个信号靶盘的圆心重合错开1°安装，这样的设计使信号靶盘在360°整周的范围内缺口区域连续，可使测量系统准确检测出任何发动机停机曲轴位置。

Claims (10)

1.一种发动机活塞位置和相位全工况测量系统，包括信号靶盘、传感器、传感器支架，信号处理电路、单片机及电源电路，其特征在于，

所述的信号靶盘由曲轴信号靶盘和凸轮轴信号靶盘组成，曲轴信号靶盘置于发动机皮带轮的一侧与曲轴同轴安装，并随曲轴同向旋转，凸轮轴信号靶盘与凸轮轴同轴安装，并随凸轮轴同向旋转；

所述的传感器为整体槽式光电传感器，曲轴整体槽式光电传感器采用由发送器和接收器构成的七对对射式红外光电传感器，通过传感器支架上安装在发动机缸体上，凸轮轴整体槽式光电传感器采用由发送器和接收器构成的三对对射式红外光电传感器，通过传感器支架上安装在发动机的气门室罩盖内；

所述的信号处理电路通过信号线将接收到的曲轴整体槽式光电传感器的接收器输出信号处理成方波，信号处理电路与单片机用信号线连接，将方波信号送入单片机的A/D转换成数字信号，单片机负责将数字信号给相应的变量赋值，对这些变量的运算和比较，完成在全工况内发动机活塞位置和各缸相位的测量以及发动机曲轴正反向旋转的判断；

所述的电源电路通过电源线对传感器、信号处理电路和单片机供电。

2.根据权利要求1所述的一种发动机活塞位置和相位全工况测量系统，其特征在于，所述的曲轴信号靶盘的圆周上均布有128处不同的缺口，这些缺口将整个圆周平均分成128个区域，曲轴信号靶盘的缺口区域是由七个同心圆环状缺口区域组成，每个圆环区域的缺口产生的信号都影响变量a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅和a₆的赋值，最外围的环状区域产生的信号对变量a₀赋值，最靠近圆心的环状区域产生的信号对变量a₆赋值，中间的五个环带的缺口产生的信号由外向内依次对变量a₁、a₂、a₃、a₄和a₅赋值，当两个相邻的环带径向相邻处都有缺口时打通。

3.根据权利要求1所述的一种发动机活塞位置和相位全工况测量系统，其特征在于，所述的曲轴信号靶盘的缺口遵照二进制数0000000至1111111逆时针递增排列挖制，挖空的缺口不遮光，红外光电传感器对外输出高电平，没有缺口则不透光，红外光电传感器对外输出低电平，做信号处理的单片机将这些高低电平的组合识别为二进制数，发动机正向旋转则这些二进制数进入递增周期，发动机反向旋转则这些二进制数进入递减周期。

4.根据权利要求1所述的一种发动机活塞位置和相位全工况测量系统，其特征在于，所述的凸轮轴信号靶盘将一个圆盘以同圆心但不同半径的扇形形状划分成有四个有效区域，各有效区域分别代表发动机的四个气缸中的一个正处于压缩行程，按凸轮轴的旋转方向依次为1缸、3缸、4缸和2缸，这四个有效区域以不同的方式遮挡三对对射式光电传感器中发送器发出的光线，具体方式是：当1缸处于压缩冲程时，凸轮轴信号靶盘将遮挡控制变量Q₁和Q₂的发送器发出的光线，不遮挡控制变量Q₀的发送器发出的光线；当3缸处于压缩冲程时，凸轮轴信号靶盘将遮挡控制变量Q₂的发送器发出的光线，不遮挡控制变量Q₁和Q₀ 的发送器发出的光线；当4缸处于压缩冲程时，凸轮轴信号靶盘将不遮挡控制变量Q₂，Q₁和Q₀的发送器发出的光线；当2缸处于压缩冲程时，凸轮轴信号靶盘将遮挡控制变量Q₂，Q₁和Q₀的发送器发出的光线；随着凸轮轴的旋转凸轮轴信号靶盘将影响凸轮轴整体槽式光电传感器产生的信号，即随着发动机相位的改变而改变了变量Q₀、Q₁和Q₂的赋值，随着凸轮轴旋转一周将产生四组不同的信号，实时测量发动机的相位。

5.根据权利要求2所述的一种发动机活塞位置和相位全工况测量系统，其特征在于，所述的曲轴信号靶盘与曲轴整体槽式光电传感器的安装关系是：应将发动机的状态调整为发动机第一缸处于压缩行程上止点，此时曲轴信号靶盘缺口区域中的128处不同的缺口的1号和81号位置中心应分别对准曲轴整体槽式传感器A和曲轴整体槽式传感器B，整体槽式传感器A和整体槽式传感器B安装时都对准曲轴信号靶盘的圆心处，两者的间隔80个缺口区域，间隔角度顺时针相差135°。

6.根据权利要求1所述的一种发动机活塞位置和相位全工况测量系统，其特征在于，所述的曲轴整体槽式光电传感器和凸轮轴整体槽式光电传感器均采用U型槽结构，发送器安装在U型槽一侧，接收器安装在U型槽的另一侧，每对光电传感器的发送器和接收器的中心对准，同时曲轴整体槽式光电传感器的七对发送器和接收器应与曲轴信号靶盘上的七个同心圆环状缺口区域对应，凸轮轴整体槽式光电传感器的三对发送器和接收器应与凸轮轴信号靶盘上的四个有效区域相对应，在安装后的整体槽式传感器的槽间隙应有足够的空间让信号靶盘通过。

7.根据权利要求1所述的一种发动机活塞位置和相位全工况测量系统，其特征在于，所述的曲轴信号靶盘采用单个或2个，采用双曲轴信号靶盘应同轴错位安装，即两个信号靶盘的圆心重合错开1°安装，这种安装方式的作用是防止测量系统做出误判，使信号靶盘在360°整周的范围内缺口区域连续，使测量系统准确检测出任何发动机停机曲轴位置。

8.根据权利要求1所述的一种发动机活塞位置和相位全工况测量系统，其特征在于，所述的发送器发出的红外光线，再经过信号靶盘缺口区域过滤由接收器接收，此时接收器产生的信号波形接近正弦波型，要将信号通过信号处理电路处理成方波，再送入单片机的A/D转换成数字信号，根据数字信号给相应的变量赋值。

9.根据权利要求1所述的一种发动机活塞位置和相位全工况测量系统，其特征在于，单片机的存储部分包括存入的活塞位置标定表和凸轮轴相位表，所述的活塞位置标定表是根据曲轴信号靶盘所挖制的128组不同形式的缺口而定，活塞位置标定表的作用是建立信号与曲轴位置的对应关系；所述的凸轮轴相位表是根据凸轮轴信号靶盘的四处有效区域而定，凸轮轴相位表的作用是建立信号与发动机相位的对应关系。

10.一种用于权利要求1的发动机活塞位置和相位全工况测量系统的测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括以下步骤：

步骤1：变量赋值，单片机读取变量a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅和a₆以及变量b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅和b₆的值，并按照一定的设计的加权规则计算出变量A和变量B； 

步骤2：冗余判断，为防止测量系统的损坏而测量出不准确的结果，所以要进行冗余判断，在此步骤中要将变量A和变量B作差，并赋给变量C，再对变量C的的值与规定好的测量系统正常工作的正确值进行比较，若与正常值一致，则说明测量结果有效准确，若与正常值不一致，则测量系统将进入故障模式等待维修；

步骤3：发动机正反转判断，由于发动机在静止前会发生数次正反向旋转，这种旋转对发动机的停止位置会很大影响，所以要判读发动机曲轴的旋向，通过比较变量A两次连续取值的大小，可以得出发动机曲轴的旋转方向，也可以判断出发动机是否已经静止；

步骤4：曲轴是否旋转一周及当前表更换，通过对每两次变量A的值之差的变化来判断发动机曲轴是否旋转了一周，如果曲轴旋转了一周则需要更换当前的活塞标定表；

步骤5：凸轮轴相位判断步骤，通过变量Q₀、Q₁和Q₂的值与凸轮轴相位表来比较得出发动机的相位；

步骤4或步骤5任选其一，最后完成发动机活塞位置和相位的实时测量；

所述的步骤1包括：

步骤S1：读取a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅和a₆的值后，按照A＝a₆*2⁶+a₅*2⁵+a₄*2⁴+a₃*2³+a₂*2²+a₁*2¹+a₀*2⁰的方式对变量A赋值；

步骤S2：读取b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅和b₆的值后，按照B＝b₆*2⁶+b₅*2⁵+b₄*2⁴+b₃*2³+b₂*2²+b₁*2¹+b₀*2⁰的方式对变量B赋值；

步骤S3：将变量A和变量B两者做差后取绝对值并将此绝对值赋给变量C；

所述的步骤2包括：

步骤S4：判断变量C的值是否等于1010000或0000000；

步骤S5：在当前状态满足变量C的值是否等于0000000后，测量系统的单片机重新读取变量C；

步骤S6：在当前状态满足变量C的值是否等于1010000后，测量系统的单片机重新读取变量C；

步骤S7：若当前状态使变量C的值既不等于1010000也不等于000000后，本测量系统进入故障模式；

步骤S8：重新读取变量C后，判断变量C的值是否等于1010000；

步骤S9：重新读取变量C后，判断变量C的值是否等于0000000；

步骤S10：在测量系统进入故障模式后，故障灯会开启提示驾驶者；

步骤S11：在冗余判断后认定测量系统处于正常工作状态，说明变量A和变量B有效，并记录变量A和变量B；

所述的步骤3包括：

步骤S12：判断变量A的当前值A2与其上一次的值A1之差是否大于1；

步骤S13：判断变量A的当前值A2与其上一次的值A1之差是否等于1111111；

步骤S14：判断变量A的当前值A2与其上一次的值A1之差是否等于-1111111； 

步骤S15：若A2＝A1则说明发动机曲轴已经处于静止状态；

步骤S16：若满足变量A的当前值A2与其上一次的值A1之差大于0且不等于1111111，则说明发动机曲轴处于正向旋转状态；

步骤S17：若满足变量A的当前值A2与其上一次的值A1之差小于0且不等于-1111111，则说明发动机曲轴处于反向旋转状态，

所述的步骤4包括：

步骤S18：要做发动机曲轴是否完成一整周的旋转的判断，判断的条件为：变量A的当前值A2与上一次测量变量A1之差为变量K，判断变量K两次等于-1111111的期间内K是否连续127次大于0，若满足此条件，则说明发动机曲轴完成了一周的旋转；若不满足此条件，则说明发动机曲轴没有旋转一整周；

步骤S19：确定发动机曲轴已经完成了一周的旋转；

步骤S20：发动机曲轴没有完成一周的旋转，记录变量K连续大于0的次数的变量i需要清零；

步骤S21：确定发动机曲轴没有完成一周的旋转；

步骤S22：发动机曲轴已经完成了一周的旋转，由于发动机的工作状态是曲轴旋转两周为一个周期，因此需要更换活塞位置标定表查询活塞位置；

步骤S23：根据当前的活塞位置标定表确定压缩缸的活塞位置；

步骤S24：测量系统向瞬时反转直接起停系统发出发动机曲轴为正向旋转的信号；

步骤S25：判断信号靶盘是否经过了1号缺口区域且发动机曲轴之前有反转现象，若有满足条件则要更换当前表，若不满足条件则用当前表查找压缩缸的活塞位置；

步骤S26：测量系统向瞬时反转直接起停系统发出发动机曲轴为反向旋转的信号；

步骤S27：判断信号靶盘是否经过了1号缺口区域，若有满足条件则要更换当前表，若不满足条件则用当前表查找压缩缸的活塞位置；

步骤S28：测量系统记录压缩缸的活塞位置。 

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