概要
排気ガスのエネルギーを回収してパワーを向上させるためにエンジンに取り付けられる過給器。広義にはスーパーチャージャーの一種となる。略して「ターボ」とも呼ばれる。
なお過給器のついていないエンジンは自然吸気エンジンやNA（Natural Aspiration）、ノンターボなどと呼ばれる。
なぜターボでパワーアップできるのか
ターボチャージャーの仕組みを理解するためには、エンジンの基本的な仕組みを理解する必要がある。
あなたはエンジンをパワーアップしたいと考えた時、どうやってそれを実現するだろうか?
まず最初に「ガソリンをいっぱい燃やせばいいんじゃないか?」というのが思いつくかもしれないが、これは半分だけ正解である。発想は間違っていない。
しかし実際にガソリン噴射量を増やしてみてもパワーが上がらないか、むしろ落ちてしまうことになるだろう。
上の動画は米国のTV番組「ナショナルジオグラフィック」の実験である。ガソリンが満タンのタンクより、むしろ空に近いタンクの方が凄まじい爆発をするという結果となっている。
これはガソリンは、空気とよく混ざらないと爆発しづらいという性質があるためである。特に「ガソリン:空気＝1：14.7」という黄金比（"理論空燃比"）でガソリンと空気を混ぜたもの（混合気）に着火して爆発させるのが最も効率がいいとされている。
つまりガソリンをいっぱい燃やすのなら、その分空気もいっぱい取り込む必要があるのである。
気筒に取り込む空気量を増大させるなら、気筒の容積（＝排気量）を大きくするか、気筒の数自体を増やすというのが思い浮かぶだろう。しかしどちらもあまり増やすと、車体に収まらないか、収まったとしてもシャシーバランスを大きく損ね、運転しづらくなってしまう。
つまり気筒容積をそのまま、空気量を増やす必要がある。
そこでターボチャージャーの出番というわけである。
ターボチャージャーは、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空気を圧縮する。
これにより本来ただ廃棄されるはずだったエネルギーを再利用しつつ、エンジンの元々の大きさを超える混合気を吸入・燃焼（爆発）させることが可能となるわけである。
歴史
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のがターボチャージャーの始まりとされる。
ディーゼルエンジンへの採用
ターボチャージャーのディーゼルエンジンへの採用はガソリンエンジンのそれよりも遥かに古く、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られた。これは1925年以降に船舶用として普及した。
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。
ディーゼル機関はスパークプラグを用いず、高圧の中にディーゼルを噴射して爆発させる仕組みである。逆に言うと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自然点火（ノッキング）してしまうこともない。
つまり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ターボチャージャーとは相性が抜群である。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。
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らなかった。
欧州車では1973年のBMW・2002 Turboに初採用され、それ以降に徐々に広まるようになった。
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、軽自動車を除くと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った。
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た部分もある。
しかし00年代以降の欧州自動車メーカーを中心にエンジンのダウンサイズ（＝フリクション・ロスの低減）目的で小排気量化し、代わりにターボチャージャーで高負荷時のトルクや馬力を補うことが流行っている。これをダウンサイジングターボと呼ぶ。
これに日米のメーカーが追従するようになり、今では高級車・大衆車問わずターボ車が溢れかえるようになっている。
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。
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
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）。
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。
メリット
・冒頭に述べたとおり、単位排気量あたりのトルク・出力が向上する。内燃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。過給圧の増減によって出力特性を調整できるのもメリットである。
・また「ダウンサイジングコンセプト」を用いたターボエンジンでは、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タービンを回すの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40%、過給に伴う出力の損失（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）を-10％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。
・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、エンジン温度や吸気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（不自然なタイミングでの自然発火、ノッキングとも）を誘発しエンジンを痛めるため、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。
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。
・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るが、これは燃費を悪化させる要因ともなっている。
気筒の外でガソリンと空気を混ぜ合わせる「ポート噴射」ではなく、気筒の中に直接ガソリンを噴射する「直噴」でこれを擬似的に実現する手があるが、この場合は煤が発生してしまいやすくなる。
・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は各メーカで続けられており、近年はそこまで気にするものではならなくなっている。
・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ドライバビリティ（運転しやすさ）は悪い。これを嫌い、あえて燃費は悪化するが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。
・ターボチャージャー付きエンジンは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。
頻繁に運転する場合は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、オイル管理は厳密に行う必要がある。
・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。
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、上記の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。
一方で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。
しかし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極めて適しており、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。
ガソリンエンジンでは2010年代以降、燃費向上のためにエンジンサイズを小さくし、出力をターボチャージャーなどの過給機で補う「ダウンサイジングコンセプト」が流行した。特に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。
排気量で自動車税額が決まる日本国内においては、排気量を減らしつつ出力を維持できるため、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。
