基于火花塞離子電流檢測技術(shù)設計應用

　　1.引言

　　在最近的實(shí)驗研究中，一種新的發(fā)動(dòng)機工作情況檢測方法--離子電流檢測法得到國內外研究人員的密切關(guān)注。當發(fā)動(dòng)機工作室，由于工況不同，燃氣密度不同，通過(guò)火花塞離子電流的大小及變化也不同，因此利用火花塞電極作為信號感受器可以檢測各種不同發(fā)動(dòng)機信號。離子電流檢測法主要有兩大優(yōu)點(diǎn)：首先是便于安裝，直接用火花塞作為傳感器，結構簡(jiǎn)單對發(fā)動(dòng)機結構無(wú)損壞，測試原理比較簡(jiǎn)單，電路易實(shí)現，可以用在工程測量方面；其次是價(jià)格較低，可以大范圍運用。

　　本文所介紹的點(diǎn)火測試系統主要是模擬四缸發(fā)動(dòng)機的運轉，通過(guò)MCU發(fā)出四路相位差為90度的脈沖信號來(lái)模擬，同時(shí)脈沖信號的占空比可以根據點(diǎn)火能量實(shí)時(shí)調整。而離子電流檢測部分則主要對火花塞產(chǎn)生的離子電流信號的提取并進(jìn)行放大處理高壓隔離后進(jìn)行檢測。該檢測儀的最大特點(diǎn)是在不需要特殊的傳感器的情況下進(jìn)行能夠方便的進(jìn)行檢測。

　　2.發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火系統和離子電流檢測電路

　　2.1 點(diǎn)火系統的工作原理

　　圖2-1為初級電路等效電路圖，由電源（蓄電池），電阻，點(diǎn)火線(xiàn)圈的初級繞組，觸點(diǎn)和電容組成。具體工作過(guò)程為：當觸點(diǎn)閉合時(shí)，初級電流通過(guò)電源，附加電阻，再流過(guò)點(diǎn)火線(xiàn)圈的初級繞組，其中初級電流的增長(cháng)方式是按照指數規律而增長(cháng)的，并且初級電流存在極限值，這個(gè)極限值約為UB/R.在初級電流不斷增長(cháng)的同時(shí)，初級繞組中產(chǎn)生自感電勢，次級繞組相應產(chǎn)生電勢，大小為1.5KV到2KV，但是這個(gè)電勢不足以擊穿火花塞的間隙。

　　2.2 離子電流電測法的原理

　　離子電流檢測法就是根據外加偏置電壓后，發(fā)動(dòng)機燃燒室內火花塞兩電極之間產(chǎn)生的離子電流進(jìn)行分析檢測，從而得知發(fā)動(dòng)機運轉情況的方法。由于火花塞離子電流信號中包含大量發(fā)動(dòng)機運轉和燃燒的相關(guān)信息，因此我們可以通過(guò)對離子電流信號的采集及處理，提取出我們所需要的發(fā)動(dòng)機運行參數，以保證發(fā)動(dòng)機時(shí)刻保持在最佳運行狀態(tài)。應用這些運行參數，我們也可以完成對發(fā)動(dòng)機的運轉狀態(tài)實(shí)時(shí)監控，同時(shí)可以處理反饋的信息完成相應的控制，也可以對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行故障檢測。

　　3.發(fā)動(dòng)機離子電流檢測儀的設計實(shí)現

　　3.1 MCU控制部分電路設計

　　動(dòng)電路部分將MCU發(fā)出的脈沖信號放大直接與點(diǎn)火線(xiàn)圈相連，另外設置了保護電路將信號反饋給MCU部分保護整個(gè)測試系統。兩部分之間采用光電耦合器進(jìn)行光電隔離。MCU整體的原理圖設計如圖3-1所示，晶振為12M。

　　3.2 驅動(dòng)部分電路設計

　　為了使整個(gè)點(diǎn)火測試系統比較安全可靠，MCU部分和驅動(dòng)部分分別設計成兩塊PCB板，MCU完成控制顯示功能，驅動(dòng)部分則與點(diǎn)火線(xiàn)圈相連，根據MCU發(fā)出的控制信號控制點(diǎn)火線(xiàn)圈的充放電。兩部分之間用光電耦合器隔離開(kāi)。一路驅動(dòng)電路的設計如圖3-2所示。

　　3.3 離子電流檢測部分電路設計

　　離子電流檢測部分的作用主要是將離子電流信號從發(fā)動(dòng)機中取出并且轉變?yōu)殡妷盒盘?，該電壓信號?jīng)過(guò)儀表放大器的放大處理后，通過(guò)隔離放大器和A/D轉換后即可送入單片機進(jìn)行處理。由于發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火時(shí)火花塞兩端有很高的電壓，達到上萬(wàn)伏，因此不能夠直接加400V的偏置電壓，必須要采取隔離措施，這里在設計時(shí)采取的是用高壓硅堆進(jìn)行隔離的方法，即在400V偏置電壓和高壓線(xiàn)圈之間串入高壓硅堆。加400V的偏置電壓的目的是為了將離子電流信號取出，同時(shí)通過(guò)電阻R2轉變?yōu)殡妷盒盘?。離子電流檢測的原理圖如圖3-3所示。

　　3.4 主程序結構框架

　　主程序的總體結構比較簡(jiǎn)單，首先是開(kāi)機歡迎界面的顯示，這是通過(guò)調用相應的顯示子程序實(shí)現的，同時(shí)要加2秒的延遲。接著(zhù)就進(jìn)入循環(huán)部分，這部分首先進(jìn)行A/D轉換相應子程序的調用，完成A/D轉換同時(shí)顯示在液晶屏上，這樣就可以實(shí)時(shí)觀(guān)察電池電壓，然后就不斷判斷四個(gè)按鍵哪個(gè)鍵被按下，若被按下則執行相應的功能，執行結束后返回循環(huán)，繼續判斷，若沒(méi)有鍵被按下，則重新開(kāi)始循環(huán)檢測。

　　具體的流程圖3-5所示。

　　4.結論

　　本文以火花塞離子電流法采集火花塞點(diǎn)火時(shí)形成的離子電流信號作為開(kāi)發(fā)目標，對所涉及的基本理論知識、硬件電路的設計和軟件程序的編寫(xiě)作了較為詳細的介紹。火花塞離子電流檢測技術(shù)是一項新興的發(fā)動(dòng)機燃燒狀態(tài)檢測技術(shù)，由于自身存在很多優(yōu)勢，因此它受到了研究者的廣泛關(guān)注。雖然目前由于技術(shù)的局限的適用范圍還比較有限，但是我相信隨著(zhù)研究者的不斷深入研究，離子電流檢測技術(shù)會(huì )進(jìn)一步發(fā)展，這項技術(shù)一定會(huì )在未來(lái)得到廣泛的應用，在檢測發(fā)動(dòng)機工作情況的領(lǐng)域中一定會(huì )占據主導地位。