技术领域
[0001] 本
发明涉及
汽车工况检测技术，具体涉及一种四缸发动机活塞位置和相位全工况检测方法及装置。
背景技术
[0002] 由于缸内直喷
汽油机的结构的特殊性，在起动初始阶段，在起动初始阶段就可以迅速喷油到发动机压缩、膨胀过程并点火做功，缩小起动机起动
扭矩，使发动机迅速起动，缩小起动时间，这一类起动技术通常被称为缸内直喷汽油机直接起动技术。这种直接起动技术需要在起动初始阶段就能够检测出活塞位置和相位。当直接起动技术应用于
怠速智能起停技术时，此时汽车发动机停止与下次起动之间的间隔时间不长，可以让活塞位置和相位检测装置在发动机停机后也继续监测，只要监测并记录下发动机活塞停止时的位置和相位，下次发动机起动时活塞位置和相位检测装置不需要进行初始化，就可以实时监测到活塞位置和相位。当直接起动技术不是应用于怠速智能起停技术时，此时汽车发动机起动与上次发动机停止的时间间隔一般很长，活塞位置和相位检测装置在上次发动机停止后会停止工作，在起动开始时活塞位置和相位检测装置就需要进行初始化，这就要求活塞位置和相位检测装置在初始化时能够快速检测出活塞位置和相位。因此，对于直喷汽油机直接起动技术，能够满足上述要求的活塞位置和相位检测装置就是要能够检测出发动机停机时的活塞位置和相位，还要在检测装置进行初始化时也能够快速检测出活塞位置和相位。
[0003] 由于发动机停机过程中存在反转现象且采用瞬时反转直接起动时
曲轴也会反转，而传统的发动机曲轴和
凸轮轴位置
传感器不能判别发动机曲轴的正转或反转的转向，同时传统的曲轴和
凸轮轴位置传感器在初始化时只能先识别出第一缸活塞压缩
上止点信号透光孔的信号来获得活塞的绝对位置和相位，然后在后续的检测过程中通过对
曲轴转角信号透光孔的信号进行计数来检测出正确的活塞位置和相位，由于活塞停止位置的随机性，最长需要曲轴旋转720°才能检测到第一缸活塞压缩上止点信号透光孔的信号，因此传统的发动机曲轴和凸轮轴位置传感器无法在发动机停止时检测活塞位置和相位，也无法在发动机起动进行初始化时快速检测到活塞位置和相位。
[0004] 现已有能够满足上述功能要求的检测装置采用了两个信号转盘，使用了至少七个以上的光电式传感器，且其中一个信号转盘由内到外共有七圈信号透光孔，布置复杂，加工难度大，成本较高；整个装置要检测至少七个以上的
光电传感器信号，并对这七个
输出信号进行计算和判断来完成曲轴的正反转判断以及活塞的位置和相位检测，检测过程过于复杂，发生误判的概率较高。
发明内容
[0005] 本发明提供一种四缸发动机活塞位置和相位全工况检测方法及装置，只使用一个信号转盘和三个光电传感器，信号转盘上由内到外只有两圈信号透光孔，布置简单，加工难度小，成本较低；并且只需要检测三个光电传感器信号，只需要对三个输出信号进行计算和判断就可以完成曲轴的正反转判断以及活塞的位置和相位检测，检测过程相对简单，发生误判的概率较低，本检测方法和装置能够准确检测出发动机停机时的活塞位置和相位，还可以对每一个压缩上止点信号透光孔的信号进行区分检测，在检测装置进行初始化时也能够快速检测出活塞位置和相位。
[0006] 技术方案如下所述。
[0007] 一种四缸发动机活塞位置和相位全工况检测方法，包括：
[0008] 设置一个与凸轮轴同轴安装且同步旋转的信号转盘；
[0009] 在所述信号转盘的内外两个同心圆圆弧上分别开有数个作为光电传感器光通道的透光孔，内同心圆圆弧上所开透光孔数量是4个；外同心圆圆弧上所开透光孔数量是45～180个并呈均匀分布，每个透光孔尺寸与透光孔间隔尺寸相同；
[0010] 内同心圆圆弧上所开的透光孔尺寸所占弧度是α度，外同心圆圆弧上所开透光孔尺寸所占弧度是2α度,并且至少有一个内同心圆圆弧上的透光孔边缘与外同心圆圆弧上的透光孔边缘及信号转盘圆心处于一条直线上，其中α＝0.5～2；
[0011] 所述信号转盘的内同心圆圆弧上所开的4个透光孔分别是第一缸压缩上止点信号透光孔、第二缸压缩上止点信号透光孔、第三缸压缩上止点信号透光孔和第四缸压缩上止点信号透光孔。第一缸压缩上止点信号透光孔与第三缸压缩上止点信号透光孔间隔90°，第三缸压缩上止点信号透光孔与第四缸压缩上止点信号透光孔间隔(90+α)°，第四缸压缩上止点信号透光孔与第二缸压缩上止点信号透光孔间隔90°，第二缸压缩上止点信号透光孔与第一缸压缩上止点信号透光孔间隔(90-α)°；第一缸压缩上止点信号透光孔产生的信号对应发动机第一缸活塞压缩上止点前180°；
[0012] 在内同心圆圆弧处布置一套
内圈光电传感器I，在外同心圆圆弧处布置一套
外圈光电传感器E1，在外同心圆圆弧处布置另一套外圈光电传感器E2，并使得信号转盘旋转时外圈光电传感器E2的输出信号相位比外圈光电传感器E1的输出信号相位落后90°。
[0013] 信号转盘旋转时每个透光孔经过内圈光电传感器I时，外圈光电传感器E1、外圈光电传感器E2的二进制输出电平的组合各不相同。
[0014] 信号转盘旋转时第一缸压缩上止点信号透光孔经过内圈光电传感器I时，外圈光电传感器E1、外圈光电传感器E2的二进制输出电平分别是1和0。
[0015] 发动机曲轴正反向旋转的判断规则如下：
[0016] （1）当前后两个二进制变量n值顺序出现“10”和“11”、“11”和“01”、“01”和“00”或者“00”和“10”时，曲轴判为正向旋转；
[0017] （2）当前后两个二进制变量n值顺序出现“10”和“00”、“00”和“01”、“01”和“11”或者“11”和“10”时，曲轴判为反向旋转；
[0018] 其中：二进制变量n是外圈光电传感器E1与外圈光电传感器E2的二进制输出电平分别作为第二位值和第一位值组合而成的2bit数值。
[0019] 发动机活塞位置及相位的检测步骤如下：
[0020] （1）当检测到外圈光电传感器E1与外圈光电传感器E2中任何一个的信号上升沿或者下降沿时，则判断二进制变量a的值；
[0021] （2）如果二进制变量a的值为“1”，则对二进制变量m的值进行判断；
[0022] （3）如果二进制变量m的值为“110”，对十进制变量k赋值为“90”，并换算十进制变量θ为“180”，对十进制变量z赋值为”1”；
[0023] （4）如果二进制变量m的值为“101”，对十进制变量k赋值为“90”，并换算十进制变量θ为“180”，对十进制变量z赋值为”3”；
[0024] （5）如果二进制变量m的值为“111”，对十进制变量k赋值为“89”，并换算十进制变量θ为“178”，对十进制变量z赋值为”4”；
[0025] （6）如果二进制变量m的值为“100”，对十进制变量k赋值为“89”，并换算十进制变量θ为“178”，对十进制变量z赋值为”2”；
[0026] （7）如果二进制变量a的值为“0”，则进行正反转判断；
[0027] （8）如果判断出曲轴正转，将十进制变量k的值减1，并换算十进制变量θ的值；
[0028] （9）如果判断出曲轴反转，将十进制变量k的值加1，并换算十进制变量θ的值；
[0029] （10）通过当前十进制变量z的值和十进制变量θ的值就可以获得当前活塞的位置和相位；
[0030] 其中：
[0031] 二进制变量a是内圈光电传感器I的二进制输出电平；
[0032] 二进制变量b是外圈光电传感器E1的二进制输出电平；
[0033] 二进制变量c是外圈光电传感器E2的二进制输出电平；
[0034] 二进制变量m是二进制变量a、二进制变量b、二进制变量c分别作为第三位值、第二位值、第一位值组合而成的3bit数值；
[0035] 十进制变量z：本检测方法对所有活塞位置和相位的描述都以压缩上止点作为参照基准，当前参照基准所对应的
气缸为当前基准缸，十进制变量z为当前基准缸的缸号；
[0036] 十进制变量k是对二进制变量n的变化次数进行计数的值；
[0037] 十进制变量θ的值表示当前基准缸中活塞的位置到其压缩上止点的距离，这里所述的“距离”是用曲轴转角来衡量，十进制变量θ是对十进制变量k的值进行换算后的值，换算方法为：θ=2k。
附图说明
[0038] 图1是信号转盘的结构示意图。
[0039] 图2是光电传感器与信号转盘的相对位置示意图。
[0040] 图3是光电传感器与信号转盘的相对位置俯视示意图。
[0041] 附图中：1.第一缸压缩上止点信号透光孔；2.第二缸压缩上止点信号透光孔；3.第三缸压缩上止点信号透光孔；4.第四缸压缩上止点信号透光孔；5.信号转盘；6.外同心圆圆弧透光孔；7.内圈光电传感器I；8.外圈光电传感器E1；9.外圈光电传感器E2。
具体实施方式
[0042] 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。
[0043] 本检测装置所设计的信号转盘与凸轮轴同轴安装，并随凸轮轴同向旋转，其结构如图1所示，信号转盘顺
时针旋转时代表曲轴正转。在信号转盘的内外两个同心圆圆弧上分别开有数个作为光电传感器光通道的透光孔。其中外同心圆圆弧上制作有90个长方形透光孔（缝隙），并均匀分布，每个孔所占弧度为2°，用于产生曲轴转角信号。
[0044] 每个光电传感器都与
信号处理系统相连，每个光电传感器都由发生器和接收器组成，且发生器分别正对着接收器。当信号转盘的透光孔从光电传感器的发生器与接收器之间转过时，光电传感器输出高电平；当信号转盘的遮光部分从光电传感器的发生器与接收器之间转过时，光电传感器输出低电平。信号处理系统将接收器的输出信号处理成方波，并将方波信号通过A/D转换成
数字信号，并将数字信号赋值给相应的变量。内圈光电传感器I所对应的变量为a，外圈光电传感器E1所对应的变量为b，外圈光电传感器E2所对应的变量为c。a、b、c都为二进制变量。对这些变量的运算和判断，完成发动机活塞位置和相位的检测以及发动机曲轴正反向旋转的判断。
[0045] 如图2所示，外圈光电传感器E1和外圈光电传感器E2与信号转盘的外同心圆圆弧上的透光孔进行配装，且外圈光电传感器E1与外圈光电传感器E2间隔角度β要保证外圈光电传感器E2产生的信号比外圈光电传感器E1所产生的信号落后九十度的相位。信号处理系统将外圈光电传感器E1和外圈光电传感器E2的输出信号组合成可检测的二进制数，并将这个值赋值给变量n，n为二进制变量，方法为：将b放在二进制数的第二位，将c放在二进制数的第一位，将组合后的2bit数值赋值给n。例如，若b=1、c=0，则n=10；若b=0、c=1，则n=01；若b=0、c=0，则n=00；若b=1、c=1，则n=11。当信号处理系统检测到外圈光电传感器E1和外圈光电传感器E2中任何一个的信号上升沿或者下降沿时，信号处理系统才对n重新赋值。
[0046] 当曲轴正向旋转时，n的值将依次按照“10－11－01－00”的顺序循环出现：
[0047] 10－11－01－00－10－11－01－00……10－11－01－00……
[0048] 反之，当曲轴反向旋转时，n的值将依次按照“10－00－01－11”的顺序循环出现：
[0049] 10－00－01－11－10－00－01－11……10－00－01－11……
[0050] 从上述可知当曲轴转动时，对于不同的转动方向，n的值的变化规律是不同的，即通过判断前后相连的两次n的值就可以对其进行正反转判断（前一次的值对应的变量为n1，当前的值对应的变量为n2，n1、n2为二进制变量）。
[0051] 所图1所示，信号转盘的内同心圆圆弧上制作有4个长方形透光孔，每个孔所占的弧度为1°，用于产生各个气缸的压缩上止点信号，非均匀分布，其中第一缸压缩上止点信号透光孔与第三缸压缩上止点信号透光孔间隔90°，第三缸压缩上止点信号透光孔与第四缸压缩上止点信号透光孔间隔91°，第四缸压缩上止点信号透光孔与第二缸压缩上止点信号透光孔间隔90°，第二缸压缩上止点信号透光孔与第一缸压缩上止点信号透光孔间隔89°。
[0052] 内圈光电传感器I与信号转盘的内同心圆圆弧上的透光孔进行配装，在安装时，要使第一缸压缩上止点信号透光孔产生的信号对应发动机第一缸活塞压缩上止点前180°。这样安装就可以有以下结果：第三缸压缩上止点信号透光孔产生的信号对应发动机第三缸活塞压缩上止点前180°，第四缸压缩上止点信号透光孔产生的信号对应发动机第四缸活塞压缩上止点前178°，第二缸压缩上止点信号透光孔产生的信号对应发动机第二缸活塞压缩上止点前178°。
[0053] 由于四个压缩上止点信号透光孔所占弧度一样，单从内圈光电传感器I所产生的信号无法区分识别压缩上止点信号透光孔的信号，本装置通过以下方法区分识别压缩上止点信号透光孔的信号：信号处理系统将内圈光电传感器I、外圈光电传感器E1和外圈光电传感器E2所分别对应的变量a、b和c的值组合成可检测的二进制数，并将这个值赋值给变量m，m为二进制变量，赋值方法为：将a放在二进制数的第三位，将b放在二进制数的第二位，将c放在二进制数的第一位，将组合后的3bit数值赋值给m。例如，若a=1、b=1、c=0，则m=110；若a=1、b=0、c=1，则m=101；若a=1、b=0、c=0，则m=100；若a=1、b=1、c=1，则m=111。若a=0、b=1、c=0，则m=010；若a=0、b=0、c=1，则m=001；若a=0、b=0、c=0，则m=000；若a=0、b=1、c=1，则m=011。当信号处理系统检测到外圈光电传感器E1和外圈光电传感器E2中任何一个的信号上升沿或者下降沿时，信号处理系统才对m重新赋值。通过判断m的值来区分识别压缩上止点信号透光孔的信号。在安装外圈光电传感器E1和外圈光电传感器E2时，要保证当信号处理系统接收到第一缸压缩上止点信号透光孔产生的信号时，n的值为“10”，此时m的值为“110”，这样安装会有以下结果：当信号处理系统接收到第三缸压缩上止点信号透光孔产生的信号时，n的值为“01”，此时m的值为“101”；当信号处理系统接收到第四缸压缩上止点信号透光孔产生的信号时，n的值为“11”，此时m的值为“111”；当信号处理系统接收到第二缸压缩上止点信号透光孔11产生的信号时，n的值为“00”，此时m的值为“100”；即当检测到m的值为“110”时，发动机第一缸活塞位于压缩上止点前180°；当检测到m的值为“101”时，发动机第三缸活塞位于压缩上止点前180°；当检测到m的值为“111”时，发动机第四缸活塞位于压缩上止点前178°；当检测到m的值为“100”时，发动机第二缸活塞位于压缩上止点前178°。
[0054] 本检测方法对所有活塞位置和相位的描述都以压缩上止点作为参照基准，当前参照基准所对应的气缸为当前基准缸,当前基准缸号所对应的变量为z，z为十进制变量，z值为当前基准缸的缸号。当判断出m的值为“110”时（即此时发动机第一缸活塞位于压缩上止点前180°），将z赋值为”1”，在下次接收到压缩上止点信号透光孔的信号（即a=1时）之前，信号处理系统则一直将第一缸压缩上止点作为当前参照基准，第一缸为当前基准缸，对应z的值为”1”，即用第一缸的活塞到其压缩上止点的距离来衡量当前活塞的位置和相位；当判断出m的值为“101”时（即此时发动机第三缸活塞位于压缩上止点前180°），将z赋值为”3”，在下次接收到压缩上止点信号透光孔的信号（即a=1时）之前，信号处理系统则一直将第三缸压缩上止点作为当前参照基准，第三缸为当前基准缸，对应z的值为”3”，即用第三缸的活塞到其压缩上止点的距离来衡量当前活塞的位置和相位；当判断出m的值为“111”时（即此时发动机第四缸活塞位于压缩上止点前178°），将z赋值为”4”，在下次接收到压缩上止点信号透光孔的信号（即a=1时）之前，信号处理系统则一直将第四缸压缩上止点作为当前参照基准，第四缸为当前基准缸，对应z的值为”4”，即用第四缸的活塞到其压缩上止点的距离来衡量当前活塞的位置和相位；当判断出m的值为“100”时（即此时发动机第二缸活塞位于压缩上止点前178°），将z赋值为”2”，在下次接收到压缩上止点信号透光孔的信号（即a=1时）之前，信号处理系统则一直将第二缸压缩上止点作为当前参照基准，第二缸为当前基准缸，对应z的值为”2”，即用第二缸的活塞到其压缩上止点的距离来衡量当前活塞的位置和相位；上面所述的“距离”都是用曲轴转角来衡量。
[0055] 当信号转盘1随凸轮轴旋转一周时（曲轴旋转两周），n将变化360次，每变化一次，代表曲轴转动2°。信号处理系统通过对n的变化次数进行计数并存入变量k，k为十进制变量。计数方法为：在检测到压缩上止点信号透光孔的信号时（即a=1时），先判断m的值，再更改k的值。当m的值为“110”时，将k赋值为“90”；当m的值为“101”时，将k赋值为“90”；当m的值为“111”时，将k赋值为“89”；当m的值为“100”时，将k赋值为“89”。在没有检测到压缩上止点信号透光孔的信号时（即a=0时），n每变化一次，则先进行正反转，当判断出曲轴正转时，将k的值减1，当判断出曲轴反转时，将k的值加1。信号处理系统对k的值进行换算，并将这个值存入变量θ，θ为十进制变量，换算方法为：θ=2k，θ的值表示当前基准缸中活塞的位置到其压缩上止点的距离。通过检测系统所记录的当前z值与θ值就可以检测出当前活塞位置和相位。
[0056] 因为压缩上止点信号透光孔的信号对应的是活塞的绝对位置，所以当接收到压缩上止点信号透光孔的信号时（即a=1时），就意味着信号处理系统直接检测出了活塞的绝对位置。
[0057] 在点火钥匙处于启动位置时，则活塞位置和相位全工况检测装置则一直处于正常工作状态；当点火钥匙旋到关闭位置时来停车时，活塞位置和相位全工况检测装置则停止工作；当驾驶员将点火钥匙旋到启动位置来启动汽车时，则活塞位置和相位全工况检测装置则重新开始工作，并进行初始化。
[0058] 在应用怠速智能起停技术时，虽然发动机会停止（此时的停止时间短），但是点火钥匙是处于启动位置，所以信号处理系统会一直检测个光电传感器的信号，所以可以检测到发动机曲轴停止时的活塞位置和相位，下次起动时不需要进行初始化可以直接检测到活塞位置和相位。
[0059] 当驾驶员将点火钥匙旋到关闭位置来使发动机停机，则活塞位置和相位全工况检测装置则停止工作，此时不会对发动机停机时的活塞位置和相位进行检测（此时意味这发动机将会长时间停机，不需要对发动机停止时的位置和相位进行检测）。当下次驾驶员将点火钥匙旋到启动位置来启动汽车时，信号处理系统会进行初始化，在首次接收到压缩上止点信号透光孔的信号之前，系统里没有记录的参照基准，不能检测到正确的活塞位置和相位，此时只进行赋值操作并不进行位置和正反转判断，所以这段时间不能提供活塞位置和相位信息，直到系统接收到第一个压缩上止点信号透光孔的信号时（即a=1），然后才能正常进行位置和相位判断。这是通过变量ST来实现的，ST为二进制变量。在初始化时，将ST赋值为“0”，然后对a的值进行判断，当检测到a的值为“1”，则系统直接将ST赋值为“1”。如果a的值不为“1”，在接收到第一个压缩上止点信号透光孔的信号（即a=1）之前，此时a的值为“0”，且ST的值也为“0”，不进行正反转判断和位置判断，在接收到第一个压缩上止点信号透光孔的信号（即a=1）时，对ST赋值为“1”。当ST的值为”1”时，系统才完成了初始化，系统才开始正常进行正反转判断及位置判断，本检测装置能够检测区分每一个压缩上止点信号透光孔所产生的信号，最长只需要曲轴旋转182°就能检测出活塞位置和相位。
[0060] 初始化过程为：
[0061] （1）将变量ST赋值为“0”，然后对a的值进行判断。
[0062] （2）当检测到a的值为“1”，直接对n，m赋值，将ST赋值为“1”，系统开始正常进行正反转判断及位置判断，完成了初始化。
[0063] （3）如果a的值不为“1”，检测外圈光电传感器E1和外圈光电传感器E2产生的信号。
[0064] （4）当信号处理系统检测到外圈光电传感器E1和外圈光电传感器E2中任何一个的信号上升沿或者下降沿时，检测a的值，在接收到任意一个压缩上止点信号透光孔的信号（即a=1）之前，此时a的值为“0”，且ST的值也为“0”，不进行正反转反断和位置判断。在接收到某个压缩上止点信号透光孔的信号（即a=1）时，对ST赋值为“1”，对n，m赋值，系统才开始正常进行正反转判断及位置判断，完成了初始化。
[0065] 在完成初始化后，活塞相位和位置判断方法具体为：
[0066] （一）当信号处理系统检测到外圈光电传感器E1和外圈光电传感器E2中任何一个的信号上升沿或者下降沿时，才对其他变量进行赋值或换算，并进行正反转及活塞位置和相位的判断。如果在一定的时间里一直没有检测到外圈光电传感器E1和外圈光电传感器E2中任何一个的信号上升沿或者下降沿，信号处理系统则可以判定发动机曲轴静止不转了。
[0067] （二）当信号处理系统检测到外圈光电传感器E1和外圈光电传感器E2中任何一个的信号上升沿或者下降沿时，判断a的值。
[0068] （三）如果a的值为“1”，对n，m重新赋值。然后对m的值进行判断。
[0069] （3.1）当m的值为“110”时，对k赋值为“90”，θ换算为“180”，对z赋值为”1”，此时发动机第一缸活塞位于压缩上止点前180°。
[0070] （3.2）当m的值为“101”时，对k赋值为“90”，θ换算为“180”，对z赋值为”3”，此时发动机第三缸活塞位于压缩上止点前180°。
[0071] （3.3）当m的值为“111”时，对k赋值为“89”，θ换算为“178”，对z赋值为”4”，此时发动机第四缸活塞位于压缩上止点前178°。
[0072] （3.4）当m的值为“100”时，对k赋值为“89”，θ换算为“178”，对z赋值为”2”，此时发动机第二缸活塞位于压缩上止点前178°。
[0073] （四）如果a的值为“0”，则对n重新赋值，然后判断n1和n2的值（前一次的值对应的变量为n1，当前的值对应的变量为n2）。
[0074] （4.1）如果n1的值为“10”，且n2的值为“11”，则判断出曲轴正转，将k的值减1；如果n1的值为“10”，但n2的值为“00”，则判断出曲轴反转，将k的值加1，并换算θ的值。
[0075] （4.2）如果n1的值为“11”，且n2的值为“01”，则判断出曲轴正转，将k的值减1；如果n1的值为“11”，但n2的值为“10”，则判断出曲轴反转，将k的值加1，并换算θ的值。
[0076] （4.3）如果n1的值为“01”，且n2的值为“00”，则判断出曲轴正转，将k的值减1；如果n1的值为“01”，但n2的值为“11”，则判断出曲轴反转，将k的值加1，并换算θ的值。
[0077] （4.4）如果n1的值为“00”，且n2的值为“10”，则判断出曲轴正转，将k的值减1；如果n1的值为“00”，但n2的值为“01”，则判断出曲轴反转，将k的值加1，并换算θ的值。
[0078] （五）通过当前z值和θ值就可以获得当前活塞的位置和相位。例如，如果当前“z=1，θ=50”，则可知当前第一缸活塞位于压缩上止点前50°，相应的可以得出其它缸的活塞当前的位置信息；如果当前“z=2，θ=80”，则可知当前第二缸活塞位于压缩上止点前80°，相应的可以得出其它缸的活塞当前的位置信息。其他的以此类推。
