新型发动机火花塞检测技术

王步来，卞 鹏，卢 煜，苑宇阳

（上海应用技术大学，上海 201418）

1 引言

众所周知，火花塞被誉为发动机的心脏，质量不好的火花塞会使发动机点火性能下降，使燃油不充分燃烧，增加油耗，随着国际能源危机的日益加重，我国迎来了史上最严格的汽车排放标准—国六排放标准，这就更要求被运用在发动机上的火花塞是达到一定要求的精度的火花塞。

传统的火花塞检测方法是在发动机正常工作时，采集燃气中产生的离子浓度，根据浓度来判断汽油燃烧的状态，采集的过程需要在发动机上安装传感器，并需知道发动机相关参数，通过传感器来测试压燃后产生的离子浓度，文献［1］利用火花塞作为传感器，提出了离子电流检测法，通过对多个参数的检测，对离子电流进行理论分析证实了离子电流的可行性，文献［2］改进了离子电流检测法，实现了离子电流闭环点火控制，促进了离子电流法的发展，但是这种传统的检测方法过于浪费资源，且劳动强度高、设备复杂，针对不足，这里设计了一种新型的火花塞检测方法，不需要加入燃油进行工况下的点火测试，而是模拟火花塞得点火工况，通过Labview 软件，以及NI 的设备显卡构成采集与反馈计算系统，采用NI6351作为控制芯片构建高精度、多通道汽车发动机检测系统，实现对发动机火花塞质量优劣的自动化台架采集，神经网络算法处理、图像显示、自动存储，与上位机通讯、自动分析数据及导出数据到Oracle数据库并可以实时调出等功能。

2 系统组成

这里的新型高精度多通道发动机火花塞质量检测系统由检测台架和上位机两部分组成。这里的系统的工作过程为：发动机进入预设位置时，Labview控制连杆下压，将高压点火探棒下压入缸内，进入预点火位置，采用可编辑逻辑电源供电，按钮选择模块进行通道的切换，切换选择测试的分缸，时钟延时模块进行各缸延时的连续测试通过ECU控制火花塞的点火信号，击穿火花塞两电极之间的气隙，产生电火花，采集并计算火花塞放电过程中的电流信号，Labview软件进行算法分析，并将实时的数据显示在显示模块中，当程序检测到异常数据时，程序会启动报警模块，并停止继续检测，此时工作人员就需要拆缸检测发动机火花塞。

图1 系统框图Fig.1 System Block Diagram

3 系统原理

系统的PCB点火板原理图，如图2所示。点火脉冲通过开关S1经Q1给高压点火线圈充电，突然断开驱动电路在初级线圈上的驱动电流，高压侧产生高压，通过二极管连接到点火线圈的高压侧，加上限定的高压（击穿火花塞的高压达到（10～30）kV，击穿后会降低到几千伏），火花塞由于中心极的高压而击穿，正常放电，串接到点火线圈高压侧的另一端的取样电阻进行取样，分析波形相关数据，通过算法计算间隙大小。

图2 系统点火的PCB原理图Fig.2 PCB Schematic Diagram of System Ignition

4 系统软硬件设计

4.1 高压点火探棒工作原理

探棒上有两极，如图3所示。中心极与边极，中心极连接到探棒中间导电铜柱上，边极连接到探棒上的导电铜环上，当进行点火测试时，点火电极的外接口加入高压信号，探棒产生的高压就会击穿火花塞之间的间隙而产生放电火花，台架通过反馈回来的电压和电流信号通过算法计算间隙。

图3 探棒示意图Fig.3 Schematic Diagram of Probe

4.2 神经网络算法计算火花塞间隙方法的设计

此台架运用BP神经网络计算火花塞之间的间隙，BP神经网络有两个学习过程：正向的学习过程以及反向的学习过程。正向的学习过程：将电流宽度的信号以及导数信号3通过神经网络进行输入，得到一个权值，经过加权平均和，激活函数的映射，最后传播到输出层，反向学习过程：将正向学习的结果以及实际的目标结果，对两者进行误差分析，分析得到的结果反向传播到每一层神经元中［3］，网络框图，如图4所示。

图4 神经网络框图Fig.4 Neural Network Block Diagram

图5 将数据录入Oracle数据库的程序图Fig.5 Program Diagram of Inputting Data into Oracle Database

图6 前面板的设计Fig.6 Design of Front Panel

图7 程序框图的设计Fig.7 The Design of Program Block Diagram

图8 台架流程图Fig.8 Bench Flow Chart

4.3 信号调理电路的设计

由于待测信号在现场嘈杂多干扰的环境下，会出现杂波以及畸变，需要信号调理电路进行滤波、放大，将信号转化成采集系统能识别的标准信号，从火花塞端输出的信号是（3～10）mA的电流信号，但因为NI USB6351无法对电流进行直接采样，需要外接一个采样电阻，将电流信号转换成电压信号，这样采集卡就可以数据采集。根据使用的NI USB6351采集卡的量程以及电流范围来确定信号调理电路［4］。

4.4 现场终端电路及接口

现场终端主要是为了完成对火花塞质量的实时采集和显示，通过将采集的数据反馈给Labview软件进行算法计算，最终得出是否为合格的火花塞产品，将实时数据通过串口电源模块上传至上位机，并最终将数据存储到Orecel数据库中，以便调取与查看。本系统现场终端主要由NI-USB6351采集卡，高压点火探棒，AD转换模块和串口通信芯片MAX232组成。

5 系统软件设计及测试

Labview是一种图形化编程语言的开发环境，一个面向最终用户的工具，一般包括前面板和程序面板，前面板可以作为系统的显示界面，也同样可以是用户直接操作的界面，可以配置分缸点火控制，也可以显示分缸实时的击穿信号等［5］。

5.1 上位机系统检测点火设计

5.2 下位机系统控制软件设计

5.3 系统测试

台架系统完成后，为了确保能在车间现场运行的稳定性，以及系统测试的精确度，在实验室进行了测试，测试方法为比较测试法，由重庆长安汽车股份有限公司提供的发动机以及不同间隙规格的火花塞，由我们台架测试系统所测得计算出数据与实际值进行比较，测试中现场测试图片，如图9所示。现场发动机设备，如图10所示。测试数据，如表1～表3所示。

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

表2 四缸小间隙火花塞测试Tab.2 Test of Four Cylinder Spark Plug with Small Gap

表3 四缸大间隙火花塞测试Tab.3 Test of Four Cylinder Spark Plug with Large Gap

图9 测试电脑设备Fig.9 Test Computer Equipment

图10 现场发动机设备Fig.10 Field Engine Equipment

6 结语

设计的基于Labview 的高精度、多通道的火花塞检测系统，经过几十组不同规格的火花塞进行实验测试和数据分析，系统无论是对于轻微瑕疵的火花塞以及严重不合格的火花塞测试都能够比较精确的检测出来。

相比较于传统的火花塞测试方法，节约了人工成本，更加节能，在自动化流水线上进行运作，提高了效率，数据可靠安全，同时可以数据导出至Oracle数据库，无需手动输入数据，使每次实验结果都能够调取查看，并还原测试时数据和图形，做到更好的可视，具有很高的工程应用价值［6］。