基于火花塞離子電流檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用

　　1.引言

　　在最近的實(shí)驗(yàn)研究中，一種新的發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況檢測(cè)方法--離子電流檢測(cè)法得到國內(nèi)外研究人員的密切關(guān)注。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作室，由于工況不同，燃?xì)饷芏炔煌?，通過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(hào)感受器可以檢測(cè)各種不同發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)。離子電流檢測(cè)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(jié)構(gòu)簡單對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)無損壞，測(cè)試原理比較簡單，電路易實(shí)現(xiàn)，可以用在工程測(cè)量方面；其次是價(jià)格較低，可以大范圍運(yùn)用。

　　本文所介紹的點(diǎn)火測(cè)試系統(tǒng)主要是模擬四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，通過MCU發(fā)出四路相位差為90度的脈沖信號(hào)來模擬，同時(shí)脈沖信號(hào)的占空比可以根據(jù)點(diǎn)火能量實(shí)時(shí)調(diào)整。而離子電流檢測(cè)部分則主要對(duì)火花塞產(chǎn)生的離子電流信號(hào)的提取并進(jìn)行放大處理高壓隔離后進(jìn)行檢測(cè)。該檢測(cè)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(cè)。

　　2.發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)和離子電流檢測(cè)電路

　　2.1 點(diǎn)火系統(tǒng)的工作原理

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

　　2.2 離子電流電測(cè)法的原理

　　離子電流檢測(cè)法就是根據(jù)外加偏置電壓后，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)火花塞兩電極之間產(chǎn)生的離子電流進(jìn)行分析檢測(cè)，從而得知發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況的方法。由于火花塞離子電流信號(hào)中包含大量發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和燃燒的相關(guān)信息，因此我們可以通過對(duì)離子電流信號(hào)的采集及處理，提取出我們所需要的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)刻保持在最佳運(yùn)行狀態(tài)。應(yīng)用這些運(yùn)行參數(shù)，我們也可以完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)可以處理反饋的信息完成相應(yīng)的控制，也可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行故障檢測(cè)。

　　3.發(fā)動(dòng)機(jī)離子電流檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　3.1 MCU控制部分電路設(shè)計(jì)

　　動(dòng)電路部分將MCU發(fā)出的脈沖信號(hào)放大直接與點(diǎn)火線圈相連，另外設(shè)置了保護(hù)電路將信號(hào)反饋給MCU部分保護(hù)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。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(shè)計(jì)如圖3-1所示，晶振為12M。

　　3.2 驅(qū)動(dòng)部分電路設(shè)計(jì)

　　為了使整個(gè)點(diǎn)火測(cè)試系統(tǒng)比較安全可靠，MCU部分和驅(qū)動(dòng)部分分別設(shè)計(jì)成兩塊PCB板，MCU完成控制顯示功能，驅(qū)動(dòng)部分則與點(diǎn)火線圈相連，根據(jù)MCU發(fā)出的控制信號(hào)控制點(diǎn)火線圈的充放電。兩部分之間用光電耦合器隔離開。一路驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖3-2所示。

　　3.3 離子電流檢測(cè)部分電路設(shè)計(jì)

　　離子電流檢測(cè)部分的作用主要是將離子電流信號(hào)從發(fā)動(dòng)機(jī)中取出并且轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過儀表放大器的放大處理后，通過隔離放大器和A/D轉(zhuǎn)換后即可送入單片機(jī)進(jìn)行處理。由于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)火花塞兩端有很高的電壓，達(dá)到上萬伏，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(shè)計(jì)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(hào)取出，同時(shí)通過電阻R2轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。離子電流檢測(cè)的原理圖如圖3-3所示。

　　3.4 主程序結(jié)構(gòu)框架

　　主程序的總體結(jié)構(gòu)比較簡單，首先是開機(jī)歡迎界面的顯示，這是通過調(diào)用相應(yīng)的顯示子程序?qū)崿F(xiàn)的，同時(shí)要加2秒的延遲。接著就進(jìn)入循環(huán)部分，這部分首先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換相應(yīng)子程序的調(diào)用，完成A/D轉(zhuǎn)換同時(shí)顯示在液晶屏上，這樣就可以實(shí)時(shí)觀察電池電壓，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(zhí)行相應(yīng)的功能，執(zhí)行結(jié)束后返回循環(huán)，繼續(xù)判斷，若沒有鍵被按下，則重新開始循環(huán)檢測(cè)。

　　具體的流程圖3-5所示。

　　4.結(jié)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(hào)作為開發(fā)目標(biāo)，對(duì)所涉及的基本理論知識(shí)、硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件程序的編寫作了較為詳細(xì)的介紹。火花塞離子電流檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)新興的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)，由于自身存在很多優(yōu)勢(shì)，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，但是我相信隨著研究者的不斷深入研究，離子電流檢測(cè)技術(shù)會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)一定會(huì)在未來得到廣泛的應(yīng)用，在檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況的領(lǐng)域中一定會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位。