点火システム

科目：

一般
点火コイル点火
従来の接点付きディストリビュータ点火
コンピューター制御の点火
燃焼圧力と点火時期
点火進角
滞留時間
DIS炎症
XNUMX気筒あたりXNUMXつの点火コイル
オシロスコープで一次点火パターンを測定する

一般：
ガソリンエンジンでは、圧縮行程の終わりに燃料と空気の混合物に点火する必要があります。これが起こる理由は、スパークプラグ火花を与えます。スパークプラグが点火するには、20.000～30.000ボルトの電圧が必要です。点火コイルは、バッテリー電圧 (約 12 ～ 14,8 ボルト) をこの高電圧に変換します。
古いシステムでは、多くの場合、エンジンブロックのどこかに 1 つの点火コイルがねじ止めされており、点火プラグケーブルによって点火プラグに接続されています。新しいエンジンにはピン点火コイルが付いていることがよくあります。各スパークプラグには独自の点火コイルがあります。エンジン上のイグニッションコイルの数は、スパークプラグワイヤーの存在によって簡単に認識できます。スパークプラグワイヤーが各シリンダーに接続されている場合、車には 1 つの固定点火コイルまたは DIS 点火コイルが装備されます。スパークプラグのワイヤーが通っていない場合、各スパークプラグに個別の点火コイルがあります。これを確認するには、多くの場合、エンジンのカバープレートを分解する必要があります。

点火コイル:
点火装置にはイグニッションコイルが使用されます。タイプ（従来型またはコンピュータ制御）に関係なく、原理は同じです。イグニッションコイルは、鉄の棒（コア）の周りに2本の銅線が巻かれています。一次コイル（イグニッションスイッチ側）には太い線が数回巻かれています。二次コイルは細いワイヤーを何回も巻いたものです。一次コイルの電圧は 12 ボルトです。この一次コイルには 3 ～ 8 アンペアの電流が流れます。これにより磁場が発生します。この磁場がなくなると、250次コイルには400～40.000ボルトの電圧が発生します。巻き数の違いにより、XNUMX次コイルには最大XNUMXボルトの電圧が発生します。

点火コイルの一次コイルにはオーミック抵抗と誘導抵抗があります。オーム抵抗はマルチメータで測定することも、電流または電圧の測定値から計算することもできます。誘導抵抗とは、XNUMX次コイルに発生する磁場のことで、電流の変化率とコイルの磁気特性（L値）に依存します。各点火コイルには固定の L 値があり、コイルの巻数、寸法、コアの特性と寸法によって異なります。

接点を備えた従来のディストリビュータ点火:
従来の点火システムは、接点でオン/オフを切り替える単一の点火コイル、点火コイルケーブル、点火プラグケーブル、および点火時期進角機能を備えた機械式ディストリビュータで構成されています。

静止しているときは接点は閉じています。電流は一次コイルを通って、接点を介してアースに流れます。このとき、XNUMX次コイルには磁界が発生します。カムがレバーを持ち上げると、接点間の接触が解除され、誘導電圧が発生します。この誘導電圧はXNUMX次コイルで増幅され、点火コイルケーブルを介してディストリビュータに伝達されます。ディストリビュータのラグは、点火プラグケーブル接続の XNUMX つを指します。電圧は点火プラグに伝達され、点火プラグから火花が発生します。

点火コイルは、点火コイルケーブルの接続を介してディストリビュータ内のローターに高電圧を伝送します。ディストリビュータ内のローターは、クランクシャフトの半分の速度で回転します。これは、構造に応じて、クランクシャフトとディストリビュータが直接接続されているため（図に示すように）、またはロータがカムシャフトによって直接駆動されるため可能です。結局のところ、カムシャフトはすでにクランクシャフトの半分の速度で回転しています。画像はディストリビュータの分解図を示しています。

ローターはメンテナンスに敏感です。ローターとディストリビューターキャップの間の接触粒子は時間の経過とともに腐食し、点火プラグの火花品質が低下します。時々研磨して腐食を除去したり、摩耗した部品を交換したりすることで、火花の品質が最適な状態に保たれます。ローターに付いているディストリビューターキャップを回すことで点火時期を調整します。

コンピューター制御の点火:
現代の自動車には、コンピューター制御の点火システムが装備されています。エンジンマネジメントシステムは点火コイルを制御します。パルス発生器 (クランクシャフト位置センサー、場合によってはカムシャフト位置センサー) は、クランクまたはカムシャフトと同期して動作する基準パルスを提供します。基準点となるリングやプーリーに歯が欠けていることがよくあります。画像は、機械加工されたクランクシャフトプーリーを示しています。 MegaSquirt プロジェクト。プーリーには 36 個の歯があり、そのうちの 1 個が研磨されています。そのため、36-1 リファレンスホイールとも呼ばれます。 10 度ごとに 1 つの歯がセンサーを通過します (360/36)。

欠けた歯が回転してセンサーを通過するたびに、信号が ECU に送信されます。
この基準点は、その名前がよく示すように、上死点 (TDC) ではありません。実際には、この基準点は TDC の前の 90 度から 120 度の間にあります。これは、点火進角がない場合、点火パルスは基準点から 9 ～ 12 歯後に発生することを意味します。

この画像は、点火コイル制御パルス (青) に対するクランクシャフト信号 (黄) を示しています。クランクシャフト信号では、パルスが欠落している箇所に欠落した歯が表示されます。このエンジンでは、欠落している歯は TDC の 90 度前 (つまり、パルスホイールの 9 つの歯) にあります。

欠けている歯 (基準点、黄色) と制御パルス (青色) の間に、8 本の歯が見えます。これは10度のプレイグニッションです。

点火の促進は燃焼速度に関係します。燃焼には最大燃焼圧力に達するまで時間がかかります。この最大燃焼圧力は、上死点後 15 ～ 20 度のクランクシャフト位置で最適です。これは、あらゆる動作条件下で最適でなければなりません。次の段落では、燃焼圧力に対する点火時期の影響、点火進角がどのように起こるか、スコープ画像で滞留時間を読み取る方法について説明します。

燃焼圧力と点火時期：
点火システムは、シリンダー空間内の混合物が適切なタイミングで点火することを保証する必要があります。ピストンが上死点を超えたとき、燃焼圧力は最も高くなります。点火してから混合気の点火（最大燃焼圧力に達する）までには時間がかかるため、混合気は上死点より少し前に点火する必要があります。つまり、点火プラグはピストンが上死点に達する前にすでに点火している必要があります。

次の図では、クランクシャフトの角度に対する圧力の変化 (赤線) が示されています。点火プラグは a 点で火花を発します。ピストンは上死点 (0) に向かってさらに移動し、燃焼圧力が増加します。最大燃焼圧力は、TDC 後 (点 b) で約 10 ～ 15 度に達します。

点 b が左に移動しすぎると、混合気が点火するのが早すぎて、ピストンの上昇が停止します。
点 b が右に移動すると、燃焼が遅くなりすぎます。ピストンはすでに ODP に向かって大きく移動しています。パワーストロークはもはや十分に効果的ではありません。

点火進角：
圧力ピークを正しいクランクシャフト位置で発生させるためには、エンジン回転数が上昇したときに点火を進めることが重要です。 b点（最大燃焼圧力）は動かしてはなりません。点火時期を進角したり遅角したりすると、ａ点（点火時期）が左右にずれます。燃焼時間は、エンジンの充填レベルと現在の混合比によって異なります。したがって、点火進角はエンジンごとに異なります。これは、クランクシャフトの基準点が TDC の数度前に設定される理由でもあります。基準点と TDC の間には、点火進角を計算する時間があります。

DIS 点火コイル (このページでさらに説明) を使用すると、点火タイミングを決定するにはクランクシャフト位置センサーで十分です。歯が欠けた後の最初のパルスは、たとえばシリンダー 1 と 4 の 18 次コイルに負荷をかけるために使用されます。次に、歯の数をカウント（この場合は 2）して、シリンダー 3 と XNUMX の XNUMX 次コイルのパルスを生成します。エンジンに COP 点火コイルが装備されている場合、XNUMX つの基準点だけでは十分ではありません。その場合、複数の基準点を検出するカムシャフト位置センサーが必要になります。

下の 3 つの画像 (点火進角テーブルと XNUMXD ビュー) は、点火マップの設定を示しています。 MegaSquirt プロジェクト。これらは、ルックアップテーブル、参照フィールド、またはコアフィールドと呼ばれます。

点火進角はエンジン構成に基づいて決定されます。グラフは、（従来の）機械式ディストリビュータ点火（ピンクの線）とコンピュータ制御システム（青の線）の全負荷点火進角曲線を示しています。ピンクの線の曲がり部分は、真空前進が有効になるポイントです。さらに、線は真っ直ぐです。これは機械的な制限によるものです。コンピュータ制御システムを使用すると、これをより正確に制御できます。したがって、点火曲線は曲線として進みます。 1200 rpm から 2600 rpm の間では、青い線がわずかに引き下げられます。これは部品の荷重ノッキング領域に関係します。従来のアドバンスラインとコンピュータ制御のアドバンスラインの両方が約 25 度で終わっていることもわかります。前進量をこれ以上増やすべきではありません。「高速ノッキング」、つまり高速でのノッキング領域が発生する危険性があるからです。

点火マップは点火進角の基礎として機能します。この時点から、エンジン管理システムは可能な限り点火を進めようとします。前進しすぎるとノッキングが発生します。これはノックセンサーによって記録されます。エンジンがノッキングする傾向があることをノックセンサーが検知した瞬間、エンジン管理システムは点火タイミングから数度ずれます。その後、ノックセンサーが信号を出すまで速度が再び加速されます。

滞留時間：
一次電流がオンになると、磁界が発生します。コイルを流れる電流はすぐには最大値に達しません。これには時間がかかります。コイルには、対向する誘導電圧から得られる抵抗が存在します。電流も 6 ～ 8 アンペアを超えません。 2,3 ミリ秒以内に、点火プラグから火花を飛ばすのに十分なエネルギーが生成され、混合気に点火するのに十分です。 t=2,3ms の時点が点火時期です。時間 t0 から t=2,3 ms までの電流の増加は、一次コイルの充電時間、またはドウェル時間と呼ばれます。

一次コイル内の電流の蓄積は約 7,5 アンペアで止まります。一次コイルが熱くなりすぎる可能性があるため、電流はこれ以上増加しないでください。車両の搭載電圧が低下すると、7,5次コイルの充電に時間がかかります。点火時期は変わりません。したがって、読み込みは早めに開始する必要があります。これは図で確認できます。緑色の線は、より低い電圧でのコイルのターンオン現象を示しています。充電プロセスはより早く開始され (デルタ t)、XNUMX A の黒線と同時に終了します。

点火コイルの制御が変わります。駆動パルスの幅は一次コイルの充電時間に影響します。パルスが長いほど、コイルの充電時間が長くなります。
どちらの画像でも、炎症は 80 番目の歯 (TDC の XNUMX 度前) で発生しています。右の図は滞留時間が長いことを示しています。

DIS 炎症:
DISとはディストリビューターレスイグニッションシステムの略です。名前が示すように、これは電子ディストリビュータレス点火です。点火信号はECUから直接送られるため、コンピューター制御による点火となります。 2つのハウジングに1つの点火コイルを組み合わせた点火システムです。各点火コイルは 2 つのシリンダーに火花を供給します。シングルコイル点火コイルはシリンダー 1 と 4 に取り付けられ、もう 2 つのコイルはシリンダー 3 と XNUMX に取り付けられます。

例として、シリンダー 2 と 3 に接続された DIS 点火コイルを取り上げます。ローターがないため、両方が同時に点火します。シリンダー 2 は圧縮行程の終わりにあり、点火コイルは混合物に点火するための火花を供給します。これは、点火コイルがシリンダー 3 でも火花を散らし、その後吸気行程から開始することを意味しますが、可燃性混合気が存在しないため、これは問題になりません。その後、シリンダー 3 が圧縮行程で忙しくなると、シリンダー 2 は吸気行程で忙しくなり、不必要な点火を受けることになります。燃焼が起こらないシリンダー内の空の火花は、点火プラグの劣化を早める原因にはなりません。これにより、混合気を燃焼させる際にスパークに必要な電圧は 1kV ではなく 1000kV (30V) だけになります。

DISイグニッションコイルの利点は、実際にメンテナンスが不要であることです。イグニッションコイルはメンテナンスフリーです。この点火コイルの欠点は、点火コイル内のケーブルと接続シャフトの間に水分が侵入する場合があることです。湿気により接点が腐食し、白または緑色に変色します。腐食による電圧損失が大きくなり、火花電圧が低下します。実際に ECU のメモリに障害を引き起こすことなく、エンジンがわずかに震えたり振動し始めることがあります。このような苦情が発生した場合は、イグニッションコイルからのケーブルを XNUMX 本ずつ分解し (エンジンを停止した状態で!!)、接点がきれいに金色になっているかどうか、腐食の痕跡がないかどうかを確認するのが賢明です。ケーブルとシャフトが見えます。腐食は非常に激しく、洗浄後はゆっくりと元に戻ります。最善の解決策は、点火コイル全体を関連するケーブルと交換することです。

シリンダーごとに XNUMX つの点火コイル:
この点火システムでは、COP（コイルオンプラグ）点火コイルとも呼ばれる（ロッド）点火コイルが点火プラグに直接取り付けられています。ここでもエンジンコントロールユニット (ECU) が点火を制御します。電流と点火時期は両方ともコントロールユニットによって計算されます。動作は古い点火コイルに似ています。このイグニッションコイルにも一次コイルと二次コイルがあります。一次コイルには上部のプラグを介して電圧が供給され、トランジスタを介して内部で遮断されます。
これらの点火コイルの欠点は、点火プラグのシャフトに取り付けられているため、非常に高温になることです。そのために作られていますが、時々壊れる傾向があります。これは、車がシリンダーを飛ばし、エンジンが震え始めると認識できます。これが起こると、ラムダセンサーは点火コイルが燃料に点火していないことを認識し、該当するシリンダーへの燃料噴射が停止されます。するとシリンダーはまったく機能しなくなります。これにより、触媒を破壊する未燃の燃料が排気ガスに混入するのを防ぎます。点火コイルの破損は、多くの場合、エンジンが非常に不規則に動作するという事実によって認識できます (エンジンライトが点灯しますが、このライトにはさまざまな原因が考えられます)。

シリンダー失火の詳細と原因については、このページをご覧ください。シリンダートランスファー.

点火コイルの欠陥が疑われる場合は、エンジンが緊急モードになっていて、エンジンの動作中に点火と噴射がオフになっている場合に、オシロスコープで一次点火画像を表示できます。

オシロスコープによる一次点火パターンの測定:
イグニッションコイルは、スパークプラグの底部で強力なスパークが発生できるように電圧を生成します。スパークプラグ内で火花を発生させるには、イグニッションコイルは約30.000～40.000ボルトの電圧を発生させる必要があります。この目的のために、300 ～ 400 ボルトのイオン化電圧を一次コイルで生成する必要があります。このプロセスがうまく進んでいるかどうかは、100次コイルを通る電圧の経過でわかります。一次コイルと二次コイルの電圧は相互に伝達されますが、二次コイルのレベルは約 XNUMX 倍高くなります。これにより、一次電圧プロファイルで、点火コイルが正常かどうか、および点火プラグが適切に点火しているかどうかを確認することができます。下のスコープ画像は点火コイルの一次コイルで測定したものです。

左から右へ：

14 ボルト: 静止状態では、点火コイル内のコイルのプラス側とアース側で 14 ボルトを測定します。
接触時間: 14 次コイルの片側がアースに接続されます。 + とグランドの間に XNUMX ボルトの差動電圧が発生し、コイルに電流が流れます。
300 ボルト (誘導): ECU または点火モジュールの出力ステージが制御を終了し、一次コイルで約 300 ボルトの誘導が発生します。これをイオン化電圧と呼びます。 30.000次コイルにはXNUMXボルトの電圧が発生します。この電圧は、点火プラグの電極間の空気を導電性にして火花を飛ばすために必要です。
点火プラグからの火花: 点火線から、点火プラグが火花を発していることがわかります。
スイング: 残留エネルギーが流れ去る場所です。これは回路のLCR値（イグニッションコイルのL値とコンデンサの容量）によって決まります。

スコープ画像の開口時間とは、接点の開口時間を意味します。これは、コンピュータ制御の点火には当てはまりません。ただし、XNUMX 番目のスパークのイオン化電圧が現れる点に基づいて速度を決定できます。以下のスコープ画像は、低速 (左) と高速 (右) での一次点火画像を示しています。

オシロスコープを使用すると、クランクシャフト信号に対する点火画像や噴射画像を表示できます。基準ホイールには XNUMX つの基準点が含まれています。クランクシャフトが回転するたびに点火の瞬間が起こります。クランクシャフトは XNUMX つの完全なデューティサイクルで XNUMX 回転する必要があることがわかっています。このことから、当社が扱っているのは DIS イグニッションコイルであることがわかります。したがって、「無駄な火花」が発生します。インジェクターの画像はこれを裏付けています。噴射はクランクシャフトの XNUMX 回転ごとに行われます。

イグニッションコイルの不良が疑われる場合は、二次点火画像を見ることで二次点火に問題があるかどうかを判断できます。結果として得られる画像は、欠陥が存在するシリンダー 6 (青) とシリンダー 4 (赤) の点火イメージを示しています。画像の下に説明が続きます。

シリンダー 4 の主要な画像では、イオン化電圧が見られますが、その後エネルギーは流れ去ります。この画像は、磁気コイルインジェクターの特徴的な電圧プロファイルに似ています。この画像で何が認識できるか:

シリンダー6（青）はOKです。この画像を参考として使用します。
シリンダー 4: イオン化電圧は正常です。一次コイルでエネルギーが発生します。一次コイルは良好です。
エンジン ECU または外部点火モジュールの制御は正常です。
二次コースは表示されません。
したがって、一次コイルと二次コイルはエネルギーを交換しません。
二次コイルが遮断されます。

経験上、点火コイルの二次コイルは熱により故障する可能性があることがわかっています。この欠陥はオシロスコープで検出できます。エンジンがリンプモードになった場合、制御が終了する場合がありますのでご注意ください。したがって、測定はエンジン始動直後または始動中に行ってください。