本发明公开了一种判定发动机曲轴转动相位和实时位置的装置及方法，包括发动机缸盖、凸轮轴、外壳固定螺栓、靶盘、靶盘固定螺栓、外壳、光电传感器、光电传感器固定螺栓、单片机、连接线。所设计的靶盘具有一个外缘缺口和三个同心缺口环带，外圈缺口环带均布180个单缺口，中圈缺口环带均布60个双缺口，内圈缺口环带均布60个单缺口，每个同心缺口环带及外缘缺口两侧分别布置一个光发射器和一个光接受器，通过靶盘随凸轮轴转动时光接收器组输出信号的变化，判断出发动机的正反转动方向，并计算出曲轴的时时相位。本发明提供的装置及方法可以实现对曲轴正反转动方向和相位进行时时精确判断，并能实现对发动机转速的测量。
1.一种判定发动机曲轴转动相位和实时位置的装置，其特征在于，包括发动机缸盖(1)、凸轮轴(2)、外壳固定螺栓(3)、靶盘(4)、靶盘固定螺栓(5)、外壳(6)、光电传感器(7)、光电传感器固定螺栓(8)、单片机(9)、连接线(10)；
其中凸轮轴(2)安装在发动机缸盖(1)的凸轮轴座内，凸轮轴伸出末端安装靶盘(4)，并用靶盘固定螺栓(5)固定；靶盘外部罩有外壳(6)，外壳(6)上装有光电传感器(7)，外壳(6)通过外壳固定螺栓(3)固接到缸盖(1)，光电传感器(7)通过光电传感器固定螺栓(8)固接在外壳(6)上；光电传感器(7)通过连接线(10)与单片机(9)相连；
所述的靶盘(4)具有一个外缘缺口(11)和三个同心缺口环带，具体为外圈缺口环带(12)、中圈缺口环带(13)、内圈缺口环带(14)，并通过锯齿状孔(15)定位在凸轮轴(2)；其中，外圈缺口环带(12)均布180个单缺口，中圈缺口环带(13)均布60个双缺口，内圈缺口环带(14)均布60个单缺口；
所述的外壳(6)外缘有三个均布的外壳装配孔(17)，并在侧面开有光电传感器定位孔(16)，用于固接光电传感器(7)；
所述的光电传感器(7)由支脚I(18)、支脚II(20)和七针插头(19)组成；支脚I(18)和支脚II(20)分别在靶盘(4)的两侧；支脚I(18)内部集成了四个光发射器，直列分布分别为光发射器I(21)、光发射器II(22)、光发射器III(23)和光发射器IV(24)，支脚II(20)内部集成了四个光接收器，直列分布分别为光接收器I(25)、光接收器II(26)、光接收器III(27)和光接收器IV(28)；其中光发射器I(21)、光接收器I(25)与外缘缺口(11)在一条直线；光发射器II(22)、光接收器II(26)与外圈缺口环带(12)在一条直线；光发射器III(23)、光接收器III(27)与中圈缺口环带(13)在一条直线；光发射器IV(24)、光接收器IV(28)与内圈缺口环带(14)在一条直线；具体的，光接收器I(25)、光接收器II(26)、光接收器III(27)和光接收器IV(28)在接收到光发射器发出的光束时产生高电平信号，否则产生低电平信号；光发射器I(21)、光发射器II(22)、光发射器III(23)和光发射器IV(24)共正极和共负极集成的两条线，以及光接收器I(25)、光接收器II(26)、光接收器III(27)和光接收器IV(28)各自的信号线和共地线，总共七条线分别连接到七针插头(19)。
2.根据权利要求1所述的判定发动机曲轴转动相位和实时位置的装置，其特征在于，所述的单片机(9)为闪存设备，通过连接线(10)与光电传感器(7)相连，用于采集光电传感器(7)的信号并做出逻辑处理，判断出曲轴的旋转方向、转过相位以及曲轴转速；并且为光发射器I(21)、光发射器II(22)、光发射器III(23)和光发射器IV(24)提供工作电量。
3.一种判定发动机曲轴转动相位和实时位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)单片机9为光发射器I(21)、光发射器II(22)、光发射器III(23)和光发射器IV(24)提供电量使其连续发光，并时时采集光接收器I(25)、光接收器II(26)、光接收器III(27)和光接收-器IV28的高低电平数字信号；
2)光接收器接收到光发射器的光束信号时记为“1”，没有接收到信号时记为“0”；
3)依据光接收器II(26)、光接收器III(27)和光接收器IV(28)的输出信号，若光接收器II(26)、光接收器III(27)和光接收器IV(28)同时发出的高电平信号总数的变化规律为“…
3，2，1，3，2，1，3…”，则发动机为逆时针方向旋转；若光接收器II(26)、光接收器III(27)和光接收器IV(28)同时发出的高电平信号总数的变化规律为“…1，2，3，1，2，3，1…”，则发动机为顺时针方向旋转；
4)依据光接收器II(26)的输出信号，每个“1”对应的曲轴旋转角度为2°，再通过差值计算方法，可以将曲轴旋转角度精确到0.1°曲轴转角；累计光接收器II(26)发出的“1”、“0”信号，并结合步骤3)判定的曲轴转动方向，即可获得曲轴的时时转动相位；具体的，时时判断曲轴的正反转方向，若曲轴为正转，则转动相位以当前相位值为基础继续进行累加；若曲轴为反转，则转动相位以当前相位值为基础进行累减；
5)依据光接收器I(25)的输出信号，当光接收器I(25)输出信号为“1”记为一缸上止点；
凸轮轴每转过一圈，以光接收器I(25)输出的上止点信号为基准对累加相位进行归零，然后根据曲轴正反转信号和光接收器II(26)的累计信号进行下一周期的累加或累减，得到发动机的时时相位；
6)计算单位时间内采集到的光接收器II(26)“1”、“0”信号，即可获得转速信号；
7)当曲轴停止转动时，单片机(9)还负责存储发动机停机时曲轴对应的相位，作为再起动时的初始相位值。
一种判定发动机曲轴转动相位和实时位置的装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于发动机技术领域，具体为一种判定发动机曲轴转动相位和实时位置的装置及方法。
背景技术
[0002] 我国汽车保有量的逐年增加给城市交通带来了巨大压力，交通拥堵的现象越来越严重，而在红灯或者堵车等待时，大部分的车辆仍然保持怠速状态，造成了不必要的燃油浪费和大气污染。怠速停止技术(怠速时发动机熄火)可以有效解决这一问题，但是应用怠速停止技术需要面对的一个主要问题就是发动机的频繁再起动，使用传统起动机进行频繁起动会带来起动机过热、蓄电池耗电量剧增以及车辆乘坐舒适性受到影响等问题。随着直喷汽油机技术的发展，喷油和点火的灵活性使得发动机在不使用起动机的情况下也能实现起动过程，即无起动机直接起动模式。目前的无起动机直接起动的起动模式包括两种，一是正转起动，即在起动时直接往处于膨胀行程的缸内喷油点火，利用缸内燃烧释放能量推动活塞下行和曲轴正向旋转，然后各循环逐次喷油点火实现起动；另一种方式是反转起动，即先向处于压缩行程的缸内喷油点火，使活塞下行曲轴反转，带动膨胀行程内的活塞上行，然后适时再向膨胀缸内喷油点火使其正转，转过已燃压缩缸以后，各循环逐次喷油点火实现起动过程。无起动机直接起动解决了传统起动模式起动所带来的附带问题，能够更好的与怠速停止技术相结合。
[0003] 但无论是正传起动还是反转起动，无起动机起动成功实现的前提是能够准确判断出发动机曲轴的转动相位和实时位置，才能精准完成各缸的喷油和点火过程，使发动机在不使用起动机时也能自行起动(正转或者反转)。目前的曲轴位置判断方式是根据安装在曲轴端的“58+2”信号盘和转速传感器结合安装在凸轮轴末端的相位传感器实现的，但这种曲轴位置判断方式无法在发动机停机或反转直接起动模式应用时曲轴可能出现反转的情况下对曲轴位置进行准确地判断，所以说，采用无起动机直接起动的起动方式，传统曲轴位置判断方式将不再适用，开发出新型的曲轴转动相位和实时位置的装置与方法对无起动机直接起动技术和怠速停止技术的推广和普及具有重要意义。
发明内容
[0004] 为了解决不能对发动机出现反转转动情况下的曲轴转动相位进行准确判断的问题，本发明提供一种判定发动机曲轴转动相位和实时位置的装置及方法，采用本发明所述的装置和方法可以实现对曲轴正反转动方向和时时相位进行精确判断。
[0005] 其技术方案为：
[0006] 一种判定发动机曲轴转动相位和实时位置的装置，包括发动机缸盖1、凸轮轴2、外壳固定螺栓3、靶盘4、靶盘固定螺栓5、外壳6、光电传感器7、光电传感器固定螺栓8、单片机9、连接线10；
[0007] 其中凸轮轴2安装在发动机缸盖1的凸轮轴座内，凸轮轴伸出末端安装靶盘4，并用靶盘固定螺栓5固定；靶盘外部罩有外壳6，外壳6上装有光电传感器7，外壳6通过外壳固定螺栓3固接到缸盖1，光电传感器7通过光电传感器固定螺栓8固接在外壳6上；光电传感器7通过连接线10与单片机9相连。
[0008] 所述的靶盘4具有一个外缘缺口11和三个同心缺口环带，具体为外圈缺口环带12、中圈缺口环带13、内圈缺口环带14，并通过锯齿状孔15定位在凸轮轴2。其中，外圈缺口环带12均布180个单缺口，中圈缺口环带13均布60个双缺口，内圈缺口环带14均布60个单缺口。
[0009] 所述的外壳6外缘有三个均布的外壳装配孔17，并在侧面开有光电传感器定位孔16，用于固接光电传感器7。
[0010] 所述的光电传感器7由支脚I18、支脚II20和七针插头19组成。支脚18和支脚19分别在靶盘4的两侧。支脚I18内部集成了四个光发射器，直列分布分别为光发射器I21、光发射器II22、光发射器III23和光发射器IV24，支脚II20内部集成了四个光接收器，直列分布分别为光接收器I25、光接收器II26、光接收器III27和光接收器IV28。其中光发射器I21、光接收器I25与外缘缺口11在一条直线；光发射器II22、光接收器II26与外圈缺口环带12在一条直线；光发射器III23、光接收器III27与中圈缺口环带13在一条直线；光发射器IV24、光接收器IV28与内圈缺口环带14在一条直线。具体的，光接收器I25、光接收器II26、光接收器III27和光接收器IV28在接收到光发射器发出的光束时产生高电平信号，否则产生低电平信号。光发射器I21、光发射器II22、光发射器III23和光发射器IV24为共正极和共负极集成两条线，以及光接收器I25、光接收器II26、光接收器III27和光接收器IV28四条信号线和共地线等总七条线分别连接到七针插头19。
[0011] 所述的单片机9为闪存设备，通过连接线10与光电传感器7相连，用于采集光电传感器7的信号并作出逻辑处理，判断出曲轴的旋转方向、转过相位以及曲轴转速；并且为光发射器I21、光发射器II22、光发射器III23和光发射器IV24提供工作电量；同时存储曲轴停止转动后的停机相位值。
[0012] 利用本发明的判定发动机曲轴转动相位和实时位置的装置进行曲轴转动相位和实时位置判定方法，包括下列步骤：
[0013] 1)单片机9为光发射器I21、光发射器II22、光发射器III23和光发射器IV24提供电量使其连续发光，并时时采集光接收器I25、光接收器II26、光接收器III27和光接收器IV28的高低电平数字信号。
[0014] 2)光接收器接收到光发射器的光束信号时记为“1”，没有接收到信号时记为“0”。
[0015] 3.依据光接收器II26、光接收器III27和光接收器IV28的输出信号，若光接收器II26、光接收器III27和光接收器IV28同时发出的高电平信号总数的变化规律为“…3，2，1，3，2，1，3…”，则发动机为逆时针方向旋转；若光接收器II26、光接收器III27和光接收器IV28同时发出的高电平信号总数的变化规律为“…1，2，3，1，2，3，1…”，则发动机为顺时针方向旋转。
[0016] 4)依据光接收器II26的输出信号，每个“1”对应的曲轴旋转角度为2°，再通过差值计算方法，可以将曲轴旋转角度精确到0.1°曲轴转角。累计光接收器II26发出的“1”、“0”信号，并结合步骤3)判定的曲轴转动方向，即可获得曲轴的时时转动相位。具体的，时时判断曲轴的正反转方向(也即逆时针旋转或顺时针旋转)，若曲轴为正转，则转动相位以当前相位值为基础继续进行累加；若曲轴为反转，则转动相位以当前相位值为基础进行累减。
[0017] 5)依据光接收器I25的输出信号，当光接收器I25输出信号为“1”记为一缸上止点。曲轴每转过一圈，以光接收器I25输出的上止点信号为基准对累加相位进行归零，然后根据曲轴正反转信号和光接收器II26的累计信号进行下一周期的累加或累减，得到发动机的时时相位。
[0018] 6)计算单位时间内采集到的光接收器II26“1”、“0”信号，即可获得转速信号。
[0019] 7)当曲轴停止转动时，单片机9还负责存储发动机停机时曲轴对应的相位，作为再起动时的初始相位值。
[0020] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0021] 1.本发明可以实现对曲轴正反转的精确判断；
[0022] 2.本发明通过一个传感器即可实现对曲轴位置、转动相位以及发动机转速的信号获取；
[0023] 3.本发明采用集成结构，安装简单、方便。
附图说明
[0024] 图1是本发明所述的判定发动机曲轴转动相位和实时位置装置的结构图[0025] 图2是本发明所述的靶盘结构示意图
[0026] 图3是本发明所述的靶盘一组缺口示意图
[0027] 图4是本发明所述的光接收器I采集到的上止点信号波形示意图
[0028] 图5是本发明所述的曲轴顺时针旋转时采集光接收器II26、光接收器III27和光接收器IV28的波形示意图
[0029] 图6是本发明所述的曲轴逆时针旋转时采集光接收器II26、光接收器III27和光接收器IV28的波形示意图
[0030] 图7是本发明所述的外壳外形图
[0031] 图8是本发明所述的光电传感器外形图
[0032] 图9是本发明所述的光电传感器内部结构图
[0033] 其中：1.发动机缸盖 2.凸轮轴 3.外壳固定螺栓 4.靶盘 5.靶盘固定螺栓 6.外壳 7.光电传感器 8.光电传感器固定螺栓 9.单片机 10.连接线 11.外缘缺口 12.外圈缺口环带 13.中圈缺口环带 14.内圈缺口环带 15.锯齿状孔 16.光电传感器定位孔 17.外壳装配孔 18.支脚I 19.七针插头 20.支脚II 21.光发射器I 22.光发射器II 23.光发射器III 24.光发射器IV 25.光接收器I 26.光接收器II 27.光接收器III 28.光接收器IV。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
[0035] 参阅图1，所述的发动机缸盖1和凸轮轴2为发动机原有部件，发动机缸盖1一侧加工有外壳6的定位孔，用于定位外壳6；凸轮轴2需要延长有足够安装靶盘4的距离，并且末端加工成和锯齿状孔15相匹配的锯齿状轴。所述的外壳固定螺栓3穿过外壳装配孔17，用于固定外壳6。所述的光电传感器固定螺8用于固定光电传感器7。所述的单片机9为闪存设备，用于采集光电传感器7的信号并作出逻辑处理，判断出曲轴的旋转方向、转过相位以及曲轴转速；并且为光发射器I21、光发射器II22、光发射器III23和光发射器IV24提供工作电量。所述的连接线10为七心连接线，两端配有七针插头，用于连通光电传感器7的七针插头19和单片机9。
[0036] 参阅图2，所述的靶盘4整体为“圆饼”状，其特征在于，靶盘4的外边缘处有一外缘缺口11，主要用于定位上止点位置。缺口宽度占1°的靶盘转角，具体的，外缘缺口11与光发射器I21和光接收器I25在同一条直线上，外缘缺口11用于透过光发射器I21发射的光束，当光接收器I25接收到光信号时，发出高电平信号，此时即为一缸上止点(最初装配时将发动机一缸上止点时靶盘缺口位置对应到光发射器I21和光接收器I25之间)。靶盘4的外边缘与锯齿状孔15之间分布有三个同心缺口环带，由外到内依次为外圈缺口环带12、中圈缺口环带13、内圈缺口环带14。其中，外圈缺口环带12均布180个缺口，每个缺口占据1°的靶盘转角，相邻两缺口中线之间为2°的靶盘转角，外圈缺口环带12的缺口中心位置与光发射器II22和光接收器II26在同一条直线上，光接收器II26接收到透过缺口的光发射器II22光束时输出高电平，否则输出低电平；中圈缺口环带13，每两个缺口为一组，均布60个“双缺口”，每个“双缺口”中心线夹角为6°的靶盘转角，每组“双缺口”内部两缺口中心线之间的夹角为2°的靶盘转角，每个缺口同样占据1°的靶盘转角，并且两缺口的中心线与外圈缺口环带12相邻两缺口的中心线重合，中圈缺口环带13与光发射器III23和光接收器III27在同一条直线上，光接收器III27接收到透过缺口的光发射器III23光束时输出高电平，否则输出低电平；内圈缺口环带14均布60个缺口，每个缺口占据1°的靶盘转角，相邻两缺口中心线之间为
6°的靶盘转角，每个缺口占据1°的靶盘转角，并且每个缺口中心线均与中圈缺口环带13每组缺口的第一个缺口重合，内圈缺口环带14与光发射器IV24和光接收器IV28在同一条直线上，光接收器IV28接收到透过缺口的光发射器IV24光束时输出高电平，否则输出低电平。靶盘4内圈为锯齿状孔15，通过锯齿结构与凸轮轴2进行定位，防止靶盘4窜动。锯齿状孔15与内圈缺口环带14之间均布四个通孔，用于将靶盘4固定在凸轮轴2上。
[0037] 参阅图3，如图中位置所示的外圈缺口环带12三个相邻的缺口、中圈缺口环带13两个相邻的缺口以及内圈缺口环带14的单个缺口形成一个组别，当靶盘4顺时针旋转时，光接收器II26最先发出高电平，然后是光接收器II26和光接收器III27同时发出两个高电平，最后是光接收器II26、光接收器III27和光接收器IV28同时发出三个高电平，形成如图9所示的波形示意图。而当靶盘4逆时针旋转时，则光接收器II26、光接收器III27和光接收器IV28先同时发出三个高电平，然后是光接收器II26、光接收器III27同时发出两个高电平，最后是光接收器II26发出高电平。因此，当光接收器II26、光接收器III27和光接收器IV28同时发出的高电平总数的变化顺序为“…1，2，3，1，2，3，1…”时，可判定靶盘4为顺时针旋转，当光接收器II26、光接收器III27和光接收器IV28同时发出的高电平总数变化顺序为“…3，2，1，3，2，1，3…”时，可判定靶盘4为逆时针旋转，从而确定出发动机曲轴的旋转方向。
[0038] 参阅图4，所述的外壳6用于封闭光电传感器7的工作空间，防止外部光线的干扰，此外外壳6的上部开有光电传感器定位孔16，用于安装定位光电传感器7.外壳6通过外壳装配孔17固接在发动机缸盖1上。
[0039] 参阅图5和图6，所述的光电传感器7包括支脚I18、七针插头19、支脚II20三部分，支脚I18主要集成有光发射器I21、光发射器II22、光发射器III23、光发射器IV24，支脚II20主要集成有光接收器I25、光接收器II26、光接收器III27、光接收器IV28。具体的，光发射器I21、光发射器II22、光发射器III23、光发射器IV24的电源线并联到两根，结合光接收器I25、光接收器II26、光接收器III27、光接收器IV28各自的信号线与共地线，一共7条线集成到七针插头19，方便安装和拆卸。
[0040] 本发明所述的判定发动机曲轴转动相位和实时位置的装置与方法，具体过程如下：
[0041] 1)单片机9为光发射器I21、光发射器II22、光发射器III23和光发射器IV24提供电量使其连续发光，并时时采集光接收器I25、光接收器II26、光接收器III27和光接收器IV28的高低电平数字信号。
[0042] 2)光接收器接收到光发射器的光束信号时记为“1”，没有接收到信号时记为“0”。
[0043] 3)依据光接收器II(26)、光接收器III(27)和光接收器IV(28)的输出信号，若光接收器II(26)、光接收器III(27)和光接收器IV(28)同时发出的高电平信号总数的变化规律为“…3，2，1，3，2，1，3…”，则发动机为逆时针方向旋转；若光接收器II(26)、光接收器III(27)和光接收器IV(28)同时发出的高电平信号总数的变化规律为“…1，2，3，1，2，3，1…”，则发动机为顺时针方向旋转。接收信号波形示意图如图8和图9所示。
[0044] 4)依据光接收器II26的输出信号，每个“1”对应的曲轴旋转角度为2°，再通过差值计算方法，可以将曲轴旋转角度精确到0.1°曲轴转角。累计光接收器II26发出的“1”、“0”信号，并结合步骤3)判定的曲轴转动方向，即可获得曲轴的时时转动相位。具体的，时时判断曲轴的正反转方向(也即逆时针旋转或顺时针旋转)，若曲轴为正转，则转动相位以当前相位值为基础继续进行累加；若曲轴为反转，则转动相位以当前相位值为基础进行累减。
[0045] 5)依据光接收器I25的输出信号，当光接收器I25输出信号为“1”记为一缸上止点。曲轴每转过一圈，以光接收器I25输出的上止点信号为基准对累加相位进行归零，然后根据曲轴正反转信号和光接收器II26的累计信号进行下一周期的累加或累减，得到发动机的时时相位。
[0046] 6)计算单位时间内采集到的光接收器II26“1”、“0”信号，即可获得转速信号。
[0047] 7)曲轴停止转动时，单片机9还负责存储发动机停机时曲轴对应的相位，作为再起动时的初始相位值。
[0048] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变换或等效替换均落入本发明的保护范围内。
