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ターボチャージャー

たーぼちゃーじゃー

内燃機関の熱効率を高めるために利用される過給機の一方式である。
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概要

排気ガスのエネルギーを回収するためにエンジンに取り付けられる過給器。ターボチャージャーやスーパーチャージャーといった過給器のついていないエンジンを自然吸気エンジンと言う(レトロニム)。

エンジンの排気管から廃棄されていた排気ガスのエネルギー(運動エネルギーおよび熱エネルギー)を利用してタービンを高速回転させ、その回転力で遠心式圧縮機を駆動することにより圧縮した空気をエンジン内に送り込む。これにより廃棄エネルギーを回収しつつ内燃機関本来の排気量を超える混合気を吸入・燃焼させる。結果、機関としての熱効率が高まり燃料消費率が低減されるほか、排気ガスの有害成分を減少させることが可能である。また、見かけの排気量を超える出力が得られるという見方もできる。

多くのターボチャージャーは排気ガスの運動エネルギーを主に使う動圧過給であるが、舶用の2ストロークディーゼルエンジンでは、排気ガスの圧力変動をなくし一定圧にしてその圧力を利用して過給する静圧過給が用いられる。船舶や発電機など一定速で運転されるものでは、インペラやコンプレッサー、A/R比の設定が最適化しやすいため、特に向いている。

タービンの回転速度は、自動車用ガソリンエンジンなど小型のものの場合、20万rpmを超えるものもある。高温の排気ガス(800 - 900℃)を直接受けるため、その熱によりタービンやハウジングが赤く発光するほどである。自動車用途のものについては、タービンの軸受には通常、エンジンオイルの圧送によるすべり軸受が用いられる(ボールベアリングが使われるものもある)。

そのため自然吸気エンジンやスーパーチャージャー付きエンジンに比べオイルの使用環境が苛酷であり、高性能または専用のオイルを使用したり交換周期を短くするなど、管理を厳密に行う必要がある。また、高負荷運転後すぐにエンジンを停止してしまうと、エンジンのオイルポンプによるオイル循環が止まってしまうため、高温のタービン軸と軸受メタルが焼き付く場合や、高温の軸受周辺に滞留したオイルによりスラッジが発生してしまう原因となるため、ある程度の無負荷運転(クールダウン、アフターアイドル)をした後にエンジンを止めることが車両の取扱説明書などでも推奨されている。近年では環境への配慮ということもあり高速道路や上り坂を走行した場合に無負荷運転を推奨している。

歴史

ディーゼルエンジンへの採用

ターボチャージャーは、スイスの蒸気タービン技術者であるアルフレッド・ビュッヒによって発明され、1905年に特許が取得された。1912年にはドイツのルドルフ・ディーゼルがディーゼル機関車の低回転域のトルクを向上させるために、ビュッヒの在籍していたズルツァーと提携し、ターボチャージャーを導入しようと試みた。ディーゼルエンジンには1940年代に導入され、従来の機械式過給機に代わって効率向上に著しく寄与した。
1978年にはB&Wが船舶用2ストロークディーゼルエンジンに静圧過給方式のターボチャージャーを導入し、熱効率が著しく上昇した。

ディーゼル機関は点火するまで燃料を噴射しないので過給機で過給しても圧縮中に点火してしまうこともない。よって過給により更に圧縮比を上げられそれに伴い熱効率も上げられる。そのため、現代のディーゼルエンジンは、大型船舶用から自動車用まで、一部の産業用(産業定置用)を除くほとんど全てがターボチャージャー付きとなっている。

レシプロ航空機エンジンへの採用

ディーゼルエンジン以外での最初の適用例のひとつは、ゼネラル・エレクトリックの技術者であるサンフォード・モスがV型12気筒の航空機用エンジン「リバティ」に搭載したものである。高度4,300mのコロラド州パイクスピークで試験され、高度の上昇によりもたらされる内燃機関の出力低下を低減することが確認された。

ボーイング社が開発したB-17爆撃機に1938年に搭載された、カーチス・ライト社製の星形空冷式1,000PS級エンジン「ライト・サイクロンR-1820系」が史上初の実用例である。アメリカが他国に先行してターボチャージャーを実用化できたのは、頻繁に交換する消耗品と割り切って設計したことによるものであり、経済的に豊かな国だからこそできたと言える。

他国の高高度性能向上のための手段としては機械式過給機の採用が中心であった。第二次世界大戦中には、アメリカの他にソ連、ドイツでも航空機エンジン用に研究されたが実用化はされていない。

戦時中の日本でも航空機用ターボチャージャー開発は進められていた。試作レベルのものが雷電、五式戦闘機に装着されて使われたケースはあるが、実装に問題があり実用化は出来なかった。特に高温に耐える特殊金属の欠乏(代替金属の使用)は、排気タービンのみならず小型高出力エンジン(誉)やジェットエンジン(ネ20)の開発・生産にも影響を及ぼした。ようやく一〇〇式司令部偵察機四型においてインタークーラーなしの簡易版が実用化がなされたものの、ごく少数が生産されたところで終戦となった。

ガソリン車への採用

市販のガソリン自動車用としては1962年にアメリカのゼネラルモーターズ(GM)が「オールズモビル・F85」と「シボレー・コルヴェア」にオプションで設定したのが最初となる。ただしコルヴェア自体の操縦安定性に難があったため、短期間で市場から消え、一般化するまでに至っていない。欧州車では1973年のBMW・2002 Turboに初採用された。

日本のガソリン車では1979年の日産・セドリック / グロリアに初採用され、1980年代の後半には、トヨタ自動車の多くの車種にターボチャージャーを採用するグレード(主にスポーツグレード)が展開されていた。この当時は3ナンバーと5ナンバーの自動車税の差が著しく、高級車であっても2,000cc以下のエンジン搭載車がラインナップに加えられるのが普通であり、小排気量車に高級車/スポーツカーとして相応しい大馬力を付与する手段として重宝された。

しかし、その後の改正で3ナンバーと5ナンバーの自動車税の差が小さくなったこと、ガソリン価格の高騰や環境に与える影響への関心(ターボ=燃費が悪いといった認識)が強まったこと、スポーツカー用途としても自然吸気エンジンのフィーリングが良いとして好まれたことなどにより、現在、日本国内における乗用車へのターボチャージャーの採用は衰退傾向にある。国内向けにおいては、トヨタ自動車では量産車のターボ車は生産しておらず、ダイハツ工業、スズキにおいては軽自動車以外でのターボ車を生産していない。また、ターボチャージャーは開発やメンテナンスコストが高額であり、出力向上のためには単純な排気量増大のほうが安上がりと考えているため、ターボチャージャーの採用は消極的である。

一方、欧州の自動車メーカーではエンジンのダウンサイズ目的で小排気量化し、代わりにターボチャージャーによりトルクや馬力を補うエンジンを採用する車種が増えている。結果として燃費向上の手段としてターボチャージャーが再び脚光を浴びている(多くの場合、燃料供給装置の直噴化が併用される)。また日本においても、軽自動車が税金面で優遇されているため、未だにターボを搭載する軽自動車の生産は活発である。

種類 (主に自動車)

  • ロープレッシャーターボ(ライトプレッシャーターボ/低圧ターボ)
    • ツインスクロールターボ
    • 可変ノズル(VG)ターボ
    • 電動アシストターボ 2011年5月 IHI から、電動アシストターボの製品化が発表された。タービンの加給効果が発生する回転数などは、報道されていない。(吸気タービンが回転すれば圧力が発生するが、エンジンの吸気量より、多く加給する回転数。)


  • 静圧過給
  • 動圧過給

メリット

ターボチャージャーは、同軸上のコンプレッサーを介し、吸入空気を機関に圧送するため、単位排気量あたりのトルク・出力が向上する。よって機関性能向上に寄与する。
またダウンサイジングコンセプトにより、同一最大出力の大排気量エンジンと比較して、部分負荷運転時の燃料消費率が低減される。
高温高圧の排気ガスの運動エネルギーと熱エネルギー、つまり本来なら大気中に廃棄される部分をタービンを介して回収するため、熱効率が上がる。ただし、ターボチャージャーの特性にマッチした運転条件が前提となる。
同じ過給機でも、エンジンの出力を直接に使うスーパーチャージャーと比較した場合、廃棄されるエネルギーを使用するため効率が良い。例えば自然吸気状態の出力を100%、過給機による追加出力を30%とした場合、スーパーチャージャーではコンプレッサーを稼動させるためにクランクシャフトからエネルギーが取り分けられるため、最終的な出力は130%を下回るが、ターボチャージャーはそのエネルギーロスがない。(厳密にはターボチャージャー内にも機械的な摩擦や排気抵抗増大による排気行程ピストンへの抵抗があり、損失は存在する)。
航空機の場合は、排気タービン式過給機と呼ばれることが多い。気圧の低い相当な高々度に至っても性能を維持することが可能となるが、エンジンがフルスロットルの時、所定のエンジン出力を出せる限界高度である臨界高度以上ではエンジン出力が低下する。排気タービンに入る排気をバイパスさせる近路弁を装着しており、臨界高度以下を飛行する時に、高度が上昇する場合は近路弁を逐次閉めてゆき、排気タービンの回転速度を上げて吸気圧力を上昇させ、高度が低下する場合はを逐次開いてゆき、排気タービンの回転速度を下げて吸気圧力を低下させる、これにより地上から臨界高度まで一定のエンジン出力を保つことができる
排気ガスが一度ターボチャージャーのタービンに当たり、それから出口へ排気されるため、自然吸気エンジンに比べると排気音が小さい。
スーパーチャージャーと比較すると軽量小型にしやすい。

デメリット

大量の混合気を強制的に送り込み燃焼させるため、エンジン温度が高くなりがちで十分な冷却対策が必要となる。エンジンの高温化はエンジン内部での異常燃焼(ノッキング)を誘発しやすくなるため、過給圧と共に圧縮比や点火時期の設定を厳密に行う必要がある。
理論空燃比・パワー空燃比と比較してリッチな(燃料を濃くした)混合気を送り、気化熱による冷却を行う場合もあり燃費を悪化させる要因ともなっている。
構造上、スロットル操作に対するエンジン反応に遅れが生じる(ターボラグという)。ターボラグは、エンジンの回転と排気によりタービンの回転数が増して同軸上のコンプレッサーによる過給圧が上昇するまでの時間差により発生するもので、スロットルの開度に若干遅れてエンジン出力が上昇するという形で現れる。このレスポンスを向上させる努力が各メーカで続けられている。
一般的なターボエンジンは、同形式・同排気量の自然吸気エンジンと比較すると前述の異常燃焼対策のために圧縮比を低く設定する。このため、過給効果が得られない回転域ではトルクに劣り、熱効率も悪化する。自動車用エンジンは船舶や産業用エンジンに比べて必要とされる出力が極めて大きく変動し、効率的にターボチャージャーを稼働させる状況は限られているため、燃費悪化の主要因となっている。また、自然吸気エンジンと比べてもドライバビリティーは悪い。これを嫌い、敢えて過給レスポンスに優れるスーパーチャージャーを用いる自動車メーカーもある。自然吸気エンジンをベースにすることが多いが、その場合、増加する燃焼圧力に耐えられるようにヘッドガスケット強度やシリンダーヘッド、シリンダーブロック剛性を充分に保つことと、ピストン頭部の熱対策が必要となる。多くの場合はボアを縮小したり、アルミブロックではなくあえて鋳鉄ブロックを用いる、またはアルミブロックに鋳鉄スリーブを用いるなどの対策を行う。大型車のディーゼルエンジンではCVダクタイル鋳鉄も用いられる。
排気エネルギーを利用して吸気タービンを回すため、タービン後に配置されている排気触媒が有効温度に達するまで自然吸気エンジンより時間がかかる。したがって特にエンジン冷間時は有害ガスの未燃焼燃料(HCやCO)が排出されやすい欠点がある。ターボ車のアイドリング時に排気がガソリン臭くなるのは、暖機のために混合気を濃くしているためHCやCOが発生しやすい状態である一方、排気触媒が機能していないためである。
ターボチャージャーのタービンは数万から20万rpmに達するため、オイル管理がシビアになりやすい。タービン軸の軸受となるフローティングメタルの潤滑およびその冷却をエンジンオイルと共用で行っている車種は高温、高負荷に曝されるため、エンジンオイル劣化が進みやすい。そしてオイルが劣化しタービン軸が焼きつくと、極端にエンジン性能が低下する。また軸受のシールが破れるとタービン軸からオイルが漏れだして排気が白煙となり、最悪エンジンオイル量が不足してエンジンが焼きつく。したがって、同車種でもターボチャージャーの有無でオイル交換距離が倍以上異なることもあり、オイル専用の冷却装置を装備している車種もある。

コンプレッサーによる圧縮やタービンからの熱伝導により吸気温度が高くなる問題に対応するため、インタークーラーを併用して圧縮後の吸気を冷却し、効率向上を図っている例も多い。

ECUの演算速度の高速化や各種センサーの性能向上により、点火時期、燃料噴射系やブースト圧の電子制御が高度化され、またエンジンオイルの高性能化や電子制御スロットルの採用、燃料供給の直噴化などの技術革新により、いくつかのデメリットは改善される傾向がある。

用途

上述の通り、過去、航空機において空気の薄い高空での出力維持のためにターボが用いられてきたが、現在、高空を飛行する航空機用のエンジンとしては、ジェットエンジンやターボプロップエンジンが用いられるため、使用される例はほとんど無い。自動車では大出力を得やすいため、過去からモータースポーツ用エンジンやスポーツカー向けの高出力エンジンなどでよく用いられてきた。
F1では、かつてターボエンジンが全盛だった時代に、BMWが1,500cc 直列4気筒エンジンにターボチャージャーを組み合わせることによって1,500PS以上の出力を発生したと言われた。またホンダがウィリアムズに供給していたエンジン(RA166E)でも1,500cc V型6気筒ツインターボの構成により776kW(レース中)、予選用セッティングで1,500PS以上を発生したと言われている。(はっきりとしないのは当時それだけの大馬力を正確に測定できる機器が無かったことや、レース車両に関わるデータは機密事項となるために詳細を公式に発表しないためである。)その後、安全性を理由にレギュレーションが変更。1987年から過給圧制限が加えられ(1987年は最大4bar、1988年は最大2.5bar)、1988年シーズンを最後に以降、ターボを含めた過給機の使用が全面的に禁止されていたが、2014年からは1,600cc V型6気筒エンジンにシングルターボを組み合わせて使用することが決定した。

ディーゼルエンジンは、空気のみをシリンダー内に吸入し圧縮を行うため、ガソリンエンジンのような異常燃焼問題を伴わないことや、部分負荷域においても吸気を絞らないケースが多く、低負荷域でも排気が多いことなど、ターボチャージャーなどによる過給に適しており、自動車(乗用車、トラック、バスなど)をはじめ、鉄道車両(気動車・ディーゼル機関車)、船舶、建設機械などの高速ディーゼル機関はもとより、大型船舶用の超大型低速ディーゼル機関にまでターボチャージャーが広範に用いられている。

ガソリンエンジンは、近年、欧州の自動車会社において、直噴エンジンの採用により、ターボチャージャーを含めた過給機の搭載が増えつつある。元々欧州ではディーゼル車の普及率が高いため、その技術をガソリン車へフィードバックできるメリットがある。ロープレッシャーターボやツインスクロールターボを採用し、低回転から中・高回転までフラットな特性で大きなトルクを発生させる実用的なエンジンが多い。

日本国内においては、節税的な意味でターボを採用しているケースも珍しくない。特に軽自動車ではターボチャージャーが採用されるケースは今なお多い。また、かつては自動車税の税額が3ナンバーと5ナンバーで大きく異なっていたため、3ナンバーボディには3,000cc前後の自然吸気エンジン、5ナンバーボディに排気量が2,000cc以下のエンジンに過給圧が最大でも0.5bar前後のターボチャージャーが利用されるケース(2,000×(1+0.5)=3,000ccの仮想排気量となる)が多かった。トラックに関しては、ディーゼルエンジンを採用している関係でターボの装着率が高く、最近では低燃費化や低排出ガス化、ダウンサイジング化のため、バスでもターボを採用するのが一般的になってきている。

関連項目

スーパーチャージャー

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