キャブレター

概要

キャブレターの語源は、「炭化水素を混合する」という意味の動詞"carburet"に動作主名詞を形成する接尾辞"-or"または"-er"を加えたものである。ガソリンなどのように常温常圧で液体の燃料に用いるものと、液化石油ガスのように気体の燃料に用いるものでは構造が異なる。
液体燃料用のキャブレターにおいて、燃料タンクから送り出された燃料は燃料チャンバー(英: fuel chamber)と呼ばれる部屋に一時溜められる。溜められた燃料に一端が浸かるように、ジェットと呼ばれる細い管が設けられ、もう一端はエンジンの吸入空気が通過するベンチュリへ解放されている。ベンチュリは吸入空気の流路の途中を細く絞った構造で、吸入空気がベンチュリを通過するとき流速が増加する。流速が増加した吸入空気はベルヌーイの定理により静圧が低下する一方、燃料チャンバー内は大気圧に保たれているため、燃料チャンバーからベンチュリへと燃料が吸い出される。ジェットの出口は小さな穴、もしくは溝状で、吸い出された燃料は吸入空気へ霧状に噴出し、蒸発しながら拡散して混合気となる。
気体燃料に用いられるキャブレターは、吸気管に生じる負圧で作動するダイアフラムアクチュエータにより燃料流路の弁を開閉し、吸気管に送る燃料の量を調節する。
キャブレターよりも精密にエンジンの負荷状況に応じた空燃比で混合気を形成できる燃料噴射装置が普及し、燃費や排出ガス抑制に対する性能要件が高くなるにつれて、自動車やオートバイではキャブレターに代わって燃料噴射装置（フューエルインジェクション）を採用する車種が主流となった。レシプロエンジンを搭載した航空機ではキャブレターと燃料噴射装置のいずれも使われている。民間小型機ではキャブレターが長く使われており、燃料噴射装置へ移行したのは近年のことである。チェーンソーや刈払機などのエンジンでは、燃料噴射装置に比べると電気が不要で構成部品が少なく、部品コストが低いキャブレターが使われている。

種類

液体燃料用のキャブレターは多様な形式があり、ベンチュリの数や方向、機能のほか、燃料チャンバーの方式により分類される。

ベンチュリの数

最も単純なキャブレターはベンチュリが1個であるが、より多くの混合気を効率よくエンジンに供給するために複数のベンチュリを備えるものもある。1個の場合はシングルバレル、複数の場合はマルチバレルあるいはベンチュリの数を表現して2バレル、4バレルと呼ばれる。また、エンジンの負荷、すなわちエンジンに送られる混合気量に応じて2種類のベンチュリが段階的に働くキャブレターがあり、ステージドキャブレターあるいは2ステージキャブレターと呼ばれる。これに対し、エンジン負荷の全域を1つのベンチュリでまかなう方式はシングルステージキャブレターと呼ばれる。
例えば、直列4気筒エンジンでシングルステージの2バレルキャブレターが2個搭載される場合や、V型8気筒エンジンにシングルステージの4バレルキャブレターが2個搭載される場合がある。
ステージドキャブレターは、スロットル開度に応じてメインバレル（プライマリーバレル）と、二次バレル（セカンダリーバレル）が段階的に作動する。二次バレルは、メインバレルと同径かあるいはメインバレルより小径で、リンク機構やダイヤフラムアクチュエータにより動作する。メインバレルと二次バレルを2組持った2ステージ4バレルキャブレターもある。ボアの直径の相違やチョークバルブの有無などで、外観からシングルステージの2バレルと判別可能である。アクセル開度が小さいときはメインバレルのみを開き、ベンチュリを通過する空気の流速を増加させて高いベンチュリ効果を確保する。アクセル開度が大きいときは二次バレルも開いて、より多くの混合気を供給する。これにより、広い範囲で適切な混合気を形成する。ヤマハ・V-MAXのVブーストシステムもステージドキャブレターの一種である。

電子制御式キャブレター

アメリカや日本では1980年代前半から、O₂センサーの空燃比信号に合わせて、ECUによって制御される電子制御式キャブレター(ECC)が比較的安価なNA車を中心に広まった。
きっかけとなったのは、アメリカでのマスキー法の改正やCAFE(企業別平均燃費規制)の開始、および昭和53年排出ガス規制が1978年（昭和53年）に日本で施行されたことであった。それまでの排ガス浄化装置はペレット触媒に比べると高価で耐久性に劣り、排気効率が悪い方式(サーマルリアクターなど)が主流であった。日本では翌1979年（昭和54年）に省エネ法が制定され、自動車各社は三元触媒を基礎にO2センサーによるフィードバック制御を行う方式に転換し、燃費と排ガス対策を両立できるようになった。
ECCよりも以前に電子制御式燃料噴射装置(EFI)は登場していたが、ECCは既存のキャブレター仕様の部品構成を大きく変える必要がなく、インジェクターや燃料ポンプなどの高価な電子機器も必要ないため、EFIと比較して安価であった。また、ECUが故障しても走行不能には陥らないことも長所であった。ECCはこうした長所を背景に、1980年代の各国の排ガス規制に十分対応できたことから、廉価な車両を中心に幅広く採用された。しかし、1990年代中盤以降になると燃料噴射装置の価格が量産効果により大幅に低下し、排ガス規制も更に強化される傾向となったことから、こうした電子制御式キャブレターは現在では採用されなくなった。

自動車等

ガソリンエンジンを搭載した自動車やオートバイでは古くからキャブレターが利用されてきたが、排出ガスの規制や性能への要求が高まるにつれて燃料噴射装置（フューエルインジェクション）が採用されるようになった。先進国で新規に販売、登録される自動車はほとんどが電子制御燃料噴射を採用しており、キャブレターはガソリンエンジン自動車の主流ではなくなった。日本で販売される市販車で最後にキャブレターを搭載していたのは、軽自動車ではスズキ・キャリイ(10代目最初の1年のDA52Tまで。)、（広義の）普通車では2002年12月まで生産されていた三菱・リベロカーゴ（CB1V・CB2V）だった。オートバイでは4輪自動車にやや遅れてフューエルインジェクションの採用が広がった。比較的排気量の大きな車種では燃料噴射装置が主流となったが、発展途上国向けで小排気量の車種ではキャブレターを採用する車種が少なくない。日本では、原付を含むオートバイも2006年から排ガス規制の対象となり、燃料噴射装置への移行が進んだ。
自動車やオートバイでは車両の製造時に搭載される純正のキャブレターのほかに、純正品と置き換えて利用するアフターマーケット製のキャブレターがある。アフターマーケット品は構成部品を交換してメインジェットやスロージェットなどを細かく調整できるのに対し、純正品のほとんどが車種ごとに設計されている専用品で調整用の交換部品がない場合や、あってもアフターマーケット品に比べると調整可能な項目が少なく、調整幅が狭い場合が多い。
自動車では「ツインキャブ」や「6連キャブ」などといった用語を用いて、その車種の訴求力を高めたりする場合があるが、これらは搭載されるキャブレターの数を示している。たとえば、直列4気筒エンジンにシングルステージ2バレルキャブレターを2個搭載して「ツインキャブ」と呼んだり、6気筒エンジンにシングルバレルキャブレターを6個搭載して「6連キャブ」とされる。オートバイでは各気筒に1つずつのキャブレターを搭載する車種が一般的で、訴求力のある用語としては用いられない。

メカニズム

自動車やオートバイに用いられるキャブレターは広い範囲のエンジン回転速度、あるいは広い範囲の負荷に対応するため、複雑な機能が求められる。スロットル開度に応じて適正な量の混合気を生成するだけでなく、エンジンの負荷や状態に応じて空気と燃料の混合比（空燃比）を適切に調整する機構が組み込まれる。また、排気ガス規制が適用されるようになると、排ガス中の有害成分の濃度を抑えるように補正する機能も付け加えられるようになった。
キャブレターの基本構造の1つである「ジェット」は、機能に応じて異なる位置や径のものが備えられていて、「アイドリング系統」や「スロットル系統」などと呼び分けられている。一部の機構はスロットル開度に応じて動作するように、リンク機構や吸入負圧を用いたダイヤフラムアクチュエータで作動するほか、電子制御キャブレターではサーボ機構により作動する。

メイン系統

メイン系統はスロットル系統とも呼ばれ、中速回転（部分負荷域）から高速回転（高負荷域）で燃料を送り出す経路で、メインジェット、ニードルジェットホルダ（メインエアブリードと一体）、ジェットニードル、ニードルジェットおよびメインエアジェットで構成される。ジェットニードルは細い円錐状の部品で、円筒形のニードルジェットホルダに差し込まれている。スロットルバルブの開閉に応じて、ジェットニードルが上下してニードルジェットホルダとの隙間が変化し、送り出される燃料の量が変わる。
キャブレターによっては、1個以上の小径なブースターベンチュリ（追加ベンチュリ）が、メインベンチュリの内部に設置され、スロットルバルブ微動時におけるメインベンチュリ流速変化の鈍さを補っている。

アイドリング系統

スロー系統とも呼ばれ、アイドリングなどの低速回転時に燃料を送り出す経路で、スロージェット（アイドリングジェット、パイロットジェット）、スロージェットホルダ、バイパスポート、アイドルポート、スローエアジェットで構成される。スロットルバルブが完全に閉じている位置からわずかに開かれるとき、スロットルバルブの下流に高速な気流が発生するため、スロージェットはこの位置に設けられる。
　
スロージェットの流路面積は変化しないが、スロットルバルブが開かれるとスロージェット付近の流速が低下して、燃料が吸い出される作用が小さくなる。すなわち、中高速回転ではアイドリング系統は働かなくなる。
スロットルバルブをアイドリングに適した開度に固定するための機構として、アイドリングアジャストスクリューと呼ばれるネジが備え付けられている。このネジを締め込むことでスロットルバルブはより開き（アイドリング回転数が上がる）、緩めることでスロットルバルブはより閉じる（アイドリング回転数が下がる）。

パワージェット

パワージェット（パワーバルブ）は、高回転高負荷時にメインジェットからの燃料供給を補助する機構である。スロットルバルブ全開付近の領域で空燃比を濃くして出力を高くする。同時に、空燃比を高くすると混合気の比熱比が小さくなるうえ、燃料の気化熱が増えるので燃焼室の過熱を防ぐ（燃料冷却という）。これにより、プレイグニッションやデトネーションを防ぐ働きがある。パワージェットは、吸気管内の圧力とスプリングで開閉制御されるバルブで、吸気管内の負圧が強い時は閉じており、スロットルバルブが開いて負圧が弱くなると開くようになっている。
パワージェットはそのエンジンの特性に応じて補正する燃料量が厳密に設定されるため、オートバイ用キャブレターなどの場合にはあらかじめ設定が固定されており、一部の市販レーサー車両を除いて調整が不可能な場合が多い。
初期の2ストロークエンジンに用いられたパワージェットの中には、4ストロークエンジンのパワージェットとは逆に、吸気管内が強い負圧状態のときに開き、弱くなると閉じる設定のものが用いられているキャブレターが存在した。これは、全開領域で混合比がやや薄めになることで、より高回転まで回転が伸びていく2ストロークエンジンの特性を活かしたものである。このような動作をするキャブレターの場合には、常用回転域では常にパワージェットから燃料が供給されるため、メインジェットはパワージェットがない同サイズのキャブレターよりもやや薄めの番手が選択される。しかし、エンジン高回転域で過度にパワージェットからの燃料供給を減らすとエンジン焼き付きのリスクが大きくなる。近年の2ストロークエンジンのパワージェットはもっとシンプルな構成であり、バルブはなく、フロート室から上流側の天井部分にバイパスが設けられているだけである。これにより、吸入負圧が大きくなったときのみ、燃料が吸い出される。
いくつかの固定ベンチュリー型キャブレターではパワージェットの代わりとなる高回転高負荷時の増量機構として、可変ベンチュリー型のジェットニードルと同じメータリングロッドやステップアップロッドと呼ばれる機構を用いるものもある。メータリングロッドとは全体がテーパー状に加工されている棒であり、メインジェットにある燃料通路孔に差し込まれている。メインジェットの流路面積は不変であるため、メータリングロッドを出入りさせると燃料通路の断面積を変化させることができる。メータリングロッドは吸入負圧により上下するバキュームピストン（ダイアフラム）もしくはスロットルリンケージに取り付けられており、スロットルバルブを開くとメインジェットから強制的に引き抜かれて、メインジェットの燃料流量を次第に増量していく。

加速ポンプ

パワージェットが高回転域での全般的な燃料増量補正を行うのに対して、加速ポンプは加速時などでスロットルバルブが急速に開かれた際に補正する。

チョーク系統

スターター系統とも呼ばれ、エンジン始動時に空燃比を濃くする機構である。チョークの代わりにティクラーが用いられる場合もある。自動車用のキャブレターではオートチョーク機構が組み込まれている場合もあり、オートチョークを動作させる操作としてエンジンを始動する前にアクセルを数回踏むことがユーザーマニュアルに記載されていた。

その他

一部の車両は冷間始動時の始動性向上を目的に初期燃料気化促進装置(EFE)と呼ばれる機構を持つものがある。これはインテークマニホールドとキャブレターの間に挟み込まれる格子状の電熱ヒーターであり、燃料の気化をより促進する効果がある。

キャブレターと過給器（キャブターボ）

キャブレターに過給器を取り付ける場合には、スロットルバタフライがキャブレター本体に内蔵されている関係上、通常は過給器とインテークマニホールドの間にキャブレターが置かれる。キャブレターのフロートチャンバーにもブーストが掛かれば、ベンチュリにブーストが掛かってもフロートの動作には問題はない
V型8気筒エンジンにスーパーチャージャーを搭載する場合は過給器の後ろにキャブレターを取り付けるレイアウトに比べて構成上バックタービンが発生しないメリットがあるとされるが、過給器内部に混合気が吹き込まれ圧縮される。

キャブレターの調整

混合気における空気と燃料の比率は空燃比と呼ばれ、たとえばガソリンの場合は14.7が理論空燃比であるが、環境条件によって異なる空気密度に応じて燃料を送る量を調整したり、運転条件によっては理論空燃比とは異なる空燃比の混合気を送る必要がある。キャブレターでは燃料や空気の流路を調整することで状況に応じて空燃比を調整できる。航空機の場合は高度によって空気密度が変化するため、操縦室内に空燃比計と共にキャブレターを調整する操作盤が設けられていることも多い。メイン系統ではジェットニードルの固定位置を変化させてニードルジェットホルダとの隙間を変化させたり、メインジェットを内径の大きな物に交換したりする。アイドリング系統ではパイロットスクリュなどのニードルバルブで流量が調整される。場合によってはブースターベンチュリを交換したり、フロート油面の調整が行われる。1つのエンジンに複数の負圧型キャブレターが装備されている場合は負圧計を用いて、すべてのキャブレターでスロットルバルブが同調するように調整される。
キャブレターの空燃比が最適かどうかを確認するためには、ガス分析装置を使用して排気ガスに含まれる一酸化炭素、炭化水素および酸素含有量を測定する方法があるが、点火プラグの碍子や電極の焼け色を見ることである程度まで空燃比を推測することが可能である。もしもプラグの碍子が乾燥して黒く煤けている場合には燃調が濃すぎることを示し、白か薄いグレーを示している場合には燃調が薄すぎることを示していて、狐色か茶色に近いグレーが最適な燃焼状態とされている。あるいはガラス状の透明な碍子を持つ点火プラグを通して燃焼室の炎を直接目視する方法がある。