ベンディックス・ストロンバーグ圧力キャブレター

ベンディックス・ストロンバーグ圧力キャブレター
プラット・アンド・ホイットニー R-2000星型エンジン から切り取ったベンディックス・ストロンバーグ PD12-F13
タイプ	ベンディックス・ストロンバーグ モデル PD12-F13
国籍	アメリカ合衆国
メーカー	ベンディックス

第二次世界大戦中に米国で製造された大型の高性能航空機エンジンに使用された3 種類のキャブレターのうち、ベンディックス・ストロンバーグ圧力キャブレターが最も一般的に使用されていました。他の 2 種類のキャブレターは、チャンドラー・グローブス (後のホーリー・キャブレター・カンパニー) とチャンドラー・エバンス・コントロール・システムズ (CECO) によって製造されました。これらの 2 種類のキャブレターは、内部部品の数が比較的多く、ホーリー・キャブレターの場合は「可変ベンチュリー」設計が複雑でした。

フロートレス圧力キャブレターは、航空機の燃料制御の一種で、非常に正確な燃料供給を提供し、キャブレター内での氷の形成を防ぎ、従来のフロート制御燃料入口バルブをなくすことで、負の「G」および逆さ飛行中の燃料不足を防ぎます。ベンチュリ吸引を利用してエンジンに燃料を引き込むフロート型キャブレター燃料システムとは異なり、圧力キャブレターはベンチュリのみを使用してエンジンへの質量空気流量を測定し、燃料ポンプからスプレーノズルまで継続的に圧力がかかっている燃料の流れを管理します。1936 年、最初のベンディックス ストロンバーグ圧力キャブレター (モデル PD12-B) がアリソン V-1710 -7 に搭載され、飛行しました。

Bendix Corporation は、 Bendix-Stromberg という名前で 3 種類の航空機燃料システムを販売していました。

最初のタイプは、低性能の航空機エンジンと、1938年以前に製造されたほぼすべての航空機エンジン用に製造されました。これらは通常、従来のフロート型キャブレターであり、サイズを除けば当時の自動車や農業用トラクターに搭載されていたものとほとんど変わりませんでした。^[1]

1938 年以降、高性能航空機エンジン、特に戦闘機に使用されるエンジンにはフロートレス圧力キャブレターが装備されるようになりました。フロートレス圧力キャブレターは、今日のシングルポート燃料噴射の先駆けであり、燃料供給技術の大きな進歩でした。これは、今日の電子燃料制御システムの機械的な対応物と見なすことができます。これらのフロートレス圧力キャブレターが、この記事のトピックです。^[2]

第二次世界大戦の最後の数年間、比馬力が 1.0 を超える航空機エンジンには、最初に分散燃料噴射が装備され、後に直噴が燃料システムとして選ばれるようになった。圧力キャブレターと同じ原理を使用してエンジンへの空気の流れを測定する分散燃料噴射システムは、各シリンダーへの個別の燃料ラインを使用し、吸気ポートで燃料を噴射した。直噴システムは、圧力キャブレターとは異なり、燃料がキャブレターで導入される圧力キャブレターとは対照的に、直噴システムでは、各シリンダーヘッドの吸気ポートの吸気バルブのすぐ上流に燃料が導入される。これらの燃料制御装置は、戦後に製造された民間機と同盟軍用機の両方で使用されたほぼすべてのピストン航空機エンジンに適合するように個別にサイズ調整および調整された。これらの燃料噴射システムは、21 世紀まで飛行を続ける高性能の一般航空ピストンエンジンに搭載されている。^[3]

燃料燃焼の基本から始めると、特定のエンジンでどのようなタイプの燃料システムが使用されているかに関係なく、キャブレターの唯一の仕事は、エンジンに入る一定量の空気に正確な量の燃料を供給することです。^[4]燃焼するには、空気と燃料の比率が、1ポンド（0.5 kg）の燃料に対して9〜16ポンド（4〜7 kg）の空気の可燃性限度内である必要があります（ガソリンエンジンの場合）。この比率を上回ったり下回ったりすると、燃料は燃焼しません。

次に、許容される混合気の範囲内で、パイロットが設定したスロットル位置を前提として、その時点での理想的な空燃比は1つだけであることも当然です。要約すると、理想的なキャブレターは、エンジンのあらゆる動作条件下で、エンジンが必要とする正しい空燃比を提供すると言えます。^[5]

最後に、エンジンの運転条件が変化すると、必要な燃料の正確な量は、過度に薄い下限の16:1と過度に濃い上限の9:1の間で変化します。^[6]

要約すると、キャブレターが必要な量の燃料を正確に供給するには、キャブレターに次の 3 つのものを提供する必要があります。

まず、そこを流れる空気の正確な重量、

第二に、エンジンの動作条件に必要な空燃比は何か、

3番目は、航空機のパイロットがどのようなエンジン操作を求めているかです。

これら 3 つの要素がキャブレターに供給されると、適切に設計されたキャブレターは、常に正確で適切な燃料流量をエンジンに供給します。適切に設計されたキャブレターは、使用されるエンジンの種類やサイズに関係なく、これを定期的に実行します。一方、航空機のキャブレターは、3 次元での激しい操縦など、時にはすべてが同時に行われるような異常な条件下で作動します。

燃料が気化すると、燃料が液体から気体へと状態を変える際に熱を吸収するため、冷凍効果^{によって周囲の空気が冷却されます。 [7]}これにより、空気の温度が氷点下まで下がり、空気中に含まれる水蒸気がまず気体から液体へと状態を変え、その後氷になります。この氷は、燃料ノズルの「下流」にあるスロットルプレートに形成されます。氷はキャブレターの内壁にも形成され、エンジンへの空気の流れを妨げるほどになることもあります。^[7]

フロート式キャブレターは、安定した運転状態で最もよく機能します。一般航空機は自動車とあまり変わらない条件で運航するため、フロート式キャブレターだけで十分かもしれません。大型または高速の航空機の場合は話が別です。特に戦闘機は、非常に短時間で、さまざまな速度と高度で、逆さまに飛行したり、一連の高重力旋回、上昇、急降下を行ったりする可能性があるためです。 ^[8]

キャブレターが安定した状態を離れると、フロートは重力と慣性の両方の影響を受け、燃料計量が不正確になり、空燃比が変化するとエンジン性能が低下し、最大のエンジン性能を得るには燃料が薄すぎたり濃すぎたりし、場合によってはエンジンが停止します。^[9]

フロート式キャブレターは、さまざまな設計上の特徴によってこれらの不安定な状態を補正することができますが、それは合理的な範囲内でのみです。たとえば、フロート式キャブレターが急激な機首下げ姿勢などの負の g状態になると、機体がフロートと燃料よりも速く降下するとフロートが無重力になり、フロートが燃料ボウルの上部に向かって持ち上がります。フロートは慣性によって上方に持ち上げられ、燃料ボウルが燃料で満たされているかのように燃料入口バルブが閉じます。燃料供給を遮断すると、燃空比が 16 対 1 を超え、燃焼が起こるには希薄になりすぎてエンジンが停止します。^{[10] [11]}

飛行機が逆さまに飛行しているときも、逆のことが当てはまります。燃料が重力によって燃料ボウルの上部に引き下げられると、フロートは水没します。フロートは逆さまになった燃料ボウルの底に向かって持ち上がります。フロートが燃料ボウルの底にあると、燃料ボウルに十分な燃料がないときと同じように、燃料入口バルブが開きます。燃料入口バルブが開いていると、燃料ポンプは燃料を燃料ボウルに送り続けます。その結果生じる余分な燃料により、燃空比が 9 対 1 よりも低くなり、燃焼が起こるには濃すぎる状態になり、エンジンが停止します。^[10]

ベンディックス・ストロンバーグ社のエンジニアは、燃料排出ノズルをキャブレターアダプターに移動するか、場合によってはスーパーチャージャーの「目」に移動してスロットルプレートの下に置き、燃料計量システムからフロートを排除することで、フロート式キャブレターの問題を解決しました。新しい「圧力キャブレター」設計では、フロート操作の燃料入口バルブをサーボ操作のポペット式燃料計量バルブに置き換えました。^[12]

ただし、燃料レギュレータのエアブリード システムには、1 つまたは 2 つの小さなフロートがあります。これらのフロートは、空燃比とはまったく関係がなく、燃料レギュレータ内に閉じ込められた可能性のある混入空気を燃料タンクに戻し、大気中に放出することを目的としています。

圧力キャブレターは 3 つの主要コンポーネントで構成されています。

スロットルボディはキャブレターの主要部品です。スロットル ボディには 1 つ以上のボアがあり、すべての空気がそこからエンジンに流れ込みます。各ボアには、パイロットがエンジンへの空気の流れを制御するために使用するスロットル プレートが多数あります。各ボアにはベンチュリも取り付けられています。インパクト チューブは各ベンチュリに取り付けられ、流入する空気の経路に直接配置されます。残りの主要部品はすべてボディに取り付けられ、内部通路または外部チューブやホースで相互接続されています。

燃料制御装置は、パイロットがエンジンへの燃料流量を調整するために使用します。この装置には、燃料制御装置内の燃料圧力を制御するジェットが多数含まれています。回転プレート型バルブには3つまたは4つの位置があります。アイドルカットオフはすべての燃料の流れを停止し、オートリーンは通常の飛行または巡航状態、オートリッチは離陸、上昇、着陸操作、および一部のキャブレターでは、寿命は短くなりますが、エンジン性能を最大限に引き出すために使用されるミリタリーです。^[13]

燃料レギュレータ コンポーネントは、さまざまなソースからの入力信号を受け取り、エンジンへの燃料流量を自動的に制御します。このコンポーネントは、金属板に挟まれた多数のダイヤフラムで構成されており、ほぼ円形のダイヤフラムの中心は共通のロッドに接続され、組み立てると 4 つの圧力室が形成されます。ロッドの外側の端は、燃料計量サーボ バルブに接続され、このバルブはスロットル ボディから離れる方向に動き、開くと燃料流量が増加し、スロットル ボディに近づくと閉じ、流れる燃料量が減少します。ロッドは、4 つの圧力室内で測定された力によって移動します。

キャブレターの小型部品は、エンジンの用途に応じて、主要部分に取り付けられたり、主要部分の一部になったり、リモートで取り付けられたりします。

ブースト コンポーネントは、スロットル ボディの入口側に取り付けられています。空気密度、気圧、キャブレターへの空気の流れを測定します。スロットル ボディの入口の空気の流れに直接取り付けられています。自動混合制御が装備されている場合、2 つ以上のスロットル ボディの場合はブースト部分に、シングル スロート モデルの場合はスロットル ボディ自体に取り付けられます。

燃料供給コンポーネントは、エンジンのスーパーチャージャーの「目」またはキャブレター本体のベースにリモートで取り付けられます。燃料は、1 つまたは複数のスプリング制御スプレー バルブを通ってエンジンに入ると、空気流に噴霧されます。スプレー バルブは、燃料の流れが変化すると開閉し、一定の燃料供給圧力を保ちます。

加速ポンプは、リモートマウントまたはキャブレター本体に取り付けられます。加速ポンプは、スロットルに機械的に接続されているか、スロットルが開いたときにマニホールド圧力の変化を感知して作動します。いずれの場合も、測定された量の追加燃料を空気流に噴射して、エンジンをスムーズに加速させます。

軍用キャブレターには、アンチデトネーション噴射(ADI) システムが搭載されている場合があります。これは、燃料制御コンポーネントの「デリッチメント バルブ」、ADI 流体の貯蔵タンク、ポンプ、燃料流量に基づいて特定の量の ADI 流体を供給するレギュレータ、およびスーパーチャージャーに入る空気流に取り付けられたスプレー ノズルで構成されます。

キャブレターの燃料調整器部分には4つのチャンバーがあります。これらはA、B、C、Dの文字で呼ばれ、Aチャンバーがスロットルボディに最も近いです。燃料計量サーボバルブは、チャンバーを隔てるダイヤフラム間の圧力差に反応します。その結果生じるダイヤフラムの動きは、あらゆる飛行条件下でエンジンへの燃料の流れを制御します。^[14]

キャブレター本体に最も近いダイヤフラムは、空気計量ダイヤフラムです。これは、キャブレター内の 2 か所から取得した空気圧の差を測定します。チャンバー A と B は、空気計量ダイヤフラムの反対側にあります。

キャブレターに入る空気流の速度は、1つまたは複数のベンチュリーを直接空気流に配置することで測定されます。ベンチュリーは、空気の速度に応じて変化する低圧を生成します。空気流が大きくなるとチャンバーAの空気圧が低下するため、ダイヤフラムはキャブレター本体に向かって引っ張られます。チャンバーAには、空気流がないときに燃料計量バルブを開くスプリングも含まれています。^[14]

キャブレターに入る空気の質量は、多数の衝撃管を気流に直接配置して、空気密度を表す圧力を発生させることで測定されます。衝撃管の圧力は、キャブレター本体から最も遠い空気計量ダイヤフラム側の「チャンバーB」に接続されています。チャンバーBの空気圧が上昇すると、ダイヤフラムはキャブレター本体に向かって移動します。^[14]

チャンバーAとBの間の圧力差により、いわゆる「空気計量力」が発生します。^[14]

2番目のダイヤフラムはレギュレータの燃料計量部分であり、キャブレタ本体から最も遠い位置にあります。レギュレータ自体の2つの場所から取得した燃料圧力の差を測定します。チャンバーCとDは燃料計量ダイヤフラムの反対側にあります。^[14]

チャンバーCには「計量されていない燃料」、つまりキャブレターに入る燃料が含まれています。^[14]

チャンバーDには「計量燃料」、つまりジェットを通過したがまだ空気流に噴射されていない燃料が含まれています。^[14]

2 つの燃料室間の圧力差によって燃料計量力が生じます。

チャンバーAとBからの空気計量力は、チャンバーCとDからの燃料計量力によって対抗されます。これら2つの力が組み合わさってサーボバルブが動き、エンジンとパイロットのニーズに応じて燃料流量を正確に調整します。^[14]

エンジンが始動すると、空気がブーストベンチュリを通って流れ始め、ベルヌーイの原理に従ってベンチュリ内の圧力（大気圧より低いが完全な真空ではないため部分真空と呼ばれる）が低下します。これにより、チャンバーAの空気圧はブーストベンチュリの部分真空に比例して低下します。^[14]

同時に、キャブレターに入る空気は衝撃管内の空気を圧縮し、エンジンに入る空気の密度と速度に比例した正圧をチャンバーBに生成します。チャンバーAとチャンバーBの圧力差により空気計量力が生成され、サーボバルブが開き、燃料が燃料レギュレーターに流れ込みます。^[14]

燃料ポンプからの燃料圧力がチャンバー C のダイヤフラムに作用し、サーボ バルブが閉位置に移動します。燃料は混合制御バルブにも流れ、混合制御バルブはアイドル カットオフ位置では閉じ、その他の位置では開きます。

チャンバーCとチャンバーDは燃料計量ジェットを含む燃料通路によって接続されています。混合制御レバーをアイドルカットオフ位置から動かすと、燃料は計量ジェットを通ってチャンバーDに流れ込み、そこで計量燃料になります。^[14]

排出バルブは、設定された排出圧力にバネ仕掛けされており、燃料流量の変化にかかわらず、チャンバーD内の圧力を一定に保つための可変サイズの制限として機能します。排出燃料圧力がバネの力を超えて上昇すると、バルブが開き、燃料圧力が低下してバネの力とバランスのとれた位置が維持されます。^[14]

燃料混合気は自動混合制御によって高度に応じて自動的に制御されます。この制御は、テーパーニードルバルブを通ってチャンバーBからチャンバーAに高圧空気を流すことで作動します。ニードルバルブは気圧を感知するアネロイドベローズによって制御され、高度が上昇するにつれて混合気が薄くなります。^[14]

飛行して巡航高度に達すると、パイロットは混合気制御を自動リッチから自動リーンに切り替える。これにより、リッチジェットを通る通路が閉じられ、燃料流量が減少する。その結果、流量が減少すると、燃料計量ダイヤフラムのバランスが崩れ、燃料計量バルブの位置が変わり、燃料流量が自動リーン流量設定まで減少する。^[14]

戦闘または緊急事態の場合、混合気制御を自動リッチ位置に移動してエンジンに追加の燃料を供給するか、または軍用機では、航空機に装備されている場合は軍用位置に動かすことができます。 軍用位置にあると、アンチデトネーション噴射(ADI) システムが起動し、ADI 液をエンジン吸気システムに噴射します。 ADI システム内の圧力により、燃料制御内のデリッチメント ダイヤフラムが移動してデリッチメント ジェットが閉じられ、燃料の流れがより薄い混合気になり、平均有効圧力が上昇してエンジン出力が向上します。 これにより、シリンダー ヘッドの温度が非常に高いレベルまで上昇し、デトネーション (エンジン ノッキングを参照) のリスクが劇的に高まります。 ADI 液を追加すると、チャージの平均オクタン価が上昇して早期点火が防止され、シリンダー温度がより許容できるレベルまで下がります。 この操作によりエンジンが通常の設計限界をはるかに超えるため、この出力設定は長時間の使用には適していません。 ADI液がなくなるか、混合制御弁が軍用位置から外れると、燃料制御デリッチメントダイヤフラム圧力が失われ、デリッチメントジェットが再び開き、通常の燃料流量が得られます。^[15]

ベンディックス・ストロンバーグ社は、さまざまなスタイルとサイズの圧力キャブレターを製造しており、それぞれを特定のエンジンと機体に合わせて調整することができました。

4つのスタイルがあります: ^[16]

• PSシングルバレルキャブレター
• PDダブルバレルキャブレター
• PTトリプルバレルキャブレター
• PR長方形ボアキャブレター

これらのスタイルはそれぞれ、長方形のボアの場合はボア面積の測定値、円形のボアの場合は特別なシステムを使用し、長方形のスタイルの場合は喉部の面積の実際の平方インチを使用して、いくつかのサイズが用意されています。^[16]

PSスタイル

シングルラウンドスロート、わずかな変更でアップドラフト、ダウンドラフト、水平に取り付け可能

PS-5、PS-7、PS-9 ^[16]

PDスタイル

ダブルラウンドスロート、わずかな変更でアップドラフトとダウンドラフトに取り付け可能

PD-7、PD-9、PD-12、PD-14、PD-16、PD-17、PD-18 ^[16]

PTスタイル

トリプルラウンドスロート、わずかな変更でアップドラフトとダウンドラフトに取り付け可能

PT-13 ^[16]

PRスタイル

2つまたは4つの長方形のスロート。わずかな変更でアップドラフトとダウンドラフトに取り付け可能。

PR-38、PR-48、PR-52、PR-53、PR-58、PR-62、PR-64、PR-74、PR-78、PR-88、PR-100 ^[16]

ベンディックスは、丸型キャブレターのボアを識別するために特別な方法を使用しました。ボア直径の最初のインチが基本番号の1として使用され、直径が1/4インチ増加するごとに基本番号に1が加算されます。^[16]

例:

• 1-1/4 インチのボアはサイズ番号 2 としてコード化されます (1/4 インチを 1 インチで割った場合は基本番号 1 + 1)
• 1-1/2インチのボアはサイズ番号3（ベース番号1 + 1インチを超える2つの1/4インチの2）としてコード化されます。

サイズ 18 まで同様に続きます (ベース番号 1 + 17 で、1 インチ ベースごとに 1/4 インチずつ 17 段階に増分されます)。

• 最後に、実際の完成ボア径のコード化されたサイズに 3/16 インチが追加されます。

サイズ番号 18 のボアを例にとると、実際のボア サイズは次のように計算できます。

• 最初のインチは基数 1 で表され、サイズ番号 18 からその 1 を引きます。これにより、1/4 インチ単位が 17 個、つまり 17/4 となり、4-1/4 インチに減ります。
• 1 インチの基本番号を追加すると、ボアは 5-1/4 インチになります。
• 最後に、PD-18 キャブレター本体の 2 つのボアそれぞれに 3/16 を加えて、合計 5-7/16 インチの直径にします。

各キャブレターのモデル番号には、スタイル、サイズ、および特定のモデル文字が含まれており、その後に改訂番号が続く場合があります。各アプリケーション（特定のエンジンと機体の組み合わせ）には、そのアプリケーションの特定の部品とフローシートのリストを含む「リスト番号」が割り当てられます。言うまでもなく、マスターカタログには何百もの部品リストとフローシートがあります。^[16]

一般的に、PS型キャブレターは軽飛行機やヘリコプターに搭載されている対向ピストンエンジンに使用されます。エンジンは機首、尾翼、翼に取り付けることも、機体内部に取り付けることもできます。エンジンは垂直にも水平にも取り付けることができます。^[16]

PDスタイルのキャブレターは、900〜1900立方インチの直列エンジンおよび星型エンジン用です。^[16]

PT型キャブレターは通常1700～2600立方インチのエンジンに搭載されている^[16]

PR型キャブレターは2600～4360立方インチのエンジンに使用されている^[16]

• Stromberg キャブレター アプリケーション リスト、Bendix-Stromberg、日付なし。
• ソーナー、ロバート H.、航空機用キャブレター、ジョン ワイリー アンド サンズ、ニューヨーク & ロンドン、1946 年
• 圧力噴射、飛行、1941 年 9 月 11 日
• シュライファー、ロバート、航空機エンジンの開発、ハーバード大学、ボストン、1950年
• Law、Peter、ADI による AEHS へのプレゼンテーション、AEHS Web サイトより
• ストロンバーグ航空機用キャブレター、ベンディックス社製、日付不明、1940年以前
• ベンディックスキャブレター、フライト、
• トレーニング マニュアル、RSA 燃料噴射システム、Precision Airmotive Corp.、1990 年 1 月
• Bendix PS シリーズ キャブレター マニュアル、1976 年 4 月 1 日