基于光電信號的氣門偏移檢測裝置設計

孟耀東,湯素雷，傅瑜杭

浙江農林大學暨陽學院,浙江諸暨 311800

0 引言

發動機氣門是發動機配氣機構的重要部件，保證發動機在工作時定時為汽缸吸入新鮮的可燃混合氣，并及時將燃燒后的廢氣排出汽缸，影響著發動機的性能。而隨著汽缸壓力增大，轉速增加，氣門落座速度增加，氣門落座時會發生徑向偏移，這會使氣門落座發生偏心運動，對座圈和氣門產生很大的沖擊力，引起氣門過度磨損及氣門斷裂的問題，進而引發氣門因磨損斷裂所導致的一系列安全隱患和發動機故障，對駕駛者的人身安全和財產安全構成威脅。

1 理論介紹

1.1 光電式傳感器的簡述

光電傳感器在各領域都有一定的使用基礎，其操作方便、檢測結構簡單、檢測結果極其準確。光電傳感器主要是通過一些光電器件將接收到的光信號迅速轉化為電信號。光電傳感器使一系列的光電轉換都得以實現，是一種光電轉換過程中的重要元件，它的原理是從發射器發射出一個信號，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的指令和動作。此傳感器按照其光學測控系統的輸出量的性質可分為兩類：模擬式光電傳感器和開關式光電傳感器，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種類型分別通過使恒光源能量吸收透射到元件，或者以恒光源發出的光投射到被測物上，再從被測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，從而使被測物體的光路位置改變。其中也不乏還有對射式光電傳感器和擴散反射式光電傳感器等，目前新的光電器件不斷涌現，特別是CCD圖像傳感器的誕生，使光電式傳感器的發展又邁向了一個新的高度。

1.2 光電式傳感器對檢測氣門偏移的可行性分析

相較于傳統的傳感器，光電傳感器可用于大部分精密機器的檢測，包括氣門磨損或斷裂導致的氣門偏移，也可利用光電式檢測其氣門偏移的狀況，對發動機以及汽車的安全性有著很大的保障。針對此次氣門偏移檢測的元件需求，所用的光電傳感器元件為光敏元件和發光元件，且光敏元件上有連接發動機控制單元的引線，當發動機氣門磨損發生偏移時，光電式傳感器觸發，引線連通汽車發動機的控制單元，可進行汽車發動機控制單元的處理，使汽車及時快速檢測氣門是否發生磨損偏移，多次檢測，若確定發動機氣門確實發生磨損偏移，則可將此信息通過語音提示或者圖像提示的方式提醒駕駛員氣門已經發生偏移，以便汽車駕駛者及時作出判斷，對汽車發動機的運行和工作狀況有著很大的作用，對汽車的安全性有著極大的提升。

2 氣門偏移裝置的總體設計

為了克服現有技術的缺陷，文中設計一種結構簡單、易于制造的檢測氣門偏移的裝置。該裝置以光電式傳感器為主體，即裝有發光元件、光敏元件以及一系列光電式部件的裝置，連接發動機控制單元，實時檢測氣門的偏轉狀況。

2.1 裝置結構

設計一種光電式檢測氣門偏移的裝置，包括發光元件、光敏元件、第一通光孔、氣門導管、第二通光孔，發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；第一通光孔經過汽缸蓋、氣門導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光元件。光電式檢測氣門偏移的裝置示意如圖1所示。

圖1 光電式檢測氣門偏移的裝置示意

由圖1可見，所述的發光元件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，保證氣門運動不偏移時，發光元件1發出的光線經過第二通光孔7而無法通過第一通光孔5，即光敏元件4接收不到來自發光元件1的光線；而當氣門運動偏移時，光敏元件4接收來自發光元件1通過第二通光孔7和第一通光孔5的光線。

發光元件1和光敏元件4安裝在同一水平線上且不影響發動機氣門的正常運作。光敏元件4的引線與發動機控制單元相連，可以進行信號處理，從而判斷氣門是否發生偏移。

2.2 裝置具體實施

該裝置把發光元件和光敏元件分別裝在氣門的兩側，氣門運動不偏移時阻擋光路，光敏元件未收到光信號，由發光元件發出的光線經過第二通光孔因光線的射出受到氣門阻擋而無法通過第一通光孔，即光敏元件接收不到來自發光元件的光線，此時，氣門未發生偏移，發動機控制單元中可以得到氣門未發生偏移的結果；而當氣門運動偏移時，發光元件、光敏元件之間的光線未受到氣門的阻擋，此時光敏元件接收到來自發光元件通過第二通光孔和第一通光孔的光線，光敏元件與發光元件連通，繼而觸發光敏元件，此時光敏元件的引線與發動機控制單元相連，經過發動機信號處理，判斷氣門發生了偏移。后續可根據統計氣門發生偏移的次數，判斷出氣門的磨損情況。

2.3 裝置特點

(1)利用光電傳感器的原理，通過接收光線的信號來判斷氣門的偏移狀況，檢測方式簡單便捷。目前大部分汽車所用的發動機皆為四缸發動機，具備16個氣門;少數汽車發動機為六缸發動機，具備24個氣門，龐大的氣門數量對傳感器檢測氣門的磨損偏移的精度以及傳感器的檢測方式都有著極其高的技術要求。利用光電傳感器方便的操作程序，對檢測物體的檢測條件較少，受檢測距離的限制較小，光敏和發光元件僅需安裝在氣門導管兩側即可檢測氣門偏移情況，不會影響到發動機氣門的正常運行，起到檢測發動機氣門偏移的效果。

(2)對于缸內氣門來說，需要檢測裝置能在盡可能長的時間精確檢測氣門的偏移狀況，所以對裝置的使用壽命也有著極其高的要求，而光電傳感器對于其他的傳感器來說有著特殊的檢測方式，采取了光電技術領域，一般的光電式傳感器使用壽命為4～6年，而根據當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，壽命相對較長，在極大程度上避免了檢測裝置與被測物體的接觸，減少了兩者之間的磨損和其他磨損現象，在一定程度上延長了檢測裝置的使用壽命。

(3)光電傳感器裝置的結構簡單，適配性、兼容性較強，具有很強的適用性。兩個傳感器安裝在汽缸蓋上，在各類車型的發動機內皆可實用，可根據不同類型車輛氣門導管的外徑來調整光敏元件與發光元件之間的相對距離，然而不會因為光敏元件和發光元件距離的變大或變小導致測量的精確性降低?？筛鶕M氣門和排氣門所配置不同規格的氣門間隙寬度，從而對光電式傳感器的安裝位置進行調整，使之在氣門發生偏移時，能很大程度上解決了大多數傳感器因結構問題和適配性問題而導致的適用范圍小的弊端，且不影響發動機氣門的正常運作。

(4)能實時準確檢測氣門偏移，反應快，誤差小。氣門運動不偏移時，阻擋光路，光敏元件未收到光信號，由發光元件發出的光線因光線的射出受到氣門阻擋無法通過第一通光孔，光敏元件接收不到來自發光元件的光線，且由于此裝置不影響氣門的工作狀態，受到來自其他方面的影響小，誤判的概率極小。但氣門一旦發生細微的偏移，發光元件、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到來自發光元件通過第二通光孔和第一通光孔的光線并且經發動機控制單元信號處理判斷氣門確實發生偏移現象，讓駕駛員能及時準確地發現發動機氣門的偏移現象，極大地保障了駕駛員和汽車的安全。

(5)作為汽車發動機氣門的檢測裝置，需配備至少16個氣門的傳感器檢測數量，這對于傳感器的制造成本也有著極高的經濟要求。從汽車制造商層面來講，該裝置的制造成本較低，安裝光電式傳感器可減輕發動機以及整車的制造成本并且有著極好的檢測效果；從消費者層面來講，在氣門處添加該裝置來檢測氣門偏移狀況，既能保障汽車的安全，又不會因傳感器的制造成本而對整車的價格抬得過高。因此在檢測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 結束語

光電式氣門偏移檢測裝置以精確性高、反應快、成本低、使用壽命長等優勢，運用在檢測氣門偏移上，此裝置結構簡單，在工程上容易實現，可以實時檢測到氣門運動的偏移狀況，有利于及時發現發動機故障，使汽車駕駛者及時發現發動機氣門故障，保障其人身安全。

光電式檢測裝置憑借自身諸多特點，不僅可在發動機氣門偏移上作為檢測裝置，也能在發動機其他部件作為檢測裝置，高效及時檢測各類汽車狀況，我國光電式檢測裝置亦在不斷發展，不斷改進和創新，且應用在汽車檢測裝置上的發展前景廣闊，為今后測試裝置的改進以及革新創造了技術條件和技術基礎。