ピストンエンジンのターボチャージャー（項目10）

内燃機関において、ターボチャージャー（ターボまたはターボスーパーチャージャーとも呼ばれる）は、吸入空気を圧縮し、より多くの空気をエンジンに送り込むことで、所定の排気量でより多くの出力を生み出す強制吸気装置です。[1] [2]

ターボチャージャーは、排気ガスの運動エネルギーによって駆動されるのに対し、スーパーチャージャーは機械的に駆動され、通常はエンジンのクランクシャフトからのベルトによって駆動されるという点で、スーパーチャージャーと区別されます。 [3]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。[4]

歴史

ターボチャージャーが発明される前は、強制吸気は機械式スーパーチャージャーを使用することでのみ可能でした。スーパーチャージャーの使用は、1878年にスコットランドの技術者ダガルド・クラークの設計に基づいて、いくつかの過給式2ストロークガスエンジンが製造されたときに始まりました。[5]その後、1885年にゴットリープ・ダイムラーは、ギア駆動ポンプを使用して内燃機関に空気を強制的に送り込む技術の特許を取得しました。[6]

1905年にスルツァー社で働いていたスイス人技師アルフレッド・ビュヒが取得した特許は、ターボチャージャーの誕生とよく考えられています。[7] [8] [9]この特許は、排気駆動の軸流タービンとコンプレッサーを共通のシャフトに搭載した複合星型エンジンに関するものでした。 [10] [11]最初の試作品は、高高度での空気密度の低下によって航空機エンジンで発生する出力損失を克服することを目的として、1915年に完成しました。[12] [13]しかし、試作品は信頼性が低く、生産には至りませんでした。[12]ターボチャージャーに関する別の初期の特許は、1916年にフランスの蒸気タービン発明家オーギュスト・ラトーによって、フランスの戦闘機で使用されるルノーエンジンに使う目的で申請されました。[10] [14]また、1917年にアメリカ航空諮問委員会（NACA）とサンフォード・アレクサンダー・モスが行ったテストでは、ターボチャージャーを使用することで、海抜4,250メートル（13,944フィート）の高度までエンジンの出力損失（海面での発電量と比較して）を回避できることが示されました。[10]このテストは、アメリカ合衆国のパイクスピークでリバティL-12航空機エンジンを使用して実施されました。[14]

ターボチャージャーの最初の商用化は1924年6月で、最初の大型ターボチャージャーであるモデルVT402が、アルフレッド・ビュッヒの監督の下、ブラウン・ボベリ社のバーデン工場からヴィンタートゥールのスイス機関車・機械工場（SLM）に納入されました。[15]これに続いて1925年、アルフレッド・ビュッヒは10気筒ディーゼルエンジンにターボチャージャーを取り付けることに成功し、出力を1,300キロワットから1,860キロワット（1,750馬力から2,500馬力）に向上させました。[16] [17] [18]このエンジンは、ドイツ運輸省によってプロイセン号とハンゼシュタット・ダンツィヒ号と呼ばれる2隻の大型客船に使用されました。この設計は複数のメーカーにライセンス供与され、ターボチャージャーは船舶、鉄道車両、大型定置用途で使用され始めました。[13]

ターボチャージャーは第二次世界大戦中、いくつかの航空機エンジンに使用されました。 1938年のボーイングB-17フライングフォートレスには、ゼネラル・エレクトリック社製のターボチャージャーが搭載されていました。[10] [19]その他の初期のターボチャージャー搭載航空機には、コンソリデーテッドB-24リベレーター、ロッキードP-38ライトニング、リパブリックP-47サンダーボルト、フォッケウルフFw190の実験型などがあります。あります。

トラックへの最初の実用化は、1930年代にスイスのトラック製造会社ザウラーによって実現されました。BXDおよびBZDエンジンは、1931年以降、オプションのターボチャージャー付きで製造されました。[20]スイスの産業界は、スルツァー・ザウラー社やブラウン・ボベリ社などのように、ターボチャージャー搭載エンジンの先駆的な役割を果たしました。[21] [22]

自動車メーカーは1950年代にターボチャージャー付きエンジンの研究を始めましたが、「ターボラグ」の問題とターボチャージャーの大型化は当時解決できませんでした。[8] [13]最初のターボチャージャー付き車は、1962年に発売された短命に終わったシボレー・コルヴェア・モンザとオールズモビル・ジェットファイアでした。[23] [24]

ターボはモータースポーツで成功を収めましたが、普及には時間がかかりました。1968年のインディアナポリス500は、ターボチャージャー付きエンジンで初めて優勝したレースでした。それ以来、ターボは高速オーバルトラックで勝利を収めています。ポルシェは、1963年のポルシェ911から派生したエンジンにターボを搭載する先駆者となりました。911はシボレー・コルヴェアと同じ空冷水平対向6気筒エンジンを搭載していましたが、10年後にターボチャージャー付きになりました。ポルシェ935とポルシェ936は、1976年にスポーツカー世界選手権とル・マン24時間レースで優勝し、信頼性と速さを証明しました。F1では、排気量は1.5リッターに制限されており、最初のレースでの勝利は1970年代後半、最初のF1世界選手権は1983年にBMW M10で達成されましたベースの4気筒エンジン によって達成されました。

ターボディーゼル乗用車は1970年代にメルセデス・ベンツ300Dとともに登場しました。小排気量エンジンの性能を向上させる方法として、乗用車におけるターボチャージャーの採用が1980年代に始まりました。[10]

設計

ターボチャージャー部品

他の過給装置と同様に、ターボチャージャー内のコンプレッサーは、吸気マニホールドに入る前に吸入空気を加圧します。[25]ターボチャージャーの場合、コンプレッサーはエンジンの排気ガスの運動エネルギーによって駆動され、その運動エネルギーはターボチャージャーのタービンによって抽出されます。[26] [27]

ターボチャージャーの主なコンポーネントは次のとおりです。

タービン

タービンハウジングを取り外したギャレットGT30のタービンセクション

タービンセクション（ターボの「ホットサイド」または「排気サイド」とも呼ばれる）は、回転力を発生させ、コンプレッサー（回転軸を介して）に動力を与えます。を介して）。排気はタービンを回転させた後、排気管を通って車両から排出されます

は、一連のブレードを使用して、排気ガスの流れからの運動エネルギーを回転軸（コンプレッサーセクションに動力を供給するために使用される）の機械エネルギーに変換します。タービンハウジングはタービンセクションを通るガスの流れを導き、タービン自体は最大250,000rpmの速度で回転できます。[28] [29]一部のターボチャージャー設計では、複数のタービンハウジングオプションが用意されており、エンジンの特性と性能要件に最適なハウジングを選択できます

ターボチャージャーの性能は、そのサイズ[30]と、タービンホイールとコンプレッサーホイールの相対的なサイズに密接に関連しています。大型タービンは通常、より高い排気ガス流量を必要とするため、ターボラグが増加し、ブースト閾値が高くなります。小型タービンは回転慣性が低いため、より低い流量で迅速にブーストを生成できますが、エンジンによって生成されるピークパワーの制限要因となる可能性があります。[31] [32]以下のセクションで説明するように、さまざまな技術は、小型タービンと大型タービンの両方の利点を組み合わせることを目的としています。

大型ディーゼルエンジンでは、ラジアルタービンの代わりに単段軸流タービンが使用されることが多いです。 [33]

ツインスクロール

ツインスクロールターボチャージャーは、各シリンダーからの排気ガスの流れの脈動を利用するために、2つの独立した排気ガス入口を使用します。[34]標準的な（シングルスクロール）ターボチャージャーでは、すべてのシリンダーからの排気ガスが合流し、単一の吸気口からターボチャージャーに入ります。これにより、各シリンダーからのガス脈動が互いに干渉します。ツインスクロールターボチャージャーでは、脈動を最大化するために、シリンダーは2つのグループに分割されます。排気マニホールドは、これらの2つのシリンダーグループからのガスを分離し、2つの別々のスパイラルチャンバー（「スクロール」）を通過してから、2つの別々のノズルからタービンハウジングに入ります。これらのガス脈動の掃気効果により、排気ガスからより多くのエネルギーを回収し、寄生的な逆損失を最小限に抑え、低速エンジンでの応答性を向上させます。[35] [36]

ツインスクロールターボチャージャーのもう一つの共通の特徴は、2つのノズルのサイズが異なることです。小さい方のノズルはより急な角度で取り付けられており、低回転域での応答に使用されます。一方、大きい方のノズルは角度が緩やかで、高出力が必要な場合に最適化されています。[37]

  • 三菱ツインスクロールの2つのスクロールを示す断面図（大きい方のスクロールは赤く点灯）
    三菱ツインスクロールの2つのスクロールを示す断面図（大きい方のスクロールは赤く点灯しています）
  • ヒュンダイ・ガンマエンジンの透明な排気マニホールドとターボスクロール。ペアになっているシリンダー（1番と4番、2番と3番）を示しています。
    ヒュンダイ・ガンマエンジンの透明な排気マニホールドとターボスクロール。ペアになったシリンダー（1番と4番、2番と3番）を示しています。

可変容量

ポルシェ可変容量ターボチャージャーの断面図

可変容量ターボチャージャー（可変ノズルターボチャージャーとも呼ばれる）は、運転条件の変化に応じてターボチャージャーの有効アスペクト比を変化させるために使用されます。これは、タービンハウジング内の吸気口とタービンの間に設置された可変ベーンによって行われ、タービンへのガスの流れに影響を与えます。可変容量ターボチャージャーの中には、回転式電動アクチュエータを使用してベーンを開閉するものもあれば、[38]空気圧アクチュエータを使用するものもあります。を使用します

タービンのアスペクト比が大きすぎると、低速域ではターボチャージャーがブーストを発生できません。一方、アスペクト比が小さすぎると、高速域でターボチャージャーがエンジンを窒息させ、排気マニホールド圧力の上昇、ポンピングロスの増加、そして最終的には出力低下につながります。エンジンの加速に合わせてタービンハウジングの形状を変更することで、ターボチャージャーのアスペクト比を最適に維持することができます。このため、可変容量ターボチャージャーは、ラグの低減、ブースト閾値の低下、そして高エンジン回転域での効率向上を実現します。[30] [31]可変容量ターボチャージャーの利点は、低回転域での最適なアスペクト比が高回転域での最適なアスペクト比と大きく異なることです。

電動アシストターボチャージャー

電動アシストターボチャージャーは、ターボラグを低減するために、従来の排気ガス駆動タービンと電動モーターを組み合わせています。マイルドハイブリッド統合[39 ]などの電動ターボチャージャー技術の最近の進歩により、 [いつ？ ]排気ガスが十分な圧力を供給する前にターボチャージャーが回転を開始できるようになりました。これにより、ターボラグ[40]がさらに低減され、特に市街地で見られる低速走行や頻繁なストップアンドゴーの状況下でエンジン効率が向上します。これは、コンプレッサーへの駆動に電動モーターのみを使用する 電動スーパーチャージャーとは異なります。

コンプレッサー

コンプレッサーハウジングを取り外したGarrett GT30のコンプレッサー部分

コンプレッサーはエンジンの吸気システムから外気を吸い込み、加圧して、吸気マニホールドを介して燃焼室に送り込みます。ターボチャージャーのコンプレッサー部は、インペラー、ディフューザー、および渦形ハウジングで構成されています。コンプレッサーの動作特性は、コンプレッサーマップによって表されます。

ポート付きシュラウド

一部のターボチャージャーは「ポート付きシュラウド」を使用しており、リング状の穴または円形の溝によってコンプレッサーブレードの周囲に空気が排出されます。ポート付きシュラウドの設計は、コンプレッサーのサージに対する耐性が高く、コンプレッサーホイールの効率を向上させることができます。[41] [42]

センターハブ回転アセンブリ

センターハウジング回転アセンブリ（CHRA）には、タービンとコンプレッサーを接続するシャフトが収納されています。シャフトを軽量化することで、ターボラグを低減できます。[43] CHRAには、このシャフトが最小限の摩擦で高速回転できるようにベアリングも組み込まれています。

一部のCHRAは水冷式で、エンジンの冷却水が流れるパイプを備えています。水冷の理由の1つは、ターボチャージャーの潤滑油を過熱から保護することです。

補助部品

一般的なターボガソリンエンジンの概略図

最もシンプルなタイプのターボチャージャーは、フリーフローティングターボチャージャーです。[44]このシステムは、エンジンの最大回転数とフルスロットルで最大ブーストを達成できますが、さまざまな負荷と回転数条件で運転可能なエンジンを製造するには、追加のコンポーネントが必要です。[44]

ターボチャージャーと組み合わせて一般的に使用される追加部品は次のとおりです。

  • インタークーラー- ターボチャージャーによって加圧された吸入空気を冷却するために使用されるラジエーター[45]
  • ウォーターインジェクション- 吸入空気を冷却するために燃焼室に水を噴霧する[46]
  • ウェイストゲート- 多くのターボチャージャーは、状況によってはエンジンが安全に耐えられる以上のブースト圧を生成できるため、タービンに入る排気ガスの量を制限するためにウェイストゲートがよく使用されます。
  • ブローオフバルブ- スロットルが閉じているときにコンプレッサーが失速するのを防ぐため

ターボラグとブースト閾値

ターボラグとは、エンジン回転数がターボチャージャーの動作範囲内にあるときに、スロットルを踏んでからターボチャージャーが回転を上げてブースト圧を供給するまでの間に発生する遅延を指します。[47] [48]この遅延は、（スロットルを急に開いた後に）排気ガス流量が増加し、タービンをブーストが発生する速度まで回転させるのに時間がかかるために発生します。[49]ターボラグの影響は、スロットルレスポンスの低下であり、これは出力伝達の遅延という形で現れます。[50]スーパーチャージャーは、コンプレッサー機構がエンジンによって直接駆動されるため、ターボラグの影響を受けません。

ターボラグを低減する方法には、以下のものがあります。[要出典]

  • 半径の小さい部品やセラミックなどの軽量材料を使用して、ターボチャージャーの回転慣性を下げる
  • タービンのアスペクト比（空燃比）を変更する
  • 上部デッキの空気圧（コンプレッサー吐出量）を高め、ウェイストゲートの応答性を向上させる
  • 軸受摩擦損失の低減（例：従来のオイル軸受ではなくフォイル軸受を使用）
  • 可変ノズルターボチャージャーまたはツインスクロールターボチャージャーの使用
  • 上部デッキ配管容積の低減
  • 複数のターボチャージャーを順次または並列で使用する
  • アンチラグシステムの使用
  • ターボチャージャースプールバルブを使用して、（ツインスクロール）タービンへの排気ガス流速を上げる
  • バタフライバルブを使用して、排気ガスをターボ入口の狭い通路に通す
  • 電動ターボチャージャー[51]およびハイブリッドターボチャージャー

ターボラグと間違われることが多い同様の現象は、ブースト閾値です。これは、エンジン回転数（rpm）がターボチャージャーシステムの動作範囲を下回っているため、エンジンが大きなブーストを生成できない状態です。低回転数では、排気ガス流量ではタービンを十分に回転させることができません

ブースト閾値は低回転数でのパワー供給に遅延を引き起こします（ブーストされていないエンジンは、ブースト閾値を超える回転数まで車両を加速する必要があるため）。一方、ターボラグは高回転数でのパワー供給に遅延を引き起こします。

複数のターボチャージャーの使用

一部のエンジンでは、複数のターボチャージャーが使用されています。これは通常、ターボラグの低減、ブーストが生成される回転数範囲の拡大、または吸排気システムのレイアウトの簡素化を目的としています。最も一般的な配置はツインターボチャージャーですが、量産車ではトリプルターボまたはクアッドターボの配置が時折使用されています。

ターボチャージャーとスーパーチャージャー

ターボチャージャーとスーパーチャージャーの主な違いは、スーパーチャージャーはエンジンによって機械的に駆動される（多くの場合、クランクシャフトに接続されたベルトを介して）のに対し、ターボチャージャーはエンジンの排気ガスの運動エネルギーによって駆動されることです。[52]ターボチャージャーはエンジンに直接的な機械的負荷をかけませんが、エンジンに排気背圧をかけるため、ポンピング損失が増加します。[52]

スーパーチャージャー付きエンジンは、スロットルレスポンスが重要なアプリケーションで一般的であり、スーパーチャージャー付きエンジンは吸気のヒートソーキングの可能性が低くなります。

ツインチャージング

排気駆動ターボチャージャーとエンジン駆動スーパーチャージャーを組み合わせることで、両方の弱点を軽減できます。[53]この技術はツインチャージングと呼ばれます。

用途

中型6気筒船舶用ディーゼルエンジン。ターボチャージャーと排気管が手前に見える。

ターボチャージャーは、以下の用途に使用されてきました。

2017年、米国で販売された自動車の27%がターボチャージャー付きでした。[55]ヨーロッパでは、2014年に全車両の67%がターボチャージャー付きでした。[56]歴史的に、ターボチャージャーの90%以上はディーゼルでしたが、ガソリンエンジンへの採用が増加しています。[57]欧州と米国で最も多くのターボチャージャーを製造している企業は、ギャレット・モーション（旧ハネウェル）、ボルグワーナー、三菱ターボチャージャーです。[2] [58] [59]

安全性

ターボチャージャーの故障とそれに伴う排気温度の上昇は、自動車火災の原因の一つです。[60]

シールの故障により、オイルが排気システムに漏れ出し、青灰色の煙やディーゼルエンジンの暴走を引き起こします。

参照

ウィキメディア・コモンズには、ターボチャージャーに関連するメディアがあります。

参考文献

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