吸気マニホールド

吸気マニホールドまたは吸気マニホールド（アメリカ英語）は、内燃機関において、燃料と空気の混合物をシリンダーに供給する部品です。^[1]マニホールドという 言葉は、古英語のmanigfeald（アングロサクソン語のmanig [多くの]とfeald [繰り返し]から）に由来し、1つのパイプが多数に増えることを意味します。^[2]

対照的に、排気マニホールドは、複数のシリンダーからの排気ガスをより少数のパイプ（多くの場合 1 本のパイプ）に 集めます。

吸気マニホールドの主な機能は、燃焼混合物 (直噴エンジンの場合は空気のみ) をシリンダー ヘッドの各吸気ポートに均等に分配することです。均等な分配は、エンジンの効率と性能を最適化するために重要です。また、キャブレター、スロットル ボディ、燃料インジェクター、その他のエンジン部品のマウントとしても機能します。

往復火花点火ピストンエンジンでは、ピストンの下降運動とスロットルバルブによる制限 により、吸気マニホールド内に部分的な真空（大気圧より低い）が発生します。このマニホールドの真空はかなりの大きさになる可能性があり、自動車の補助動力源として利用して、パワーアシストブレーキ、排出ガス制御装置、クルーズコントロール、点火進角、ワイパー、パワーウィンドウ、換気システムバルブなど の補助システムを駆動することができます。

この真空は、エンジンのクランクケースからピストンのブローバイガスを吸引するためにも使用できます。これは、ガスが燃料と空気の混合物とともに燃焼される ポジティブクランクケース換気システムとして知られています。

吸気マニホールドは歴史的にアルミニウムまたは鋳鉄で製造されてきましたが、複合プラスチック材料の使用が普及しつつあります (例: ほとんどのクライスラー 4 気筒、フォード Zetec 2.0、Duratec 2.0 および 2.3、GM のEcotecシリーズ)。

キャブレターまたは燃料インジェクターは、マニホールド内の空気中に燃料の液滴を噴射します。静電気力と境界層からの凝縮により、一部の燃料はマニホールドの壁に沿って溜まり、燃料の表面張力により、小さな液滴が気流内で結合して大きな液滴になることがあります。どちらの動作も、空燃比に不一致が生じるため望ましくありません。吸気口の乱流は燃料の液滴を分解し、霧化の程度を向上させます。霧化が進むと、すべての燃料をより完全に燃焼させることができ、火炎前面が拡大してエンジンノックの軽減にも役立ちます。この乱流を実現するために、シリンダーヘッドの吸気口と吸気ポートの表面を粗く研磨せずに残しておくのが一般的な方法です。

吸気時に有効な乱流は、ある程度までです。燃料が十分に霧化されると、乱流がさらに発生すると、不要な圧力降下が発生し、エンジン性能が低下します。

吸気マニホールドの設計と方向は、エンジンの容積効率の大きな要因です。急激な輪郭の変化は圧力降下を引き起こし、燃焼室に入る空気 (および/または燃料) が減少します。高性能マニホールドは滑らかな輪郭を持ち、隣接するセグメント間の遷移が緩やかです。

現代の吸気マニホールドは、通常、ランナーを使用します。ランナーとは、キャブレターの下の中央容積または「プレナム」からシリンダー ヘッドの各吸気ポートまで伸びる個別のチューブです。ランナーの目的は、空気のヘルムホルツ共鳴特性を利用することです。空気は、開いたバルブをかなりの速度で流れます。バルブが閉じると、まだバルブに入っていない空気は依然として大きな運動量を持っており、バルブに対して圧縮され、高圧ポケットを形成します。この高圧の空気は、マニホールド内の低圧の空気と均衡し始めます。空気の慣性により、均衡は振動する傾向があります。最初は、ランナー内の空気はマニホールドよりも低圧です。次に、マニホールド内の空気はランナー内で均衡を取り戻そうとし、振動が繰り返されます。このプロセスは音速で発生し、ほとんどのマニホールドでは、バルブが再び開く前に、ランナーを何度も上下に移動します。

ランナーの断面積が小さいほど、一定の空気流量に対する共鳴時の圧力変化が大きくなります。ヘルムホルツ共鳴のこの側面は、ベンチュリ効果の 1 つの結果を再現します。ピストンが下向きに加速すると、吸気ランナーの出力の圧力が低下します。この低圧パルスは入力端まで伝わり、そこで過圧パルスに変換されます。このパルスはランナーを通って戻り、空気をバルブに押し込みます。その後、バルブが閉じます。

ヘルムホルツ共鳴効果のパワーを最大限活用するには、吸気バルブの開放タイミングを正確に調整する必要があります。そうしないと、パルスが悪影響を及ぼす可能性があります。バルブタイミングは動的でエンジン速度に基づいているのに対し、パルスタイミングは静的で吸気ランナーの長さと音速に依存するため、これはエンジンにとって非常に難しい問題となります。従来の解決策は、最大のパフォーマンスが求められる特定のエンジン速度に合わせて吸気ランナーの長さを調整することでした。しかし、現代の技術により、電子制御バルブタイミング ( Valvetronicなど) や動的吸気ジオメトリ (以下を参照) を含む多くの解決策が生まれました。

「共鳴チューニング」の結果、一部の自然吸気吸気システムは 100% を超える容積効率で動作します。つまり、圧縮行程前の燃焼室内の空気圧が大気圧よりも高くなります。この吸気マニホールドの設計特性と組み合わせることで、排気マニホールドの設計と排気バルブの開放時間を、シリンダーのより大きな排気を実現するように調整できます。排気マニホールドは、ピストンが上死点に達する直前にシリンダー内の真空を実現します。^[要出典]開いた吸気バルブは、一般的な圧縮比で、下降移動を開始する前にシリンダーの 10% を満たすことができます。^[要出典]シリンダー内の高圧を達成する代わりに、ピストンが下死点に達した後も空気が流入している間、吸気バルブを開いたままにすることができます。^{[要出典] [あいまい]}

一部のエンジンでは、吸気ランナーは抵抗を最小にするために直線になっています。しかし、ほとんどのエンジンでは、ランナーは曲線になっており、望ましいランナーの長さを実現するために非常に複雑なものもあります。これらの曲がりにより、マニホールドをよりコンパクトにすることができ、結果としてエンジン全体のパッケージングが高密度になります。また、これらの「蛇行した」ランナーは、一部の可変長/分割ランナー設計に必要であり、プレナムのサイズを縮小できます。少なくとも 6 つのシリンダーを持つエンジンでは、平均吸気流量はほぼ一定であり、プレナムの容積を小さくすることができます。プレナム内の定在波を回避するために、プレナムは可能な限りコンパクトに作られています。空気力学的理由から、吸気ランナーはそれぞれ、プレナムに空気を供給するインレットよりもプレナム表面のより小さな部分を使用します。各ランナーは、メインのインレットからほぼ同じ距離になるように配置されます。シリンダーが互いに近接して点火するランナーは、隣接して配置されません。

180 度吸気マニホールドは、もともとキャブレター V8 エンジン用に設計されたもので、2 プレーンのスプリット プレナム吸気マニホールドは、マニホールドが受ける吸気パルスを点火順序で 180 度分離します。これにより、1 つのシリンダーの圧力波が別のシリンダーの圧力波と干渉することが最小限に抑えられ、スムーズな中速域の流れからより優れたトルクが得られます。このようなマニホールドは、もともと 2 バレルまたは 4 バレルのキャブレター用に設計されたものですが、現在ではスロットル ボディとマルチポイント燃料噴射の両方で使用されています。後者の例としては、ピーク流量と馬力を高めるために 3500 rpm 付近でシングル プレーン マニホールドに切り替わる ホンダ J エンジンがあります。

キャブレター エンジン用の「ウェット ランナー」を備えた古いヒート ライザーマニホールドは、吸気マニホールドを通して排気ガスを迂回させて気化熱を供給していました。排気ガス流の迂回量は排気マニホールド内のヒート ライザー バルブによって制御され、マニホールド内の熱に応じて張力を変えるバイメタル スプリングが使用されていました。今日の燃料噴射エンジンでは、このような装置は必要ありません。

可変長吸気マニホールド( VLIM )は、内燃機関のマニホールド技術です。一般的な実装方法は 4 つあります。まず、長さの異なる 2 つの個別の吸気ランナーを使用し、バタフライ バルブで短い経路を閉じることができます。次に、吸気ランナーを共通プレナムの周囲に曲げ、スライド バルブで可変長のプレナムから分離します。直線状の高速ランナーには、小さな長いランナー延長部を含むプラグを取り付けることができます。6 気筒または 8 気筒エンジンのプレナムは半分に分けることができ、片方の半分に偶数番目のシリンダー、もう一方の半分に奇数番目のシリンダーを配置します。サブ プレナムと吸気口は両方とも Y 字型 (一種のメイン プレナム) に接続されています。空気は両方のサブ プレナム間で振動し、そこでは圧力が大きく振動しますが、メイン プレナムでは圧力が一定です。サブ プレナムからメイン プレナムまでの各ランナーの長さは変更できます。 V 型エンジンの場合、これは、エンジン速度が高いときに単一の大きなプレナムを分割し、速度が低下したときにその中にスライドバルブを挿入することによって実装できます。

名前が示すように、VLIM は吸気管の長さを変えることでパワーとトルクを最適化し、燃費を向上させることができます。

可変吸気ジオメトリには主に 2 つの効果があります。

• ベンチュリ効果: 低回転数では、限られた容量 (断面積) の経路に空気を通すことで、気流の速度が上がります。負荷が増加すると、より大きな経路が開き、より多くの空気がチャンバーに入ることができます。デュアル オーバーヘッド カム(DOHC) 設計では、空気経路が別の吸気バルブに接続されていることが多く、吸気バルブ自体を非アクティブにすることで、短い経路を除外できます。
• 加圧:調整された吸気経路は、ヘルムホルツ共鳴により、低圧スーパーチャージャーに似た軽い加圧効果を持つ場合があります。ただし、この効果は、吸気長によって直接影響を受ける狭いエンジン速度範囲でのみ発生します。可変吸気は、2 つ以上の加圧された「ホット スポット」を作成することができます。吸気速度が速い場合、エンジン内の空気 (および/または混合気) を押し出す動圧が増加します。動圧は吸気速度の 2 乗に比例するため、通路を狭くしたり長くしたりすることで、速度/動圧が増加します。

多くの自動車メーカーは、異なる名前で同様の技術を使用しています。この技術の別の一般的な用語は、可変共鳴誘導システム( VRIS ) です。

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