マニホールド真空

マニホールド真空、またはガソリン 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圧との間の気圧の差です。

マニホールド真空は、ピストンの動きがエンジンの吸気マニホールド内の吸気行程とスロットルを通る空気の流れに与える影響です。これは、エンジンを通る空気の流れの制限量、つまりエンジンの未使用のパワー容量の尺度です。一部のエンジンでは、マニホールド真空は、エンジンアクセサリを駆動するための補助電源やクランクケース換気システムとしても使用されます。

マニホールド真空をベンチュリ真空と混同しないでください。ベンチュリ真空は、質量空気流量にほぼ比例する圧力差を確立し、ある程度一定の空燃比を維持するためにキャブレターで利用される効果です。

また、軽飛行機では空気圧ジャイロ計器に空気の流れを供給するためにも使用されます。^{[引用が必要]}

内燃機関を通過する空気の流量は、エンジンが生成するパワーの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、吸入空気量を制限するスロットルでその流量を制限することによって制御されますが、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によって制御されるため、「スロットル」そのものはありません。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式および燃料噴射式 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 プレートがありません)。

エンジンを通る質量流量は、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ストリームの密度の積です。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 (車両の場合はエンジン速度、他のアプリケーションの場合は機械速度)。排気量はエンジンの形状に依存しますが、エンジンの使用中は通常調整できません (ただし、一部のモデルにはこの機能があります。可変排気量を参照してください)。入力フローを制限すると、吸気マニホールド内の密度 (したがって圧力) が低下し、生成されるパワーの量が減少します。また、吸気マニホールド内の低圧空気は吸入行程中にピストンにかかる圧力が低くなるため、これはエンジン抵抗の主な原因でもあります (エンジン ブレーキを参照)。

スロットルが開くと（車ではアクセルペダルが踏み込まれる）、周囲の空気が吸気マニホールドに自由に流入し、圧力が上昇します（真空が満たされます）。キャブレターまたは燃料噴射システムは、空気流に適切な割合で燃料を追加し、エンジンにエネルギーを供給します。スロットルが完全に開かれると、エンジンの空気誘導システムが完全な大気圧にさらされ、エンジンを通過す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以上に 高めます。

現代のエンジンは、吸気マニホールド内の空気圧を測定するためにマニホールド絶対圧 (略称MAP ) センサーを使用しています。マニホールド絶対圧は、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の 1 つです。特定のアプリケーション、特に通常の動作中に高度が変化するアプリケーションを扱う場合、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（欧州）を義務付ける政府規制に促されて、乗用車や小型トラックには、マニホールド真空が不十分または利用不可能になるさまざまな技術（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、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）が搭載されています。現在、空気圧アクセサリの動力源として、電動真空ポンプが一般的に使用されています。

マニホールド真空は、キャブレター内部に存在するベンチュリ真空とは異なる現象によって発生します。ベンチュリ真空はベンチュリ効果によって発生し、一定の周囲条件 (空気密度と温度) では、キャブレターを通過する総質量流量に依存します。キャブレターを使用するエンジンでは、ベンチュリ真空はエンジンを通過する総質量流量 (したがって総出力) にほぼ比例します。周囲圧力 (高度、天候) 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を調整する必要がある場合があります。

マニホールド圧力も「ポート」されることがあります。ポートとは、スロットル プレートの可動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、ポートされた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なります。スロットルの位置が変わると、「ポートされた」圧力タップは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。古い ( OBD II以前の) エンジンでは、点火ディストリビューターや排出ガス制御コンポーネントにポートされたマニホールド圧力タップがよく使用されていました。

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 ストロークのオットーサイクルエンジンを使用しています。吸気行程中、ピストンはシリンダー内で下降し、吸気バルブは開きます。ピストンが下降すると、上部のシリンダー内の容積が効果的に増加し、低圧が設定されます。大気圧によって空気がマニホールドとキャブレターまたは燃料噴射システムを通過し、そこで燃料と混合されます。エンジン サイクルでは複数のシリンダーがさまざまなタイミングで作動するため、キャブレターからエンジンへの吸気マニホールドを通る圧力差はほぼ一定です。

エンジンに入る燃料/空気の混合量を制御するために、通常はシンプルなバタフライ バルブ(スロットル プレート) が吸気マニホールドの始端 (キャブレター エンジンのキャブレターのすぐ下) に取り付けられます。バタフライ バルブは、パイプ ワーク内に取り付けられたスピンドルに取り付けられた単純な円形ディスクです。車のアクセル ペダルに接続され、ペダルを完全に踏み込んだときに完全に開き、ペダルを離すと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、バルブが完全に閉じているときでも少量の燃料/空気の混合気がエンジンに入るようにする穴である小さな「アイドル カットアウト」が付いている場合が多く、キャブレターには独自のアイドル ジェットを備えた別の空気バイパスがあります。

エンジンが軽負荷または無負荷でスロットルが低いか閉じた状態で動作している場合、マニホールドの真空が高くなります。スロットルが開くと、エンジン速度が急速に上昇します。エンジン速度は、マニホールド内の燃料/空気混合物の量によってのみ制限されます。フルスロットルで負荷が軽い場合、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）によってエンジン速度が制限されるため、マニホールド圧力が上昇する可能性がありますが、実際には、マニホールドの内壁の寄生抵抗と、キャブレターの中心にあるベンチュリーの制限的な性質により、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ため、常に低圧になります。

エンジンがスロットルを大きく開けて高負荷で動作している場合 (停止状態から加速する場合や坂道を登る場合など)、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ですが、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、吸気システムにおける寄生抵抗はごくわずかです。エンジンは、周囲圧力の完全な状態でシリンダーに空気を引き込みます。

状況によっては、さらに真空が発生します。減速時や坂を下るときには、スロットルが閉じられ、速度を制御するために低速ギアが選択されます。車輪とトランスミッションが高速で回転するため、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ています。エンジンを通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が発生し、エンジン速度が制限される傾向があります。この現象はエンジン ブレーキと呼ばれ、加速を防止したり、ブレーキを最小限またはまったく使用せずに減速したりするために使用されます (長い坂や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(別名「ジェイク ブレーキ」) や排気ブレーキと混同しないでください。これらの装置は、車両にブレーキをかけるのに十分な真空を生成するために空気の流れを制限するスロットルがないため、ディーゼルのエンジン ブレーキに必要です。

この低い（または負の）圧力は、利用することができます。マニホールド圧力を測定する圧力計を取り付けて、エンジンがどの程度負荷をかけられているかをドライバーに知らせることができます。また、運転習慣を調整することで、瞬間的な燃料効率を最大限に高めるために使用できます。マニホールドの負圧を最小限に抑えると、瞬間的な効率が向上します^[要出典]。スロットルが閉じた状態でマニホールドの負圧が弱い場合は、バタフライ バルブまたはエンジンの内部部品（バルブまたはピストン リング）が摩耗しており、エンジンによるポンプ動作が妨げられて全体的な効率が低下していることを示しています。

真空は、かつては車両の 補助システムを駆動する一般的な方法でした。真空システムは、真空チューブが脆くなり、漏れが発生しやすくなるため、経年とともに信頼性が低下する傾向があります。

• ワイパー モーター - 1966 年の国家交通および自動車安全法により米国で連邦自動車安全基準が導入される前は、マニホールド真空を使用して空気圧モーターでワイパーを駆動するのが一般的でした。このシステムは安価でシンプルですが、ワイパーの速度はエンジンの稼働率に反比例する結果となりました。
• パワードアロックモーター。
• 「オートバック」燃料リフター^[1]は、真空を利用して燃料をメインタンクから小さな補助タンクに上げ、そこから重力でキャブレターに流します。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不要になりました。

自動車の真空システムは、1960 年代から 1980 年代にかけて最も多く利用されました。この時期には、多種多様な真空スイッチ、遅延バルブ、およびアクセサリ デバイスが開発されました。たとえば、1967 年型フォード サンダーバードでは、次のような用途で真空が使用されていました。

• 真空アシスト ブレーキ サーボ(パワー ブレーキ) は、エンジン マニホールドの真空に大気圧を押し当ててブレーキの圧力を高めます。ブレーキをかけると、ほとんどの場合、スロットルが閉じられ、マニホールドの真空が高くなります。このシステムはシンプルで、ほぼ間違いがありません。トレーラーには真空タンクが取り付けられ、統合ブレーキ システムを制御します。
• トランスミッションシフトコントロール
• 隠しヘッドランプ用のドア
• リモートトランクラッチリリース
• パワードアロック
• HVAC 空気ルーティング - 車両HVACシステムは、マニホールド真空を使用して、空気の流れと温度を制御するアクチュエータを駆動します。
• ヒーターコアバルブの制御
• 後部キャビンの通気口コントロール
• チルトアウェイステアリングホイールリリース

真空で駆動できるその他のアイテムには、次のものがあります。

• 排気ガス再循環ソレノイド
• パワーステアリングポンプ
• 燃料圧力レギュレータ

現代の自動車には、真空を使用するアクセサリがほとんどありません。以前は真空で駆動していたアクセサリの多くは、電子アクセサリに置き換えられました。真空を使用することもある現代のアクセサリには、次のようなものがあります。

• 真空アシストブレーキサーボ
• ポジティブクランクケース換気バルブ
• チャコールキャニスター

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ており、発生する吸引力はピストンの下降によってのみ発生し、吸引力を高めるベンチュリはありません。エンジン出力は、燃料噴射システム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によって制御されます。これにより、ディーゼル エンジンはガソリン エンジンよりも効率がはるかに高くなります。

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、真空を必要とするシステムが搭載されていることが多い)、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、ベンチュリに接続されていない場合ほど効果的ではありません。低圧はオーバーラン時にのみ生成されるため (スロットルを閉じた状態で坂を下る場合など)、ガソリン エンジンのように広範囲の状況で生成されるわけではないため、真空タンクが取り付けられます。

現在、ほとんどのディーゼル エンジンには、エンジン速度に関係なく常に真空状態を保つために、独立した真空ポンプ (「排気装置」) が取り付けられています。

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しませんが、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 エンジンと同様に、これらのエンジンではマニホールドの真空は実質的に存在しないため、ブレーキ サーボに電力を供給するために別のソースを使用する必要があります。

• 真空遅延バルブ