内燃机汽缸识别装置的制作方法

专利名称：内燃机汽缸识别装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种汽缸识别装置，用来识别处于某一特定冲程的一台运转的内燃机的一个汽缸或几个汽缸。尤其适用于汽车内燃机的汽缸识别装置。
内燃机的工作循环包括一系列的工作冲程，如两个或四个。因而，对具有两个或更多汽缸的多缸内燃机而言，确定各个汽缸处于某一特定的冲程，如压缩冲程，对发动机的点火或燃油喷射或类似工作过程的定时控制是非常必要，这就需要一套汽缸识别装置。
根据现有技术，有许多种这样的汽缸识别装置。现有技术中第一种出于上述目的的实施方式，如在日本公开特许公报昭6337336号的图2及图3所公开的，用从曲轴转角检测传感器和安装于凸轮轴上的汽缸识别传感器获得的信号，第一个汽缸的压缩冲程就可以被识别出来。
根据现有技术的第2种实施方式，如日本公开特许公报平586953号所公开的那样，在凸轮轴上安装有转动检测盘，在该盘上以不相等的间隔设有三个用于曲轴转角识别的突起；由于增加了一个识别第一汽缸的突起，信号序列的产生是不等间隔的；对该信号序列的脉冲间隔排列状态进行检测，在某一时间点时，当检测到的曲轴转角识别脉冲可以唯一地由预先定义的排列状态类型解释时，曲轴转角就可以被确定出来；当检测到预先定义的包含汽缸识别脉冲的信号排列类型时，或在一汽缸识别脉冲时检测到预先脉冲间隔的变化时，在该时间点上汽缸就可以被识别了。通过在预置脉冲间隔的变化被检测到的某一时间点来识别汽缸的方法，在下文参照附图2作了简要的描述。附图2所针对的是一台三缸内燃机，该图表示了每个汽缸的冲程与曲轴转角传感器所检测位置之间的关系。吸气冲程以“O”符号作标志，而箭头代表点火位置。每一汽缸从压缩冲程开始，产生两个信号(A信号和B信号)，当检测到其中某一汽缸的压缩冲程时，还产生另外一个C信号，图中曲轴的两圈旋转完成了四冲程内燃机的基本循环。图2中信号A、B以及C的详细位置关系在图3中作了详细的说明。在该图中，用符号CR代表由曲轴转角传感器所检测到的信号产生位置。信号A在各个汽缸压缩冲程上死点前75°产生，信号B也在各个汽缸压缩冲程上死点前5°产生，而信号C在曲轴旋转两圈的时间内只在其中某一汽缸于压缩冲程上死点前210°时产生一次，信号C之间的转角间隔比其它信号间的间隔要小。当该表中给出的识别条件满足时，汽缸识别就完成了。更确切地说，识别是根据公式1进行的，该公式是以信号CR间的时间迟滞为基础形成的。公式1如下TRATIO≥MKRAT# …(1)此处MKRAT#为汽缸识别系数，TRATIO为脉冲周期率。关于TRATIO是以公式2进行计算的，公式2如下TRATIO=(Told1+Told2)/T …(2)式中Told1为紧靠前的上一脉冲周期，Told2为紧邻Told1的前一脉冲周期，T代表最近的脉冲周期。
所述的MKRAT#取值为5左右。这样，将各参数转化为转角率之后，当信号C产生时，Told2的值为175°,Told1为65°,T为35°，因而TRATIO=(175+65)/35=7.5，同样的，当信号B产生时，Told2的值为65°,Told1为175°,T为35°，从而TRATIO=(65+175)/65=3.7。当信号A产生时，Told2的值为170°,Told1为65°,T为170°，所以TRATIO=(175+65)/170=1.38。总之，当信号A产生时，TRATIO的值为1.38，信号B产生时为3.7，信号C产生时为7.5。从而，如果将汽缸识别系数MKRAT#的值设为5时，信号C就可以同信号A、B区别开来。
然而，首先，在上文提到的现有技术的第一种实施方式，存在这样的问题，当内燃机被启动时，最大的情况下直到曲轴完成了一个完全的转动，即曲轴完成了两圈转动时，汽缸识别才能进行。其次，在现有技术的第二种实施方式中，虽然内燃机的冲程识别可以即时地实现，但是如果因为识别过程是以信号间的时间比率为基础完成而使内燃机的运转处于大的波动，则存在误识别的风险。此外，由于只采用了一个转动检测传感器(曲轴转角传感器)，虽然具有成本优势，但出现了在传感器失效的情况下，内燃机将会停止工作的问题。
在凸轮轴上安装一个用于检测转动的信号盘，该盘为每一汽缸提供了两个信号发生装置；在所述的两个信号之前，增加一个汽缸识别信号；两个传感器的安装要使它们从所述的突起所获得的检测信号之间具有一定的相位差。由该两个传感器信号调理得到的位组合格式与单个的汽缸相对应，根据这些比特位组合格式的结合结果，就可以完成汽缸识别。信号间的相位差是这样设置的在第一传感器(即主曲轴转角传感器，此后简写为BCAS)所检测到的多个信号之间，在从所述的两个传感器中的第二传感器(即亚曲轴转角传感器，此后简写为SCAS)所检测到的多个信号为三种情况，包括零、一或二。每从BCAS信号输入装置接受一个信号，一个信号计数装置将测量产生信号的数目，而且，SCAS信号被一个0/1状态发生器及一个SCAS信号输入装置接受，该0/1状态发生器依据BCAS信号的每一次输入来设定标志态，由一个比特位调理装置产生一个比特位序列格式。进而，依据从一个汽缸识别模态存储器中获得的用于汽缸识别的比特位组合格式，以及所述的比特位调理装置产生的另一序列比特位组合格式及信号计数器产生的信号数目，来执行汽缸识别。
根据发明构思，本申请采用上述设置方式提供了一种用于内燃机的汽缸识别装置，它通过为每一个汽缸提供一系列各种参考信号，从而具有有效的控制作用，而且只使用一个安装在凸轮轴上用于汽缸识别及转动检测的信号盘，就可以无延迟地完成参考信号的区分识别，而且不受任何内燃机转速波动的影响，甚至在第一曲轴转角传感器(BCAS)失效的情况下，通过使用第二曲轴转角传感器(SCAS)就可以避免内燃机停止工作。


图1表示根据本发明进行汽缸识别的一种实施例的执行方法。
图2表示根据现有技术进行汽缸识别的一种实施例的执行方法。
图3表示根据现有技术进行汽缸识别的一种工作方法。
图4是本发明所应用的内燃机的系统结构图。
图5为转动传感器的输出信号特性图。
图6表示根据本发明的控制器10的内部结构。
图7表示根据本发明的转动传感器如何在内燃机上安装。
图8表示根据本发明的转动传感器与信号盘之间的位置关系。
图9表示根据本发明的转动传感器与信号盘之间的详细位置关系。
图10表示根据本发明的转动传感器与信号盘的位置关系的另一实施例。
图11为根据本发明的汽缸识别方法的方框示意图。
图12为根据本发明的失效保护方法的方框图。
图13表示依据现有技术当内燃机启动时的结果。
图14表示根据本发明在内燃机启动时的实施结果。
图15为根据现有技术内燃机启动次数的概率分布曲线。
图16为根据本发明内燃机启动次数的概率分布曲线。
下文将对本发明的最佳实施例进行描述。首先，图4是一台应用了本发明的内燃机的系统结构图，其中，标号1代表空气滤清器，标号2代表一套节流装置(或节流体)，其中具有控制进气量的节气门，节流装置的出口与进气歧管4相连，以便将吸入的空气分流到发动机5的各个汽缸；图中的6代表安装于进气歧管4的电子控制燃料喷射阀。该发动机在其进气侧有进气阀7，在其排气侧有排气阀门8。标号10表示一个控制器，它接受诸多传感器的输出信号，这些传感器包括氧气传感器11、水温传感器12、基本曲轴转角传感器(BCAS)13、亚曲轴转角传感器(SCAS)14、缸内压力传感器16以及节气门开度传感器17等等；该控制器向燃料喷射阀6、点火线圈9、附加空气控制阀(ISC)21以及燃料泵31等提供控制信号。
标号22表示蓄电池；23为控制器10的主继电器；24为燃料泵继电器；30为燃料箱，燃料由燃料泵从该燃料箱吸出，由压力调节器32对其压力调整后，通过燃料管33输往燃料喷射阀6。控制器10在从各个传感器输入信号的基础上，计算决定出由燃油喷射阀6所喷射燃油的精确量。如图5所示，传感器BCAS13及SCAS14在对信号盘15上的突起而引起的每一磁场改变(A图线)进行检测的基础上，内部处理环节产生一个信号(B图线)，并将其输往控制器10。图6说明控制器10的内部结构。控制器10由一计算机组成，该计算机包括输入单元191、A/D数模转换单元192、中央处理单元193、只读存储器194、随机存取存储器195以及输出回路196。输入回路191接收模拟信号(例如从水温传感器12及节气门开度传感器9所获得的检测信号)，滤去信号中的噪声部分后，将信号送往A/D转换单元192。中央处理单元193的功能为执行上文提到的各项控制；采用A/D转换的结果并进行判断；执行燃料喷射控制程序以及其它预先存储在包括ROM194的存储介质中的控制程序。数学计算和A/D转换的结果被临时存储在RAM195中，其中数学计算的结果还通过输出回路196作为控制输出信号197输出，对燃料喷射阀6及点火线圈9等执行部件进行控制。另一方面，从BCAS13及SCAS14获得的信号，由输入回路191进行类似信号有无或真伪的判断后，即通过信号线路198、199以高低电平信号的形式输往中央处理器193。中央处理器193被设置为以图5中C图线所表示的时序进行中断处理，即当信号线198由低电压向高电压转换时进行处理。
另一方面，传感器BCAS13及SCAS14如图7所示那样安装。参照图7，该图为内燃机的前视图，包括凸轮罩60，安装于凸轮轴上的信号盘15与曲轴50相对，并以曲轴50的频率的1/2进行旋转。它们的位置关系在图8中表示。如图所示，BCAS13及SCAS14与信号盘15上的突起相配合。图9为图8所示状态的侧视图，用于表明结构关系，在该结构设置中，由信号盘15上的突起61的磁场变化可以被检测到。
图10描述了另一种检测装置，在该装置中，传感器BCAS13及SCAS14被排列在信号盘15的圆周径向方向。BCAS13及SCAS14可以按照图9或图10的两种结构或两种形式的结合来安装。显然所述的突起61(凸形)也可以方便地用预先的沟槽(凹形)来代替。
图11为根据本发明的汽缸识别方法的方框图。传感器BCAS的信号进入一个输入信号处理装置210滤去噪声等信号。下一步，每当进入一个信号，信号计数装置230将对计数器累加一次以监视BCAS信号的输入次数。类似的，在信号处理装置210所输出信号的基础上，0和1状态指示发生器240的标志状态随着每一次从所述的输入处理装置210输入信号而在0/1之间进行转换。同时，SCAS信号由另一输入处理装置220滤去噪声及其它干扰并送往比特位合成装置250。该比特位合成装置250在0/1状态指示发生器240的信号及SCAS输入信号处理装置220的信号的基础上，生成比特位模式。比特图生成后，用图6中的RAM195的一个字节(8个比特位)作为比特位模式识别记录(register)。该比特位模式识别记录每当0/1状态指示信号发生器240的状态方式改变(在0、1之间)时，向左侧高位递进一比特等值。同时当从输入处理装置220处输入一个SCAS信号时，比特位模式识别记录后一位有效标志位改变为1。当来自0/1状态指示信号发生器240的信号保持原态不变，而此期间从为SCAS信号的输入处理装置的信号输入了两次，由多输入信号处理装置260对比特位模式识别记录进行这样的处理先将比特位模式识别记录中的比特位组合模式左移操作，再将最后有效比特位赋值为零。因此在比特位组合格式中形成一个“10”序列。图1表示了一个将上述过程应用于一台三缸发动机的例子，如图所示，比特位模式识别记录的状态以011011110…的序列产生。接着，由比特位模式发生装置250产生的比特位组合模式被送往汽缸识别模块280执行汽缸识别。当汽缸识别标准模态存储装置270取出预先标定的数据，并将其与所述的比特位组合模式确认比较，就可以完成汽缸的识别。识别方法描述如下首先对信号计数装置230的计数状态进行监测，如果计数为3(即BCAS信号输入了三次)，具有比特序列110的比特位模式就可以判断为二缸的压缩冲程。在计数为其它值的情况下，具有比特序列110的比特位模式判断为一缸的压缩冲程，具有比特序列011的比特位模式判断为三缸的压缩冲程。这样，当BCAS信号输入三次以后，汽缸识别过程就可以被无差错地完成。
下文将对传感器BCAS失效情况下的失效保护方法作出描述。图12为一个失效保护方法的逻辑框图。一个BCAS信号被送往一个曲轴转角传感器(CAS)状态异常检测单元300。如果尽管有SCAS信号输入，但BCAS传感器没有信号输入，就可以判定传感器BCAS处于故障状态。在此情况下，被判断为异常的传感器将被从线路中断开，然后将其转换为相当于通常的实施方式的汽缸识别该转换由正常态的传感器来独立完成。如果传感器判断确定为正常态，开关350将闭合，而开关360将断开，BCAS信号将被送往一个点火时序/燃油喷射时序计算装置340。如果判断显示是异常的，转换开关350和360将分别被闭合和断开，点火时序/燃油喷射时序计算装置340的功能就转而以相位差修正装置320的输出信号为执行条件。这里将相应地对相位差修正装置320的结构原理作出描述。首先，一个BCAS信号和一个SCAS被一相位差检测装置310输入。通过测量SCAS信号输入与其后的BCAS信号输入间的时间间隔来表示出时间比率。参照附图1可以说明该方法。在图1中，一旦汽缸识别被建立起来，用标号B0-B6表示BCAS信号序列(作为基础控制信号)，由此可以确定信号的位置。标号B0表示汽缸识别位置。与此类似，标号C0-C6表示SCAS信号序列(作为辅助控制信号)。因而，由于具有相同标记数字的信号(如B0和C0)共用信号盘上的同一突起位置，如果它们之间的时间差已知，就可以得到它们的相位差。如一台内燃机从一个C0信号经过一个循环达到下一个C0信号，相位角可由下文的公式3计算。公式3如下BSANGL=C0B0INT/C0INT×720 …(3)式中BSANGL为曲轴转角传感器(CAS)的相角；B0C0INT为信号C0、B0间的时间差；C0INT为两次C0信号间的时间。
公式3计算出BCAS信号落后于SCAS信号的角度。下一步，根据在该曲轴转角传感器相位角，相位差修正装置320以时间(time basis)的形式预测出Bn(0～6)的发生位置。由于在内燃机运转过程中转角与时间的转换关系对该领域技术人员是公知的，在此将不对此作出说明。如上所述，在传感器BCAS失效的情况下，相位修正装置利用失效前计算出的相位角值BSANGL，在SCAS信号的基础上预测出BCAS信号的发生位置，并将此相干信号送往点火时序/燃油喷射时序装置，以此使内燃机可继续运转。
随着内燃机的转动，检测信号从第一传感器(BCAS)及第二传感器(SCAS)输入。每次从第一传感器(BCAS)输入一个信号时，比特位模式识别记录就向左侧高位递进一比特等效值。同时每从第二传感器(SCAS)输入一个信号，比特位模式识别记录的最后一位有效标志位就改变为1。如果一个第二传感器(SCAS)信号产生在一个第一传感器(BCAS)信号产生之前(即前者产生两次)，则先将比特位模式识别寄存器中的比特位组合模式进行左移操作，再将最后有效比特位赋值为零。图1表示了一个将上述过程应用于一台三缸发动机的例子，如图所示，比特位模式识别记录的状态以011011110…的序列产生。汽缸识别过程根据第一传感器(BCAS)的输入状态进行分类。从而，如果从第一传感器(BCAS)的信号输入了三次，具有比特序列110的比特位模式就可以判断为二缸的压缩冲程。在其它比特序列的情况下，再有一个第一传感器信号输入(既第四次输入)，才对比特位组合序列进行检查。具有比特序列110的比特位模式被判断为一缸的压缩冲程，具有比特序列011的比特位模式判断为三缸的压缩冲程。因此，当第一传感器(BCAS)的信号输入已发生四次时，汽缸识别就可以无差错地实现了。此外，在第一传感器(BCAS)故障的情况下，由第二传感器(SCAS)来完成汽缸识别，以控制燃料供给及点火。
图13及图14表示将现有技术和本发明应用于一台实际的内燃机的实验验证结果。两图都表示了在内燃机启动过程的转速频率波形。图13表示采用现有技术的情况，由于在发动机持续超过三秒的启动过程中转速有很大的起伏，汽缸识别失败多次发生。另一方面，图14表示采用了本发明的情况，在此立即就实现了汽缸识别，这是由于消除了转动波动的不利影响，而且发动机的启动时间不到一秒。这些实验结果的概率统计形式在图15及图16中表示。图15为启动次数的分布曲线，图16为采用本发明后的相应分布曲线图。这些图线表明采用本发明既可以减少转速波动又可以缩短启动绝对时间。这样，当内燃机启动时，在凸轮轴完成一个完整的转动最大值之前即在曲轴完成两圈转动之前，汽缸识别就可以被实现了，此外，由于汽缸识别的实现不依赖于各缸间的时间比率，即使内燃机的转速有很大的波动也不必担心出现误识别。甚至在传感器BCAS失效的情况下，还可以由SCAS控制内燃机的燃料供给和点火，避免发动机停止运转。
权利要求
1．一种用于内燃机的汽缸识别装置，该装置包括安装于凸轮轴的信号盘；两个检测传感器，具有与内燃机汽缸数同样多的几组凹槽部件/凸起部件，并且在作为参考组的凹槽部件/凸起部件组的前述几组凹槽部件/凸起部件的一组上，且有与其它凹槽部件/凸起部件组的数量不同的凹槽/凸起部件，以此设置根据所述的凹槽/凸起部件检测信号。
2．根据权利要求1所述的内燃机汽缸识别装置，其特征在于所述的各组凹槽部件/凸起部件以720度曲轴转角除以所述内燃机的汽缸数所得的商为等距间隔角度地配置。
3．根据权利要求1所述的内燃机汽缸识别装置，其特征在于其中所述的两个检测传感器以这样的相位差布置在所述的两个传感器之一/第一传感器、根据所述的几组凹槽部件/凸起部件中的单个凹槽部件/单个凸起部件检测到两个信号之间，至少一检测信号来自另一传感器/第二传感器的信号。
4．根据权利要求3所述的内燃机汽缸识别装置，其特征在于该装置还包括一个从所述的第一传感器输入信号时产生0/1或高低电平信号的装置；以及一个赋值装置，如果有来自所述的第二传感器的信号在所述的来自第一传感器的信号之间，那么赋值装置给出比特值1，当无信号时，给出比特值0，而如果在所述第一传感器的信号之间产生了两个来自第二传感器信号，则对第一信号给出比特值1，而对第二个信号给出比特值0，其中，根据这些比特值的组合格式完成汽缸识别。
5．根据权利要求3所述的内燃机汽缸识别装置，其特征在于该装置还具有一个用于检测所述第一传感器及第二传感器信号间相位差的相位差检测装置，以及一个相位修正装置，当所述的相位差检测装置所测得的相位差与预先参考值不一致时，相位修正装置修正一个对应于该不一致的相位差相当的量。
6．根据权利要求3所述的内燃机识别装置，其特征在于该装置还包括一个用于检测/判断从所述的第一、第二传感器输出信号是否存在的装置；以及一个用于检测故障的异常状态检测装置，当所述的第一传感器和第二传感器的输出信号检测结果或输出信号存在与否的判断结果出现差异时，以及当所述的传感器其中一个被判断无信号输出时，该异常状态检测装置作出异常判断；开关转换装置，当所述的传感器其中一个发生故障时，将处于正常态的传感器与检测到发生故障的其它传感器隔离，并使正常传感器单独执行汽缸识别。
全文摘要
一种汽缸识别装置,在凸轮轴上安装一个用于检测转动的信号盘,该盘为每一汽缸提供了两个信号发生装置;在所述的两个信号之前,增加一个汽缸识别信号;两个传感器的安装要使它们从所述的突起所获得的检测信号之间具有一定的相位差,由该两个传感器信号调理得到的比特位组合格式与一特定汽缸相对应,根据这些比特位组合格式的结合结果,就可以完成汽缸识别。
文档编号F02D45/00GK1225415SQ9910180
公开日1999年8月11日 申请日期1999年1月29日 优先权日1998年1月30日
发明者根本守, 永野正美, 石川广人 申请人:株式会社日立制作所, 株式会社日立汽车工程