誘導放電点火

誘導放電点火システムは、内燃機関の燃焼室内の空気と燃料の混合物を点火する手段として、19 世紀に開発されました。最初は低張力コイルで、次に低張力、さらに高張力マグネトーが使用され、これは、以前にホット チューブ エンジンで使用されていた旧式のホット チューブ点火装置のより効果的な代替品として提供されました。小型の定置型エンジンの出現、および自動車、エンジン駆動のトラクター、エンジン駆動のトラックの開発により、最初はマグネトー、後にディストリビューター タイプのシステムが、市販の電動機器の効率的で信頼性の高いエンジン点火システムの一部として使用されるようになりました。これらのシステムは、1960 年代を通じてすべての自動車とトラックで広く使用されていました。フォード、ゼネラル モーターズ、クライスラー、シトロエン、メルセデス、ジョン ディア、インターナショナル ハーベスターなどのメーカーが、これらのシステムを自社製品に組み込みました。誘導放電システムは現在でも広く使用されています。

誘導放電点火システムは、ファラデーの誘導の法則で説明される電磁気学のルールに従って動作します。この法則では、任意の閉回路における起電力(emf)の誘導は、回路を通る磁束の時間変化率に等しいとされています。言い換えると、生成される起電力は磁束の変化率に比例します。簡単に言えば、磁場が時間とともに変化するシステムでは、電界が誘導されます。変化は、力の方向または強度の変化です。この法則で説明される効果は、発電機、モーター、オルタネーター、および変圧器が機能する効果です。誘導放電点火の設計に適用されるファラデーの法則から得られる主な概念が 2 つあります。1 つは、磁界内でワイヤを動かすと、ワイヤに電圧と電流が誘導される(電磁誘導)というものです。2 つ目は、ワイヤ内を流れる電流がワイヤの周りに磁界を誘導するというものです。

マグネトーは、ガソリン内燃機関の点火を目的として発明された電気機械装置の 1 つです。マグネトーは、最も基本的な意味では、ワイヤの隣を移動する単純な磁石ですが、ワイヤが磁石の隣を移動することもあります。これらが互いの相対的に移動すると、磁力の方向が変化することでワイヤに電流が発生します。通常、ワイヤ (一次ワイヤと呼ばれる) は非常に長く、鉄の磁気コアの周りにループ状に巻かれており、磁界がワイヤのループを通じて多かれ少なかれ導かれます。電流が流れると、ワイヤ ループに独自の磁場が発生しますが、その形成には一定量のエネルギーが必要です。磁場は位置エネルギーの一種です。通常、接点ブレーカー、ポイント、またはイグナイターと呼ばれる、回路を開閉する何らかの装置があります。ポイントまたはイグナイターが開くと、電流の流れが止まり、磁場が消滅します。磁場に蓄えられたエネルギーは、ワイヤの電圧の上昇という形で放出されます。この電圧は、燃焼室内にある点火装置またはスパークプラグのギャップを通過し、空気と燃料の混合物を点火して仕事をします。

一部のマグネトには、最初のコイルの隣に 2 番目のコイルがあり、これを二次コイルと呼びます。このコイルは通常、一次ループよりもはるかに長く、磁気コアの周囲に多数のループを配置することで実現されています。磁場が形成されると、二次コイルにも電流が誘導されます。接点ブレーカーが回路を開くと、磁場が崩壊し、一次コイルと二次コイルに高電圧が発生します。ただし、二次コイルの巻き数が多いため、電圧ははるかに高くなり、イグナイターまたはスパークプラグでより大きな火花が発生し、より確実な点火が実現します。

マグネトーは信頼性が高いため、航空機の点火システムとして使用されています。また、別個の電源やバッテリーを持たない機械にも使用されています。ディストリビューターとバッテリーを使用するシステムに比べて重量面で有利なため、ドラッグ レース カーにも使用されています。

点火技術が発達するにつれ、エンジニアは磁石をまったく使わなくても機能的な点火システムを設計できることに気づきました。鉄の磁気コアに巻かれた一次ワイヤ ループに電流を流すと、磁石がなくても一次ループに磁場が生成されます。この磁場は、隣接する長い二次ワイヤ ループに電流を誘導します。一次ループの回路を開くと、磁場が崩壊して二次ループに電圧が誘導されます。この高電圧は、ガソリン車やトラックのエンジンの複数のスパーク プラグのそれぞれにディストリビュータによって運ばれ、または「分配」されます。

この種のシステムで最もよく知られているのは、チャールズ F. ケタリングが1909 年頃に発明したもので、デルコ点火システムとして知られていました。その後、米国特許庁に出願された特許には、「ケタリング点火システム」への言及があります。このタイプの点火システムは、自動車、トラック、芝刈り機、トラクター、チェーンソー、その他のガソリン駆動の機械に使用され、容量放電点火システムが開発されるまで、何十年にもわたって大きな成功を収めました。

• https://patents.google.com/patent/US1037491 チャールズ・F・ケタリング 1909年9月15日/1912年9月3日 「爆発モーターの点火装置」 コンデンサーなし、ポイントなし、独立したコイル
• https://patents.google.com/patent/US1037492 チャールズ F. ケタリング 1910 年 11 月 2 日/1912 年 9 月 3 日 「点火システム」コンデンサー付きディストリビューター 46 (ポイントではない)
• https://patents.google.com/patent/US1223180 チャールズ・F・ケタリング 1911年8月11日/1917年4月17日 「点火システム」ポイント、コンデンサなし、バッテリーの消耗を防ぐ点火スイッチ
• https://patents.google.com/patent/US3327165 John A. Hawthorne 1964/1967 は、Kettering 点火システムについて次のようにコメントしています。「このシステムを改善または代替する実際的な取り組みは失敗し、このシステムは長年にわたって実質的に変更されていません。しかし、自動車エンジンの高性能化に向かう​​現在の傾向により、この実証済みのシステムは時代遅れになる恐れがあります。Kettering システムの主な制限は、通常適用されるように、点火ポイントまたは変圧器コイルの寿命を犠牲にすることなく、十分なレベルのスパークプラグギャップエネルギーを発生させることができないことです。このシステムの本質的な非効率性は、エンジン速度が高いときに特に顕著になります。」