コンデンサ放電点火

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年代に遡ります。 1897年2月17日に最初に出願された米国特許第609,250号の中で、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間につながる二次回路に誘導的に関係する回路を通じた放電を機械的に制御するように設計されており、所望の間隔でコンデンサがその回路を通して放電され、他の回路に所望の放電を生み出す高電位電流を誘導する」と述べています。この特許には、その目的を達成するための機械的手段が図面とともに非常に概略的に説明されています。

元々は1905年にヘンリー・フォードの6気筒レーシングカー用に発明されたCDIシステムが、1906年にフォード モデルKの標準装備として初めて量産化された。モデルKはデュアル点火システムを採用しており、そのうちの1つがホーリー・ブラザーズ社製のホーリー・ハフ・マグネトー、またはハフシステムであった。これはエドワード・S・ハフによって設計され、1905年7月1日に米国特許番号882003が出願され、ヘンリー・フォードに譲渡された。このシステムは、エンジン駆動の直流発電機を使用してコンデンサを充電し、点火コイルの一次巻線を通してコンデンサを放電する。1906年1月11日の「モーターウェイ」紙の記事には、フォードの6気筒車におけるその使用について次のように書かれている。「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マイル速くなるという事実によって証明される。」

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。（ボッシュ社は高電圧マグネトーの発明者でもあります。）第二次世界大戦中、ボッシュ社はピストンエンジン搭載の戦闘機にサイラトロン（真空管式）CD点火装置を搭載しました。CD点火装置では、航空機エンジンは確実に点火するために暖機運転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することができました。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おり、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。信頼性の高い電子式CD点火装置の開発は、1950年代に本格的に始まりました。1950年代半ば、ミシガン大学工学研究所は、米国クライスラー社と協力して、実用的な解決策を見つけるための方法を探りました。

それらは成功しなかったが、そのようなシステムが構築された場合の利点に関する多くのデータを提供した。すなわち、汚れたまたは湿ったスパークプラグに点火するための電圧上昇時間の速さ、回転数範囲全体にわたる高エネルギーによる始動性の向上、出力と燃費の向上、および排出ガスの低減である。1950 年代を通じて、少数のエンジニア、科学者、および愛好家がサイラトロンを使用して CD 点火装置を製作した。しかし、サイラトロンは 2 つの理由で自動車での使用には不向きであった。煩わしいウォームアップ期間が必要であり、振動に弱く、耐用年数が大幅に短縮される。自動車用途では、サイラトロン CD 点火装置は数週間または数か月で故障する。初期のサイラトロン CD 点火装置の信頼性の低さは、短期的な利点があったにもかかわらず、大量生産には不向きであった。少なくとも1社、真空管メーカーのTung-Solは、1962年にサイラトロン式CD点火装置、Tung-Sol EI-4を販売したが、高価だった。サイラトロン式CD点火装置には欠点もあったが、点火性能が向上したため、一部のドライバーにとっては価値のある追加装備となった。1964年のヴァンケルエンジン搭載のNSU Spiderでは、ボッシュが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年まで使用した。しかし、Tung-Sol EI-4と同様の信頼性の問題を抱えていた。

1950年代後半に発明されたサイリスタ（SCR）は、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点火への道を開きました。これは、ゼネラル・エレクトリックのビル・ガッツウィラーとそのチームのおかげです。SCRは頑丈で寿命は無限でしたが、不要なトリガーパルスが発生しやすく、SCRが「オン」になってしまうことがありました。CD点火にSCRを使用する初期の試みでは、不要なトリガーパルスは電気的干渉によって引き起こされましたが、主な原因は「ポイントバウンス」であることが判明しました。ポイントバウンスは、ポイントトリガーシステムの特徴です。ポイント、ディストリビューター、点火コイル、点火装置（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、回転数が上昇してもコイルが完全に飽和せず、弱い火花が発生し、高速性能が制限されます。 CD点火では、少なくとも初期の試みでは、接点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発生し、その結果、弱い、タイミングのずれた火花が連続して発生し、極端な失火を引き起こしました。この問題には2つの解決策がありました。1つ目は、接点を別のものに交換して、コンデンサの放電を1回のパワー ストロークで1回だけ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部品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、すでに使用されていて信頼性のある接点をそのまま使用し、「接点のバウンス」問題を克服する方法を見つけることでした。これは、1962 年 4 月に、カナダ空軍士官の FL Winterburn がオンタリオ州オタワの自宅の地下室で作業して達成しました。この設計では、接点が最初に開いたときだけを認識し、接点がバウンスしたときにその後の開きを無視する安価な方法を使用しました。

1963年初頭、オタワにハイランド・エレクトロニクス社が設立され、ウィンターバーン設計を用いたCD点火装置を製造した。CD点火装置内の放電コンデンサは、同じコイルを使用したケタリングシステムの4倍以上の強力な火花を発生させることができた。ただし、ケタリングシステムとは異なり、高回転域でも火花エネルギーを維持できた。ハイランド社の装置は、5000rpm（8気筒）または10000rpm（4気筒）でわずか4アンペアしか消費しなかった。1963年と1964年に行われたダイナモメーターテストでは、このシステムにより最低でも5% 、平均で10%の馬力向上が見られた。例えば、フォード・ファルコンでは馬力が17%向上した。スパークプラグの寿命は少なくとも5万マイルに延び、ポイントの寿命は8000マイルから少なくとも6万マイルに大幅に延びた。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寿命サイクルによって左右され、中には10万マイル近くもつものもあった。

ハイランドユニットは、さまざまな接点ギャップに対応できました。2本のワイヤーを入れ替えることで、システムを標準の誘導放電点火に戻すことができました。ハイランドCD点火は、市販された最初のソリッドステートCD点火で、カナダドルで39.95で販売されました。特許は、1963年9月23日にウィンターバーンによって出願されました（米国特許番号3,564,581）。この設計は、ハイランドが販売拡大のために米国企業に設計を公開した1963年の夏に米国に漏洩しました。その後、1960年代から1970年代にかけて、多くの企業がライセンスなしで独自のものを製造し始めました。中には、ウィンターバーンの回路を直接コピーしたものもありました。1971年、ボッシュはウィンターバーン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月号の英国ワイヤレスワールド誌は、RMマーストンによる電子工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な解説を掲載した。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用いて蓄積放電コンデンサにエネルギーを伝達し、従来の接点ブレーカーを用いてサイリスタを作動させて充電済みコンデンサ放電をトリガーするという点で、ウィンターバーン特許に類似していた。従来の点火方式に比べていくつかの利点があるとされ、その中には、燃焼効率の向上、氷点下でも容易な始動、接点（ポイント）のバウンスに対する耐性、そして2～5%の燃費向上などが含まれていた。その後、ワイヤレスワールド誌（1970年3月号と5月号）に寄せられたマーストン氏の返信とともに、設計と製作に関する詳細な議論が交わされた。1971年7月、ロンドン市立大学の学部生であるAPハリス氏は、マーストン氏の設計について詳細な電気工学的解析を行い、燃費を検証するために自動車エンジンの測定試験を実施した。これらの試験により、コンデンサ放電点火システムの利点が確認された。しかし、彼はCD設計の中核となる要素は、スイッチングモードトランスの丁寧な手巻きと、適切な発振トランジスタの選択、そして発振周波数の選択にあることを発見した。

様々な理由、おそらく主にコストの問題から、現在市販されているアフターマーケットの点火システムの大部分は誘導放電式であるようだが、1970年代と1980年代には様々な容量放電式ユニットが容易に入手可能であり、ポイント式を維持しているものもあれば、別のタイプのタイミングセンサーを提供するものもあった。

一般的なCDIモジュールは、小型トランス、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、CDIモジュール内部の電源によってシステム電圧が250～600ボルトに昇圧されます。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、点火の瞬間までコンデンサの放電を防ぎます。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、コンデンサの出力が低インダクタンスの点火コイルに急速に放電されるようにします。CD点火では、点火コイルは誘導システムのようにエネルギー蓄積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、こ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が得られるように設計されていますが、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容量に依存しますが、通常は50mJ以上です。標準的なポイント/コイル/ディストリビューター点火方式（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る）は、低速時に25mJのエネルギーを生成し、速度が上がるにつれて急速に低下します。

CDIの点火エネルギーについて議論する際にしばしば見落とされがちな要素の一つは、スパークギャップに実際に供給されるエネルギーと、コイルの一次側に印加されるエネルギーとの差です。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。点火後、エンジン作動中のスパークギャップの電圧は、1500～2000ボルト程度の比較的低い値まで低下します。この電圧低下に加え、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ボルトの電圧損失を受けることを考慮すると、コイル二次側の加熱によってエネルギーの実に50%が失われることになります。実際の測定結果では、コイル一次巻線の損失を含めた場合の実際の効率はわずか35～38%であることが示されています。

ほとんどのCDIモジュールは、一般的に2つのタイプに分類されます。

AC-CDI

AC-CDIモジュールは、発電機によって生成される交流電流のみを電源として利用します。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源供給されるため、12V DCを400～600V DCに昇圧するためのDC/ACインバータ回路がCDIモジュール内に別途搭載されており、そのためCDIモジュールは若干大きくなります。しかしながら、DC-CDIシステムを採用した車両は点火タイミングの精度が高く、冷間始動時のエンジン始動も容易になります。