CN109611205A - 基于配气机构摇臂位置检测的四冲程发动机相位检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于配气机构摇臂位置检测的四冲程发动机相位检测方法，包括下列步骤：(1)采集摇臂脉冲信号在驱动进气门的摇臂的室盖的上部固定一个电感式接近开关作为用以检测发动机摇臂摆动的摇臂位置传感器，产生反映发动机工作周期位置信息的摇臂脉冲信号，摇臂脉冲信号用来确定发动机处于一个工作循环的两个曲轴旋转周期的哪一周；(2)检测曲轴齿盘产生曲轴脉冲信号。(3)根据摇臂脉冲信号和曲轴脉冲信号得到发动机运行的实时相位信息。

Description

基于配气机构摇臂位置检测的四冲程发动机相位检测方法

技术领域

本发明属于四冲程发动机电控领域，涉及一种四冲程发动机的相位检测方法。

背景技术

发动机相位检测是发动机电控***的核心内容，是实现发动机喷油及点火时刻灵活精确控制的基础。四冲程发动机一个工作周期包括进气、压缩、做功、排气四个冲程，对应着两个曲轴旋转周期共720°曲轴转角，同时也对应着一个凸轮轴旋转周期或者配气机构的挺柱、摇臂、气门等运动部件的一个运动周期。想要精确控制发动机的喷油点火时刻，从而提升发动机的动力性、经济性和排放特性，控制***必须实时监测发动机的运行相位，掌握各个时刻发动机在工作周期中的精确位置。

早期的电控***仅配备了曲轴位置传感器，只能提供360°曲轴转角的曲轴相位信息，控制***不能获得发动机整个工作周期的完整相位信息，从而不能确定发动机某一气缸是处于进气冲程和压缩冲程，还是处于做功冲程和排气冲程。此时发动机的喷油***通常采用进气总管单点喷射或进气道分组喷射；点火***通常采用分组点火***，在压缩上止点和排气上止点附近各点火一次，其中排气上止点为无效点火。这样的电控***存在着控制灵活性差、各缸不均匀、电池能量浪费等问题，并且不能胜任缸内直喷喷油***的控制要求。

为了获取四冲程发动机整个工作循环的完整相位信息，传统的方法是在曲轴一端安装金属齿盘，其上均匀分布数十个齿，并通过缺齿或多齿标注曲轴位置，同时在凸轮轴一端安装另一单齿或多齿金属齿盘，通过曲轴和凸轮轴位置传感器测得曲轴和凸轮轴位置信号，送入发动机的电控单元，从而得到四冲程发动机的完整相位信息。

传统的发动机相位检测方法虽然能有效地检测四冲程发动机的相位信息，但存在着应用成本和适用性问题。特别是对于某些结构紧凑的发动机，其凸轮轴的驱动齿轮封装在曲轴箱内部，运用现有方法对这类发动机进行电喷化改造存在很大的问题。采用只检测曲轴相位信号的早期电控***，不能充分发挥电控喷油点火***的灵活性和节能减排优势；而采用凸轮轴齿盘结合凸轮轴位置传感器产生凸轮轴位置信号从而检测四冲程发动机全工作周期相位的方法，需要对发动机的曲轴箱、传动齿轮、凸轮轴等重要的结构件和传动件进行重新设计，成本高，周期长，还会增加发动机的整体重量。因此需要设计新的四冲程发动机相位检测***，使用尽量不改动发动机主体结构的方式，实现四冲程发动机工作循环相位检测。

发明内容

为了解决某些非电控的四冲程发动机在进行电控化改造时，由于凸轮轴封装在曲轴箱内部，难以采集到凸轮轴位置信号，从而不能检测到完整的四冲程发动机相位信息的问题，本发明改进凸轮轴位置信号采集方法，给出一种新的四冲程发动机相位检测方法。技术方案如下：

一种基于配气机构摇臂位置检测的四冲程发动机相位检测方法，包括下列步骤：

(1)采集摇臂脉冲信号

在驱动进气门的摇臂的室盖的上部固定一个电感式接近开关作为用以检测发动机摇臂摆动的摇臂位置传感器，产生反映发动机工作周期位置信息的摇臂脉冲信号，摇臂脉冲信号用来确定发动机处于一个工作循环的两个曲轴旋转周期的哪一周；

(2)检测曲轴齿盘产生曲轴脉冲信号，曲轴位置传感器与曲轴齿盘的相对位置使得缺齿信号在上止点位置前θ，θ为一个小于90°的固定值。

(3)根据摇臂脉冲信号和曲轴脉冲信号得到发动机运行的实时相位信息，包含以下步骤：

1)检测到摇臂脉冲信号的上升沿，此时发动机处于进气门开启过程之中的某一相位；

2)检测到曲轴脉冲信号的下降沿，先判断该下降沿信号与上一个下降沿之间是否存在缺齿，若两个相邻曲轴脉冲信号下降沿之间存在缺齿，则说明发动机转动到曲轴盘缺齿后第一个触发齿下降沿位置，记该信号为缺齿信号，再判断该缺齿信号与上一个缺齿信号之间是否存在摇臂脉冲信号上升沿，如果两缺齿信号之间存在脉冲信号上升沿，则说明该缺齿信号与上一个摇臂脉冲信号的距离β小于360°，而缺齿信号位置固定在在上止点之前θ，并且θ＜90°，从而可以确定该缺齿信号位置为压缩上止点前θ度处，即此时发动机相位为720°-θ；如果两缺齿信号之间不存在脉冲信号上升沿，则说明该缺齿信号与上一个摇臂脉冲信号的距离β大于360°，从而可以确定该缺齿信号位置为排气上止点前θ处，即此时发动机相位为360°-θ；若两个相邻曲轴脉冲信号下降沿之间不存在缺齿，则通过缺齿信号相位以及该曲轴脉冲信号下降沿与缺齿信号间的下降沿个数确定此时发动机的相位。

3)两个曲轴脉冲信号下降沿之间更高分辨率的实时相位信息CAD，根据下式计算得到：

CAD＝CADR+V*T

其中CADR为参考发动机相位，V为发动机速度，T为当前时刻与上一曲轴脉冲下降沿之间的时间间隔。

本发明利用摇臂位置传感器检测发动机摇臂位置得到摇臂位置信号，从而替代传统方法中的凸轮轴位置信号，以确定发动机的相位信息。相较于传统的四冲程发动机相位检测***，该四冲程发动机相位检测***结构简单，安装方便，体积小，重量轻，无额外的运动部件。在对发动机进行电控改造时无需对发动机的主要结构进行重新设计。适用于各种凸轮轴下置、中置，有挺柱摇臂结构的四冲程发动机，尤其适用于不便于在凸轮轴上安装齿盘和传感器的四冲程发动机。

附图说明

图1为本发明的传感器安装位置示意图。

图中A展示了发动机配气机构主要运动部件的联动方式以及摇臂位置传感器的安装位置；B展示了曲轴齿盘和曲轴传感器的外观及相对安装位置。

图2为本发明的相位检测工作原理示意图。

图3为本发明的信号处理程序流程图。

附图中序号说明：1-进气凸轮、2-挺柱、3-挺杆、4-摇臂、5-摇臂轴、6-进气门、7-摇臂室盖、8-压紧螺母、9-摇臂位置传感器(接近开关)、10-曲轴齿盘、11-曲轴位置传感器。

具体实施方式

摇臂位置传感器的安装位置及工作方式如附图1所示摇臂位置传感器9主体为一个螺杆形物体，外部有M12*1.5外螺纹，上端连接供电及信号电缆，下端为感应平面。摇臂室盖7上设有圆柱形安装座，其中心留有M12*1.5内螺纹通孔，摇臂位置传感器通过螺纹旋入安装座，并可以通过螺纹调节传感器感应平面与摇臂4上端面的间隙，安装时将图1-A所示气门关闭状态下的间隙调整为8mm，之后通过锁紧螺母8将传感器压紧在安装座上。

摇臂位置传感器9为一个电感式接近开关，当其感应平面2mm范围内存在铁磁性物体时，传感器信号线输出高电位，反之输出低电位。

发动机运行时，凸轮轴上的进气凸轮1绕其轴线转动，并驱动挺柱2和挺杆3沿着各自轴线上下运动，进而推动摇臂4绕摇臂轴5上下摆动，最终驱动进气门开启和关闭。四冲程发动机一个工作循环中，进气挺杆的运动情况如图2中进气挺杆升程曲线所示，该曲线也反映了摇臂4靠近挺杆一端的上下摆动位置。当挺杆3上升过程中，摇臂4左端与摇臂位置传感器9的感应平面的距离缩小，当摇臂左端进入传感器的感应范围内时，传感器输出信号由低电位跳变为高电位，当摇臂左端远离传感器的感应范围时，传感器输出信号由高电位跳变为低电位，形成如图2所示的摇臂脉冲信号。

如图1-B所示，该相位检测***的曲轴位置信号发生装置与传统的相位检测***基本一致，不是本发明的主要创新内容，在此仅做简要描述。图1-B为曲轴齿盘10和曲轴位置传感器11的外观及安装的相对位置示意图。齿盘均布30个触发齿，除去1个缺齿作为曲轴位置标记，留有29个触发齿，每个触发齿对应360/30＝12度曲轴转角。曲轴位置传感器11感应曲轴齿盘10转动，经信号处理产生如图2所示的曲轴脉冲信号。

如图3所示，本发明的信号处理软件流程分为三个部分，包括主程序、摇臂信号处理模块和曲轴信号处理模块。其中主程序负责对各中断源和通用寄存器进行初始化，然后在主循环中计算发动机运行的实时相位并以此为依据产生发动机的喷油和点火控制信号。

摇臂信号处理模块主要负责处理摇臂脉冲信号，摇臂脉冲信号的上升沿触发中断处理程序，将循环位置寄存器n赋值为1，从而标记发动机处于进气冲程。

曲轴信号处理模块负责处理曲轴脉冲信号，并生成曲轴触发齿下降沿处的参考相位。每检测到一个下降沿信号，先检测该信号与上一个信号之间是否存在缺齿。如果没有缺齿则说明曲轴转过了12°，此时将曲轴位置寄存器m的值增加12，并将转过的角度12除以内部时间定时器的值T得到此时的发动机速度V。如果有缺齿则说明曲轴转过了24°，到达缺齿所标记的曲轴位置，此时将曲轴位置寄存器m赋值为0，标记曲轴处于缺齿位置，同时将循环位置寄存器n的值加1，表明发动机进入下一个曲轴循环，并计算此时的发动机速度V为24/T。然后计算得到该下降沿处的参考发动机相位

CADR＝(m+n*360-θ)mod720

其中曲轴位置寄存器m的值代表当前曲轴脉冲下降沿相对于上一个缺齿信号下降沿转过的曲轴转角；循环位置寄存器n的值代表此时发动机处于工作循环中两周曲轴循环的哪一周，如图2所示，由于在检测到脉冲信号上升沿后n被赋值为1，因此摇臂脉冲信号的上升沿到后一个曲轴缺齿信号的下降沿之间n＝1，摇臂脉冲信号的上升沿到与前一个曲轴缺齿信号的下降沿之间n＝3,其余位置n＝2；θ表示缺齿信号下降沿相对于上止点位置的提前角。最后将内部定时器重置使T＝0。

当跳出曲轴脉冲信号中断处理程序后，主程序在主循环中计算实时发动机相位

CAD＝CADR+V*T

其中CADR为曲轴脉冲信号处理程序中生成的参考发动机相位，V为发动机速度，以上两个曲轴脉冲下降沿之间的平均速度代表发动机的实时速度，T为内部定时器时间，代表此时与上一曲轴脉冲下降沿之间的时间间隔。

图3中的信号处理软件流程图，仅用来展示由输入脉冲信号生成实时发动机相位信息的整体思路，具体程序与控制单元采用的具体硬件***和实现的其他功能相关。

Claims (1)

1.一种基于配气机构摇臂位置检测的四冲程发动机相位检测方法，包括下列步骤：

(1)采集摇臂脉冲信号

在驱动进气门的摇臂的室盖的上部固定一个电感式接近开关作为用以检测发动机摇臂摆动的摇臂位置传感器，产生反映发动机工作周期位置信息的摇臂脉冲信号，摇臂脉冲信号用来确定发动机处于一个工作循环的两个曲轴旋转周期的哪一周；

(2)检测曲轴齿盘产生曲轴脉冲信号，曲轴位置传感器与曲轴齿盘的相对位置使得缺齿信号在上止点位置前θ，θ为一个小于90°的固定值。

(3)根据摇臂脉冲信号和曲轴脉冲信号得到发动机运行的实时相位信息，包含以下步骤：

1)检测到摇臂脉冲信号的上升沿，此时发动机处于进气门开启过程之中的某一相位；

2)检测到曲轴脉冲信号的下降沿，先判断该下降沿信号与上一个下降沿之间是否存在缺齿，若两个相邻曲轴脉冲信号下降沿之间存在缺齿，则说明发动机转动到曲轴盘缺齿后第一个触发齿下降沿位置，记该信号为缺齿信号，再判断该缺齿信号与上一个缺齿信号之间是否存在摇臂脉冲信号上升沿，如果两缺齿信号之间存在脉冲信号上升沿，则说明该缺齿信号与上一个摇臂脉冲信号的距离β小于360°，而缺齿信号位置固定在在上止点之前θ，并且θ＜90°，从而可以确定该缺齿信号位置为压缩上止点前θ度处，即此时发动机相位为720°-θ；如果两缺齿信号之间不存在脉冲信号上升沿，则说明该缺齿信号与上一个摇臂脉冲信号的距离β大于360°，从而可以确定该缺齿信号位置为排气上止点前θ处，即此时发动机相位为360°-θ；若两个相邻曲轴脉冲信号下降沿之间不存在缺齿，则通过缺齿信号相位以及该曲轴脉冲信号下降沿与缺齿信号间的下降沿个数确定此时发动机的相位。

3)两个曲轴脉冲信号下降沿之间更高分辨率的实时相位信息CAD，根据下式计算得到：

CAD＝CADR+V*T

其中CADR为参考发动机相位，V为发动机速度，T为当前时刻与上一曲轴脉冲下降沿之间的时间间隔。