點火系統

<image>

點火系統是用於點燃燃料-空氣混合的系統。它不僅在內燃機領域非常著名，而且有更多的應用，例如在燃油和燃氣鍋爐方面。最早的內燃機使用火焰，或者一個熱管，但是用於點火這些很快被使用電火花的系統所取代。

## 歷史

### 磁發電機系統

電火花最簡單的形式是使用磁鐵。引擎旋轉在線圈裡的一塊磁鐵，並且操作一個接觸斷路器（觸點），中斷電流並產生一個增加足夠的電壓來越過一個小的縫隙。火花塞被直接連在磁發電機的輸出端。磁發電機已不再被用於現代汽車中了，但是因為可以自己產生所需電能，仍然被用於飛機引擎活塞和小型引擎，例如電動自行車，割草機，吹雪機，電鋸等，那些出於結合需求，重量，消耗，可靠等原因而沒有使用電池系統。

磁發電機被用於小型引擎的原型，續斷引擎在電池啟動和點火普遍之前，被用於20世紀早期的老式汽油或蒸餾農用拖拉機，和飛機活塞引擎。磁發電機被用於這些引擎由於其簡單和自給操作更有效，而且其重量輕於使用電池和發電機或交流發電機。

飛機引擎通常有多個磁發電機以備不時之需。一些較老的汽車同時使用磁發電和電池開啟系統（見下），由於當時兩種系統各有其功能限制，以確保在任何情況下的合適的啟動。

### 可調系統

磁發電機的輸出依賴於引擎的轉速，並因此會導致一些問題。一些磁發電機包含一個衝激系統，在合適時刻可以很快旋轉磁鐵，從而在低轉速下更容易啟動。像飛機還有福特引擎使用依賴不可充電的乾電池系統（類似於一個較大的手電筒電池，但像現代汽車一樣並不依賴於電路系統）來發動引擎或以起速而是其啟動並運轉。對於高速運轉，操作者需要由東轉換點火裝置到磁發電機。

為了使低壓電池給火花提供高壓，一個"激勵"裝置被使用，實質上是一個較大的曾被廣泛只用的電蜂鳴器。這樣的裝置，可以使直流電流通過電磁線圈，打開一對觸點並阻斷電流；電磁場消散，彈簧點再次關閉，電路恢復，並且迅速如此往復。迅速消散的電磁場，雖然在線圈上導入一個只可自行通過弧跨觸點而消散的高電壓；對於蜂鳴器這樣會引起氧化而（或）熔合，對於點火系統這成為操控火花塞的高壓源。

這種操作模式下，線圈會不斷地"蜂鳴"，從而產生一列火花。整個裝置被稱為福特T型車的T模型火花線圈（對照現代的點火線圈，僅是系統的實際線圈部分），在T模型終止使用很久後，作為輸送，對於家用電試驗保持了普遍的自給高電壓源，於1960早期出現於例如大眾機械雜誌中的文章和一些院校的科學博覽會的項目上。在英國，這些設備作為震顫線圈被廣泛熟知並在1910年前流行於汽車應用中，到1925年左右並也在一些大型引擎的商用車輛開始應用。

Model T（用於飛輪)不在輸出直接提供高電壓的，而不同於現代設備；其最大產生電壓約為30伏，並因此需要通過火花線圈為點火提供足夠高的電壓，綜上所述，儘管在這種情況下，線圈不會不斷的"蜂鳴"，但只能提供每圈一個火花。其他的情況下，高電壓被裝在引擎前段的計時器轉換到適合於火花塞的量，等同於現代的分電器。火花的時間選擇通過旋轉裝於操縱杆的槓桿這一而進行調整。

### 電池點火系統

隨著汽車全球性採用電啟動和伴隨的大電池的可持續電源，磁發電系統被那些由於電池電壓而中斷電流的系統所啟用，使用點火線圈（一種自耦變壓器）來使電壓階增到點火所需要的，並用一個分配器在正確的時間按規定路線發送確定脈衝到正確的火花塞。

早期的可靠電池操作點火器由Delco工程試驗公司研製並於1910年引入凱迪拉克。這個點火器由查爾斯·凱特靈研發，在當時是一個奇蹟。它有一個單線圈，若干觸點（轉換器），一個電容和一個分配器裝置來分配火花，從點火線圈定時的到正確的氣缸。該線圈是一個基礎的自耦變壓器用於使低電壓（6或12伏）階增到被要求越過一個火花塞間隔的高點火電壓。

當觸點經凸輪調節而開啟時，線圈允許充磁，該磁場消散並且產生高電壓（20千伏或更大）。該電容器被用於從線圈中的電磁場吸收向後的EMF來減小觸點接觸燃燒和延長觸點的壽命。凱特靈系統在汽車界稱為主要的點火系統很多年得益於它的較低成本，較高可靠性和相對簡單。.

## 現代點火系統

### 機械定時點火系統

<image>

大多數四衝程引擎使用機械定時電點火系統。該系統的核心是分配器。該分配器包含一個由引擎驅動的旋轉凸輪，和一套接觸斷路器觸點，一個電容器，一個迴轉軸和一個分配器蓋。分配器的外部是點火線圈，火花塞和電線連接分配器到火花塞和點火線圈。

該系統由鉛酸電池驅動，並從汽車的電系統用發電機或轉換器充電。該引擎操縱接觸斷路器，它們中斷到導入線圈（被稱為點火線圈）的電流。

點火線圈由兩個變壓器繞組分享一個共同的磁芯--原、副繞組。交流電流在原線圈磁芯中引入交流磁場。由於點火線圈的副線圈的匝數遠大於原線圈，所以點火線圈相當於一個使副線圈產生很高電壓的升壓變壓器。對一個於點火線圈，原、副線圈繞組的一端連接在一起。該共同點被連接到電池上（通常通過一個限電流的電阻）。原線圈的另一端連接到分布器內的觸點上。副線圈的另一端相連，經過分布器帽和轉子，到火花塞上。

點火的點燃順序始於觸點（接觸斷路器）的關閉。一個來自電池的穩定輸入電流，通過限電流電阻，經過原線圈，穿過關閉的接觸斷路器觸點並最終回到電池。該平穩電流在線圈的磁芯內產生一個磁場。這個磁場形成將被用於驅動點火火花的能量貯存器。

隨著引擎運轉，以及在分電盤中的凸輪。在凸輪上的這些觸點隨著引擎運轉而到達引擎壓縮期的最高點，凸輪上的高點使得接觸斷路器觸點打開。此時，原線圈繞組上的電流中斷並突然使得接觸斷路器觸點上的電流中斷。失去了觸點上的穩定電流，線圈中的磁場立刻迅速消散。該電磁場的變化使得副線圈繞組中產生高電壓。

於此同時，原線圈中的電流開始被存儲到位於穿過開啟的接觸斷路器觸點的電容器中。該電容器和線圈的原繞組形成一個振盪的電感電容電路（LC電路）。該LC電路產生一個降低的，振盪的電流，可以是能量在電容器電磁場和點火線圈電磁場間來回跳躍。原線圈中的振盪電流在線圈中產生一個振盪的磁場，使副線圈中輸出端的高電壓信號延長。這個高壓因此可以持續即使原始磁場消散。該振盪持續直到電流能量被耗盡。

點火線圈的副繞組被連接到分布器帽上。一個可轉轉子，置於在分布器帽內的制動凸輪的頂部，接著連接線圈的副繞組到若干通向每個氣缸的火花塞上的電線的其中一根。來自線圈副繞組的極高電壓-–通常高於1000伏--引起一個可跨躍火花塞間隙的點火花。這樣，依次，點燃在引擎中的壓縮的空氣-燃料混合。創造這個點火花的能量，源於儲存在點火線圈磁場的能量。

八個及以上氣缸的高性能發動機在高RPM運作（例如在摩托比賽中使用的）同時需要一個比簡單的點火電路高的點火花率和較高的點火花能量的點火花。以下任一改進可以解決這個問題：

- 兩套完整的線圈，接觸斷路器，和電容器-每套對半個引擎，典型的V-8或V-12引擎設置。雖然兩個點火系統本身電路上獨立，但他們典型的分享一個分布器，在此其包含兩個有旋轉凸輪驅動的接觸斷路器，並且一個有兩個隔離傳導planes用來提供高壓輸入的的轉子。
- 一個單獨的由一個凸輪和一個返回彈簧驅動的接觸斷路器，由於火花率而受限制於在高RPM下接觸彈躍或浮動的進攻。用一對電接連的接觸斷路器，但是對著凸輪的端可開，替代單個用一對接觸斷路器可以克服這個限制。每個接觸斷路器以半個單獨接觸斷路器的速率轉換，並且由於其被兩個接觸斷路器分享，該"遲疑"時間是線圈中電流的最大值時刻。

蘭博基尼V-12型引擎採用以上兩種設置，因此使用兩個點火線圈和一個包含4個接觸斷路器的分布器。

一個基於分布器的（點火）系統與電磁打火系統並無很大不同，除了加入了更多分離原件。這種設置還的優點是，例如，接觸斷路器的位置關聯與引擎的角度可以被少量的自動調整，並允許點火定時根據增加的RPM和（或）增加的歧管真空度被自動改進，從而產生更好的效率和性能。

但是還是需要時常使用探測量具對接觸斷路器的最大開啟間隔進行檢查，由於該機械性的調整會影響到線圈充電的"遲疑"時間，並且當接觸斷路器因電弧而有了凹痕了，應該被換置或者修整。該系統被全球性採用直到1970年代末期，當電的點火系統開始出現。

### 電點火

機械系統的缺點是接觸斷路器的使用干擾了低壓高電流通過原線圈；觸點受制於的機械損耗，由於其需要搭乘凸輪來開合，以及來自接觸點火花在接觸面上的氧化和燃燒。它們需要定期的調整以補償其損耗，並且接觸斷路器的開啟決定著點火定時，也受制於機械變化。

另外，火花電壓同樣依賴於接觸效率，並且不良火花會導致較低的引擎的效率。在合理的使用壽命下，一個機械的接觸斷路器系統不能控制一個平均大於3安培電流，並且這樣會限制火花的能量和極限引擎速率。

電點火（EI）解決了這個問題。在原始系統中，由於只是用於控制原線圈高電流通過固定狀態轉換系統的低電流，觸點仍然被使用。然而不久，這些另外，接觸斷路器觸點被一個角度傳感器替代-或者光學的，一個轉向轉子打斷光杆，或者更廣泛的使用一個霍爾效應傳感器，控制一個裝在分布器軸上的旋轉磁鐵。傳感器的輸出被適當的電路整形和處理，然後被用於觸發一個例如晶閘管（SCR or thyristor）的轉換裝置，該裝置可轉換一個大電流通過線圈。

系統餘下的部分（分布器和火花塞）和原始的機械系統一樣。與機械系統相比，移動部件的缺少使可靠性增增強並延長了維修周期。對於老式汽車，通常可以將機械點火翻新替換一個電點火系統。某些情況下，一個現代的分布器可以無需任何的改動的裝進一個較老的引擎。

其他的創新在很多汽車上也是可行的。一些模型中，相較於一個中央線圈，而是在每個火花塞上都有各自的線圈，有時候被稱為直接點火或者塞上線圈（COP）。這樣可以允許線圈有較長時間在火花間隔來充電，並且有一個較高能量的火花。這種情況下的一個變型是，一個線圈對兩個活塞，氣缸上360度的相位（因此同時到達上止點）；對於四衝程引擎這意味著一個活塞將在其他活塞在正常時刻點火時，它卻在衝程耗盡時刻在點火中，因此被稱為"廢火花"；成對的氣缸占1/4和2/3。其他系統作為一個定時設備與分布器無關聯，並在機軸上嵌入一個磁鐵曲軸角度傳感器來觸發點火在合時的時刻。

在1980年代，電打火系統隨著其他改進得到發展，例如燃料噴射系統。一段時間之後，一個電路系統結合了燃料控制和點火，熟稱為發動機控制器。更多近期的改裝Leburg電點火系統被使用於VW航空引擎。該系統與分布器和其他機械系統無關。點火定時基於瞬時RPM，該RPM由一個電子傳感器測量。

### 數字電路點火

當數碼電路點火裝置可用於小型發動後，例如在電鋸，切草機，吹葉機，和割草機等上的應用。這使得低成本，高速率，和小記憶空間的微控制器成為可能。數碼電路點火裝置可以被設計成為電容放電式（CDI）或者感應放電式（IDI）。電容放電式數碼點火為火花把能量存儲在電容器中，從而可以在引擎周期內的任何時間通過來自微處理器的控制信號釋放給火花。從而有更大的定時靈活性，和引擎性能；特別是被設計成和當引擎化油器關聯密切。

## 引擎管理

在一個發動機管理系統（EMS）中，電路控制燃料分配，點火正時和點火順序。主要感應器在引擎角上（曲軸或上止點（TDC）位置)，氣流進入引擎和油門需求位置。電路決定哪個氣缸需要燃料和需求量，開啟需要的注油器並輸送，然後在適當的時候點燃火花。早期的EMS系統使用模擬計算機電路設計來完成這些，但隨著嵌入式系統變得足夠快可以跟得上高轉速的變化輸入，數碼系統開始出現。

一些使用EMS的設計保留早期汽車的原有的線圈，分布器和火花塞。另一些系統省去了分布器和線圈並使用特殊火花塞，那些包含它們自己的線圈的（直接點火）的火花塞。這意味著高壓不會經過整個引擎，由在特殊需求點自己產生而代替。這樣的設計比傳統的設置提供了更多的潛能和可靠性。

現代EMS通常管理其他的引擎參數，例如溫度和尾氣中未結合的氧氣量。這使得EMS可以控制引擎來最小化未燃或特殊燃燒的燃料和其他有害氣體，從而產生更乾淨和有效的引擎。

## 渦輪和噴射器引擎

渦輪發動機使用的是由一個或多個點火活塞的電容放電式點火系統，其僅被用於發動或以防燃燒室火焰熄滅時。火箭的發動機有特殊需求的點火系統- 如果迅速點火不能發生，燃燒腔會充滿過多的燃料，燃化劑和明顯和過壓從而發生（'突起'）。火箭經常使用煙火設備可以使火焰穿過噴油器盤的表面，或者，換成自燃化學物質。

## 參考文獻

- Spark Timing - Ignition System
- Ignition System Repairs Guide