コンデンサ放電点火

コンデンサ放電点火( CDI ) またはサイリスタ点火は、自動車の電子点火システムの一種で、船外機、オートバイ、芝刈り機、チェーンソー、小型エンジン、ガスタービン航空機、一部の自動車で広く使用されています。これはもともと、誘導放電点火(IDI) システムで使用される高インダクタンスコイルに関連する長い充電時間を克服し、点火システムを高エンジン速度 (小型エンジン、レーシング エンジン、ロータリー エンジン) に適したものにするために開発されました。容量放電点火では、コンデンサを使用して点火コイルに電流を放電し、スパーク プラグを点火します。

コンデンサ放電点火システムの歴史は、ニコラ・テスラが最初にそのような点火システムを提案したと考えられている 1890 年代にまで遡ります。1897年 2 月 17 日に最初に出願された米国特許 609,250 号で、テスラは「装置の適切な可動部は、コンデンサの充電と、放電が発生する端子につながる二次回路に誘導関係にある回路を通じた放電を機械的に制御するようになされており、これにより、必要な間隔でコンデンサがその回路を通じて放電され、他の回路に高電位の電流が誘導され、必要な放電が発生します」と述べています。この特許では、その目的を達成するための機械的手段も図面とともに非常に一般的に説明されています。

CDI システムは、もともと 1905 年にヘンリー フォードの 6 気筒レーサー用に発明されましたが、1906 年にフォード モデル K の標準装備として初めて量産されました。モデル K はデュアル点火システムを採用しており、その 1 つがホーリー ブラザーズ カンパニーが製造したホーリー ハフ マグネトー、またはハフ システムでした。これはエドワード S. ハフによって設計され、米国特許 #882003 は 1905 年 7 月 1 日に出願され、ヘンリー フォードに譲渡されました。このシステムでは、コンデンサを充電し、点火コイルの一次巻線を通じてコン​​デンサを放電するエンジン駆動の DC ジェネレータが使用されていました。1906 年 1 月 11 日付の「Motorway」からの抜粋では、フォードの 6 気筒車での使用について次のように説明されています。「フォード マグネトーの効率性は、スイッチを入れた瞬間に車が加速し、点火制御レバーの位置を変えなくても、少なくとも時速 10 マイル速く走行するという事実によって証明されています。」

最初の電子式 CD 点火装置の先駆者はロバート ボッシュ社でした(ボッシュは高圧マグネトーの発明者でもあります)。第二次世界大戦中、ボッシュはピストン エンジン戦闘機の一部にサイラトロン(真空管式) CD 点火装置を装備していました。CD 点火装置を使用すると、飛行機のエンジンは確実に点火するためのウォーム アップ期間を必要としないため、結果として戦闘機はより迅速に離陸できます。この初期のドイツ製システムは、回転式 DC コンバータと壊れやすい真空管回路を使用していたため、戦闘機での使用には適していませんでした。故障はわずか数時間で発生しました。CD 点火装置を製造するための信頼性の高い電子的手段の探求は、1950 年代に本格的に始まりました。1950 年代半ば、ミシガン大学の工学研究所は米国の クライスラー社と協力して、実行可能なソリューションを生み出す方法を見つける作業を行いました。

彼らは失敗に終わったが、もしそのようなシステムが構築されたら、その利点に関する多くのデータを提供した。すなわち、汚れたまたは濡れたスパークプラグを点火するための電圧上昇時間が速いこと、回転数範囲全体にわたってエネルギーが高いため始動性が向上し、パワーと経済性が向上し、排出量が低減することである。1950年代を通じて、数人のエンジニア、科学者、愛好家がサイラトロンを使用したCD点火装置を構築していた。しかし、サイラトロンは2つの理由から自動車での使用には適していなかった。面倒なウォームアップ時間が必要であり、振動に弱く、耐用年数が大幅に短縮された。自動車用途では、サイラトロンCD点火装置は数週間から数ヶ月で故障した。これらの初期のサイラトロンCD点火装置は信頼性が低く、短期的な利点はあるものの大量生産には適していなかった。少なくとも 1 つの会社、Tung-Sol (真空管メーカー) は、1962 年にサイラトロン CD 点火装置、モデル Tung-Sol EI-4 を販売しましたが、高価でした。サイラトロン CD 点火装置の欠点にもかかわらず、改善された点火により、一部のドライバーにとって価値のある追加機能となりました。1964年のWankel搭載のNSU Spiderでは、Bosch が CD 点火装置にサイラトロン方式を復活させ、少なくとも 1966 年までこれを採用しました。Tung-Sol EI-4 と同じ信頼性の問題を抱えていました。

1950 年代後半に発明されたSCR (シリコン制御整流器またはサイリスタ)が、問題の多いサイラトロンに取って代わり、信頼性の高いソリッド ステート CD 点火への道を開いた。これは、ジェネラル エレクトリックのビル ガッツヴィラーと彼のチームのおかげである。SCR は耐久性があり寿命が無限であったが、SCR を「オン」にする不要なトリガー インパルスが発生しやすかった。CD 点火に SCR を使用する初期の試みにおける不要なトリガー インパルスは、電気的干渉によって引き起こされたが、主な原因は「ポイント バウンス」であることが判明した。ポイント バウンスは、ポイント トリガー システムの機能である。ポイント、ディストリビューター、点火コイル、点火(ケタリング システム) を備えた標準システムでは、ポイント バウンスにより、 RPMが上昇してもコイルが完全に飽和するのを防ぎ、火花が弱くなり、高速域でのポテンシャルが制限される。 CD 点火装置では、少なくとも初期の試みでは、ポイントのバウンスによって SCR (サイリスタ) に不要なトリガー パルスが生成され、一連の弱いタイミングのないスパークが発生して極端な失火が発生していました。この問題の解決方法は 2 つありました。1 つ目は、ポイントを別のものに置き換えることで、コンデンサの放電を 1 回のパワー ストロークにつき 1 回にトリガーする別の方法を開発することです。これは磁気的または光学的に行うことができますが、そのためにはより多くの電子機器と高価なディストリビュータが必要になります。もう 1 つの選択肢は、ポイントが既に使用されていて信頼性が高いため、ポイントを維持し、「ポイントのバウンス」問題を克服する方法を見つけることです。これは、1962 年 4 月にカナダのオンタリオ州オタワにある自宅の地下室で作業していたカナダ空軍将校の FL Winterburn によって実現されました。この設計では、ポイントがバウンスしたときに最初のポイントの開放のみを認識し、それ以降の開放は無視する安価な方法が使用されました。

1963 年初頭、オタワに Hyland Electronics という会社が設立され、Winterburn 設計を使用した CD 点火装置を製造しました。CD 点火装置内の放電コンデンサは、同じコイルを使用して Kettering システムの点火電力の 4 倍を超える強力な点火を提供する能力がありましたが、Kettering システムとは異なり、高回転でも点火エネルギーを維持できるという例外がありました。Hyland ユニットは、5000 rpm (8 気筒) または 10,000 rpm (4 気筒) でわずか 4アンペアを消費しました。1963 年と 1964 年のダイナモメーターテストでは、このシステムにより馬力が最低 5% 増加し、標準は 10% でした。1 つの例、Ford Falconでは、馬力が 17% 増加しました。点火プラグの寿命は少なくとも 50,000 マイルに増加し、ポイントの寿命は 8,000 マイルから少なくとも 60,000 マイルに大幅に延長されました。ポイントの寿命は、摩擦ブロック（カムフォロワー）の摩耗とスプリングのライフサイクルの要因となり、100,000 マイル近く持続するものもあります。

Hyland ユニットは、さまざまなポイントギャップを許容しました。このシステムは、2 本のワイヤを入れ替えることで、標準の誘導放電点火に戻すことができました。Hyland CD 点火装置は、商業的に生産された最初のソリッドステート CD 点火装置で、小売価格は 39.95 カナダドルでした。特許は 1963 年 9 月 23 日に Winterburn によって申請されました (米国特許番号 3,564,581)。1963 年の夏、Hyland が販売拡大のために米国企業に設計を公開した際に、設計が米国に漏洩しました。その後、1960 年代から 1970 年代にかけて、多数の企業がライセンスなしに独自の回路を作り始めました。その中には Winterburn 回路を直接コピーしたものもありました。1971 年に Bosch が Winterburn からヨーロッパの特許権 (ドイツ、フランス、イギリス) を購入しました。

1970 年 1 月の英国 Wireless World 誌には、RM Marston 氏による電子趣味の製作プロジェクトとして、コンデンサ放電点火システムの詳細が掲載されました。このシステムの回路は、プッシュプル変換スイッチ モード発振器を使用してエネルギーを蓄積放電コンデンサに転送し、従来の接触ブレーカーを使用してサイリスタを起動して充電された CD コンデンサの放電を開始した点で、Winterburn 特許に類似していました。従来の点火に比べていくつかの利点があるとされていました。その中には、燃焼の改善、氷点下でも簡単に始動できること、接触器 (ポイント) のバウンスに対する耐性、2% - 5% の燃費向上などがあります。Wireless World へのその後の手紙 (1970 年 3 月と 5 月) では、Marston 氏からの返信とともに、設計と製作の側面についてさらに議論されました。1971 年 7 月、City University London の学部生である AP Harris 氏が、Marston 設計の詳細な電気工学分析と、燃費を検証するための自動車エンジン測定試験を行いました。しかし、CD 設計の核となる要素は、スイッチ モード トランスフォーマーの慎重な手巻きと、発振器トランジスタの適切な選択、および発振器周波数の選択にあることを彼は発見しました。

さまざまな理由（おそらく主にコスト）により、現在入手可能なアフターマーケット点火システムの大部分は誘導放電タイプであると思われますが、1970 年代と 1980 年代には、ポイントを保持するものや、代替タイプのタイミング センサーを提供するものなど、さまざまな容量放電ユニットが容易に入手可能でした。

自動車に使用されているほとんどの点火システムは誘導放電点火(IDI) システムであり、一次コイル巻線への電流が切断されると磁場が崩壊し(破壊的放電)、コイルの電気インダクタンスのみを利用してスパークプラグに高電圧 電気を生成します。CDI システムでは、充電回路が高電圧コンデンサを充電し、通常はクランク位置センサーによって決定される点火の瞬間に、システムはコンデンサの充電を停止し、コンデンサがスパークプラグに到達する前に点火コイルに出力を放電できるようにします。

一般的な CDI モジュールは、小型の変圧器、充電回路、トリガー回路、およびメインコンデンサで構成されています。まず、システム電圧が CDI モジュール内の電源によって 250 ～ 600 ボルトに上げられます。次に、電流が充電回路に流れ、コンデンサを充電します。充電回路内の整流器は、点火の瞬間前にコンデンサが放電するのを防ぎます。トリガー回路がトリガー信号を受信すると、トリガー回路は充電回路の動作を停止し、コンデンサがその出力を低インダクタンスの点火コイルに急速に放電できるようにします。CD 点火では、点火コイルは誘導システムの場合のようにエネルギー貯蔵媒体としてではなく、パルス トランスとして機能します。スパーク プラグへの電圧出力は、CD 点火の設計に大きく依存します。既存の点火部品の絶縁能力を超える電圧は、それらの部品の早期故障につながる可能性があります。ほとんどの CD 点火は非常に高い出力電圧を出すように作られていますが、これは必ずしも有益ではありません。トリガー信号がない場合、充電回路が再接続され、コンデンサが充電されます。

CDI システムが火花発生のために蓄えることができるエネルギー量は、使用されるコンデンサの電圧と静電容量に依存しますが、通常は約 50 mJ以上です。標準のポイント/コイル/ディストリビューター点火は、より正確には誘導放電点火システムまたはケタリング点火システムと呼ばれ、低速時に 25 mJ を生成し、速度が上昇すると急速に減少します。

CDI スパーク エネルギーについて議論する際に考慮されないことが多い要素の 1 つは、スパーク ギャップに実際に供給されるエネルギーと、コイルの一次側に加えられるエネルギーの比率です。簡単な例として、一般的な点火コイルの二次巻線抵抗は 4000 オーム、二次電流は 400 ミリアンペアです。スパークが発生すると、稼働中のエンジンのスパーク ギャップにかかる電圧は、1500 ～ 2000 ボルト程度の比較的低い値に低下します。これに加えて、400 ミリアンペアのコイル二次電流が 4000 オームの二次抵抗によって約 1600 ボルト失われるという事実から、コイル二次側の加熱でエネルギーの 50% が失われていることがわかります。実際の測定では、コイル一次巻線損失を含めると、実際の効率はわずか 35 ～ 38% に過ぎません。

ほとんどの CDI モジュールは、一般的に次の 2 つのタイプに分類されます。

AC-CDI

AC-CDI モジュールは、オルタネーターによって生成された交流電流からのみ電源を取得します。AC-CDI システムは、小型エンジンで広く使用されている最も基本的な CDI システムです。

DC-CDI

DC-CDI モジュールはバッテリーから電力を供給されるため、12 V DC を 400 ～ 600 V DC に上げるための追加の DC/AC インバーター回路が CDI モジュールに組み込まれ、CDI モジュールが若干大きくなります。ただし、DC-CDI システムを使用する車両は、点火タイミングがより正確で、冷間時のエンジン始動が容易になります。

小型エンジンの点火システムはすべて CDI ではありません。古い Briggs や Stratton などの一部のエンジンではマグネトー点火が使用されています。点火システム全体、コイル、ポイントは磁化されたフライホイールの下にあります。

1960 年代から 1970 年代にかけて小型オフロード バイクで一般的に使用されていた別の種類の点火システムは、エネルギー トランスファーと呼ばれていました。フライホイールの下のコイルは、フライホイール マグネットがその上を移動すると、強力な DC 電流パルスを生成しました。(エンジンを回転させながらコイルの波形出力をオシロスコープで調べると、AC のように見えます。ただし、コイルの充電時間はクランクの 1 回転よりもはるかに短いため、コイルは実際には外部の点火コイルを充電するための DC 電流のみを「認識」します。) この DC 電流は、ワイヤを介してエンジンの外側に取り付けられた点火コイルに流れました。ポイントは、2 ストローク エンジンの場合はフライホイールの下にあるものもあれば、4 ストローク エンジンの場合はカムシャフト上にあるのが一般的でした。このシステムは、すべてのケタリング (ポイント/コイル) 点火システムと同様に機能しました。つまり、開口ポイントが点火コイルの磁場の崩壊を引き起こし、高電圧パルスが生成され、それがスパーク プラグ ワイヤを介してスパーク プラグに流れます。

CDI ではない電子点火システムもいくつかあります。これらのシステムでは、トランジスタを使用してコイルへの充電電流を適切なタイミングでオン/オフします。これにより、点火ポイントの焼けや摩耗の問題がなくなり、点火コイルの電圧上昇と低下の時間が速くなるため、より高温の火花が生まれます。

CDI システムは、一般的な誘導システム (300 ~ 500 V/μs) と比較して充電時間が短く、電圧上昇が速く (3 ~ 10 kV/μs)、スパーク持続時間が約 50-600 μs に制限されています。^{[引用が必要]}電圧上昇が速いため、CDI システムはシャント抵抗の影響を受けませんが、限られたスパーク持続時間は、一部のアプリケーションでは信頼性の高い点火を提供するには短すぎる場合があります。シャント抵抗の影響を受けないことと、複数のスパークを発射できることにより、コールド スタート能力が向上します。^{[引用が必要]}

CDI システムは、持続時間の短いスパークしか提供しないため、この点火システムをイオン化測定と組み合わせることもできます。これは、点火時以外はスパークプラグに低電圧 (約 80 V) を接続することによって行われます。スパークプラグを流れる電流を使用して、シリンダー内の温度と圧力を計算できます。^{[引用が必要]}

• ボッシュ自動車ハンドブック、第 5 版
• 米国特許庁 - 3,564,581
• Wireless World、1970 年 1 月: コンデンサ放電点火システム、RM Marston
• ワイヤレスワールド、1970年3月: 編集者への手紙
• ワイヤレスワールド、1970年5月: 編集者への手紙
• ロンドン市立大学、1971 年 7 月 14 日、理学士優等学位 - 特別レポート - 自動車用電子点火システム。AP ハリス