凯特灵发明白金点火，影响汽车摩托车点火系统100多年

今天的汽车已经上都是ECU单元控制的数字点火方式了，也是一种电感点火方式，而国内也要开始禁止摩托车上路了，电喷摩托车也采用类似汽车的点火方式来点火。汽油机上用的点火系统从发明那天算起，已经超过100年了，这期间虽然有过很多形式上的改变，实际上它的原理核心还是以前机械白金式点火那套东西。

说到汽油机的点火系统，不能不提到一个人，就是前通用公司的副总裁，研发总管，发明家查尔斯·凯特灵，一个汽车上的创新之父，在他的领导下,通用汽车在包括两冲程柴油机、DUCO漆、乙基汽油、、独立前轮悬挂系统以及全自动变速箱在内的众多具有里程碑意义的创新技术研发上,都有突破，而且都走在了业界的最前沿。电子启动器是凯特灵的重要发明之一，让汽车脱离了笨重的手柄启动（想想那种老的手扶拖拉机启动场景），他去世的时候，已经拥有了超过140项的发明专利，而机动车机械白金点火系统，不过是他顺带的一个小小的改良发明而已，即使这样，这种点火系统，一直被汽车摩托车发动机使用到上个世纪90年代。

这套被称为凯特灵系统（多点/电容器/线圈）的点火系统也是电感式点火，一套由分电器控制的多缸点火系统，通常将分电器和点火器安装在同一轴上，并由凸轮轴驱动，当然也有通过链条或者皮带驱动的，从电的角度来看大概包含了这些东西：电源、点火开关、点火线圈、分电器、火花塞、高压导线（高压线）等组成。

蓄电池供给点火系统所需要的电能。点火开关接通或断开点火系统电源。点火线圈存储点火能量，并将蓄电池电压转变为点火高压。分电器由断电器和点火提前机构等部分组成。断电器的作用是接通或切断点火线圈初级回路；配电器的作用是将点火线圈产生的点火高压，按照发动机的工作顺序输送给各缸火花塞；点火提前机构的作用是随发动机转速、负荷和汽油辛烷值变化调节点火提前角。火花塞将点火高压引入气缸燃烧室，并在电极间产生电火花，点燃混合气。而整个控制手段是机械完成的，在分电器内部有一个受弹簧压制着的触点开关（点），这个触点跨骑在旋转着的凸台上边，因为线圈存在电感，通过触点的通断高压包线圈将给火花塞提供火花（能量），在分电器内部的转子（凸台）通过旋转来决定某个火花塞的点火时间。

上图中，A.高压包线圈；B.触点；C.触点位置调整器；D.压在凸台上边的触点；E.由引擎驱动旋转的凸台;F.电容器

这是一张白金点火的电气机械示意图，实际上图中的高压包是一个变压器，可以看出，在高压包初级线圈回路里边，有电瓶，限流器，开关触点和电容来组成，而在高压包的次级回路里边，由分电器各个分点和火花塞组成，分电器内主要有凸轮、断电器（也称为白金触点）、配电器（指的是分火头、分电器盖）及点火时间调整装置。如果是单缸，可以理解成不用分电器了。顺便说一下，所谓的白金，不是真正的白金，只是颜色是白色而已，是一种合金材料，里边含银，有纯银、银氧化镉、银镍、银钨合金、银铬合金、银氧化锡、银氧化锡化铟等10多种合金材料。

再看一张这样的图，就完全理解了，实际上白金触点，相当于一个机械开关，用来充电或者放电控制用，而这个开关，如果改成电子式的，就是今天的电子点火器了。

这张图是当代汽车的ECU控制后输出的点火方面的硬件示意图，虽然看起来和上边那些图好像有点差异，实际上对于单缸点火系统而言，除了使用电子开关管取代了上边的白金开关，其他环节是一模一样的，当然老的分电器换缸点火方式也变成了电子换缸方式，一般是给每个缸都配一个单独的高压包了。

高压包就是一个铁芯上包缠着两组长线圈的东西，初级绕组一般在外边，而且次级绕组一般绕在里边，他们之间的的圈数比一般是100:1（次级长度是初级长度的100倍）。磁场通过线圈会产生电动势和电流，而被产生的电流大小取决于通过线圈的磁通量大小和变化速率，对应的准则的数学公式是：e=-df/dt，其中变化的磁场强度是df，而时间变化率是dt，在学术上而言，e是感应电动势，但是我们常常又把它认同为线圈中产生的电流-实际上的一个脉冲当量。

基本的做法是，让线圈的初级连接到12伏直流电的正极，12伏电压施加在初级上时将产生一个大磁场并由铁芯放大传导到次级，这样线圈上将存储有一个大磁场（磁通），12伏电被切断的瞬间，线圈中的磁通产生巨大的变化，这将在高压包初级产生一个200-300伏的反电动势，值得注意的是，很多人认为是高压包把12伏变成30000伏是不完全正确的，反电动势其实对两组线圈都产生了300伏电压，只是因为初级电流被切断而产生的磁场将迅速把能量传导到次级（变化的磁场产生电流）。

在实际操作中，是这样实现的，当点火开关接通、发动机运转时，分电器轴和断电器凸轮在发动机凸轮轴的驱动下旋转，使断电器触点交替地闭合和打开。如果是现在电子点火，是通过ECU处理磁电机上的凸台角度信号，判断某缸活塞处于某个位置来控制的。不管是那种方式，在触点闭合时（电子开关同样可以理解为触点），点火线圈的初级线圈形成回路，产生了初级电流 i1 ，初级电流所流过的电路一般叫做低压回路。低压回路的电流走向是：电瓶正极→电流表（不一定有）→点火开关→点火线圈“＋开关”接线柱→附加电阻 R f →点火线圈“开关”接线柱→点火线圈初级绕组 W1 →点火线圈“—”接线柱→断电器触点 K →搭铁→电瓶负极。

初级电流在初级线圈 W1 中逐渐增大至某一值并建立较强的磁场。当触点打开时，初级电路被切断，根据电感特性，电流不能突变，而回路被强行切断，初级电流及磁场迅速消失，只能通过磁路传输给次级产生高压输出。根据电磁感应定律 e=d φ /dt ＝－ Ldi/dt 可获得 ，在两个绕组中都会感应出电动势。由于初级电流迅速消失，变化率 di/dt 很大，在初级线圈里边，可以感应出 200 ～ 300V 的自感电动势 U1 。

依据变压器原理可得到共识： U2/U1 ＝ W2/W1 ，所以次级电压 U2=U1W2/W1 。由于次级线圈 W2 的匝数多，因而在次级线圈内就感应出 15 ～ 20KV 的互感电动势 U2 ， U2 称为次级点火高压， U2 通到火花塞的电路称为高压电路，高压电路的路径是：次级线圈 W2 →附加电阻→“＋开关”接线柱→点火开关→电流表→蓄电池→搭铁→火花塞侧电极→中心电极→配电器（旁电极、分火头）→次级线圈W2 （ i2 用虚线表示）。 过高压缸线传输给火花塞。击穿了火花塞的电极间隙而产生火花，点燃油气混合物，让内燃机正常工作。

在反向电动势的峰值处，初级线圈（低压端）大概通过300伏电压，因此次级线圈（高压端）将产生100*300伏的高压，这个高电压将跑到哪里去呢？它一般通过某个方式泄到接地端。当初级的电流的越快被关掉，磁场将越快产生崩塌直到消失，这样产生出来的火花将会越强（功率越大），因此当触点被断开（一般是把线圈初级的电流切断），高压包次级将会产生30000伏的高压并经过火花塞放电，最后回到接地点上。

这是点火过程中，输出的电压震荡波形，可以看出，瞬间会输出很高的电压，击穿后维持一段时间的低电压燃烧，到最后震荡了几下再消失的。从凯特灵改进发明出来的点火系统，到今天的ECU数字点火，本质上并没有什么改变，还是利用了电磁定律中的基本原理来通过充电放电实现的，所以说凯特灵是影响汽车摩托车点火系统100多年的人，并不为过，他的确是内燃机点火系统之父。正如他说的一样，哪怕失败999次，只要1次成功就足够了，这就是发明家精神，我们中国的确缺少这样的人了。