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スーパーチャージャー

すーぱーちゃーじゃー

レシプロエンジン、及びロータリーエンジンで用いられる過給器のこと。一般的には機械式過給器のみを指す。
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概要

スーパーチャージャーとはレシプロエンジン、及びロータリーエンジンで用いられる過給器のこと。通常、ピストン(ローター)の運動によって「吸い込む」空気を、能動的に「押し込む」装置。

このうち動作に排気圧を用いるものはターボチャージャー(排出ガス式過給器)と呼ばれる。一般的に言うスーパーチャージャーはエンジンの動力を用いるもの(機械式過給器)である。

基本的な構成と特徴

ここで言うスーパーチャージャー(以下SC)は、エンジンの出力軸(クランクシャフト)からベルトなどを介して取り出した動力によって圧縮機(コンプレッサー)を駆動し、吸入気を圧縮してエンジンに供給する機械式過給機である。エンジンからの排気を利用する排出ガス式過給機、すなわちターボチャージャーと比較すると、「スロットル(アクセル)開度に対する反応が優れる」、「低回転域の過給効果が高い」などのメリットがある。古典的なターボチャージャーのように高出力維持のために低速ギアでの高回転運転を強いられないので、大排気量エンジンやオートマチックトランスミッション車に好都合な過給システムでもある。ただし、性能曲線上のトルク特性がターボよりも平坦になる(フラットトルク)、クラッチ接続からのいわゆるターボラグがないなど、マニュアルトランスミッションにおいてもメリットは充分にある。

デメリットとしては、エンジンからの動力で圧縮機を駆動しているためエンジンの効率が落ちる、アイドリング状態でも常に過給圧がかかるので燃費が著しく悪く、高回転域の効率もターボチャージャーに比べ劣る、などがある。このため近年のSC搭載エンジンは動力断続機構を設けており、アイドリング時や高回転時には過給を止めるが、これは高回転時には過給のメリットを得られないことにもつながる。また、重量と体積の大きさや、架装性もターボチャージャーに比べ劣る。

ターボでも低回転から過給できるようになった近年は、燃費改善のためエンジンを小さくしてトルクを過給機で補うダウンサイジングターボが流行しており、さらにはトルクをモーターで補うマイルドハイブリッドの採用も広がっているため、SCの採用は少なくなった。その中で2012年発売の2代目ノートの一部に採用されたHR12DDRエンジンは高速域の加速時にのみSCによる過給を行う(低回転時に過給を行う一般的なSCと逆)ユニークな存在だったが、採用は広がらなかった。

なおSCは高回転に強いが低速トルクの細いロータリーエンジンとの相性が良いともされ、RX-7の過給器スワップやRX-8のボルトオンSCにしばしば用いられた。

一部文献などで「ディーゼルエンジンガソリンエンジンに比べSCとの相性が悪い」とするものがあるが、これは誤りである。「ターボチャージャーとSCで、どちらがディーゼルエンジンとの相性が良いか比較すれば、ターボのほうが良い」というのが、より正確な表現である。「ガソリンエンジンとディーゼルエンジンの比較で、どちらがSCとの相性が良いか」については、「過給器化による(ターボ同様に)燃料噴射増量が少なく、レブリミットが低い(回転域が狭い)、ディーゼルエンジンのほうがSCとの相性がよい」という回答になる。

近年における特殊な例としてマツダが開発した圧縮着火エンジンであるSKYACTIV-XにSCが採用されているが、希薄燃焼のエンジンの吸気流量をきめ細かくコントロールするためにSCが必要になったもので、一般的なSCとはそもそもの採用目的が異なっている。

機械式過給器の方式

遠心式

遠心式圧縮機を利用、主に航空機用のレシプロエンジンに使用された方式で、自動車用としても使用されることがある。

航空機は、気圧が低く酸素が少ない高空を飛行するため、過給機を必須としていた。高度によって過給機の回転速度を切り替えることができるものもあり、一段二速と呼ばれる。また、高々度での性能を高めるために複数の過給機を持つものもあり、一段目の過給機で圧縮された空気をさらに二段目で圧縮する方式は二段過給と呼ぶ。一段目と二段目の間で圧縮され、高温高圧になった空気を中間冷却器(インタークーラー)で冷却するエンジン(例・英国ロールス・ロイス マーリン)や、SCとターボチャージャーを組み合わせたツインチャージャーエンジンも存在した。

ルーツ式

元々は産業用の送風機として開発された方式で、「ルーツブロア」とも呼ばれる。1860年にルーツ兄弟が溶鉱炉の送風機として特許を取得した。その後1900年になり、ゴットリープ・ダイムラーが特許を取ったエンジンの過給機として使われた。
ふたつのローターがかみ合い送風する。旧来のものは断面が繭型の二葉式であり、加工が簡単な利点から多用された。現在は主にねじれた三葉式のものが用いられる。二葉式と三葉式では吸気、吐出部位が異なる。四葉のものを開発したイートン・コーポレーションのような例もあった。内部圧縮はなく、高圧過給には向いていない。かつては二段過給式もあり、レース用エンジンに使用された。

ルーツ式がSCによく使われるのは、過給機に取られるロスを少なく抑えやすいためで、ファンを用いた方式とは異なり空気の吸入側と吐出側が常に完全に仕切られる構造のため、停止状態でも吐出側の高圧空気が吸入側に漏れない利点がある。この構造では回転数と吐出容積が全回転域でほぼ比例し、エンジンの必要吸気量に一致させることが容易で、無駄が生じない。 この点、排気流はどのみち捨てるエネルギーであり、無駄に回しても問題にならない、とするターボチャージャーとは発想が異なる。逆にターボチャージャーは、排気ガスが十分出るまで過給機が動作しないため、タービンインペラ、コンプレッサインペラと呼ばれるタービンを回す構造にして、停止している状態でも空気が自由に流れるようにしてある。

ツインチャージャー

ルーツ式SCとターボチャージャーを組み合せた方式。低回転域ではSCが、高回転域ではターボチャージャーが過給を担当する。
採用例は少ないが、ランチア・デルタS4と日産・マーチRでは、ラリーでのレスポンスを重視して開発され、フォルクスワーゲン・ゴルフGT TSIおよびフォルクスワーゲン・ジェッタTSIコンフォートラインでは、燃費性能とハイパフォーマンスの両立を目指して採用された。

リショルム式

ルーツ式と同じ様にふたつのローターを持つが、ルーツ式とは異なり内部圧縮があり、高圧過給でも効率が落ちない。産業用にも広く用いられる方式。鉄道車両の空気圧縮機や冷凍機でも冷媒を圧縮するために使用される。レシプロ式と比較して振動が少なく、効率が高い。潜水艦など、一部の静粛性を求められる艦船でも使用される。

スクロール式

メカニズム的には家庭用エアコンの室外機に使用されているものとほぼ同等である。ドイツの自動車メーカー・フォルクスワーゲンが「Gラーダ」の商標で、ポロ G40、コラード G60、パサート G60に装備していた。

プレッシャーウェーブ・スーパーチャージャー(PWS)

上記いずれものSCとは原理が全く異なるもの。「圧力の異なる層同士が接した際、高圧側に均質化される」という原理を利用したもので、クランク軸の回転力で駆動されるレンコン状のローターに高圧の排気ガスを送り込み、その圧力波で吸気側を加圧するというもの。圧力差が大きいほうが効率が高いため、ガソリンエンジンよりもディーゼルエンジン向きとされる。

ターボチャージャーのようなスロットルラグが発生しない、ローターは回転するのみで機械的な圧縮を行っていないため出力の損失が少ないというメリットはあるが、始動時に吸気と排気を混ぜないための締め切りバルブのメンテナンスを怠ると煤やスラッジが堆積して動作不良を起こす、過給効率はどうしてもターボチャージャーに劣るなどのデメリットが存在し、一般化することなく廃れていった。
日本ではマツダがカペラ及び後継車種クロノスのディーゼルエンジン搭載車に採用し、ガソリン車に匹敵する動力性能を発揮したが、上記締め切りバルブのメンテナンスを怠ったことに起因するトラブルが多発し、その後は一般的なターボチャージャーに変更された。

フィクションの世界では、次原隆二週刊少年ジャンプで連載していた『特別交通機動隊 スーパーパトロール』にてポルシェ959個人タクシーを検挙するために主人公が駆るパトカー仕様のRX-7FC3S・前期型)の13BエンジンにPWSを装着するエピソードが描かれている。

電動式スーパーチャージャー

電気モーターによってコンプレッサーを回す過給機。SC、ターボチャージャーのいずれとも異なる第三の方式の過給機であり、電動ターボともいう。

ターボ、SCとも少なからずエンジンの抵抗を生み出すが、電気式では通常回しているオルタネーターから駆動力を得るため、オルタネーターの負荷増大により若干のエンジン抵抗とはなるものの、排気抵抗やトルク損失がほとんどなくて済む。余った排気ガスのエネルギーをモーターで回生することも可能である。

関連タグ

ターボチャージャー

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