点火時期

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点火時期(てんかじき、: Ignition timing)は火花点火内燃機関において点火プラグに点火するタイミングを指し、点火プラグに通電するときのクランクシャフトまたはエキセントリックシャフト位相を上死点を基準として表される。点火タイミングとも呼ばれる。

解説[編集]

点火装置を調整して正しい点火時期を決めることは、各シリンダーやローターハウジングの点火する順序を決める要素である点火順序の選定と同様に、エンジンの性能を最大限発揮し、より良い燃焼効率で高燃費を達成する上で非常に重要である。点火時期の設定が悪い場合にはノッキングの発生を引き起こし、エンジンの寿命や燃費、最大出力にも悪影響を与える。

ECUによって高度に電子制御される近代的なエンジンでは、エンジンの各回転数における点火時期はカムポジションセンサークランクポジションセンサーで測定したデータを元にコンピュータによる計算を用いて決定される。ディストリビューターを用いる前世代のエンジンに置いては、多くの場合点火時期の回転域に応じた微調整にはディストリビューター内部のシャフトに取り付けられたガバナー(回転する錘とスプリングを利用する装置)と、インテークマニホールド負圧を利用した真空進角装置(ダイヤフラム)を用いていた。

これらのどの点火装置を用いていたとしても、チューニングでエンジンの諸設定を大きく変更した場合には、エンジンを破損しないためにも点火時期の再調整は必ず行われなければならない。

歴史[編集]

内燃機関の黎明期から、火花点火式エンジンの点火装置にはピストンのシリンダー内部での位置、特に上死点に比例したクランク角度やカム角度を機械的に検出して各気筒に点火電圧の分配を行うディストリビューターが利用されてきた。ディストリビューターの組み付けにはクランクシャフトに接続されたプーリータイミングマークを併せて組み込む必要があり、これが守られなければ正しい点火順序や点火時期で点火が行えず、エンジンは始動出来なくなる。

初期のディストリビューターは配電機能と点火コイルへの電流断続機能のみで、点火時期、すなわち点火コイルへの電流を断つ時期を制御する機能は備わっていなかったが、エンジンの機構がサイドバルブからOHVOHCに進化して最高回転数が増大するようになると、クランクシャフトやカムシャフトの角速度も増大して固定式の点火時期では最適な点火時期を設定することが困難となってきた。そのために、ディストリビューターには二種類の点火時期調整機能が備えられるようになった。

一つは回転数の増大に応じて、ディストリビューター内部のシャフトに備えられたガバナーと呼ばれる遠心力を利用した調速機で点火時期を前進させる機構である。この機構は基本的に高回転になる程点火時期の進角を行うため、低回転域では作動しない。そのため、もう一つの進角装置としてインテークマニホールドの負圧を利用して進角を行うダイヤフラムを用いた真空進角装置がガバナーと同時に備えられるようになった。真空進角装置はアイドリングなどの低回転域や、発進加速などの際のエンジンの負荷が大きく負圧が高まる時に作動して点火時期を進角させる。この二つの装置を用いて総合的な点火進角制御が行われていた。

なお、船舶用のガソリンエンジンでは使用回転域の性質上、上記と同じ点火装置を用いるものの、真空進角装置は装備されないことが多い。

1972年、クライスラーはディストリビューターのコンタクトブレーカー(ポイント)に点火コイル一次側への全電流を通過させることを廃し、微弱電流を断続させトランジスタで増幅するセミトランジスタ方式のディストリビューターを発表、1973年頃までには自社の全ての市販車両をセミトランジスタ式に置き換えるための標準規格も独自に定めることになった。後にはコンタクトブレーカーも廃してイグナイターカムポジションセンサーによるフルトランジスタ式も登場し、自動車点火装置はコンタクトブレーカーの摩耗や通電不良による電力ロスから解放され、より強い点火火花を得ることが出来るようになっていった。しかし、多くのディストリビューターはセミ/フルトランジスタへの移行後も依然進角制御はガバナーや真空進角装置に頼り続けていた。

1975年から1976年にかけて、クライスラーは"Lean-Burn"点火制御システムを発表[1]。これはフルトランジスタ方式のディストリビューターをベースに、点火進角制御をも完全にコンピューターによる電子制御としたもので、当時としては非常に画期的なシステムであった。さらに1979年にはボッシュがK-ジェトロニック機械式燃料噴射装置の制御と点火装置の制御を電子的に行うen:Motronicエンジンマネージメントシステム[2]を発表、今日のECUによる燃料噴射装置および点火装置の総合的な電子制御の端緒ともなった。

点火時期のセッティング[編集]

点火時期の測定及び調整に用いられるタイミングライト

点火時期は、圧縮ストロークの際に点火火花が混合気に点火する上死点前 (BTDC) の角度によって示される。これは点火進角とも呼ばれる。一般的な点火時期はBTDC12度程度で設定されており、これよりさらに早める場合には「点火時期を進角させる」、これよりも遅らせる場合には「点火時期を遅角させる」と称する。これを調整するためにはディストリビューターかカムポジションセンサーの位置を円周方向にずらし、タイミングライトでプーリーのタイミング表示を照らしながら設定する。

原理的には上死点で点火を行うことで事足りるのだが、点火プラグがスパークしてから燃焼室内圧力が最大に上がるまでには若干のタイムラグが生じるため、点火進角の設定が必要になる。点火進角により上死点より僅かに手前でスパークが行われ、燃焼室内圧力が丁度上死点直後に最大となることが、効率のために重要である。一般的にはピストンを押し下げる力が最大限に発揮されるには上死点後 (ATDC) 20度前後で燃焼室全体に火炎が伝播することが望ましいとされており、適切な上死点前 (BTDC)よりも早すぎる位置で点火が行われると、混合気の爆発膨張によりまだ上死点まで上がりきっていないピストンを押し戻す力が発生してしまい、パワーロスに繋がってしまう。逆に適切な上死点前 (BTDC)よりも遅すぎる位置で点火が行われるとピストンが下がった位置で燃焼が行われてしまい、拡大し内圧が下がった燃焼室では十分な火炎伝播が行われず多くの未燃焼ガスが発生してしまう。

点火時期はエンジン回転数が増加するのに従って、通常よりも更に早い位置で点火する必要がある。また始動時やアイドリング時など極低回転には通常よりも遅い点火時期を設定する必要もある。そのためにディストリビューターやダイレクトイグニッションにはカム回転速度やクランク回転速度、すなわちエンジン回転数に応じて適切に点火時期を調節する機構が備わっていなければいけない。通常、エンジンルーム内部には全ての点火進角の基準となる点火時期がステッカーや打刻などの形で表示されており、この点火時期を基準に進角や遅角を行うのである。

点火時期は、エンジン回転数の他にエンジンに掛かる負荷やエンジンの油温や水温によっても適切なタイミングが左右され、より重い負荷が掛かっている際には真空進角装置などで点火時期を進める必要がある。また、燃料のオクタン価やセタン価によっても燃焼速度は大きく変わるため、より低質な燃料を用いらざるを得ない場合には、必要に応じて基準点火時期を遅角させなければいけない。

シャーシダイナモなどの利用[編集]

シャーシダイナモダイノパックなどの動力計を利用してエンジン出力をモニタリングしながら点火時期を設定することは、正しい点火時期を設定するために非常に重要である。ディストリビューターなどを動かして基準点火時期を進角もしくは遅角した際には、それによる出力変化がリアルタイムに把握できるため、タイミングライトのみによる調整よりも有用である。

正確な点火時期を設定することに加え、ノックセンサーを併用することは今日のエンジンでも広く行われている。ノックセンサーはノッキングを検出して点火時期を1度か2度程度遅角させるためのセンサーであるが、本来は保護機能であるためこれによる調整幅は狭く、シャーシダイナモなどを利用したセッティングの際には点火プラグを時々外して電極にノッキングなどの異常燃焼の兆候がないか確かめる必要がある。もしも異常が見られる場合にはプラグに異常がなくなるまで基準点火時期を遅らせるべきである。

機械式点火装置[編集]

機械式点火装置とは、点火プラグに高圧電流を分配するのにディストリビューターを用いるものを指す。一般的にディストリビューターの基礎的な点火時期は暖機運転に最も適した点火時期を基準に設定される。この点火時期は「ベースタイミング」とも呼ばれ、機械式点火装置は下記の二つの進角装置を用いて回転数や負荷に応じてベースタイミングからの進角を行う。

機械式進角装置[編集]

ディストリビューターのガバナー

ディストリビューターの機械的な点火進角は、エンジン回転数に応じてガバナーが調整することで行われる。これは運動の第1法則を利用したもので、エンジン回転数に従ってガバナーの錘が遠心力で広がり、ディストリビューターメインシャフトに対するコンタクトブレーカーの角度位置を変更することによって進角が行われる。

この装置を用いた機械式進角はエンジンの回転速度及びに完全に依存しており、エンジン回転数とガバナーの動作の関連性は2次元グラフによって表すことが可能である。

なお、ガバナーは錘の重さによって点火進角の度合いを調整することが可能であり、やや低めの回転数から点火進角を行う場合にはより重い錘かよりバネ定数の小さなスプリングを用いたガバナーを使用し、より高回転域から点火進角を行う場合にはより軽い錘かよりバネ定数の大きなスプリングを用いたガバナーに交換する。2ストロークエンジンではクランクシャフトから回転を受け取るためにエンジン回転数と同じ速度で、4ストロークエンジンではカムシャフトから回転を受け取るためエンジン回転数の半分の速度でそれぞれディストリビューターシャフトが回転することが多く、この回転数に応じてガバナーの錘の調整が行われる。この点火進角の設定により許容回転数(レッドゾーン)が大きく変化するため、仮にポイント式のディストリビューターを別のエンジンのフルトランジスタ式などのディストリビューターに交換する場合には、両者のエンジンの許容回転数を確かめ、極端に差違がある場合にはガバナーの交換なども必要になる。特に4ストロークと2ストロークエンジンで相互にディストリビューターの流用を行う場合には要注意である。

真空式進角装置[編集]

機械式点火装置の点火進角に用いられる二つめの方法は、真空式点火進角と呼ばれる。この進角装置は殆どの場合機械式進角装置と併用され、一般的に希薄燃焼時に置ける燃費とドライバビリティを向上させる働きがある。真空式進角装置はディストリビューターシャフトに取り付けられた角度センサー(電気接点や光センサーなど)を常時監視し、エンジン負荷(インテークマニホールド負圧)によってこの角度センサーを回転させることによって、点火進角を行う。エンジン回転数が下がり、機械式進角装置が働かなくなった際にはこの真空式進角装置が点火時期を調整する役割を果たす。逆に高回転域やフルスロットル時にはインテークマニホールド負圧が減少するため、真空式進角装置は休止し、機械式進角装置が点火進角を行う。

真空式進角装置の動力源としては、インテークマニホールドの他にスロットルボディかキャブレターベンチュリ付近に設けられた負圧取り出し口からの負圧も同時利用される。この負圧取り出し口はen:ported vacuumと呼ばれ、普段エンジンが回転している際には殆ど負圧が発生しない領域であるが、エンジンを始動する際にはここに特に強い負圧が生じるためにインテークマニホールドの負圧と併用されるのである。

いくつかのエンジンでは、水温や油温が低い時にported vacuumを優先して使用するための温度センサーとバルブが設けられていることがある。これにより、より低負荷低回転域でのキャブレター調整が容易となり、高回転域ではported vacuum経路を閉鎖することでより効率的にインテークマニホールドの負圧を利用した進角が行えるようになった。

また、電気式か機械式のスイッチを用いて一定の条件下で真空進角装置を停止するか、または動作タイミングを変更する制御も行われている。これによって特定の回転数で特定の変速ギアを使用している際のエンジンの異常燃焼を防ぐことが可能になった。

なお、多くのエンジンではベースタイミングを設定する際には真空進角装置の負圧管を取り外して真空進角装置を停止させた状態で調整を行うように指定されていることが多い。これによって低回転域での点火進角が行われなくなるため、エンジンを回転させながら調整を行う際には低回転域での回転が若干不安定になることもあるので注意が必要である。

排出ガス規制下の遅角制御[編集]

逆に、真空進角装置と同様の手法で遅角させる事も行われる。昭和48年に日本で自動車排出ガス規制の施行が始まった際に、真空進角装置を持たないディストリビューターを装着した車輌に対しては、暫定的な措置として点火時期を数度遅角させる事でアイドリング時の排ガステストに対応したが、その後昭和50年の規制強化時には「進角及び遅角制御を自動で行う機構の装着」が義務付けられた為、強い負圧の発生するアイドリング時に限定して点火時期を遅角させる専用のダイヤフラムが、走行時の点火時期制御を行う真空進角装置と併用される形で装着される事になった。

電子制御式進角装置[編集]

社外コンピューターの点火時期マップ

近代的なエンジンではダイレクトイグニッションに代表される電子制御式点火装置を使用して、点火時期をECU等のコンピューターで制御している。

こうした点火装置の点火時期は縦軸若しくは横軸にエンジン回転数、もう片軸にエンジン負荷を置いた状態で各々の組み合わせでの点火時期を設定した点火時期マップによって表される。コンピューターは点火装置や各種センサーを監視しながら、この点火時期マップに応じた点火進角を点火装置に指令して点火時期の調整を行う。

純正のECUでは多くの場合点火時期の調整が行えないため、点火時期を調整するには社外品のサブコンピュータを取り付けた上でパソコンなどを用いて点火時期マップをサブコンピューターのROMに入力する必要がある。

脚注[編集]

[ヘルプ]

参考文献[編集]

Hartman, J. (2004). How to Tune and Modify Engine Management Systems. Motorbooks

関連項目[編集]