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マニホールド真空

内燃機関の圧力差

マニホールド真空 、または内燃エンジンのエンジン真空は、エンジンの吸気マニホールドと地球の大気の間の空気圧の差です。

マニホールドの真空は、ピストンの動きが吸気行程に及ぼす影響であり、エンジンの吸気マニホルドのスロットルを通るチョークの流れです。これは、エンジンを通る空気流の制限量の尺度であり、したがってエンジンの未使用電力容量の尺度です。一部のエンジンでは、マニフォールドバキュームは、エンジンアクセサリーを駆動するための補助電源およびクランクケース換気システムとしても使用されます。

マニホールド真空とベンチュリ真空を混同しないでください。ベンチュリ真空は、気流にほぼ比例した圧力差を確立し、空燃比をほぼ一定に保つためにキャブレターで利用される効果です。また、空気圧ジャイロスコープ機器に気流を提供するために、軽飛行機でも使用されます。

概要

内燃エンジンを通過する気流の速度は、エンジンが生成する電力量を決定する重要な要素です。ほとんどのガソリンエンジンは、吸気の気流を制限するスロットルでその流量を制限することで制御されますが、ディーゼルエンジンはシリンダーに供給される燃料の量で制御されるため、「スロットル」はありません。マニホールド真空は、スロットルを使用するすべての自然吸気エンジンに存在します(オットーサイクルまたは2ストロークサイクルを使用するキャブレターおよび燃料噴射ガソリンエンジンを含む。ディーゼルエンジンにはスロットルプレートはありません)。

エンジンを通過する質量流量は、エンジンの回転速度、エンジンの排気量、および吸気マニホールド内の吸気流の密度の積です。ほとんどのアプリケーションでは、回転速度はアプリケーションによって設定されます(車両のエンジン速度または他のアプリケーションの機械速度)。排気量はエンジンのジオメトリに依存しますが、通常、エンジンの使用中は調整できません(一部のモデルにはこの機能がありますが、可変排気量を参照してください)。入力流量を制限すると、インテークマニホールドの密度(および圧力)が低下し、生成される電力量が減少します。また、エンジンは材料を低圧吸気マニホルドから排気マニホルドに(周囲の大気圧で)送り込む必要があるため、エンジン抵抗の主な原因です(エンジンブレーキを参照)。

スロットルが開くと(車の場合、アクセルペダルが踏み込まれます)、周囲の空気が自由に吸気マニフォールドを満たし、圧力が上昇します(真空を満たします)。キャブレターまたは燃料噴射システムは、燃料を正しい割合で空気流に追加し、エンジンにエネルギーを提供します。スロットルを完全に開くと、エンジンの吸気システムは大気圧に完全にさらされ、エンジンを通る空気の流れが最大になります。自然吸気エンジンでは、出力は周囲の気圧によって制限されます。スーパーチャージャーとターボチャージャーは、マニホールド圧力を大気圧よりも高くします。

最新の開発

最新のエンジンは、マニホールド絶対圧( MAPと略記)センサーを使用して、吸気マニホールド内の空気圧を測定します。マニホールド絶対圧力は、エンジン制御ユニット(ECU)がエンジンの動作を最適化するために使用する多数のパラメーターの1つです。特定のアプリケーション、特に通常の操作中に高度が変化するアプリケーションを扱う場合は、絶対圧とゲージ圧を区別することが重要です。

燃料消費量の削減(米国)または二酸化炭素排出量の削減(ヨーロッパ)を義務付けている政府の規制により、乗用車および小型トラックにはさまざまな技術(小型エンジン、ロックアップ、マルチレシオ、オーバードライブトランスミッション)が搭載されています;可変バルブタイミング、強制誘導、ディーゼルエンジンなど)により、マニホルドの真空が不適切または使用できなくなります。電動真空ポンプは、現在、空気圧アクセサリに電力を供給するために使用されています。

マニホールド真空とベンチュリ真空

マニホールド真空は、キャブレター内部にあるベンチュリ真空とは異なる現象によって引き起こされます。ベンチュリ真空は、固定された周囲条件(空気密度と温度)でキャブレターを通る総質量流量に依存するベンチュリ効果によって引き起こされます。キャブレターを使用するエンジンでは、ベンチュリの真空度は、エンジンを通る総質量流量(したがって総出力)にほぼ比例します。周囲の圧力(高度、天気)または温度が変化すると、この関係を維持するためにキャブレターの調整が必要になる場合があります。

マニホールド圧力も「移植」される場合があります。ポーティングとは、スロットルプレートの動作範囲内で圧力タップの位置を選択することです。スロットルの位置に応じて、ポート付き圧力タップはスロットルの上流または下流のいずれかにあります。スロットル位置が変わると、「ポート付き」圧力タップがマニホールド圧力または周囲圧力のいずれかに選択的に接続されます。旧式(OBD II以前)エンジンは、点火分配器および排気制御コンポーネントにポート型マニホールド圧力タップを使用することがよくありました。

車のマニホールド真空

ほとんどの自動車は、単一の吸気マニホールドに複数のシリンダーが取り付けられた4ストロークオットーサイクルエンジンを使用しています。吸気行程では、ピストンがシリンダー内で下降し、吸気バルブが開きます。ピストンが下降すると、その上にあるシリンダーの容積が効果的に増加し、低圧になります。大気圧は空気をマニホールドとキャブレターまたは燃料噴射システムに押し込み、そこで燃料と混合されます。複数のシリンダーがエンジンサイクルの異なる時間に動作するため、キャブレターからエンジンへのインレットマニホールドの圧力差はほぼ一定です。

エンジンに入る燃料/空気混合物の量を制御するために、単純なバタフライバルブ(スロットルプレート)は、通常、吸気マニホールド(キャブレター付きエンジンのキャブレターのすぐ下)の先頭に取り付けられます。バタフライバルブは、スピンドルに取り付けられた円形ディスクであり、配管内に取り付けられています。車のアクセルペダルに接続され、ペダルが完全に踏み込まれたときに完全に開き、ペダルを離したときに完全に閉じるように設定されています。バタフライバルブには、小さな「アイドルカットアウト」、バルブが完全に閉じている場合でも少量の燃料/空気混合物をエンジンに入れる穴、またはキャブレターが独自のアイドルジェットを備えた個別のエアバイパスを備えていることがよくあります。

エンジンが軽負荷または無負荷で動作しており、スロットルが低いか閉じている場合、マニホールドの真空度が高くなります。スロットルを開くと、エンジン速度が急速に増加します。エンジン速度は、マニホルドで使用可能な燃料/空気混合物の量によってのみ制限されます。フルスロットルおよび軽負荷では、他の効果(バルブフロート、シリンダー内の乱流、点火タイミングなど)によりエンジン速度が制限されるため、マニフォールドの圧力が増加しますが、実際には、マニフォールドの内壁の寄生抵抗に加えて、キャブレターの中心にあるベンチュリの制限的な性質は、エンジンの内部容積がマニホールドが供給できる空気の量を超えると常に低圧が設定されることを意味します。

広いスロットル開口部で大きな負荷でエンジンが作動している場合(停止からの加速や車を丘に引き上げるなど)、エンジン速度は負荷によって制限され、最小限の真空が生成されます。エンジン速度は低いが、バタフライバルブは完全に開いています。ピストンは無負荷時よりもゆっくりと下降するため、圧力差はそれほど顕著ではなく、誘導システムの寄生抵抗は無視できます。エンジンは、最大周囲圧力で空気をシリンダーに引き込みます。

状況によっては、より多くの真空が作成されます。減速時または丘を下るとき、スロットルが閉じられ、速度を制御するためにローギアが選択されます。ロードホイールとトランスミッションが高速で移動するため、エンジンは高速で回転しますが、バタフライバルブは完全に閉じられます。エンジンを通過する空気の流れはスロットルによって強く制限され、バタフライバルブのエンジン側に強い真空を生成し、エンジンの速度を制限する傾向があります。エンジンブレーキとして知られるこの現象は、加速を防ぐため、またはブレーキを最小限またはまったく使用せずに減速するために使用されます(長いまたは急な坂を下るときなど)。この真空ブレーキは、大型ディーゼルトラックでよく使用される圧縮ブレーキ(「ジェイクブレーキ」とも呼ばれます)や排気ブレーキと混同しないでください。このような装置は、車両にブレーキをかけるのに十分な真空を作り出すのに十分な空気の流れを制限するスロットルがないため、ディーゼルでのエンジンブレーキに必要です。

マニホールド真空の使用

この低い(または負の)圧力を使用できます。マニホールドの圧力を測定する圧力計を取り付けると、ドライバーがエンジンの作動状態を示すことができ、運転習慣を調整して瞬間的な燃料効率を最大化するために使用できます。マニホールドの真空を最小限にすると、瞬間的な効率が向上します。スロットルが閉じた状態でのマニホールドの真空が弱いと、バタフライバルブまたはエンジンの内部コンポーネント(バルブまたはピストンリング)が摩耗し、エンジンによる良好なポンプ動作が妨げられ、全体的な効率が低下します。

真空は、車両の補助システムを駆動するためによく使用されます。たとえば、真空アシストブレーキサーボでは、大気圧をエンジンマニホールドの真空に押し付けて、ブレーキの圧力を上げます。ブレーキングには、ほぼ常にスロットルの閉鎖とそれに伴う高いマニホールド真空が伴うため、このシステムはシンプルであり、ほぼ確実です。統合されたブレーキシステムを制御するために、トレーラーに真空タンクが設置されました。

1966年の国家交通および自動車安全法によって米国で連邦自動車安全基準が導入される前は、マニフォールドバキュームを使用して、空気圧モーターでフロントガラスワイパーを駆動することが一般的でした。このシステムは安価でシンプルでしたが、エンジンがアイドリングしている間はフルスピードで動作し、巡航中は約半分の速度で動作し、ドライバーがペダルを完全に踏み込んだときに完全に停止するワイパーのコミカルで安全ではない効果をもたらしました。車両のHVACシステムでは、マニホールド真空を使用して、空気流と温度を制御するアクチュエーターを駆動しました。

もう1つの廃止されたアクセサリは、「Autovac」燃料リフターです。これは、真空を使用してメインタンクから小さな補助タンクに燃料を上げ、そこから重力によってキャブレターに流れます。これにより、初期の車では信頼性の低いアイテムであった燃料ポンプがなくなりました。

ディーゼルエンジンのマニホールド真空

多くのディーゼルエンジンには、バタフライバルブスロットルがありません。マニホールドは吸気口に直接接続され、生成される吸引はベンチュリを増やさない下降ピストンによるものであり、エンジン出力は燃料噴射によってシリンダーに噴射される燃料の量を変えることで制御されますシステム。これは、ディーゼルをガソリンエンジンよりもはるかに効率的にするのに役立ちます。

真空が必要な場合(ガソリンエンジンとディーゼルエンジンの両方を搭載できる車両には、多くの場合、それを必要とするシステムがあります)、スロットルに接続されたバタフライバルブをマニホールドに取り付けることができます。これにより効率が低下しますが、それでもベンチュリ管に接続されていないほど効果的ではありません。低圧は、スロットルが閉じられた丘を下るときなど、オーバーランでのみ発生するため、ガソリンエンジンのような広範囲の状況では発生しないため、真空タンクが取り付けられています。

現在、ほとんどのディーゼルエンジンには、すべてのエンジン速度で常に真空を提供するために取り付けられた個別の真空ポンプ(「排気装置」)があります。

多くの新しいBMWガソリンエンジンは、通常の運転ではスロットルを使用せず、代わりに「バルブトロニック」可変リフト吸気バルブを使用して、エンジンに入る空気の量を制御します。ディーゼルエンジンのように、これらのエンジンにはマニフォールドバキュームは実質的に存在せず、ブレーキサーボに電力を供給するために異なるソースを利用する必要があります。

参照資料

  1. ^ autovac.co.uk