发动机是如何点燃的?火花塞与磁电机被遗忘的故事
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点火系统是内燃机的一个子系统,负责在活塞压缩行程结束、缸内燃油-空气混合气被密封压缩之后将其点燃; 没有这套在火花塞中产生受控火花的装置,四冲程循环就无法完成. 从1860年Étienne Lenoir的发动机到今天的coil-on-plug系统,这段超过150年的历程,实际上是一个问题的解决故事: 在正确的时机、以足够的电压、可靠地产生火花.
要点
- 第一个电火花塞于1860年在Étienne Lenoir的燃气发动机上使用.
- Robert Bosch的磁电机点火装置于1887年制造,并于1897年在车辆上进行测试.
- 世界首台高电压磁电机由Gottlob Honold于1901年底研制成功.
- Kettering的电池-线圈系统于1912年随Cadillac车型推出,并在此后半个世纪成为标准配置.
- 现代coil-on-plug系统可产生高达100,000伏的电压.
与火花问题相伴而生的发动机: 最早的火花塞与Lenoir
内燃活塞发动机的第一个样本,在其诞生之前就带来了点火问题. 1860年,Étienne Lenoir在自己命名的燃气发动机上使用了电火花塞,因此火花塞的发明通常被归功于他. 就原理而言,该系统与今天的系统惊人地相似: 高压电跳过火花塞电极之间的空气间隙,产生火花. 使用火花塞的火花点火概念从未改变; 其基本工作原理150多年来一直相同.
在火花塞走向商业成熟的道路上,第二个名字脱颖而出: Frederick Richard Simms. Simms是GB 24859/1898号专利的持有人,该专利涉及一种用于内燃机的磁电机,他被认为是第一个发明可商业化应用的高电压火花塞的人. 同年他开始与Bosch合作并非偶然; 要使火花塞发挥作用,其背后需要一个可靠的高压电源,而那个电源将在磁电机中找到.
即使到今天,火花塞发明的归属仍存在争议. 尽管Lenoir是公认的名字,但也有记录表明电火花塞由Oliver Lodge发明; Edmond Berger的名字也被提及. 电容放电点火(CDI)的起源则可以追溯到1890年代Nikola Tesla的工作. 正如工程史的大多数领域一样,在这里与其说是一个人的功劳,不如说是几项相互促进的贡献.
磁电机时代: 无电池火花与Bosch的崛起
在汽车诞生的最初几年,几乎不存在我们今天所理解的电气装置; 携带电池既笨重、昂贵又不可靠. 磁电机填补了这一空白: 由于它靠自身旋转发电,因此无需电池即可提供火花脉冲. Robert Bosch于1887年为固定式发动机制造了第一台磁电机点火装置; 1897年,磁电机点火开始在车辆上进行测试,并于1898年开始批量生产. 从这一时期起,Bosch成为向汽车供应磁电机点火的唯一事实上的可靠制造商.
关键的飞跃出现在1901年底. 博世的技术总监Gottlob Honold在斯图加特工厂开发了世界上第一台高压磁电机以及配套的火花塞. 这一组合消除了汽车对电池的需求,使火花塞真正变得实用. 大约在1902年,博世推出了带固定火花塞、气缸外断电触点和双线圈磁铁的磁电机. 在1914年之前的岁月里,博世磁电机在市场上占据主导地位; 当时的科学出版物也详细讨论了磁电机点火与线圈点火之间的选择权衡.
高压磁电机被定义为一种向火花塞发送高压脉冲的磁电机与变压器的组合. 如今它主要用于无电池发动机——割草机、链锯——以及现代活塞式飞机上. 一项技术从汽车领域退出后仍在航空领域保持标准地位,这很好地说明了它的基础有多么坚固.
振动线圈: Model T与奔驰所选择的道路
磁电机并非唯一的道路. 1886年的Benz Patent-Motorwagen和1908年的Ford Model T使用了一种被称为振动线圈(trembler coil)的系统. 在这种配置中,线圈通过断续机构获得间歇性电流,从而产生抖动的、断续的火花. 在Model T上,四个气缸中的每一个都有独立的振动线圈; 这是一种简单、易于维修且可用蓄电池工作的解决方案. 纵观当时的车辆,可以看到两大主要流派: 无电池磁电机阵营和振动线圈阵营. 哪一方获胜的答案,随着下一节的发展而变得清晰.
凯特林系统: 分电器为何足以支撑半个世纪?
Charles F. Kettering在1910年左右开发了电池-线圈点火系统——即众所周知的Delco系统. 该系统由四个主要部件组成: 点火线圈、断电触点(breaker points)、电容器和分电器. 单个线圈将低压升为高压,电压通过分电器内的转子臂被导向正确的火花塞. 该系统于1912年首次在凯迪拉克汽车上推出; 尽管各资料对其开发年份的记载不一(1910年、1911年和1912年),但1912年凯迪拉克的引入是最为一致的史料,它也标志着基于分电器的系统首次投入使用.
Kettering 系统获胜的原因并非工程上的精巧,而是廉价和相对简单. 这两个特性使其在多年里成为汽车工业的主要点火系统. 从 1912 年的 Cadillac Model Thirty 开始,触点式分电器装置作为主流系统一直沿用到 1970 年代中期.
该系统的局限从一开始就很明显. 机械装置在火花塞上能产生约 10,000 伏的电压; 在负荷和转速变化的条件下,其灵活性十分有限. 触点容易受到机械磨损、氧化,以及触点表面产生火花而导致的烧蚀; 需要定期调整,并且可能导致低效的火花. 也就是说,这套系统虽然能工作,但从工程角度来看天花板很低——正是这个天花板为电子点火打开了大门.
从触点到晶体管: 迈向电子点火
这一转变开始得比人们想象的更早. 最早的电子点火尝试是作为冷阴极装置于 1948年由 Delco-Remy 测试的. Lucas 于 1955年推出了晶体管点火系统,该系统于 1962年被用于 BRM 和 Coventry Climax 的 Formula 1 发动机上——和往常一样,新技术总是率先从赛场渗透出来. 其量产历程如下:
- 1963年: Pontiac 成为首家提供选装电子点火系统(Delcotronic)的汽车制造商; 同年,Hyland Electronics 生产了首款商用全固态 SCR 电容放电点火系统.
- 1964–65: Ford 进行了车队测试,并开始在部分车型上提供选装电子点火系统; 在售后市场方面,Prest-O-Lite CD-65(提供 50,000 英里质保)和 Delta Mark 10 相继上市.
- 1967–68: Motorola 推出了无触点 CD 系统; Fiat Dino 成为首款标配电子点火的量产汽车.
- 1971–75: Jaguar XJ Series 1 紧随其后,Chrysler、Ford 和 GM 也相继跟进; GM 的 HEI 系统于 1974 年底在部分车辆上推出.
当触点在1970年代中期开始被晶体管取代时,点火电压上升到了约20 kV——是Kettering系统10,000伏天花板的两倍. 分电器本身则又存活了一段时间; 它继续履行分配高压电的职责,但决定点火正时的不再是机械配重,而是电子“大脑”. 分电器在 1980 年代和 1990 年代已基本被电子点火系统取代; 计算机控制的装置提供了更精确的正时和少得多的维护需求.
分电器的退休: Coil-on-Plug 与直接点火
分配逻辑的解体始于 1980 年代中期. GM 开始取消分电器和单个点火线圈,转而采用每个线圈仅负责两个气缸的多线圈组; 在这种装置中,电压可高达 100,000 伏. 用一个点火线圈管理两个气缸、其中一个火花被浪费(即所谓的 wasted spark)的布置,是无分电器点火最早的实用形式之一. Nissan 名为 NDIS(Nissan Direct Ignition System)的系统首次出现于 1985年的 RB20DET NICS 和 CA18DE NICS 发动机上.
从1990年代起,coil-on-plug(线圈在火花塞上)装置开始普及: 每个火花塞上直接安装一个点火线圈,高压线和分电器转子被完全取消. DENSO于1996年开发了汽车行业首个紧凑型笔式点火线圈, 1996, 奠定了当今气缸盖格局的基础. 而在现代发动机中, ECU用一个设备控制包括点火和燃油喷射在内的各种发动机功能——与早期彼此分离的系统架构完全相反. 点火不再是一个独立的子系统, 而是发动机管理的一个子集.
| 系统 | 时期 | 突出特点 |
|---|---|---|
| 电火花塞 (Lenoir) | 自1860年起 | 首次火花点火 |
| 高压磁电机 (Bosch/Honold) | 自1901-02年起 | 无需电池即可运行 |
| 振动线圈 (Benz, Ford Model T) | 1886年和1908年 | 每个气缸独立线圈 |
| Kettering / 分电器系统 | 自1912年起 | 单线圈, 约10,000 V |
| 电子点火 | 自1963年起 | 无触点, 约20 kV |
| Coil-on-plug (笔式点火线圈) | 自1990年代起 | 每个火花塞一个线圈, 最高可达100,000 V |
点火系统如今处于什么位置? 界限与争议
正如火花塞的发明者身份一样, 经典车领域的触点-电子点火之争依然充满活力. 技术层面很明确: 触点会磨损, 需要调整, 并且可能产生低效的火花. 相比之下, 经典车主中流传着"保养良好的触点并不逊于普通电子点火"的观点, 而且在某些情况下这种说法确实有道理; 同样属实的是, 电子部件的维修成本可能更高. 就像关于Kettering系统诞生年份的各资料差异一样, 这里的观点分歧也更多源于使用场景而非测量定义: 日常使用与concours级别的原装性是不同的需求.
至于未来, 2013年的评估预测, 火花点火与压燃点火在相当长一段时间内仍将占主导地位. HCCI (均质压燃) 发动机可以用汽油运行, 并根据驾驶条件在两种点火模式之间切换, 其效率可接近柴油水平; 但这在今天仍在很大程度上属于理论框架. 而在经典车市场上, 像 123ignition 这样基于微处理器、带蓝牙的现代分电器, 在保持Kettering外观的同时提供了当代的可靠性——往日的美学与现代电子技术达成了和解.
结论: 同样的火花, 变迁的架构
点火技术160年的历程可以用三个数字概括: Kettering系统的10,000伏、电子化过渡的20,000伏以及coil-on-plug的100,000伏. 目的从未改变; 改变的是产生和定时火花的架构, 它从机械方式演变为固态形式. 从磁电机到分电器, 再从分电器到每个火花塞独立线圈的历程, 正是汽车工程整体故事的缩影: 更少的磨损部件、更多的控制、更高的电压.