閒聊-點火系統

 

機械式接點(白金)點火系統

幾年前公司派系鬥爭,我被歸成黑五類老賊派,打入冷宮冰起來,要你自己滾蛋...我真它媽的冤呀!不過就早來公司幾年,怎麼就變成老賊了...每天上班沒事幹,就上網看小說,看了對岸的穿越小說[唐磚],寫得還真是好...當時我就在想要是穿越到古代,要怎麼樣把內燃機給搞出來?!...鑄造搪孔等金屬加工問題應該都可以解決,想到最後是點火系統怎麼辦?!就把現代內燃機的點火系統演進給想了一遍,看看在古代哪種方式最可行...CDI或晶體管點火就不要想了,至少磁電機/白金點火系統應該還可以弄出來吧?!

OK!我們就聊聊點火系統...

1885年Daimler弄出第一部汽油內燃機,作了台摩托車,嚇壞了一堆人,大家還以為這是拷問女巫用的刑具!...這車一開始用熱管點火系統,要先用噴槍之類的加熱一根金屬管,金屬管伸進燃燒室上半部內,油氣壓縮升溫時,再搭配熱管溫度來讓油氣燃燒起來,需要另一套噴火系統,引擎啟動要準備很久,不可靠,難用!壓縮比作不高,馬力自然低落!




不過還好,十九世紀末電力磁力等現象定律理論等等也都推導出來了,就有人設計點火這事用電力磁力來解決...磁鐵旋轉切割線圈,產生高壓電來點火.稱為磁電機點火系統(Magneto ignition system)





1893年Bosch改良了磁電機點火系統(Magneto ignition system)...對!就是賣很多亂七八糟東西的Bosch...1897年提供磁電機點火系統設備,1902進一步改良設計,搭配了火星塞,磁電機點火系統幫剛了萌芽的汽車工業克服內燃機點火的關卡...Bosch也從此跟汽車業一起成長,然後大發特發!





磁電機點火系統不需要額外的燃料跟噴火加熱系統,自然比熱管點火系統要好用得多...首先是旋轉的磁鐵讓一次側線圈產生電流,電流在一次側線圈中建立一個磁場後,再突然打開接點,讓磁場崩潰,極短時間內崩潰的磁場變化,讓二次側線圈感應產生高壓電讓火星塞跳火.

但它的問題也就在要先旋轉磁鐵,一次側線圈才有產生電流...啟動時不管手搖或腳踩,磁鐵旋轉速度都不快,所以一次側電流微弱,二次側產生的火花也微弱,所以冬天或其它地方有些調整配合不好時,引擎非常難發動.不過一但引擎發動後,隨轉速拉高,磁鐵旋轉變快,電流變強,點火也變強...我在想有些人在引擎發動時都喜歡催幾下油門拉拉轉,會不會是當年磁電機點火系統留下來的壞毛病?!

但這在汽機車工業剛起步的年代,磁電機點火系統已經是非常好用非常穩定的點火系統了!好到現在其實還有一些引擎在使用...因為磁電機點火系統本身就像個小發電機,所以不需要電池也可以工作,這一特性讓活塞引擎的飛機經常採用,就算是現代的小飛機也一樣,而且還每個汽缸設兩個火星塞,用兩套磁電機來點火,這樣確保飛機引擎點火幾乎沒有失效的可能,飛機嘛!不像車子可以停路邊檢修,設計上當然是越可靠越保證運轉越好!

另一個常用的是小型工作機,比如割草機抽水機之類的,這類小型機通常不會配需要電池的現代點火系統,用古早但穩定簡單的磁電機點火系統比較合適.

但磁電機點火系統有一個算是蠻大的缺點...就是它有機械式接點...這接點切斷跟導通電流,有時會產生火花,造成接點髒污跟磨耗,需要定期清潔保養更換調整等等.

美國1865年結束南北內戰後,開始迅速崛起...北方軍能打勝的一個關鍵是北方工業化程度高,打掉一發子彈後,工廠又產出一百發子彈了,子彈打免驚的,反正打不完!...南方廢除奴隸制度後,也需要工業化來填補奴隸的人力.

1870-1900年之間,美國發展了大量鋼鐵/石化等工業,有這些工業基礎後,為美國發展內燃機引擎汽車鋪了厚實的底子!

美國汽車三巨頭成立,福特1908推出T型車,以流水線量產化生產,把屬於豪門階段使用的汽車,往下推到中產階級都可以負擔...T型車自然也是用磁電機點火系統,但稍作改變,就是一次側線圈可以切換成接電池,讓T型車比較容易啟動,等順利啟動後再切回去.




通用汽車公司對磁電機點火系統也加以改善,1910推出第一部搭載改善後的點火系統的凱迪拉克,這系統就是白金點火系統.




白金點火系統把原本旋轉磁鐵產生一次側電流的方式給改了,直接以電瓶供電一次側線圈,這樣的好處當然就是容易啟動...壞處就是要電瓶,電瓶還是可充電式的電瓶,所以又要設發電機來幫電池充電...不過有了發電機+可充電電瓶後,車子可以加電動啟動馬達,電動窗,電動頂蓬...等等便利性設備,只是設備變多,車價變貴,可靠度也降低...

So What?!我們通用凱迪拉克的造車理念是不同於福特T型車的...福特致力於降低製造成本,讓普羅大眾可以享受到汽車的便利!...切!你是搞台難用的車來虐待車主吧?!還拿手搖柄在那邊費力的轉,那就是粗人下等人的工作...我們家凱迪拉克不是你們那種街邊貨,凱迪拉克是尊貴與高級的代名詞,是科技與進步的化身,你們這種三流車廠請自覺一些,不要過來跟我比!





1958年半導體業界發展出矽基半導體,原本鍺基半導體怕熱又怕水,矽基半導體就好多了...

SCR晶體管可以做當電流開關,而且開關沒有機械動作,速度又快又穩,小電流就可以控制大電流導通與否...呀...聽起來跟Relay繼電器一樣?!是的,只不過Relay繼電器是機械式接點,動作不夠快,又大顆佔位置,又容易壞...把SCR晶體管想像是一個沒有機械動作的Relay繼電器,差在沒有機械接點,導通速度快,體積相對小又不容易壞.

看似跟汽車不嘎褡的事,但某個心思靈活的工程師卻著手用SCR晶體管特性來改善白金點火系統.

原本因白金接點因大電流經常跳火花,融蝕,接觸不良...直接成換一個SCR晶體管,原接點作為SCR晶體管觸發的訊號產生...雖然機械接點沒有減少,但接點因為只需通過觸發訊號的小電流,接點的磨耗大幅降低,可靠度也增高.

有工程師不死心,晶體管點火系統還是有個討人厭的機械接點呀!我就不爽!...於是又用另一顆小顆SCR晶體管取代訊號觸發接點,然後以霍爾傳感器來作點火訊號的偵測,或霍爾傳感器訊號偵測後直接驅動SCR...於是無機械接點的點火系統就產生了,稱作晶體管點火系統!

晶體管點火的好處是如此顯而易見,無接觸點,無磨損,免調整...幾年間就取代了汽車上的點火系統,甚至有廠商開發套件,讓白金點火的老車也可以換成晶體管點火...白金點火系統在廉價機車上還苟延殘喘個幾年!最終還是被淘汰了!





晶體管點火系統看似沒毛病,其實毛病在它的本質...磁電機用磁鐵旋轉切割一次側線圈讓它充電充磁,白金系統用電池取代磁鐵旋轉向一次側線圈充電充磁,晶體管取代機械接點,但它還是用電池向一次側線圈充電充磁...這三種點火系統本質都是電感放電點火.

四行程引擎曲軸轉兩圈需要點一次火,點火放電時間就不算它,看各轉速,點火系統可以充電的時間.

  • 1200rpm,2轉=0.1秒
  • 3000rpm,2轉=0.04秒
  • 4800rpm,2轉=0.025秒
  • 6000rpm,2轉=0.02秒

引擎6000rpm時點火線圈只有0.02秒不到的時間可以充磁,偏偏電感線圈充電充磁電流是從0開始往上加...引擎轉速越來越高時,電感放電式點火線圈跟不上的情況就出現了!

這時就請出電子元件另一位大佬...電容!

電容的充電特性就跟電感不一樣了,電路接通瞬間,有多少電吃多少,簡直就是短路了,極短時間內就可以充到七八分滿,隨充飽程度,充電電流慢慢下降...於是就產生了現代普遍使用的CDI (Capacitor Discharge Ignition) 電容放電點火系統了.

電感充電曲線

電容充電曲線

但有些人對沒電瓶還能跑這事情很在意,特別是越野車更是希望如此...所以CDI依供電模式又分成兩種-AC-CDI / DC-CDI

DC-CDI比較簡單,就電瓶直接供應CDI充電,電瓶有電,CDI就可以點火,優點就啟動容易,缺點就電池要正常.

AC-CDI則在發電機處另設一個線圈,模仿磁電機一樣供電...好處是引擎有轉動就可以點火,沒電瓶也沒關係,缺點還是跟磁電機一樣不好啟動.

不過隨著啟動馬達的普及,汽機車上電瓶必不可少,AC-CDI也就慢慢減少了!






隨現代電子科技的發展,現代CDI不只是CDI...CDI整合點火所需要的一些重要事情...點火有一個很重要的事項是點火角度的提前!

以前機械系統時期,設一個離心開關,當轉速到達某一數值以上,開關打開,這樣就有兩個點火提前角度,一個低轉速怠速用,一個中高轉速用...嗯...雖然達不到點火最佳化,就將就用吧!

因為每次點火CDI本身都知道,不是像以前離心開關就粗略知道高轉或低轉而已,CDI可以精確知道引擎轉速現在是2532rpm...這轉速下最佳點火提前角度工程師也算好了,直接寫到CDI模組內,CDI就可以隨時依轉速來決定點火提前角度,讓引擎運轉最佳化,得到更大馬力更順暢運轉.

點火提前角由轉速決定就夠好了嗎?!...絕對不夠!!!但比以前離心開關就兩個角度要好多了...現代汽車工程師為了對引擎運轉最佳化追求,又加了油門開啟角度/溫度/空氣流量/爆震感知/曲軸角度...等等一大堆感應器,在汽車引擎各種情況下都能計算出最佳點火提前角度,CDI模組越變越複雜,最後都變成一塊32bit的小型電腦了.

機車空間有限,可以加裝的感應器比較少...多缸大排量重機就加會比較多感應器,日常代步用機車空間有限外,連成本都有限了,大概就油門開啟角度感應器(TPS)普遍會有而已.





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