新型發(fā)動機火花塞檢測技術(shù)

王步來，卞 鵬，盧 煜，苑宇陽

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，上海 201418）

1 引言

眾所周知，火花塞被譽為發(fā)動機的心臟，質(zhì)量不好的火花塞會使發(fā)動機點火性能下降，使燃油不充分燃燒，增加油耗，隨著國際能源危機的日益加重，我國迎來了史上最嚴格的汽車排放標準—國六排放標準，這就更要求被運用在發(fā)動機上的火花塞是達到一定要求的精度的火花塞。

傳統(tǒng)的火花塞檢測方法是在發(fā)動機正常工作時，采集燃氣中產(chǎn)生的離子濃度，根據(jù)濃度來判斷汽油燃燒的狀態(tài)，采集的過程需要在發(fā)動機上安裝傳感器，并需知道發(fā)動機相關(guān)參數(shù)，通過傳感器來測試壓燃后產(chǎn)生的離子濃度，文獻［1］利用火花塞作為傳感器，提出了離子電流檢測法，通過對多個參數(shù)的檢測，對離子電流進行理論分析證實了離子電流的可行性，文獻［2］改進了離子電流檢測法，實現(xiàn)了離子電流閉環(huán)點火控制，促進了離子電流法的發(fā)展，但是這種傳統(tǒng)的檢測方法過于浪費資源，且勞動強度高、設(shè)備復(fù)雜，針對不足，這里設(shè)計了一種新型的火花塞檢測方法，不需要加入燃油進行工況下的點火測試，而是模擬火花塞得點火工況，通過Labview 軟件，以及NI 的設(shè)備顯卡構(gòu)成采集與反饋計算系統(tǒng)，采用NI6351作為控制芯片構(gòu)建高精度、多通道汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對發(fā)動機火花塞質(zhì)量優(yōu)劣的自動化臺架采集，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法處理、圖像顯示、自動存儲，與上位機通訊、自動分析數(shù)據(jù)及導(dǎo)出數(shù)據(jù)到Oracle數(shù)據(jù)庫并可以實時調(diào)出等功能。

2 系統(tǒng)組成

這里的新型高精度多通道發(fā)動機火花塞質(zhì)量檢測系統(tǒng)由檢測臺架和上位機兩部分組成。這里的系統(tǒng)的工作過程為：發(fā)動機進入預(yù)設(shè)位置時，Labview控制連桿下壓，將高壓點火探棒下壓入缸內(nèi)，進入預(yù)點火位置，采用可編輯邏輯電源供電，按鈕選擇模塊進行通道的切換，切換選擇測試的分缸，時鐘延時模塊進行各缸延時的連續(xù)測試通過ECU控制火花塞的點火信號，擊穿火花塞兩電極之間的氣隙，產(chǎn)生電火花，采集并計算火花塞放電過程中的電流信號，Labview軟件進行算法分析，并將實時的數(shù)據(jù)顯示在顯示模塊中，當程序檢測到異常數(shù)據(jù)時，程序會啟動報警模塊，并停止繼續(xù)檢測，此時工作人員就需要拆缸檢測發(fā)動機火花塞。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System Block Diagram

3 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)的PCB點火板原理圖，如圖2所示。點火脈沖通過開關(guān)S1經(jīng)Q1給高壓點火線圈充電，突然斷開驅(qū)動電路在初級線圈上的驅(qū)動電流，高壓側(cè)產(chǎn)生高壓，通過二極管連接到點火線圈的高壓側(cè)，加上限定的高壓（擊穿火花塞的高壓達到（10～30）kV，擊穿后會降低到幾千伏），火花塞由于中心極的高壓而擊穿，正常放電，串接到點火線圈高壓側(cè)的另一端的取樣電阻進行取樣，分析波形相關(guān)數(shù)據(jù)，通過算法計算間隙大小。

圖2 系統(tǒng)點火的PCB原理圖Fig.2 PCB Schematic Diagram of System Ignition

4 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

4.1 高壓點火探棒工作原理

探棒上有兩極，如圖3所示。中心極與邊極，中心極連接到探棒中間導(dǎo)電銅柱上，邊極連接到探棒上的導(dǎo)電銅環(huán)上，當進行點火測試時，點火電極的外接口加入高壓信號，探棒產(chǎn)生的高壓就會擊穿火花塞之間的間隙而產(chǎn)生放電火花，臺架通過反饋回來的電壓和電流信號通過算法計算間隙。

圖3 探棒示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Probe

4.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法計算火花塞間隙方法的設(shè)計

此臺架運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算火花塞之間的間隙，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有兩個學(xué)習(xí)過程：正向的學(xué)習(xí)過程以及反向的學(xué)習(xí)過程。正向的學(xué)習(xí)過程：將電流寬度的信號以及導(dǎo)數(shù)信號3通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行輸入，得到一個權(quán)值，經(jīng)過加權(quán)平均和，激活函數(shù)的映射，最后傳播到輸出層，反向?qū)W習(xí)過程：將正向?qū)W習(xí)的結(jié)果以及實際的目標結(jié)果，對兩者進行誤差分析，分析得到的結(jié)果反向傳播到每一層神經(jīng)元中［3］，網(wǎng)絡(luò)框圖，如圖4所示。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框圖Fig.4 Neural Network Block Diagram

圖5 將數(shù)據(jù)錄入Oracle數(shù)據(jù)庫的程序圖Fig.5 Program Diagram of Inputting Data into Oracle Database

圖6 前面板的設(shè)計Fig.6 Design of Front Panel

圖7 程序框圖的設(shè)計Fig.7 The Design of Program Block Diagram

圖8 臺架流程圖Fig.8 Bench Flow Chart

4.3 信號調(diào)理電路的設(shè)計

由于待測信號在現(xiàn)場嘈雜多干擾的環(huán)境下，會出現(xiàn)雜波以及畸變，需要信號調(diào)理電路進行濾波、放大，將信號轉(zhuǎn)化成采集系統(tǒng)能識別的標準信號，從火花塞端輸出的信號是（3～10）mA的電流信號，但因為NI USB6351無法對電流進行直接采樣，需要外接一個采樣電阻，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，這樣采集卡就可以數(shù)據(jù)采集。根據(jù)使用的NI USB6351采集卡的量程以及電流范圍來確定信號調(diào)理電路［4］。

4.4 現(xiàn)場終端電路及接口

現(xiàn)場終端主要是為了完成對火花塞質(zhì)量的實時采集和顯示，通過將采集的數(shù)據(jù)反饋給Labview軟件進行算法計算，最終得出是否為合格的火花塞產(chǎn)品，將實時數(shù)據(jù)通過串口電源模塊上傳至上位機，并最終將數(shù)據(jù)存儲到Orecel數(shù)據(jù)庫中，以便調(diào)取與查看。本系統(tǒng)現(xiàn)場終端主要由NI-USB6351采集卡，高壓點火探棒，AD轉(zhuǎn)換模塊和串口通信芯片MAX232組成。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計及測試

Labview是一種圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境，一個面向最終用戶的工具，一般包括前面板和程序面板，前面板可以作為系統(tǒng)的顯示界面，也同樣可以是用戶直接操作的界面，可以配置分缸點火控制，也可以顯示分缸實時的擊穿信號等［5］。

5.1 上位機系統(tǒng)檢測點火設(shè)計

5.2 下位機系統(tǒng)控制軟件設(shè)計

5.3 系統(tǒng)測試

臺架系統(tǒng)完成后，為了確保能在車間現(xiàn)場運行的穩(wěn)定性，以及系統(tǒng)測試的精確度，在實驗室進行了測試，測試方法為比較測試法，由重慶長安汽車股份有限公司提供的發(fā)動機以及不同間隙規(guī)格的火花塞，由我們臺架測試系統(tǒng)所測得計算出數(shù)據(jù)與實際值進行比較，測試中現(xiàn)場測試圖片，如圖9所示?，F(xiàn)場發(fā)動機設(shè)備，如圖10所示。測試數(shù)據(jù)，如表1～表3所示。

表1 四缸合格火花塞測試Tab.1 Four Cylinder Qualified Spark Plug Test

表2 四缸小間隙火花塞測試Tab.2 Test of Four Cylinder Spark Plug with Small Gap

表3 四缸大間隙火花塞測試Tab.3 Test of Four Cylinder Spark Plug with Large Gap

圖9 測試電腦設(shè)備Fig.9 Test Computer Equipment

圖10 現(xiàn)場發(fā)動機設(shè)備Fig.10 Field Engine Equipment

6 結(jié)語

設(shè)計的基于Labview 的高精度、多通道的火花塞檢測系統(tǒng)，經(jīng)過幾十組不同規(guī)格的火花塞進行實驗測試和數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)無論是對于輕微瑕疵的火花塞以及嚴重不合格的火花塞測試都能夠比較精確的檢測出來。

相比較于傳統(tǒng)的火花塞測試方法，節(jié)約了人工成本，更加節(jié)能，在自動化流水線上進行運作，提高了效率，數(shù)據(jù)可靠安全，同時可以數(shù)據(jù)導(dǎo)出至Oracle數(shù)據(jù)庫，無需手動輸入數(shù)據(jù)，使每次實驗結(jié)果都能夠調(diào)取查看，并還原測試時數(shù)據(jù)和圖形，做到更好的可視，具有很高的工程應(yīng)用價值［6］。