スーパーチャージャー

ピストンエンジンのスーパーチャージャー（項目6）
2006年式サターン（GM）イオンレッドラインエコテックLSJ 4気筒エンジンに搭載されたルーツ型イートンM62スーパーチャージャー（右）

内燃機関において、スーパーチャージャーは吸入ガスを圧縮し、より多くの空気をエンジンに送り込むことで、一定の排気量でより高い出力を生み出す装置です。これは、排気ガスの運動エネルギーで駆動するターボチャージャーとは対照的に、機械的に駆動される（通常はエンジンのクランクシャフトからベルトを介して）強制吸気の一種です。[ 1 ]しかし、20世紀半ばまでは、ターボチャージャーは「ターボスーパーチャージャー」と呼ばれ、スーパーチャージャーの一種と考えられていました。[ 2 ]

最初の過給エンジンは1878年に製造され[ 3 ] 、航空機エンジンへの搭載は1910年代から、自動車エンジンへの搭載は1920年代から始まりました。航空機用ピストンエンジンでは、高高度における空気密度の低下を補うために過給が頻繁に使用されていました。21世紀では、特に排気量が小さいエンジンにおいて、燃料消費量を削減し出力を向上させるためにターボチャージャーへの移行が進んだため、機械式過給はあまり使用されなくなりました。今日では、ほぼすべてのディーゼルエンジンがターボチャージャーを搭載しています。

スーパーチャージャーのバリエーションとして、ベルト駆動の代わりに 電動モーターを動力源として使用する電動スーパーチャージャーまたは e-スーパーチャージャーがあります。

デザイン

種類

スーパーチャージャーには、ガス移動の方法によって大きく分けて2つの種類があります。容積式スーパーチャージャーとダイナミックスーパーチャージャーです。容積式スーパーチャージャーは、エンジン回転数に関係なくほぼ一定のブースト圧上昇を実現しますが、ダイナミックスーパーチャージャーは、エンジン回転数に応じてブースト圧を指数関数的に上昇させます（ある閾値を超えると）。[ 4 ]もう一つのスーパーチャージャーの種類は、あまり使用されていませんが、圧力波式スーパーチャージャーです。

ルーツブロワー（容積式ローブポンプ設計）は、高ブーストレベルにおいて40～50%の効率しか得られない傾向があります。一方、ダイナミックスーパーチャージャーは70～85%の効率が得られます。一方、リショルム型ブロワー（回転スクリュー設計）は、負荷／速度／ブーストの狭い範囲ではダイナミックスーパーチャージャーとほぼ同等の効率が得られますが、この範囲ではシステムを特別に設計する必要があります。

正変位

ロータリースクリュー（リショルム）スーパーチャージャーの内部

容積式ポンプは、コンプレッサー1回転あたりほぼ一定の空気量を吐出します（リークは除く。リークは通常、エンジン回転数が高いほど影響が少なくなります）。最も一般的な容積式スーパーチャージャーはルーツ式スーパーチャージャーです。これは、作動ストロークごとに移送される流体の量が減少しないため、コンプレッサーではなくブロワーと呼ばれます。その他のタイプには、ロータリースクリュー式、スライディングベーン式、スクロール式スーパーチャージャーなどがあります。

容積式スーパーチャージャーの評価システムは通常、 1回転あたりの容量に基づいています。ルーツブロワーの場合は、GMC の評価パターンが一般的です。GMC の評価は、掃気するように設計されている 2 ストロークシリンダーの数とシリンダーのサイズに基づいており、GMC のモデル範囲には、2–71、3–71、4–71、および 6–71 ブロワーがあります。たとえば、6–71 ブロワーは、それぞれ 71 cu in (1.2 L) のシリンダー 6 つを掃気するように設計されており、エンジンの総排気量は 426 cu in (7.0 L) になります。ただし、6–71 はブロワーではなくエンジンの指定であるため、ブロワーの実際の排気量は少なくなります。たとえば、6–71 ブロワーは 1 回転あたり 339 cu in (5.6 L) を汲み上げます。他のスーパーチャージャーメーカーは、定格16～71までのブロワーを製造しています。

動的

ダイナミック コンプレッサーは、空気を高速まで加速し、その後、空気を拡散または減速させることでその速度を圧力と交換します。

ダイナミック コンプレッサーの主なタイプは次のとおりです。

駆動システム

スーパーチャージャーを駆動する一般的な方法は次のとおりです。

  • ベルト（Vベルト、同期ベルト、平ベルト）
  • ダイレクトドライブ
  • ギアドライブ
  • チェーンドライブ
  • 可変速比、可変比遠心
  • 電動スーパーチャージャーは、機械的な動力源ではなく、電気モーターを使用します。

電動スーパーチャージャー

電動スーパーチャージャーは、電動モーターを用いて吸入空気を圧縮し、エンジンの機械的動力に頼ることなく過給を行います。この設計は、スロットルレスポンスを瞬時にし、ターボラグを排除することで、性能と効率の向上に貢献します。[ 6 ]

燃料オクタン価の影響

オクタン価の高い燃料は、自己発火やデトネーションに対する耐性が優れています。その結果、スーパーチャージャーによるブースト供給量を増加させることができ、エンジン出力の向上につながります。1930年代に米国で初めて開発された100オクタン航空燃料は、高性能航空エンジンでより高いブースト圧を使用できるようになり、いくつかの速度記録を達成した航空機の出力を大幅に向上させました。

高オクタン価燃料の軍事利用は、1940年初頭に第二次世界大戦で戦うイギリス空軍に100オクタン価燃料が供給されたことに始まります。 [ 7 ]ドイツ空軍も同様の燃料を供給していました。[ 8 ] [ 9 ]オクタン価の向上は、戦争の残りの期間、航空エンジン開発の主要な焦点となり、後に公称150オクタン価の燃料が使用されるようになりました。このような燃料を使用することで、ロールスロイス・マーリン66やダイムラー・ベンツDB605DCなどの航空エンジンは、最大2,000馬力（1,500kW）の出力を生み出しました。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

吸入空気の加熱

強制吸気（スーパーチャージャーまたはターボチャージャー）の欠点の一つは、吸入空気を圧縮することで温度が上昇することです。内燃機関にとって、吸入空気の温度はエンジン性能を制限する要因となります。極端な温度はプレイグニッション（過早着火）やノッキングを引き起こし、性能低下やエンジン損傷につながる可能性があります。外気温の上昇やブーストレベルが高いほど、プレイグニッション／ノッキングのリスクは高まります。

ターボチャージャーとの比較

ターボチャージャー付きエンジンは、エンジンから機械的に動力を引き出すスーパーチャージャーとは異なり、通常は無駄になる排気ガスのエネルギーを利用します。そのため、ターボチャージャー付きエンジンは通常、スーパーチャージャー付きエンジンよりも高い出力と優れた燃費を実現します。しかし、ターボチャージャーはターボラグ（特に低回転時）に悩まされることがあります。ターボラグとは、排気ガス流量が当初ターボチャージャーを回転させ、所望のブーストレベルに達するのに不十分なため、スロットルレスポンスが遅れる現象です。これは、エンジンの排気量に対してターボチャージャーが大きすぎることが原因であることが多いです。そのため、ドラッグレースやトラクター牽引競技 など、スロットルレスポンスが重要な用途では、スーパーチャージャー付きエンジンが一般的に使用されています。

スーパーチャージャーの設計は、吸気口からスーパーチャージャーを通りエンジンへと至る配管が比較的シンプルです。ターボチャージャーは、吸気はスーパーチャージャーと同様に機能しますが、排気もターボチャージャーを通過する必要があるため、吸気管と排気管が密集したエンジンベイ内で近接して配置されます。また、ターボチャージャー付きエンジンは、非常に高温の排気管とターボ部品が吸気システムのすぐそばにあるため、吸気のヒートソークが発生しやすい傾向があります。ただし、これはインタークーラーを使用することで解決できます。そのため、ターボチャージャー付きエンジンでは、スーパーチャージャー付きエンジンよりもインタークーラーが頻繁に使用されます。

航空機エンジンの比較

第二次世界大戦中に使用された航空機エンジンの大部分は、機械駆動のスーパーチャージャーを採用していました。これは、ターボチャージャーに比べて製造上の大きな利点があったためです。しかし、アメリカの航空機では、作戦範囲の要件が予測しにくく、母基地から遠く離れた場所へ移動する必要があったため、作戦範囲の拡大がはるかに重視されました。その結果、ターボチャージャーは主にアリソンV-1710やプラット・アンド・ホイットニーR-2800などのアメリカの航空機エンジンに採用されましたが、これらのエンジンはターボチャージャーを搭載すると比較的重くなり、ガスタービンと排気システムのタービン前段に高価な高温金属合金製のダクトを追加で設置する必要がありました。ダクトのサイズだけでも、設計上の重要な考慮事項でした。例えば、F4UコルセアとP-47サンダーボルトはどちらも同じ星型エンジンを搭載していましたが、機体後部のターボチャージャーへのダクトの長さが長かったため、ターボチャージャー搭載のP-47では胴体が大型の樽型にする必要があったのです。F4Uは、よりコンパクトなレイアウトの二段式中間冷却式スーパーチャージャーを採用していました。それでも、ターボチャージャーは高高度性能と航続距離の向上により、 高高度爆撃機や一部の戦闘機で有用でした。

ターボチャージャー付きピストンエンジンも、ガスタービンエンジンと同様の多くの運転制限を受けます。また、ターボチャージャーと排気システムの頻繁な点検も必要です。ターボチャージャーの極度の熱と圧力による損傷の可能性を調べるためです。このような損傷は、1944年から1945年にかけて 太平洋戦域で使用されたアメリカのボーイングB-29スーパーフォートレス高高度爆撃機の初期モデルで顕著な問題でした。

ターボチャージャー付きピストンエンジンは、 B-50 スーパーフォートレス、KC-97 ストラトフレイター、ボーイング 377 ストラトクルーザー、ロッキード コンステレーション、C-124 グローブマスター IIなど、戦後の多数の航空機で引き続き使用されました。

ツインチャージング

1985年と1986年の世界ラリー選手権で、ランチアはベルト駆動のスーパーチャージャーと排気駆動のターボチャージャーの両方を組み込んだデルタS4を走らせた。この設計では、吸排気システムに複雑な一連のバイパスバルブと電磁クラッチを使用し、低エンジン回転数ではスーパーチャージャーからブーストが得られるようにした。中回転域では両方のシステムからブーストが得られ、最高回転数ではシステムがスーパーチャージャーから駆動を切り離し、関連するダクトを隔離した。[ 14 ]これは、各充電システムの利点を活用し、欠点を排除する試みであった。次に、このアプローチは複雑さを増し、WRCイベントでの車両の信頼性に影響を与え、完成した設計ではエンジン補機の重量が増加した。

ツインチャージエンジンは、2005～2013年のフォルクスワーゲン1.4リッターエンジンや、2017～2018年のボルボB4204T43/B4204T48 2.0リッター4気筒エンジン など、量産車に時折使用されてきました。

歴史

1849年、英国バーミンガムのG・ジョーンズは、炭鉱の換気用ローブポンプコンプレッサーの製造を開始しました。 [ 15 ] 1860年、米国のルーツ・ブロワー社（フィランダー・ルーツとフランシス・マリオン・ルーツ兄弟によって設立）は、高炉などの産業用途で使用される空気移動装置の設計特許を取得しました。この空気移動装置とバーミンガムの換気コンプレッサーは、どちらも後のルーツ型過給機に類似した設計を採用していました。

1878年3月、ドイツの技術者ハインリッヒ・クリガーは、スクリュー式圧縮機の最初の特許を取得しました。[ 16 ]この設計は、同一形状のローターを備えた2ローブローターアセンブリでしたが、生産には至りませんでした。

1878年には、スコットランドの技術者ダガルド・クラークがエンジンに搭載される最初のスーパーチャージャーを設計しました。[ 17 ]このスーパーチャージャーは2ストロークガスエンジンに搭載されました。[ 18 ]ゴットリープ・ダイムラーは1885年に内燃機関のスーパーチャージャーに関するドイツの特許を取得しました。[ 19 ]ルイ・ルノーは1902年にフランスで遠心式スーパーチャージャーの特許を取得しました。[ 20 ] [ 21 ]

車内での使用

1929年式ブロワーベントレー。スーパーチャージャー（「ブロワー」）がラジエーターの前に配置されています。

世界初のスーパーチャージャー付き量産車[ 22 ]は、1.6リッターメルセデス6/25馬力と2.6リッターメルセデス10/40馬力で、どちらも1923年に生産が開始されました。[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]これらはコンプレッサーモデルとして販売され、この用語は2012年まで様々なモデルに使用されていました。

この頃のスーパーチャージャー付きレーシングカーとしては、1923年型フィアット805-405、1923年型ミラー122 [ 26 ]、1924年型アルファロメオP2、1924年型サンビーム製グランプリシーズンカー[ 27 ]、1925年型ドラージュ[ 28 ] 、 1926年型ブガッティタイプ35Cなどがある。

最も有名なスーパーチャージャー付き車は、1929 年に発売された ベントレー 4½ リッター(「ブロワー ベントレー」) です。

1935年、スウェーデンのエンジニア、アルフ・リショルムが5つのメスローターと4つのオスローターを備えた回転スクリューコンプレッサーの設計の特許を取得し、スクリュー式スーパーチャージャーの開発は画期的な出来事を迎えました。[ 16 ]

21世紀に入り、メーカー各社が燃費向上と出力向上のためターボチャージャー搭載へと移行したため、スーパーチャージャー搭載の市販車エンジンは一般的ではなくなりました。例えば、メルセデス・ベンツの2000年代初頭のコンプレッサーエンジン（ C 230 コンプレッサー直列4気筒、C 32 AMG V6、CL 55 AMG V8エンジンなど）は、2010年頃にC 250やCL 65 AMGなどのモデルでターボチャージャー搭載エンジンに置き換えられました。ただし、アウディの3.0 TFSIスーパーチャージャー付きV6エンジン（2009年導入）やジャガーのAJ-V8スーパーチャージャー付きV8エンジン（2009年に第3世代にアップグレード） など、例外もあります。

航空機での使用

ブリストル・ケンタウルス星型エンジン用遠心式スーパーチャージャー

1930年代には、航空機エンジンのスーパーチャージャー用に2速駆動が開発され、航空機の運用がより柔軟になりました。この構成は、製造とメンテナンスの複雑さも伴いました。ギアは油圧クラッチシステムを使用してスーパーチャージャーをエンジンに接続していましたが、当初はパイロットがコックピット内の操作部を使って手動で接続または切断していました。低高度では、過度のブーストレベルを防ぐために低速ギアが使用されました。高高度では、吸入空気密度の低下を補うためにスーパーチャージャーを高速ギアに切り替えることができました。バトル・オブ・ブリテンでは、ロールスロイス・マーリンエンジンを搭載したスピットファイアとハリケーンには、主に単段式および単速式のスーパーチャージャーが搭載されていました。[ 29 ] [ 30 ]

1942年、ロールスロイス・マーリン61航空エンジンに、アフタークーリング付きの2段2速過給システムが搭載されました。この性能向上により、このエンジンを搭載した航空機は、排気量が大幅に大きいドイツ製エンジンにもかかわらず、第二次世界大戦中、ドイツ機に対して決定的な優位性を維持することができました。[ 31 ] [ 30 ] 2段スーパーチャージャーも常に2速でした。低圧段で圧縮された空気は、熱交換器（「インタークーラー」）を通過し、そこで冷却された後、高圧段で再び圧縮され、さらに別の熱交換器でアフタークーリングされることもありました。

スーパーチャージャーは1900年代半ばと第二次世界大戦中に広く使用されていましたが、現代のピストン駆動航空機ではほとんど使用されなくなりました。これは主に、ターボチャージャーがスーパーチャージャーよりも高温で軽量な合金を使用しているため効率が高く、可動部品が少ないためメンテナンスが容易なことによるものです。[ 32 ]

航空機エンジンでの使用

高度の影響

高度が上昇すると空気密度が低下するため、航空機エンジンではスーパーチャージャーやターボチャージャーがしばしば用いられてきました。例えば、高度30,000フィート（9,100メートル）の空気密度は海面の1/3であるため、自然吸気エンジンでは燃焼できる燃料の量が1/3となり、出力は大幅に低下します。[ 33 ]スーパーチャージャー/ターボチャージャーは、空気を圧縮することで人工的に空気密度を高めるか、吸気行程でピストンが下がるたびに通常よりも多くの空気をシリンダーに送り込むかのいずれかの方法で考えることができます。[ 33 ]

スーパーチャージャーは通常、高高度（空気密度が低い）で一定量のブーストを生成するように設計されているため、低高度では過大なサイズになることがよくあります。過度のブーストレベルを防ぐために、低高度での吸気マニホールド圧力を監視することが重要です。航空機が上昇し、空気密度が低下すると、スロットルを徐々に開くことで、所定の高度で最大安全出力を得ることができます。スロットルが全開に達し、エンジンが定格出力を依然として発揮できる高度は、臨界高度と呼ばれます。臨界高度を超えると、スーパーチャージャーは空気密度の低下を完全に補うことができなくなり、エンジン出力が低下します。

低高度（地上レベルなど）で発生するもう一つの問題は、吸入空気が高高度よりも高温になることです。特に過給エンジンやターボチャージャー付きエンジンでは、高温の空気によってノッキングが発生する閾値が低下します。地上レベルで吸入空気を冷却する方法としては、インタークーラー／アフタークーラー、アンチデトナント噴射、2速スーパーチャージャー、2ステージスーパーチャージャーなどがあります。

摂取量の凍結

キャブレターを使用する過給エンジンでは、スロットルを半開きにするとキャブレター内の空気圧が低下します。寒冷地では、この低圧空気によってスロットルプレートに氷が形成される可能性があります。大量の氷は、エンジンが定格出力で運転している場合でも、エンジン故障につながる可能性があります。

参照

ウィキメディア コモンズには、スーパーチャージャーに関連するメディアがあります。

参考文献

  1. ^自動車ハンドブック（第6版）. シュトゥットガルト：ロバート・ボッシュ. 2004年. 528頁. ISBN 0-8376-1243-8. 2022年6月6日閲覧。
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