基于光電信號(hào)的氣門偏移檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

孟耀東,湯素雷，傅瑜杭

浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽(yáng)學(xué)院,浙江諸暨 311800

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)氣門是發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的重要部件，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)定時(shí)為汽缸吸入新鮮的可燃混合氣，并及時(shí)將燃燒后的廢氣排出汽缸，影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。而隨著汽缸壓力增大，轉(zhuǎn)速增加，氣門落座速度增加，氣門落座時(shí)會(huì)發(fā)生徑向偏移，這會(huì)使氣門落座發(fā)生偏心運(yùn)動(dòng)，對(duì)座圈和氣門產(chǎn)生很大的沖擊力，引起氣門過(guò)度磨損及氣門斷裂的問(wèn)題，進(jìn)而引發(fā)氣門因磨損斷裂所導(dǎo)致的一系列安全隱患和發(fā)動(dòng)機(jī)故障，對(duì)駕駛者的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。

1 理論介紹

1.1 光電式傳感器的簡(jiǎn)述

光電傳感器在各領(lǐng)域都有一定的使用基礎(chǔ)，其操作方便、檢測(cè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)結(jié)果極其準(zhǔn)確。光電傳感器主要是通過(guò)一些光電器件將接收到的光信號(hào)迅速轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。光電傳感器使一系列的光電轉(zhuǎn)換都得以實(shí)現(xiàn)，是一種光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中的重要元件，它的原理是從發(fā)射器發(fā)射出一個(gè)信號(hào)，接收器隨即接收到指令，一旦有某物體阻擋了該光線的傳播，傳感器立刻做出相應(yīng)的指令和動(dòng)作。此傳感器按照其光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)的輸出量的性質(zhì)可分為兩類：模擬式光電傳感器和開(kāi)關(guān)式光電傳感器，從而衍生了模擬式光電傳感器的3種類型：透射式、漫反射式、遮光式(光束遮擋和阻礙)，這3種類型分別通過(guò)使恒光源能量吸收透射到元件，或者以恒光源發(fā)出的光投射到被測(cè)物上，再?gòu)谋粶y(cè)物體的表面反射后投射到光電元件，以及遮光使投射到元件的光通量改變，從而使被測(cè)物體的光路位置改變。其中也不乏還有對(duì)射式光電傳感器和擴(kuò)散反射式光電傳感器等，目前新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是CCD圖像傳感器的誕生，使光電式傳感器的發(fā)展又邁向了一個(gè)新的高度。

1.2 光電式傳感器對(duì)檢測(cè)氣門偏移的可行性分析

相較于傳統(tǒng)的傳感器，光電傳感器可用于大部分精密機(jī)器的檢測(cè)，包括氣門磨損或斷裂導(dǎo)致的氣門偏移，也可利用光電式檢測(cè)其氣門偏移的狀況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)以及汽車的安全性有著很大的保障。針對(duì)此次氣門偏移檢測(cè)的元件需求，所用的光電傳感器元件為光敏元件和發(fā)光元件，且光敏元件上有連接發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的引線，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門磨損發(fā)生偏移時(shí)，光電式傳感器觸發(fā)，引線連通汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的控制單元，可進(jìn)行汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的處理，使汽車及時(shí)快速檢測(cè)氣門是否發(fā)生磨損偏移，多次檢測(cè)，若確定發(fā)動(dòng)機(jī)氣門確實(shí)發(fā)生磨損偏移，則可將此信息通過(guò)語(yǔ)音提示或者圖像提示的方式提醒駕駛員氣門已經(jīng)發(fā)生偏移，以便汽車駕駛者及時(shí)作出判斷，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行和工作狀況有著很大的作用，對(duì)汽車的安全性有著極大的提升。

2 氣門偏移裝置的總體設(shè)計(jì)

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，文中設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造的檢測(cè)氣門偏移的裝置。該裝置以光電式傳感器為主體，即裝有發(fā)光元件、光敏元件以及一系列光電式部件的裝置，連接發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，實(shí)時(shí)檢測(cè)氣門的偏轉(zhuǎn)狀況。

2.1 裝置結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)一種光電式檢測(cè)氣門偏移的裝置，包括發(fā)光元件、光敏元件、第一通光孔、氣門導(dǎo)管、第二通光孔，發(fā)光元件和光敏元件安裝固定在汽缸蓋上，引線從汽缸蓋引出；第一通光孔經(jīng)過(guò)汽缸蓋、氣門導(dǎo)管一直貫穿到第二通光孔，第一通光孔連接有光敏元件，第二通光孔連接有發(fā)光元件。光電式檢測(cè)氣門偏移的裝置示意如圖1所示。

圖1 光電式檢測(cè)氣門偏移的裝置示意

由圖1可見(jiàn)，所述的發(fā)光元件1和光敏元件4安裝在同一水平線上；第一通光孔5和第二通光孔7的寬度與氣門桿直徑相等，保證氣門運(yùn)動(dòng)不偏移時(shí)，發(fā)光元件1發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)第二通光孔7而無(wú)法通過(guò)第一通光孔5，即光敏元件4接收不到來(lái)自發(fā)光元件1的光線；而當(dāng)氣門運(yùn)動(dòng)偏移時(shí)，光敏元件4接收來(lái)自發(fā)光元件1通過(guò)第二通光孔7和第一通光孔5的光線。

發(fā)光元件1和光敏元件4安裝在同一水平線上且不影響發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的正常運(yùn)作。光敏元件4的引線與發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元相連，可以進(jìn)行信號(hào)處理，從而判斷氣門是否發(fā)生偏移。

2.2 裝置具體實(shí)施

該裝置把發(fā)光元件和光敏元件分別裝在氣門的兩側(cè)，氣門運(yùn)動(dòng)不偏移時(shí)阻擋光路，光敏元件未收到光信號(hào)，由發(fā)光元件發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)第二通光孔因光線的射出受到氣門阻擋而無(wú)法通過(guò)第一通光孔，即光敏元件接收不到來(lái)自發(fā)光元件的光線，此時(shí)，氣門未發(fā)生偏移，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元中可以得到氣門未發(fā)生偏移的結(jié)果；而當(dāng)氣門運(yùn)動(dòng)偏移時(shí)，發(fā)光元件、光敏元件之間的光線未受到氣門的阻擋，此時(shí)光敏元件接收到來(lái)自發(fā)光元件通過(guò)第二通光孔和第一通光孔的光線，光敏元件與發(fā)光元件連通，繼而觸發(fā)光敏元件，此時(shí)光敏元件的引線與發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元相連，經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)處理，判斷氣門發(fā)生了偏移。后續(xù)可根據(jù)統(tǒng)計(jì)氣門發(fā)生偏移的次數(shù)，判斷出氣門的磨損情況。

2.3 裝置特點(diǎn)

(1)利用光電傳感器的原理，通過(guò)接收光線的信號(hào)來(lái)判斷氣門的偏移狀況，檢測(cè)方式簡(jiǎn)單便捷。目前大部分汽車所用的發(fā)動(dòng)機(jī)皆為四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，具備16個(gè)氣門;少數(shù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)為六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，具備24個(gè)氣門，龐大的氣門數(shù)量對(duì)傳感器檢測(cè)氣門的磨損偏移的精度以及傳感器的檢測(cè)方式都有著極其高的技術(shù)要求。利用光電傳感器方便的操作程序，對(duì)檢測(cè)物體的檢測(cè)條件較少，受檢測(cè)距離的限制較小，光敏和發(fā)光元件僅需安裝在氣門導(dǎo)管兩側(cè)即可檢測(cè)氣門偏移情況，不會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的正常運(yùn)行，起到檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門偏移的效果。

(2)對(duì)于缸內(nèi)氣門來(lái)說(shuō)，需要檢測(cè)裝置能在盡可能長(zhǎng)的時(shí)間精確檢測(cè)氣門的偏移狀況，所以對(duì)裝置的使用壽命也有著極其高的要求，而光電傳感器對(duì)于其他的傳感器來(lái)說(shuō)有著特殊的檢測(cè)方式，采取了光電技術(shù)領(lǐng)域，一般的光電式傳感器使用壽命為4～6年，而根據(jù)當(dāng)今大部分汽車的使用壽命，相較于壓敏傳感器和拉力傳感器等其他傳感器，壽命相對(duì)較長(zhǎng)，在極大程度上避免了檢測(cè)裝置與被測(cè)物體的接觸，減少了兩者之間的磨損和其他磨損現(xiàn)象，在一定程度上延長(zhǎng)了檢測(cè)裝置的使用壽命。

(3)光電傳感器裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適配性、兼容性較強(qiáng)，具有很強(qiáng)的適用性。兩個(gè)傳感器安裝在汽缸蓋上，在各類車型的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)皆可實(shí)用，可根據(jù)不同類型車輛氣門導(dǎo)管的外徑來(lái)調(diào)整光敏元件與發(fā)光元件之間的相對(duì)距離，然而不會(huì)因?yàn)楣饷粼桶l(fā)光元件距離的變大或變小導(dǎo)致測(cè)量的精確性降低?？筛鶕?jù)進(jìn)氣門和排氣門所配置不同規(guī)格的氣門間隙寬度，從而對(duì)光電式傳感器的安裝位置進(jìn)行調(diào)整，使之在氣門發(fā)生偏移時(shí)，能很大程度上解決了大多數(shù)傳感器因結(jié)構(gòu)問(wèn)題和適配性問(wèn)題而導(dǎo)致的適用范圍小的弊端，且不影響發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的正常運(yùn)作。

(4)能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)氣門偏移，反應(yīng)快，誤差小。氣門運(yùn)動(dòng)不偏移時(shí)，阻擋光路，光敏元件未收到光信號(hào)，由發(fā)光元件發(fā)出的光線因光線的射出受到氣門阻擋無(wú)法通過(guò)第一通光孔，光敏元件接收不到來(lái)自發(fā)光元件的光線，且由于此裝置不影響氣門的工作狀態(tài)，受到來(lái)自其他方面的影響小，誤判的概率極小。但氣門一旦發(fā)生細(xì)微的偏移，發(fā)光元件、光敏元件之間的光線未收到氣門的阻擋，光敏元件就能立刻檢測(cè)到來(lái)自發(fā)光元件通過(guò)第二通光孔和第一通光孔的光線并且經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元信號(hào)處理判斷氣門確實(shí)發(fā)生偏移現(xiàn)象，讓駕駛員能及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的偏移現(xiàn)象，極大地保障了駕駛員和汽車的安全。

(5)作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的檢測(cè)裝置，需配備至少16個(gè)氣門的傳感器檢測(cè)數(shù)量，這對(duì)于傳感器的制造成本也有著極高的經(jīng)濟(jì)要求。從汽車制造商層面來(lái)講，該裝置的制造成本較低，安裝光電式傳感器可減輕發(fā)動(dòng)機(jī)以及整車的制造成本并且有著極好的檢測(cè)效果；從消費(fèi)者層面來(lái)講，在氣門處添加該裝置來(lái)檢測(cè)氣門偏移狀況，既能保障汽車的安全，又不會(huì)因傳感器的制造成本而對(duì)整車的價(jià)格抬得過(guò)高。因此在檢測(cè)氣門偏移的傳感器裝置中，該裝置更能被大眾接受并沿用。

3 結(jié)束語(yǔ)

光電式氣門偏移檢測(cè)裝置以精確性高、反應(yīng)快、成本低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用在檢測(cè)氣門偏移上，此裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在工程上容易實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到氣門運(yùn)動(dòng)的偏移狀況，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)故障，使汽車駕駛者及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門故障，保障其人身安全。

光電式檢測(cè)裝置憑借自身諸多特點(diǎn)，不僅可在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門偏移上作為檢測(cè)裝置，也能在發(fā)動(dòng)機(jī)其他部件作為檢測(cè)裝置，高效及時(shí)檢測(cè)各類汽車狀況，我國(guó)光電式檢測(cè)裝置亦在不斷發(fā)展，不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，且應(yīng)用在汽車檢測(cè)裝置上的發(fā)展前景廣闊，為今后測(cè)試裝置的改進(jìn)以及革新創(chuàng)造了技術(shù)條件和技術(shù)基礎(chǔ)。