自動車の点火システムの仕組み | 深センユリ池有限公司

内燃機関は100年以上進化してきた素晴らしい機械です。自動車メーカーが年を追うごとに効率を少しでも高めたり、環境汚染を少しでも減らしたりすることに成功し、進化し続けています。その結果、信じられないほど複雑で、驚くほど信頼性の高いマシンが誕生しました。

HowStuffWorks の他の記事では、燃料システム、冷却システム、カムシャフト、ターボチャージャー、ギアなど、エンジンとそのサブシステムの多くの仕組みについて説明しています。点火システムは、すべてが完璧なタイミングで火花を発する場所であると主張する人もいるでしょう。

この記事では、点火タイミングから始まる点火システムについて学びます。次に、点火プラグ、コイル、ディストリビューターなど、火花を生成するために使用されるすべてのコンポーネントを見ていきます。最後に、ディストリビュータの代わりにソリッドステートコンポーネントを使用するシステムについて説明します。

車の点火システムは、エンジンの他の部分と完全に連携して機能する必要があります。目標は、膨張するガスが最大限の仕事を行えるように、正確なタイミングで燃料に点火することです。点火システムが誤ったタイミングで点火すると、出力が低下し、ガスの消費量と排出量が増加する可能性があります。

シリンダー内の燃料と空気の混合気が燃焼すると、温度が上昇し、燃料が排気ガスに変換されます。この変形によりシリンダー内の圧力が劇的に上昇し、ピストンが押し下げられます。

エンジンから最大のトルクとパワーを引き出すための目標は、パワーストローク中のシリンダー内の圧力を最大化することです。圧力を最大化するとエンジン効率も最高になり、燃費の向上に直接つながります。成功には火花のタイミングが非常に重要です。

スパークの発生から、燃料と空気の混合気がすべて燃焼し、シリンダー内の圧力が最大に達するまでには、わずかな遅れがあります。ピストンが圧縮行程の最高点に達したときに火花が発生する場合、シリンダー内のガスが最高圧力に達する前に、ピストンは動力行程の途中まですでに下降していることになります。

燃料を最大限に活用するには、ピストンが圧縮行程の頂点に達する前に火花が発生する必要があります。そのため、ピストンが出力行程に入るまでに圧力は十分に高く、有用な仕事を開始し始めることができます。

シリンダー内:

したがって、シリンダーについて話しているとき、仕事 = 圧力×ピストン面積×ストローク長です。また、ストロークの長さとピストンの面積は固定されているため、仕事を最大化する唯一の方法は圧力を高めることです。

スパークのタイミングは重要であり、状況に応じてタイミングを早めたり遅らせたりすることができます。

燃料が燃焼するまでにかかる時間はほぼ一定です。しかし、エンジン回転数が上がるとピストンの速度も上がります。これは、エンジンの速度が上がるほど、より早くスパークを発生させる必要があることを意味します。これは点火進角と呼ばれます。エンジン速度が速くなるほど、より多くの進角が必要になります。

最大電力が必要でない場合は、排出量の最小化などの他の目標が優先されます。たとえば、点火のタイミングを遅らせる（点火を圧縮行程の上部に近づける）ことにより、最大シリンダー圧力と温度を下げることができます。温度を下げると、規制されている汚染物質である窒素酸化物 (NOx) の生成を減らすことができます。タイミングを遅らせるとノッキングもなくなる可能性があります。ノックセンサーを備えた一部の車では、これが自動的に行われます。

次に、火花を生成するコンポーネントについて説明します。

スパークプラグは理論的には非常に単純です。まさに稲妻のように、隙間に電気をアーク放電させます。ギャップを通過して良好なスパークを生成するには、電気が非常に高い電圧でなければなりません。点火プラグの電圧は 40,000 ボルトから 100,000 ボルトまであります。

スパークプラグには、この高電圧が電極まで伝わり、そこでギャップを飛び越え、そこからエンジンブロックに伝導されて接地されるように、絶縁された通路が必要です。また、プラグはシリンダー内の極度の熱と圧力に耐える必要があり、燃料添加剤の堆積物がプラグに蓄積しないように設計する必要があります。

スパークプラグはセラミックインサートを使用して電極の高電圧を絶縁し、プラグの他の部分ではなく電極の先端で火花が発生するようにします。このインサートは、堆積物の燃焼を促進するという二重の役割を果たします。セラミックは熱伝導率が非常に悪いため、動作中に熱を閉じ込めます。

一部の車にはホットプラグが必要です。このタイプのプラグは、プラグの金属部分との接触面積が小さいセラミックインサートを使用して設計されています。これにより、セラミックからの熱伝達が減少し、セラミックがより高温になり、より多くの堆積物が焼き尽くされます。コールドプラグはより多くの接触面積をもつように設計されているため、より低温で動作します。

コイルは単純なデバイスであり、本質的には 2 つのワイヤコイルで構成される高電圧変圧器です。ワイヤーの 1 つのコイルは 1 次コイルと呼ばれます。その周りに二次コイルが巻かれています。通常、二次コイルには一次コイルの数百倍の巻数のワイヤがあります。

電流はバッテリーからコイルの一次巻線を通って流れます。

一次コイルの電流は、ブレーカーポイントや電子点火装置のソリッドステートデバイスによって突然中断されることがあります。

コイルが電磁石のように見えると思うなら、それは正しいのですが、コイルはインダクタでもあります。コイルの動作の鍵は、回路が点によって突然遮断されたときに何が起こるかです。一次コイルの磁場は急速に崩壊します。二次コイルは、強力で変化する磁場に飲み込まれます。この磁場はコイルに電流を誘導します。これは、二次巻線のコイルの数により、非常に高い電圧の電流 (最大 100,000 ボルト) になります。二次コイルは、非常によく絶縁された高電圧ワイヤを介して、この電圧をディストリビュータに供給します。

最後に、点火システムにはディストリビュータが必要です。

ディストリビューターはいくつかの仕事を扱います。その最初の仕事は、コイルからの高電圧を適切なシリンダーに分配することです。これはキャップとローターによって行われます。コイルはローターに接続されており、キャップ内で回転します。ローターは一連の接触を通過して回転し、シリンダーごとに 1 つの接触が行われます。ローターの先端が各接点を通過すると、コイルから高電圧パルスが発生します。パルスは、ローターと接点 (実際には接触していません) の間の小さなギャップを横切ってアークを発生し、点火プラグワイヤを通って適切なシリンダーの点火プラグまで伝わります。チューンナップを行うときに、エンジンで交換するものの 1 つはキャップとローターです。これらはアーク放電により最終的に摩耗します。また、点火プラグのワイヤは最終的に摩耗し、電気絶縁の一部が失われます。これは、非常に不可解なエンジンの問題の原因となる可能性があります。

ブレーカーポイントを備えた古いディストリビュータには、ディストリビュータの下半分に別のセクションがあります。このセクションは、コイルへの電流を遮断する役割を果たします。コイルの接地側はブレーカーポイントに接続されています。

ディストリビュータの中央にあるカムが、ポイントの 1 つに接続されたレバーを押します。カムがレバーを押すたびにポイントが開きます。これにより、コイルが突然接地を失い、高電圧パルスが発生します。

ポイントは火花のタイミングも制御します。真空前進または遠心前進が可能です。これらの機構は、エンジン負荷やエンジン回転数に比例してタイミングを早めます。

点火タイミングはエンジンのパフォーマンスにとって非常に重要であるため、ほとんどの車はポイントを使用しません。代わりに、エンジン制御ユニット (ECU) にピストンの正確な位置を伝えるセンサーを使用します。次に、エンジンコンピューターは、コイルへの電流を開閉するトランジスタを制御します。

次のセクションでは、最新の点火システムの進歩であるディストリビュータレス点火について見ていきます。

ディストリビュータレスイグニッションを備えた車は通常、100,000 マイルを走行するまで最初の調整を必要としません。このタイプのシステムのコイルは、中央に配置された大きなコイルと同じように機能します。エンジンコントロールユニットは、回路のアース側を遮断してスパークを発生させるトランジスタを制御します。これにより、ECU が点火タイミングを完全に制御できるようになります。

このようなシステムには、いくつかの大きな利点があります。まず、最終的には消耗するアイテムであるディストリビューターがありません。また、同じく磨耗する高電圧のスパークプラグワイヤーもありません。そして最後に、点火タイミングをより正確に制御できるようになり、効率や排出ガスを改善し、車の全体的な出力を向上させることができます。

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