發動機離子電流檢測儀的設計實現

【摘要】本文基于火花塞離子電流檢測技術設計了發動機點火控制電路和發動機離子電流檢測電路。點火控制電路主要通過編程模擬發動機的點火過程，離子電流檢測電路主要完成對火花塞兩極之間離子電流信號進行采集放大的工作，以便處理和分析。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行能夠方便的進行檢測。

【關鍵詞】發動機；離子電流；檢測；設計實現

1.引言

在最近的實驗研究中，一種新的發動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注。當發動機工作室，由于工況不同，燃氣密度不同，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動機信號[1]。離子電流檢測法主要有兩大優點：首先是便于安裝，直接用火花塞作為傳感器，結構簡單對發動機結構無損壞，測試原理比較簡單，電路易實現，可以用在工程測量方面；其次是價格較低，可以大范圍運用。

本文所介紹的點火測試系統主要是模擬四缸發動機的運轉，通過MCU發出四路相位差為90度的脈沖信號來模擬，同時脈沖信號的占空比可以根據點火能量實時調整。而離子電流檢測部分則主要對火花塞產生的離子電流信號的提取并進行放大處理高壓隔離后進行檢測。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行能夠方便的進行檢測。

2.發動機點火系統和離子電流檢測電路

2.1 點火系統的工作原理

圖2-1為初級電路等效電路圖，由電源（蓄電池），電阻，點火線圈的初級繞組，觸點和電容組成。具體工作過程為：當觸點閉合時，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規律而增長的，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，初級繞組中產生自感電勢，次級繞組相應產生電勢，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外加偏置電壓后，發動機燃燒室內火花塞兩電極之間產生的離子電流進行分析檢測，從而得知發動機運轉情況的方法[2]。由于火花塞離子電流信號中包含大量發動機運轉和燃燒的相關信息，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動機運行參數，以保證發動機時刻保持在最佳運行狀態。應用這些運行參數，我們也可以完成對發動機的運轉狀態實時監控，同時可以處理反饋的信息完成相應的控制，也可以對發動機進行故障檢測。

3.發動機離子電流檢測儀的設計實現

3.1 MCU控制部分電路設計

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

3.2 驅動部分電路設計

為了使整個點火測試系統比較安全可靠，MCU部分和驅動部分分別設計成兩塊PCB板，MCU完成控制顯示功能，驅動部分則與點火線圈相連，根據MCU發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。一路驅動電路的設計如圖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動機中取出并且轉變為電壓信號，該電壓信號經過儀表放大器的放大處理后，通過隔離放大器和A/D轉換后即可送入單片機進行處理[3]。由于發動機點火時火花塞兩端有很高的電壓，達到上萬伏，因此不能夠直接加400V的偏置電壓，必須要采取隔離措施，這里在設計時采取的是用高壓硅堆進行隔離的方法，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轉變為電壓信號。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單，首先是開機歡迎界面的顯示，這是通過調用相應的顯示子程序實現的，同時要加2秒的延遲。接著就進入循環部分，這部分首先進行A/D轉換相應子程序的調用，完成A/D轉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，若被按下則執行相應的功能，執行結束后返回循環，繼續判斷，若沒有鍵被按下，則重新開始循環檢測。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火時形成的離子電流信號作為開發目標，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作了較為詳細的介紹。火花塞離子電流檢測技術是一項新興的發動機燃燒狀態檢測技術，由于自身存在很多優勢，因此它受到了研究者的廣泛關注。雖然目前由于技術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，離子電流檢測技術會進一步發展，這項技術一定會在未來得到廣泛的應用，在檢測發動機工作情況的領域中一定會占據主導地位。

參考文獻

[1]吳筱敏.Jae-OuChae.離子電流法在發動機燃燒室內工作過程檢測中的應用[J].西安交通大學學報，1998（9）：24-30.

[2]白華.基于離子電流法的汽油機燃燒狀態動態檢測[D].南京航空航天大學碩士論文，2007：4-5.

[3]何立民.51單片機系統的設計[M].北京航空航天大學出版社，2008，9.

[4]塞爾吉歐.佛朗哥.基于運放和模擬集成電路的電路設計[M].劉樹堂，譯.西安交通大學出版社，2004，8.

作者簡介：付寧（1970—），男，大學本科，烏蘭察布電業局高級工程師。