点火時期

火花点火 式内燃機関において、点火時期とは、現在のピストン位置とクランクシャフト角度を基準として、圧縮行程の終わり近くに燃焼室内で火花が放出されるタイミングのことです。

スパークのタイミングを早める（または遅らせる）必要があるのは、スパークが点火した瞬間に燃料が完全に燃焼しないからです。燃焼ガスが膨張するには時間がかかり、エンジンの角速度または回転速度によって、燃焼と膨張が発生する時間枠が長くなったり短くなったりします。ほとんどの場合、角度は上死点（BTDC）の前に特定の角度を進めることとして説明されます。スパーク BTDC を早めるということは、燃焼室が最小サイズに達する前にスパークが通電されることを意味します。これは、エンジンのパワー ストロークの目的が燃焼室を強制的に膨張させることであるためです。上死点（ATDC）後に発生するスパークは、排気ストロークの前に補助スパークまたは継続スパークの必要がない限り、通常は逆効果です（無駄なスパーク、バックファイア、エンジン ノックなどが発生します） 。

点火タイミングを正しく設定することは、エンジンの性能にとって非常に重要です。エンジン サイクルで火花が早すぎたり遅すぎたりすると、過度の振動やエンジンの損傷の原因になることがよくあります。点火タイミングは、エンジンの寿命、燃費、エンジン出力など、多くの変数に影響します。また、多くの変数が「最適な」タイミングにも影響します。エンジン コントロール ユニットによってリアルタイムで制御される最新のエンジンは、コンピューターを使用してエンジンの回転数と負荷範囲全体にわたってタイミングを制御します。機械式ディストリビューターを使用する古いエンジンは、慣性(回転する重りとスプリングを使用) とマニホールドの真空を利用して、エンジンの回転数と負荷範囲全体にわたって点火タイミングを設定します。

初期の自動車では、運転者が運転状況に応じて コントロールを介してタイミングを調整する必要がありましたが、現在ではこれは自動化されています。

特定のエンジンの適切な点火時期に影響を与える要因は多数あります。これには、吸気バルブまたは燃料インジェクターのタイミング、使用されている点火システムの種類、スパークプラグの種類と状態、燃料の内容と不純物、燃料の温度と圧力、エンジン速度と負荷、空気とエンジンの温度、ターボブースト圧力または吸気圧力、点火システムで使用されるコンポーネント、および点火システムコンポーネントの設定が含まれます。通常、エンジンの大幅な変更やアップグレードには、エンジンの点火時期設定の変更が必要になります。^[1]

機械制御ガソリン内燃エンジンの火花点火システムは、ディストリビューターと呼ばれる機械装置で構成されており、ピストンの位置（上死点（TDC）に対するクランクシャフトの角度）に応じて各シリンダーに点火 火花を発生させて分配します。

ピストンの位置に対するスパーク タイミングは、機械的な進角のない静的 (初期またはベース) タイミングに基づいています。ディストリビューターの遠心タイミング進角機構により、エンジン速度が上昇するとスパークが早く発生します。これらのエンジンの多くは、遠心進角とは関係なく、軽負荷時および減速時にタイミングを進める真空進角も使用します。これは通常、自動車用途に適用されます。船舶用ガソリン エンジンでは、真空進角のない同様のシステムが一般的に使用されます。

1963年半ば、フォードは新しい427 FE V8にトランジスタ点火を採用した。このシステムでは、点火ポイントに非常に低い電流しか流さず、PNPトランジスタを使用して点火電流の高電圧スイッチングを実行することで、より高電圧の点火スパークを可能にし、ブレーカーポイントのアーク摩耗による点火タイミングの変動を減らした。このシステムを搭載したエンジンのバルブカバーには、「427-T」と書かれた特別なステッカーが貼られていた。ACデルコのデ​​ルコトロントランジスタ制御磁気パルス点火システムは、1964年以降、ゼネラルモーターズの多くの車両でオプションとなった。デルコのシステムは機械的なポイントを完全に排除し、電流の切り替えに磁束の変化を使用するため、ポイント摩耗の懸念が実質的に排除された。1967年には、フェラーリとフィアットディーノにマニエッティマレリのディーノプレックス電子点火が装備され、ポルシェ911には1969年Bシリーズモデルからすべて電子点火が採用された。 1972年、クライスラーは一部の量産車に磁気的に作動する無意味な電子点火システムを標準装備として導入し、1973年までに全車に標準装備しました。

点火時期の電子制御は、数年後の 1975 年から 1976 年にかけて、クライスラーのコンピューター制御の「リーンバーン」電子点火進角システムの導入によって導入されました。1979 年までに、ボッシュ モトロニックエンジン管理システムの登場により、技術は点火時期と燃料供給の両方を同時に制御できるまで進歩しました。これらのシステムは、現代のエンジン管理システムの基礎を形成しています。

「タイミングアドバンス」とは、圧縮行程の終了前に燃焼室内の混合気に点火するためにスパークプラグが点火する上死点 (BTDC) 前の度数を指します。タイミングの遅延は、燃料の点火がメーカー指定の時間よりも遅くなるようにタイミングを変更することと定義できます。たとえば、メーカー指定のタイミングが最初は 12 度 BTDC に設定されていて、11 度 BTDC に調整された場合、それは遅延と呼ばれます。ブレーカーポイントを備えた従来の点火システムでは、基本タイミングは、テストライトを使用して静的に設定するか、タイミングマークとタイミングライトを使用して動的に設定できます。

タイミングを早める必要があるのは、混合気が燃焼するのに時間がかかるからである。ピストンが TDC に達する前に混合気に点火すれば、ピストンが TDC に達した直後に混合気が完全燃焼する。混合気が正しいタイミングで点火されれば、ピストンが TDC に達した後しばらくしてシリンダー内の最大圧力が発生し、点火された混合気が最大の力でピストンをシリンダー内に押し下げることができる。理想的には、混合気が完全燃焼する時間は ATDC で約 20 度である。^[要出典]これにより、エンジンの出力が最大化される。点火火花がピストンの位置に対して進みすぎた位置で発生すると、急速に燃焼する混合気が圧縮行程でまだ上昇中のピストンを実際に押し、ノッキング (ピンキングまたはピンギング) やエンジン損傷を引き起こす可能性がある。これは通常、低回転数で発生し、プレイグニッションまたはひどい場合にはデトネーションと呼ばれる。点火がピストンの位置に対して遅すぎると、ピストンがパワーストロークでシリンダー内にかなり下がった後に最大シリンダー圧力が発生します。その結果、パワーが失われ、過熱傾向になり、排出量が増加し、燃料が燃焼しなくなります。

点火時期は、エンジン速度が上昇するにつれて、空気燃料混合物が完全に燃焼するのに十分な時間を確保するために、TDC に対して徐々に早める必要があります。エンジン速度 (RPM) が上昇すると、混合物を燃焼させるのに利用できる時間は短くなりますが、燃焼自体は同じ速度で進行するため、時間内に完了するには、徐々に早く開始する必要があります。エンジン速度が上昇すると容積効率が低下するため、点火時期をさらに早める必要もあります。特定のエンジン速度に対して適切なタイミングの進角により、適切なクランクシャフト角度位置で最大シリンダ圧力を実現できます。自動車エンジンのタイミングを設定する場合、工場出荷時のタイミング設定は通常、エンジン ベイのステッカーに記載されています。

点火時期はエンジンの負荷にも依存し、負荷が大きいほど（スロットル開度が大きくなり、したがって空燃比も大きくなる）、進角は少なくて済みます（混合気の燃焼が速くなります）。また、点火時期はエンジンの温度にも依存し、温度が低いほど進角が大きくなります。混合気の燃焼速度は、燃料の種類、気流の乱流量（シリンダー ヘッドとバルブ トレイン システムの設計に関係します）、および空燃比によって異なります。燃焼速度がオクタン価と関連しているというのはよくある誤解です。

点火タイミングを正しく設定する方法の 1 つは、動力計でエンジン出力を監視しながら点火タイミングを設定することです。タイミングを進めたり遅らせたりすると、通常、それに応じて出力が変化します。負荷型動力計は、エンジンを一定の速度と負荷に保ちながらタイミングを調整して最大出力を得ることができるため、これを実現するのに最適な方法です。

ノックセンサーを使用して正しいタイミングを見つけるのは、エンジンを調整するために使用される方法の 1 つです。この方法では、ノックが発生するまでタイミングを進めます。次に、タイミングを 1 度または 2 度遅らせて、その位置に設定します。この方法は、ダイナモメーターを使用した調整よりも劣ります。特に、ピーク トルクを実現するためにそれほど進角を必要としない最新のエンジンでは、点火タイミングが過度に進角されることが多いためです。進角が過度になると、条件が変わったとき (燃料の品質、温度、センサーの問題など)、エンジンはピンギングやデトネーションを起こしやすくなります。特定のエンジン負荷/rpm で目的のパワー特性を達成した後、スパーク プラグにエンジン デトネーションの兆候がないか検査する必要があります。兆候がある場合は、兆候がなくなるまで点火タイミングを遅角する必要があります。

負荷型動力計で点火時期を設定する最良の方法は、ピークトルク出力に達するまでゆっくりとタイミングを進めることです。一部のエンジン (特にターボまたはスーパーチャージャー付き) は、特定のエンジン速度でピークトルクに達しないうちにノッキング (ピンピングまたは軽度のデトネーション) が発生します。この場合、エンジンのタイミングをこのタイミング値 (「ノック限界」と呼ばれる) よりわずかに遅らせる必要があります。点火時期が変化すると、エンジンの燃焼効率と容積効率が変化するため、点火が変化すると燃料量も変化する必要があります。点火時期が変化するたびに、ピークトルクを供給するために燃料も調整されます。

機械式点火システムでは、機械式スパークディストリビュータを使用して、高電圧電流を正しいタイミングで正しいスパーク プラグに分配します。エンジンの初期タイミング アドバンスまたはタイミング リタードを設定するには、エンジンをアイドリング状態にして、ディストリビュータを調整し、アイドル速度でエンジンに最適な点火タイミングを実現します。このプロセスは、「基本アドバンスの設定」と呼ばれます。基本アドバンスを超えてタイミング アドバンスを増やす方法は 2 つあります。これらの方法で達成されたアドバンスは、合計タイミング アドバンス数を達成するために基本アドバンス数に加算されます。

エンジン速度が上昇するにつれて、タイミングの機械的な進みも増加します。これは、慣性の法則を使用することで可能になります。ディストリビューター内の重りとスプリングが回転し、実際のエンジン位置に対するタイミングセンサーシャフトの角度位置を変更することで、エンジン速度に応じたタイミングの進みに影響を与えます。このタイプのタイミングの進みは、遠心タイミングの進みとも呼ばれます。機械的な進みの量は、ディストリビューターの回転速度のみによって決まります。2ストロークエンジンでは、これはエンジン RPM と同じです。4ストロークエンジンでは、これはエンジン RPM の半分です。進み度数とディストリビューター RPM の関係は、単純な 2 次元グラフとして描くことができます。

より軽い重りやより重いスプリングを使用すると、エンジン回転数が低いときにタイミングの進みを減らすことができます。 より重い重りやより軽いスプリングを使用すると、エンジン回転数が低いときにタイミングを進めることができます。 通常、エンジンの回転数範囲のある時点で、これらの重りは移動限界に接触し、遠心点火の進み量はその回転数以上で固定されます。

点火時期を進める（または遅らせる）ために使用される 2 番目の方法は、真空タイミング アドバンスと呼ばれます。この方法は、ほとんどの場合、機械式タイミング アドバンスに加えて使用されます。この方法は一般に、特に希薄混合気で燃費と運転性を向上させます。また、より完全な燃焼によってエンジン寿命が延び、未燃燃料が減ってシリンダー壁の潤滑が失われる量（ピストン リングの摩耗）と潤滑油の希釈（ベアリング、カムシャフトの寿命など）が少なくなります。真空アドバンスは、マニホールドの真空源を使用して、ディストリビューター内の位置センサー（接点、ホール効果センサーまたは光学センサー、リラクター ステーターなど）の取り付けプレートをディストリビューター シャフトに対して回転させることにより、低から中程度のエンジン負荷状態でタイミングを進めます。真空アドバンスはワイド オープン スロットル（WOT）で減少し、機械式アドバンスに加えてタイミング アドバンスがベース アドバンスに戻ります。

真空進角の原因の 1 つは、スロットル プレートの端に隣接しているがわずかに上流にあるスロットル ボディまたはキャブレターの壁にある小さな開口部です。これはポート真空と呼ばれます。ここに開口部があるため、アイドリング時の真空はほとんどまたはまったくなく、したがって進角もほとんどまたはまったくありません。他の車両では、吸気マニホールドから直接真空を使用します。これにより、アイドリング時に完全なエンジン真空 (したがって完全な真空進角) が提供されます。一部の真空進角ユニットには、アクチュエータメンブレンの両側に 1 つずつ、マニホールド真空とポート真空の両方に接続された 2 つの真空接続があります。これらのユニットは、点火時期を進めたり遅らせたりします。

一部の車両では、エンジンが熱いときや冷たいときは温度感知スイッチが真空進角システムにマニホールド真空を適用し、通常の動作温度ではポート真空を適用します。これは排出ガス制御の一種で、ポート真空によりキャブレターを調整してアイドリング混合気を希薄にすることができます。エンジン温度が高いときは、進角の増加によりエンジン速度が上昇し、冷却システムをより効率的に動作させることができます。温度が低いときは、進角により暖機混合気が濃くなり、より完全に燃焼して冷間時のエンジン動作が改善されます。

特定の条件下では、電気スイッチまたは機械スイッチを使用して真空進角を防止または変更することができます。初期の排出ガス電子機器は、酸素センサー信号または排出ガス関連機器の起動に関連して、いくつかのスイッチを作動させていました。また、希薄燃焼エンジンによるデトネーションを防止するために、特定のギアで真空進角の一部またはすべてを防止することも一般的でした。

新しいエンジンでは、通常、コンピューター制御の点火システムが使用されています。コンピューターには、エンジン速度とエンジン負荷のすべての組み合わせに対する点火進角値を含むタイミング マップ (ルックアップ テーブル) があります。コンピューターは、タイミング マップで指定された時間に点火コイルに信号を送り、点火プラグを点火します。OEM (相手先ブランド製造会社) のコンピューターのほとんどは変更できないため、タイミング進角曲線を変更することはできません。エンジンの設計によっては、全体的なタイミングの変更は可能です。アフターマーケットのエンジン制御ユニットを使用すると、チューナーがタイミング マップを変更できます。これにより、さまざまなエンジン アプリケーションに基づいてタイミングを進めたり遅らせたりすることができます。燃料品質の変化に対応するために、点火システムでノック センサーが使用される場合があります。

• Hartman, J. (2004)。エンジン管理システムの調整と変更方法。Motorbooks

• 電子燃料噴射（EFI）
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