基于光电信号的气门偏移检测装置设计

孟耀东,汤素雷，傅瑜杭

浙江农林大学暨阳学院,浙江诸暨 311800

0 引言

发动机气门是发动机配气机构的重要部件，保证发动机在工作时定时为汽缸吸入新鲜的可燃混合气，并及时将燃烧后的废气排出汽缸，影响着发动机的性能。而随着汽缸压力增大，转速增加，气门落座速度增加，气门落座时会发生径向偏移，这会使气门落座发生偏心运动，对座圈和气门产生很大的冲击力，引起气门过度磨损及气门断裂的问题，进而引发气门因磨损断裂所导致的一系列安全隐患和发动机故障，对驾驶者的人身安全和财产安全构成威胁。

1 理论介绍

1.1 光电式传感器的简述

光电传感器在各领域都有一定的使用基础，其操作方便、检测结构简单、检测结果极其准确。光电传感器主要是通过一些光电器件将接收到的光信号迅速转化为电信号。光电传感器使一系列的光电转换都得以实现，是一种光电转换过程中的重要元件，它的原理是从发射器发射出一个信号，接收器随即接收到指令，一旦有某物体阻挡了该光线的传播，传感器立刻做出相应的指令和动作。此传感器按照其光学测控系统的输出量的性质可分为两类：模拟式光电传感器和开关式光电传感器，从而衍生了模拟式光电传感器的3种类型：透射式、漫反射式、遮光式(光束遮挡和阻碍)，这3种类型分别通过使恒光源能量吸收透射到元件，或者以恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体的表面反射后投射到光电元件，以及遮光使投射到元件的光通量改变，从而使被测物体的光路位置改变。其中也不乏还有对射式光电传感器和扩散反射式光电传感器等，目前新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，使光电式传感器的发展又迈向了一个新的高度。

1.2 光电式传感器对检测气门偏移的可行性分析

相较于传统的传感器，光电传感器可用于大部分精密机器的检测，包括气门磨损或断裂导致的气门偏移，也可利用光电式检测其气门偏移的状况，对发动机以及汽车的安全性有着很大的保障。针对此次气门偏移检测的元件需求，所用的光电传感器元件为光敏元件和发光元件，且光敏元件上有连接发动机控制单元的引线，当发动机气门磨损发生偏移时，光电式传感器触发，引线连通汽车发动机的控制单元，可进行汽车发动机控制单元的处理，使汽车及时快速检测气门是否发生磨损偏移，多次检测，若确定发动机气门确实发生磨损偏移，则可将此信息通过语音提示或者图像提示的方式提醒驾驶员气门已经发生偏移，以便汽车驾驶者及时作出判断，对汽车发动机的运行和工作状况有着很大的作用，对汽车的安全性有着极大的提升。

2 气门偏移装置的总体设计

为了克服现有技术的缺陷，文中设计一种结构简单、易于制造的检测气门偏移的装置。该装置以光电式传感器为主体，即装有发光元件、光敏元件以及一系列光电式部件的装置，连接发动机控制单元，实时检测气门的偏转状况。

2.1 装置结构

设计一种光电式检测气门偏移的装置，包括发光元件、光敏元件、第一通光孔、气门导管、第二通光孔，发光元件和光敏元件安装固定在汽缸盖上，引线从汽缸盖引出；第一通光孔经过汽缸盖、气门导管一直贯穿到第二通光孔，第一通光孔连接有光敏元件，第二通光孔连接有发光元件。光电式检测气门偏移的装置示意如图1所示。

图1 光电式检测气门偏移的装置示意

由图1可见，所述的发光元件1和光敏元件4安装在同一水平线上；第一通光孔5和第二通光孔7的宽度与气门杆直径相等，保证气门运动不偏移时，发光元件1发出的光线经过第二通光孔7而无法通过第一通光孔5，即光敏元件4接收不到来自发光元件1的光线；而当气门运动偏移时，光敏元件4接收来自发光元件1通过第二通光孔7和第一通光孔5的光线。

发光元件1和光敏元件4安装在同一水平线上且不影响发动机气门的正常运作。光敏元件4的引线与发动机控制单元相连，可以进行信号处理，从而判断气门是否发生偏移。

2.2 装置具体实施

该装置把发光元件和光敏元件分别装在气门的两侧，气门运动不偏移时阻挡光路，光敏元件未收到光信号，由发光元件发出的光线经过第二通光孔因光线的射出受到气门阻挡而无法通过第一通光孔，即光敏元件接收不到来自发光元件的光线，此时，气门未发生偏移，发动机控制单元中可以得到气门未发生偏移的结果；而当气门运动偏移时，发光元件、光敏元件之间的光线未受到气门的阻挡，此时光敏元件接收到来自发光元件通过第二通光孔和第一通光孔的光线，光敏元件与发光元件连通，继而触发光敏元件，此时光敏元件的引线与发动机控制单元相连，经过发动机信号处理，判断气门发生了偏移。后续可根据统计气门发生偏移的次数，判断出气门的磨损情况。

2.3 装置特点

(1)利用光电传感器的原理，通过接收光线的信号来判断气门的偏移状况，检测方式简单便捷。目前大部分汽车所用的发动机皆为四缸发动机，具备16个气门;少数汽车发动机为六缸发动机，具备24个气门，庞大的气门数量对传感器检测气门的磨损偏移的精度以及传感器的检测方式都有着极其高的技术要求。利用光电传感器方便的操作程序，对检测物体的检测条件较少，受检测距离的限制较小，光敏和发光元件仅需安装在气门导管两侧即可检测气门偏移情况，不会影响到发动机气门的正常运行，起到检测发动机气门偏移的效果。

(2)对于缸内气门来说，需要检测装置能在尽可能长的时间精确检测气门的偏移状况，所以对装置的使用寿命也有着极其高的要求，而光电传感器对于其他的传感器来说有着特殊的检测方式，采取了光电技术领域，一般的光电式传感器使用寿命为4～6年，而根据当今大部分汽车的使用寿命，相较于压敏传感器和拉力传感器等其他传感器，寿命相对较长，在极大程度上避免了检测装置与被测物体的接触，减少了两者之间的磨损和其他磨损现象，在一定程度上延长了检测装置的使用寿命。

(3)光电传感器装置的结构简单，适配性、兼容性较强，具有很强的适用性。两个传感器安装在汽缸盖上，在各类车型的发动机内皆可实用，可根据不同类型车辆气门导管的外径来调整光敏元件与发光元件之间的相对距离，然而不会因为光敏元件和发光元件距离的变大或变小导致测量的精确性降低。可根据进气门和排气门所配置不同规格的气门间隙宽度，从而对光电式传感器的安装位置进行调整，使之在气门发生偏移时，能很大程度上解决了大多数传感器因结构问题和适配性问题而导致的适用范围小的弊端，且不影响发动机气门的正常运作。

(4)能实时准确检测气门偏移，反应快，误差小。气门运动不偏移时，阻挡光路，光敏元件未收到光信号，由发光元件发出的光线因光线的射出受到气门阻挡无法通过第一通光孔，光敏元件接收不到来自发光元件的光线，且由于此装置不影响气门的工作状态，受到来自其他方面的影响小，误判的概率极小。但气门一旦发生细微的偏移，发光元件、光敏元件之间的光线未收到气门的阻挡，光敏元件就能立刻检测到来自发光元件通过第二通光孔和第一通光孔的光线并且经发动机控制单元信号处理判断气门确实发生偏移现象，让驾驶员能及时准确地发现发动机气门的偏移现象，极大地保障了驾驶员和汽车的安全。

(5)作为汽车发动机气门的检测装置，需配备至少16个气门的传感器检测数量，这对于传感器的制造成本也有着极高的经济要求。从汽车制造商层面来讲，该装置的制造成本较低，安装光电式传感器可减轻发动机以及整车的制造成本并且有着极好的检测效果；从消费者层面来讲，在气门处添加该装置来检测气门偏移状况，既能保障汽车的安全，又不会因传感器的制造成本而对整车的价格抬得过高。因此在检测气门偏移的传感器装置中，该装置更能被大众接受并沿用。

3 结束语

光电式气门偏移检测装置以精确性高、反应快、成本低、使用寿命长等优势，运用在检测气门偏移上，此装置结构简单，在工程上容易实现，可以实时检测到气门运动的偏移状况，有利于及时发现发动机故障，使汽车驾驶者及时发现发动机气门故障，保障其人身安全。

光电式检测装置凭借自身诸多特点，不仅可在发动机气门偏移上作为检测装置，也能在发动机其他部件作为检测装置，高效及时检测各类汽车状况，我国光电式检测装置亦在不断发展，不断改进和创新，且应用在汽车检测装置上的发展前景广阔，为今后测试装置的改进以及革新创造了技术条件和技术基础。