基于火花塞離子電流檢測技術(shù)設(shè)計應(yīng)用

1.引言

在最近的實驗研究中，一種新的發(fā)動機(jī)工作情況檢測方法--離子電流檢測法得到國內(nèi)外研究人員的密切關(guān)注。當(dāng)發(fā)動機(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感受器可以檢測各種不同發(fā)動機(jī)信號[1].離子電流檢測法主要有兩大優(yōu)點：首先是便于安裝，直接用火花塞作為傳感器，結(jié)構(gòu)簡單對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)無損壞，測試原理比較簡單，電路易實現(xiàn)，可以用在工程測量方面;其次是價格較低，可以大范圍運(yùn)用。

本文所介紹的點火測試系統(tǒng)主要是模擬四缸發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，通過MCU發(fā)出四路相位差為90度的脈沖信號來模擬，同時脈沖信號的占空比可以根據(jù)點火能量實時調(diào)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)動機(jī)點火系統(tǒng)和離子電流檢測電路

2.1 點火系統(tǒng)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，點火線圈的初級繞組，觸點和電容組成。具體工作過程為：當(dāng)觸點閉合時，初級電流通過電源，附加電阻，再流過點火線圈的初級繞組，其中初級電流的增長方式是按照指數(shù)規(guī)律而增長的，并且初級電流存在極限值，這個極限值約為UB/R.在初級電流不斷增長的同時，初級繞組中產(chǎn)生自感電勢，次級繞組相應(yīng)產(chǎn)生電勢，大小為1.5KV到2KV,但是這個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(jù)外加偏置電壓后，發(fā)動機(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，從而得知發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況的方法[2].由于火花塞離子電流信號中包含大量發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和燃燒的相關(guān)信息，因此我們可以通過對離子電流信號的采集及處理，提取出我們所需要的發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)，以保證發(fā)動機(jī)時刻保持在最佳運(yùn)行狀態(tài)。應(yīng)用這些運(yùn)行參數(shù)，我們也可以完成對發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)實時監(jiān)控，同時可以處理反饋的信息完成相應(yīng)的控制，也可以對發(fā)動機(jī)進(jìn)行故障檢測。

3.發(fā)動機(jī)離子電流檢測儀的設(shè)計實現(xiàn)

3.1 MCU控制部分電路設(shè)計

動電路部分將MCU發(fā)出的脈沖信號放大直接與點火線圈相連，另外設(shè)置了保護(hù)電路將信號反饋給MCU部分保護(hù)整個測試系統(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)計如圖3-1所示，晶振為12M.

3.2 驅(qū)動部分電路設(shè)計為了使整個點火測試系統(tǒng)比較安全可靠，MCU部分和驅(qū)動部分分別設(shè)計成兩塊PCB板，MCU完成控制顯示功能，驅(qū)動部分則與點火線圈相連，根據(jù)MCU發(fā)出的控制信號控制點火線圈的充放電。兩部分之間用光電耦合器隔離開。一路驅(qū)動電路的設(shè)計如圖3-2所示。

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3.3 離子電流檢測部分電路設(shè)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)動機(jī)中取出并且轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，該電壓信號?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[3].由于發(fā)動機(jī)點火時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)計時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[4].加400V的偏置電壓的目的是為了將離子電流信號取出，同時通過電阻R2轉(zhuǎn)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(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)換同時顯示在液晶屏上，這樣就可以實時觀察電池電壓，然后就不斷判斷四個按鍵哪個鍵被按下，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。

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火時形成的離子電流信號作為開發(fā)目標(biāo)，對所涉及的基本理論知識、硬件電路的設(shè)計和軟件程序的編寫作了較為詳細(xì)的介紹?；鸹ㄈx子電流檢測技術(shù)是一項新興的發(fā)動機(jī)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，但是我相信隨著研究者的不斷深入研究，離子電流檢測技術(shù)會進(jìn)一步發(fā)展，這項技術(shù)一定會在未來得到廣泛的應(yīng)用，在檢測發(fā)動機(jī)工作情況的領(lǐng)域中一定會占據(jù)主導(dǎo)地位。