キャブレター

キャブレター（キャブレターまたはキャブレターとも表記）^{[1] [2] [3]}は、ガソリン内燃機関がエンジンに入る空気と燃料を制御および混合するために使用する装置です。 ^[4]吸入空気に燃料を追加する主な方法は、主計量回路のベンチュリー管を使用することですが、特定の状況下では、他のさまざまなコンポーネントを使用して追加の燃料または空気を供給することもできます。

1990年代以降、自動車やトラックの燃料噴射装置はキャブレターに取って代わられましたが、一部の小型エンジン（芝刈り機、発電機、コンクリートミキサーなど）やオートバイでは今でもキャブレターが使用されています。また、ピストンエンジンで駆動する航空機でも広く使用されています。ディーゼルエンジンでは、圧縮燃焼によるディーゼルの燃焼にはより高い精度と圧力が必要となるため、キャブレターではなく燃料噴射装置が常に使用されてきました。^[5]

「キャブレター」という名前は、「炭素と結合する」[6]、特に「炭素または炭化水素と結合してガスを濃縮する」[7]を意味する動詞「キャブレター」に由来しています。したがって^、キャブレターは吸入空気^をガソリンやオートガス（LPG）などの炭化水素ベースの燃料と混合します。 ^[8]

この名称はアメリカ英語では「キャブレター」、イギリス英語では「キャブレター」と綴られる。^{[1] [2] [3]}口語的な略語としては、英国と北米ではcarb 、オーストラリアではCarbyがある。^[9]

大気中の空気が（通常はエアクリーナーを介して）キャブレターに入り、キャブレター内で燃料が加えられ、吸気マニホールドに入り、次に吸気バルブを通過して、最終的に燃焼室に入ります。ほとんどのエンジンは、すべてのシリンダーで共有される単一のキャブレターを使用しますが、一部の高性能エンジンには歴史的に複数のキャブレターが装備されていました。

キャブレターはベルヌーイの原理に基づいて動作します。つまり、高速になると吸入空気の静圧が下がり、より多くの燃料が気流に吸い込まれます。ほとんどの場合 (アクセル ポンプを除く)、ドライバーがスロットル ペダルを踏んでも、エンジンに入る燃料は直接増加しません。代わりに、キャブレターを通過する空気の流れが増加し、その結果、吸入混合物に吸い込まれる燃料の量が増加します。

ベルヌーイの定理に基づいてキャブレターの動作を行うことの主な欠点は、流体力学装置であるため、ベンチュリー内の圧力低下が吸入空気速度の 2 乗に比例する傾向があることです。燃料ジェットははるかに小さく、燃料流量は主に燃料の粘性によって制限されるため、燃料流量は圧力差に比例する傾向があります。そのため、フルパワー用にサイズ設定されたジェットは、低速および部分スロットルでエンジンを飢餓状態にする傾向があります。最も一般的には、複数のジェットを使用することでこれを修正してきました。SUおよびその他の (例: Zenith-Stromberg )可変ジェット キャブレターでは、ジェット サイズを変更することでこれを修正しました。

キャブレターの向きは、設計上の重要な考慮事項です。古いエンジンでは、空気がキャブレターの下から入り、上から出るアップドラフトキャブレターが使用されていました。1930 年代後半からは、ダウンドラフトキャブレター (特に米国) が、サイドドラフトキャブレター (特にヨーロッパ) とともに、より一般的に使用されるようになりました。

主計量回路は、狭くなってから再び広がり、ベンチュリ（別名「バレル」）を形成するパイプで構成されています。燃料は、空気が最も高速になるベンチュリの最も狭い部分にある小さなチューブ（メインジェット）を通じて空気流に導入されます。^[10]

ベンチュリの下流にはスロットル（通常はバタフライバルブの形）があり、キャブレターに入る空気の量を制御するために使用されます。自動車では、このスロットルは車両のスロットルペダルに接続されており、エンジン速度を変化させます。

スロットル開度が低い場合、ベンチュリを通過する空気の速度が燃料の流れを維持するのに不十分であるため、代わりにキャブレターのアイドル回路とオフアイドル回路によって燃料が供給されます。

スロットル開度が大きくなると、ベンチュリを通過する空気の速度が上昇し、空気の圧力が低下して、より多くの燃料が気流に引き込まれます。^[11]同時に、マニホールドの真空が減少すると、アイドル回路とオフアイドル回路を通る燃料流量が減少します。

寒い天候では、燃料は蒸発しにくくなり、吸気マニホールドの壁に凝縮する傾向があり、シリンダーの燃料が不足して冷間始動が困難になります。エンジンを始動して暖まるまで運転するには、チョーク バルブによって供給される追加の燃料 (一定量の空気に対して) が必要です。

エンジンが暖まる間、チョークバルブは部分的に閉じられ、キャブレターの入口での空気の流れを制限します。これにより、メインメーター回路内の真空が増大し、メインジェットを介してエンジンに供給される燃料が増加します。 1950 年代後半までは、チョークはドライバーが手動で操作し、ダッシュボードのレバーまたはノブを使用することが多かった。それ以降、自動チョークがより一般的になりました。これらは、エンジンの冷却液の温度に基づいてチョークを自動的に制御するバイメタルサーモスタット、電気抵抗ヒーター、またはエンジン排気源に接続されたチューブから引き込まれた空気を使用します。エンジンが暖まった後もチョークが閉じられたままになっていると、エンジンの燃料消費量と排気ガスの排出量が増加し、燃料混合気が濃すぎるためにエンジンが不調になり、出力不足になります。

しかし、燃料が多すぎるとエンジンに燃料があふれ、始動できなくなる場合があります。余分な燃料を除去するために、自動チョーク付きのキャブレターの多くは、チョークを開いたままにして（手動でアクセル ペダルを床まで踏み込み、スターターをクランクしながらその状態をしばらく維持する）、余分な燃料がなくなるまでエンジンに余分な空気を送り込むことができます。

冷えたエンジンの動作を改善するためにキャブレターが使用するもう 1 つの方法は、高速アイドルカムです。これはチョークに接続されており、チョークの動作中にスロットルが完全に閉じるのを防ぎます。その結果、アイドル速度が上昇し、冷えたエンジンのアイドル状態がより安定し (冷えた燃料の霧化が改善される)、エンジンがより早く暖まります。

エンジンが低回転数で作動しているときに燃料を計測するキャブレター内のシステム。アイドル回路は、通常、スロットル プレートの下の真空によって作動し、アイドル通路/ポートに低圧領域を発生させて、燃料がアイドル ジェットを通って流れるようにします。アイドル ジェットは、キャブレターの製造元によって一定の値に設定され、指定された量の燃料が流れます。

多くのキャブレターは、オフアイドル回路を使用します。これには、スロットルが開き始めるときに短時間使用される追加の燃料ジェットが含まれます。このジェットは、スロットルの後ろの低圧領域にあります。このジェットから供給される追加の燃料は、スロットルが開いたときに発生する真空の低下を補うために使用され、アイドル回路からメインの計量回路への移行がスムーズになります。

4 ストローク エンジンでは、高負荷時にエンジンに追加の燃料を供給することが望ましい場合が多くあります (出力を上げ、エンジンのノッキングを減らすため)。そのためによく使用されるのが、キャブレター内のスプリング式バルブで、エンジンの真空によって閉じられた「パワー バルブ」です。キャブレターを通る空気の流れが増加すると、マニホールドの真空が減少するためパワー バルブが開き、メインの計量回路に燃料がさらに流れ込みます。

2 ストローク エンジンでは、キャブレター パワー バルブは逆の方法で動作します。ほとんどの場合、バルブはエンジンに余分な燃料を供給し、特定のエンジンRPMでバルブが閉じて、エンジンに入る燃料を減らします。これは、多くの 2 ストローク エンジンが、より希薄な空燃比で一時的に高い RPM を達成できるため、エンジンの最大 RPM を延長するために行われます。

これは、2 ストローク エンジンで使用される 無関係な排気パワー バルブの配置と混同しないでください。

メータリング ロッドまたはステップアップ ロッド システムは、高負荷時に余分な燃料を供給するために、4 ストローク エンジンのパワー バルブの代替として使用されることがあります。ロッドの一方の端は先細りになっており、メインのメータリング ジェット内にあり、ジェット内の燃料の流れのバルブとして機能します。エンジンの負荷が高い場合、ロッドはジェットから持ち上げられ (機械的に、またはマニホールドの真空を使用して)、ジェットを流れる燃料の量が増加します。これらのシステムは、ロチェスター クアドラ ジェットと 1950 年代のカーターキャブレターで使用されていました。

主計量回路は定常状態ではエンジンに十分な燃料を供給できるが、燃料の慣性（空気の慣性よりも高い）により、スロットルが開かれると一時的に燃料が不足する。そのため、スロットルが開かれたときに一時的に余分な燃料を供給するために、加速ポンプがよく使用される。^[12]運転者がスロットルペダルを踏むと、小さなピストンポンプまたはダイヤフラムポンプが追加の燃料をキャブレターのスロートに直接噴射する。^[13]

加速ポンプは、冷間始動を試みる前に余分な燃料でエンジンを「プライミング」するためにも使用できます。^{[引用が必要]}

常に十分な燃料供給を確保するために、キャブレターには「フロート チャンバー」または「フロート ボウル」と呼ばれる燃料貯蔵庫が備えられています。燃料は燃料ポンプによってフロート チャンバーに供給されます。フローティング入口バルブは、フロート チャンバーに入る燃料を調整し、一定のレベルを確保します。

燃料噴射エンジンとは異なり、キャブレター エンジンの燃料システムは加圧されていません。キャブレターを通過する吸入空気が加圧されるエンジン (キャブレターがスーパーチャージャーの下流にある場合など) の場合、キャブレター全体を密閉された加圧ボックスに収めて動作させる必要があります。^[要出典]ただし、キャブレターがスーパーチャージャーの上流にある場合は、これは必要ありません。

キャブレター エンジンでは、特に気温が高い場合に、燃料の沸騰やベーパー ロックの問題が発生することがあります。フロート チャンバーはエンジンの近くに配置されているため、エンジンの熱 (エンジン停止後数時間を含む) により、燃料が蒸発するまで加熱されることがあります。これにより、燃料内に気泡 (ブレーキ ブリーディングを必要とする気泡に類似) が発生し、燃料の流れが妨げられます。これを「ベーパー ロック」と呼びます。

フロート チャンバーの加圧を回避するために、通気管によってフロート チャンバーへの空気の出入りが可能になります。これらの管は通常、キャブレターのスロートまで伸びており、燃料がキャブレターに飛び出すのを防ぐために配置されています。

キャブレターが垂直方向にない状態でエンジンを作動させる必要がある場合 (チェーンソーや飛行機など)、フロートチャンバーと重力作動フロートバルブは適していません。代わりに、通常はダイヤフラムチャンバーが使用されます。これは、燃料チャンバーの片側にある柔軟なダイヤフラムと、チャンバーに入る燃料を調節するニードルバルブが接続された構造です。チャンバー内の空気の流量 (スロットルバルブ/バタフライバルブによって制御) が減少すると、ダイヤフラムが内側 (下方向) に移動し、ニードルバルブが閉じて燃料が少なくなります。チャンバー内の空気の流量が増加すると、ダイヤフラムが外側 (上方向) に移動し、ニードルバルブが開いて燃料が増え、エンジンがより多くのパワーを生成できるようになります。バランスの取れた状態になり、どの方向でも一定に保たれる安定した燃料リザーバーレベルが生成されます。

キャブレターに使用されているその他のコンポーネントは次のとおりです。

• エアブリードにより、燃料通路のさまざまな部分に空気が入り、燃料の供給と気化が促進されます。
• 航空機エンジン内の燃料流量制限装置。背面飛行中の燃料不足を防ぎます。
• 加熱式気化器は燃料の霧化を助けるもので、特に灯油、トラクターの気化油、またはガソリンパラフィンエンジンで使用される^[14]
• 初期の燃料蒸発器
• フィードバックキャブレターは、酸素センサーからの信号に応じて燃料/空気の混合比を調整し、触媒コンバーターを使用できるようにします。
• 定真空キャブレター（可変チョークキャブレターとも呼ばれる）は、スロットルケーブルがスロットルケーブルプレートに直接接続されています。コードを引くと、生のガソリンがキャブレターに入り、大量の炭化水素が排出されます。^[15]
• 定速キャブレターは、アクセル ペダルがスロットル プレートを操作する前に、吸気流内で可変スロットル閉鎖を使用します。この可変閉鎖は、吸気マニホールドの圧力/真空によって制御されます。この圧力制御スロットルは、エンジンの速度と負荷範囲全体にわたって比較的均一な吸気圧力を提供します。

キャブレターの基本設計は、1 つのベンチュリ (メインの計量回路) で構成されていますが、2 つまたは 4 つのベンチュリ (それぞれ 2 バレル キャブレターと 4 バレル キャブレター) を備えた設計も非常に一般的です。通常、バレルは、低負荷状況で使用される「プライマリ」バレルと、高負荷時に追加の空気/燃料を供給する必要があるときに作動するセカンダリ バレルで構成されます。プライマリ ベンチュリとセカンダリ ベンチュリは、使用される状況に合わせてサイズが異なり、さまざまな機能が組み込まれていることがよくあります。

多くの 4 バレル キャブレターは、プライマリ バレル 2 つとセカンダリ バレル 2 つを使用します。プライマリ バレル 2 つとセカンダリ バレル 2 つからなる 4 バレル設計は、低速エンジンでは燃料を節約しながら高速でも十分な供給を確保するために、 V8 エンジンでよく使用されていました。

複数のキャブレター（例えば、各シリンダーまたはシリンダーペアごとに1つのキャブレター）を使用すると、吸入空気が複数のベンチュリーを通って引き込まれることになります。^[16]一部の高性能エンジンでは、2バレルまたは4バレルのキャブレターを複数使用しており、例えばフェラーリV12では2バレルのキャブレターが6つ使用されています。

1826年、アメリカのエンジニア、サミュエル・モリーは、空気と混合したテレピン油で動く「ガスまたは蒸気エンジン」の特許を取得しました。 ^{[17] [18]}この設計は生産には至りませんでした。1875年、ドイツのエンジニア、ジークフリート・マーカスは、最初のガソリンエンジン（最初のマグネトー点火システムもデビュー）で駆動する自動車を製造しました。 ^{[19] [20] [21]}カール・ベンツは、 1885年に単気筒4ストロークエンジンを搭載したベンツ・パテント・モトールヴァーゲンを発表しました。 ^{[22] [23]}

これら3つのエンジンはすべて表面気化器を使用しており、燃料を入れた容器の上部を空気で移動させることで作動しました。^[24]

最初のフロート供給式キャブレターの設計は、噴霧ノズルを使用し、ドイツのエンジニアであるヴィルヘルム・マイバッハとゴットリープ・ダイムラーが1885年にグランドファーザークロックエンジンに導入しました。^{[25] 1888年にイギリスで製造された}バトラー・ペトロール・サイクル車もフロート供給式キャブレターを使用していました。^{[26] [27]}

定置式エンジン用の最初のキャブレターは、 1893 年にハンガリーの技術者ヤノス ソンカとドナート バンキによって特許を取得しました。^{[28] [29] [30]}

最初の4バレルキャブレターは、カーターキャブレターWCFBと、それと同一のロチェスター4GCで、1952年にゼネラルモーターズのさまざまなモデルに導入されました。オールズモビルは新しいキャブレターを「クアドリジェット」（元の綴り）^[31]と呼び、ビュイックは「エアパワー」と呼びました。^[32]

アメリカでは、1980年代後半に燃料噴射が好まれるようになるまで、ほとんどのアメリカ製ガソリンエンジンではキャブレターが燃料供給の一般的な方法でした。^[33]キャブレターを最後に使用したモータースポーツの1つはNASCARで、2011年のスプリントカップシリーズ以降、電子燃料噴射に切り替えました。^[34]

ヨーロッパでは、1970 年代から高級車やスポーツカーで燃料噴射がますます使用されるようになっていたものの、1980 年代後半にはキャブレターが燃料噴射に大きく置き換えられました。EECの法律では、1992 年 12 月以降、加盟国で販売および生産されるすべての車両に触媒コンバーターの搭載が義務付けられました。この法律は以前から準備が進められており、1990 年頃から多くの車が触媒コンバーターまたは燃料噴射を搭載して販売されるようになりました。

航空機エンジンにとって重大な懸念事項は、キャブレター内部の氷の形成である。キャブレター内の空気の温度は、ベンチュリ内の気圧の低下と蒸発する燃料の潜熱の組み合わせにより、最大40℃（72℉） ^[35]低下する可能性がある。着陸への降下中の状況は、スロットルが閉じられた状態でエンジンが長時間アイドリング状態にあるため、特に氷結を招きやすい。高度での巡航状態でも氷結が発生する可能性がある。

キャブレター加熱システムは、着氷を防ぐためによく使用されます。^[35]このシステムは、排気口の周りを通る二次空気取り入れ口で構成されており、キャブレターに入る前に空気を加熱します。通常、このシステムはパイロットが手動で切り替えて、必要に応じて加熱された吸気経路を通過するように切り替えます。キャブレター加熱システムは、（加熱された空気の密度が低いため）出力を低下させ、吸気フィルターをバイパスするため、着氷の危険がある場合にのみ使用されます。^[35]

エンジンがアイドリング回転数で作動している場合、凍結を防ぐもう一つの方法は、定期的にスロットルを開き、キャブレター内の空気温度を上げることです。^[35]

キャブレターの凍結は他の用途でも発生し、この問題を解決するためにさまざまな方法が採用されてきました。直列エンジンでは、吸気マニホールドと排気マニホールドがヘッドの同じ側にあります。排気からの熱を利用して吸気マニホールドを温め、次にキャブレターを温めます。V 型構成では、排気ガスは一方のヘッドから吸気クロスオーバーを経由してもう一方のヘッドに送られます。吸気を温めるためにクロスオーバーの排気流量を調整する方法の 1 つは、アイドリング時には閉じたままで、排気流量が増えると開く、ヒートライザーと呼ばれる重みのある偏心バタフライ バルブです。一部の車両では、排気マニホールドの周りにヒート ストーブを使用していました。これはチューブを介してエア フィルターの吸気口に接続され、温められた空気をエア フィルターに供給しました。エンジン負荷が増加すると、エア クリーナーの吸気ホーンにある真空制御のバタフライ バルブ プレヒート チューブが開き、より冷たい空気が入ります。

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