クランクケース換気システム

クランクケース換気システム( CVS ) は、内燃機関のクランクケースから不要なガスを除去します。このシステムは通常、チューブ、一方向バルブ、および真空源 (吸気マニホールドなど) で構成されます。

「ブローバイ」と呼ばれる不要なガスは、燃焼室から漏れたガスがピストンリングを通過したものです。初期のエンジンでは、これらのガスはクランクケースシールから漏れるだけで大​​気中に放出されていました。最初の特定のクランクケース換気システムは「ロードドラフトチューブ」で、部分的な真空を利用してチューブからガスを吸い込み、大気中に放出しました。ポジティブクランクケース換気 (PCV) システムは、第二次世界大戦で初めて使用され、ほとんどの現代のエンジンに搭載されており、自動車の排出ガス制御の一環として、クランクケースガスを燃焼室に送り返し、大気汚染を軽減します。

クランクケース圧縮設計の 2 ストローク エンジンでは、エンジンの通常の動作でクランクケースのガスが燃焼室に送られるため、クランクケース換気システムは必要ありません。

ブローバイは、よく言われるように、燃焼室からの燃焼物質がピストンリングを通り抜けてクランクケースに「吹き飛ばされる」ことによって発生します。これらのブローバイガスは、換気されなければ、必然的に凝縮してクランクケース内のオイル蒸気と結合し、オイルスラッジを形成します。さらに、クランクケースの圧力が高すぎると、クランクシャフトシールやその他のエンジンシールやガスケットからエンジンオイルが漏れることがあります。したがって、クランクケース換気システムの使用が必須となります。

20 世紀初頭まで、ブローバイ ガスはシールやガスケットを通してクランクケースから漏れていました。エンジンからオイルが漏れて地面に垂れるのは、数十年前の蒸気エンジンでも同様だったため、普通のことと考えられていました。ガスケットとシャフト シールはオイルの漏れを制限するためのものでしたが、通常、完全に防ぐことは期待されていませんでした。ブローバイ ガスはオイルを通して拡散し、シールやガスケットを通して大気中に漏れ、大気汚染や悪臭の原因となります。

クランクケース換気における最初の改良は、ロードドラフトチューブでした。これは、クランクケース（またはオーバーヘッドバルブエンジンのバルブカバー）から、車両のスリップストリームにある下向きの開口端まで伸びるパイプです。車両が移動しているとき、チューブの開口端を横切る空気の流れによって吸引力（「ドラフト」またはドラフト）が発生し、クランクケースからガスが引き出されます。過度の真空状態を防ぐため、ブローバイガスはブリーザーと呼ばれる装置を使用して新鮮な空気と置き換えられます。 [ ^1]ブリーザーは多くの場合、オイルキャップにあります。多くのブリーザーにはカップまたはスクープが付いており、エンジンラジエーターファンの空気流内にありました。このタイプのシステムは「圧力吸引」タイプと呼ばれ、空気はブリーザーのスクープに押し込まれ、真空によってロードドラフトチューブによって引き出されます。圧力吸引式の別のタイプは、フォルクスワーゲン ポルシェの空冷エンジンに使用されていました。フロント クランクケース プーリーに逆ネジが組み込まれており、エンジンに空気を取り込み、ロード ドラフト チューブでクランクケースから空気を排出します。このシステムは、エンジンに有害なクランクケースの蒸気を除去するのに非常に効果的です。以前のエンジンと同様に、ロード ドラフト チューブ システムも汚染と不快な臭いを生み出しました。^[1]ドラフト チューブが雪や氷で詰まると、クランクケースの圧力が高まり、オイル漏れやガスケットの破損を引き起こします。^[2]

低速で移動する配送車両やボートでは、道路のドラフトチューブに適した空気のスリップストリームがない場合がよくありました。このような状況では、エンジンはブリーザーチューブの正圧を利用して、クランクケースからブローバイガスを押し出しました。そのため、ブリーザーの空気取り入れ口は、エンジンの冷却ファンの後ろの空気の流れの中に配置されることが多かったです。^[1]クランクケースのガスはドラフトチューブを通って大気中に排出されました。

ポジティブ・クランクケース・ベンチレーション（ PCV ）システムの現代の目的は大気汚染を減らすことですが、元々の目的はエンジンが水漏れすることなく水中で作動できるようにすることでした。最初のPCVシステムは第二次世界大戦中に構築され、通常のドラフトチューブ換気装置ではクランクケースに水が入りエンジンを破壊してしまう深い渡河作業中に戦車のエンジンを作動できるようにしました。 ^[3]

1950年代初頭、アリー・ヤン・ハーゲン・スミット教授は、自動車エンジンからの汚染がカリフォルニア州ロサンゼルスで発生していたスモッグ危機の主原因であると断定しました。 ^[4]カリフォルニア州自動車汚染制御委員会（カリフォルニア州大気資源委員会の前身）は1960年に設立され、ブローバイガスが大気中に直接放出されるのを防ぐ方法の研究を始めました。^[5] PCVシステムは、ガスを空気取り入れ口に再循環させ、新鮮な空気/燃料と混合してより完全に燃焼するように設計されました。1961年、カリフォルニア州の規制により、すべての新車はPCVシステムを搭載して販売することが義務付けられ、これが車両排出ガス制御装置の最初の実装となりました。^[6]

1963年モデルから、米国で販売されるほとんどの新車には、複数の州固有のバージョンの車両を製造しなくても済むように、業界の自主的な行動によってPCVが搭載されました。PCVは、排出量の削減だけでなく、エンジン内部の清浄性とオイル寿命の延長にも役立つため、すぐに世界中のすべての車両の標準装備になりました。^{[1] [7]}

1967年、生産開始から数年後、PCVシステムは米国連邦大陪審の調査対象となり、業界批評家の一部は、自動車工業会（AMA）が、さらなるスモッグ抑制を遅らせるために、このようなスモッグ削減装置を棚上げにしようと共謀していると主張した。18か月の調査の後、大陪審は「法案なし」の決定を下し、AMAを無罪としたが、米国の自動車会社すべてが10年間スモッグ抑制活動に共同で取り組まないことに同意するという同意判決が下された。 ^[8]

それから数十年の間に、自動車の排出ガスに関する法律や規制は大幅に強化されました。今日のガソリン エンジンのほとんどは、PCV システムを引き続き使用しています。

PCV システムがクランクケースから煙を排出するには、システムには新鮮な空気の供給源が必要です。この新鮮な空気の供給源は「クランクケース ブリーザー」で、通常はエンジンのエア フィルターまたは吸気マニホールドからダクトで接続されます。ブリーザーには通常、オイル ミストや蒸気がエア フィルターを汚さないようにバッフルとフィルターが取り付けられています。この現象は、市販のエア オイル セパレーターまたはキャッチ カン(俗に言うキャッチ カン) を取り付けることでさらに軽減できます。キャッチ カンはオイル ミストを懸濁状態から引き出し、吸気口に到達する前にリザーバーに集めます。適切に設計されたクランクケース ブリーザーは、掃気効果、つまりクランクケース ブリーザー内での吸引力の生成を促進して、ブローバイ ガスの除去をさらに促進するようにも設計されます。この効果により、適切に機能する PCV システムが設置されている場合、クランクケースはわずかに負圧に保たれます。^[9]

吸気マニホールドの真空は、PCV バルブを介してクランクケースに適用されます。クランクケースとエンジン内部を通る空気の流れは、燃焼副産物ガスを一掃します。この空気とクランクケース ガスの混合物は、多くの場合、オイルミストを排除するための別の単純なバッフル、スクリーン、またはメッシュを介して、PCV バルブから吸気マニホールドに排出されます。一部の PCV システムでは、このオイル バッフルは、「オイル セパレーター」と呼ばれる個別の交換可能な部品で行われます。車両に外部オイル バッフル システムを追加するために販売されているアフターマーケット製品は、もともと装備されておらず、一般に「オイル キャッチ タンク」と呼ばれています。

PCVバルブは、吸気システムに入るクランクケースガスの流れを制御します。アイドリング時、スロットルがほぼ閉じている状態では、マニホールド真空が高くなり、大量のクランクケースガスが吸い込まれ、エンジンが過度にリーンな状態になります。マニホールド真空が高いとPCVバルブが閉じ、吸気システムに入るクランクケースガスの量を制限します。^[12]

エンジンに負荷がかかっているときや高回転で運転しているときは、ブローバイガスが多く発生します。このような状況では、スロットル全開時の吸気マニホールドの真空度が低くなるため、PCVバルブが開き、クランクケースのガスが吸気システムに流れ込みます。^[13]このような状況での吸入空気の流量が増えるということは、エンジンの動作を損なうことなく、より多くのブローバイガスを吸気システムに追加できることを意味します。また、このような状況でPCVバルブが開くと、吸気システムがクランクケースのガスを吸気システムに引き込む効率が低下することを補うことができます。

PCV バルブの 2 番目の機能は、火炎防止装置として機能し、吸気システムからの正圧がクランクケースに入るのを防ぐことです。これは、ターボチャージャー付きエンジンやバックファイアが発生したときに発生する可能性があり、正圧によってクランクケースのシールやガスケットが損傷したり、クランクケースが爆発したりする可能性があります。そのため、PCV バルブは正圧が存在するときに閉じ、クランクケースに到達するのを防ぎます。

PCV バルブが配置されているクランクケース空気出口は、通常、クランクケース ブリーザーからできるだけ離れた場所に配置されます。たとえば、ブリーザーと出口は、V 型エンジンでは反対側のバルブ カバー上に、直列エンジンではバルブ カバーの反対側の端に配置されます。PCV バルブは、常にではありませんが、多くの場合、バルブ カバーに配置されます。クランクケース空気出口と吸気マニホールドの間のどこにでも配置できます。

PCV バルブは、ますます普及している過給アプリケーションにおいて、さらに重要な機能を果たします。クランクケース圧力の過剰は、ピストン リングを通過して漏れるブローバイ ガスによって発生するだけでなく、吸気マニホールドからの正圧がクランクケース内に侵入した場合にも発生する可能性があります。前述のように、ターボチャージャーやスーパーチャージャーなどの過給システムを備えた車両では、エンジンの吸気マニホールドは負荷がかかった状態で正圧になります。これは、負荷がかかっている状態でも吸気マニホールドが真空状態のままになる自然吸気アプリケーションとは異なります。したがって、過給エンジンに負荷がかかっている場合、吸気マニホールドはクランクケースからブローバイ ガスを排出するために使用できなくなり、代わりにクランクケース圧力を上昇させることで問題を悪化させ始めます。そのため、吸気マニホールドが加圧されているときに吸気マニホールドとクランクケースを分離し、吸気マニホールドが真空状態のときにクランクケースからブローバイ ガスを排出するのが PCV バルブの役割です。この追加された役割に加えて、ブーストアプリケーションではシリンダー圧力がはるかに高くなり、その結果、より多くのブローバイガスがクランクケースに押し込まれるため、完全に機能するPCVシステムがさらに重要になります。^{[14] [15] [16]}

吸気マニホールド内のカーボンの蓄積は、PCVシステムの故障によりブローバイガスが吸気空気を恒久的に汚染した場合に発生します。^[12]

ポート噴射エンジンでは、通常、吸気バルブにブローバイガスから発生するカーボン堆積やオイルスラッジが問題になることはありません。これは、燃料が燃焼室に向かう途中で吸気バルブに当たるため、燃料に含まれる洗浄剤がバルブを清潔に保つことができるためです。ただし、吸気バルブにカーボンが堆積するのは、燃料が燃焼室に直接噴射される直噴エンジンの場合のみ問題となります。このため、燃料システムクリーナーや燃料添加剤をタンクに追加しても、これらの堆積物の除去には役立ちません。これらの堆積物を洗浄する方法には、吸気口からクリーナーを噴霧するか、吸気バルブに直接メディアを吹き付ける方法があります。^[17]

クランクケース圧縮を使用する 2 ストローク エンジンでは、クランクケース内のすべてのガスが燃焼室に送り込まれるため、クランクケース換気システムは必要ありません。

芝刈り機のエンジンや発電機などの小型 4 ストローク エンジンの多くは、吸気システムに接続されたドラフト チューブのみを使用します。ドラフト チューブは、すべてのブローバイ ガスを吸気混合物に戻すもので、通常はエア フィルターとキャブレターの間にあります。

一部のドラッグレースカーのドライサンプエンジンは、クランクケースからオイルとガスを抽出するために掃気ポンプを使用しています。 ^[18]セパレーターがオイルを取り除き、ガスはベンチュリー管を介して排気システムに供給されます。^[要出典]このシステムは、クランクケース内に少量の真空を維持し、レーストラックに漏れる可能性のあるエンジン内のオイルの量を最小限に抑えます。^[19]