ターボチャージャー
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ターボチャージャー (turbo charger) とは、内燃機関において、より高出力を得るために利用される過給機の一方式である。
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[編集] 概要
排気管から廃棄されていた排気ガスのエネルギー（温度・圧力）を利用しタービンを高速回転させ、その回転力で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、内燃機関本来の吸気量を超える混合気を吸入・爆発させることで、見かけの排気量を超える出力を得る仕組みである。
過給器としての効率は良く、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比の設定が楽になるため、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200,000rpm（毎分20万回転）を超えるものもある。高温の排気ガス（8〜900℃）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。
タービンの軸受けにはボールベアリングが使われるものもあるが、通常はエンジンオイルによるフローティング軸受けである。エンジンオイルは高温の排気にさらされるため、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交換周期を短くするなど、管理を厳密にする必要がある。また、高負荷運転後すぐにエンジンを停止してしまうとオイル循環が止まり、高温のタービン軸と軸受けメタルが直接接し、結果、焼き付きに至るため、ある程度無負荷運転（アフターアイドル）をした後エンジンを止める必要がある。最近では軸受け周辺のオイルギャラリの水冷化により、特にケアは不要であると言われているが、クールダウンの励行は怠らないほうが良い。 →詳しくはエンジンオイルの項を参照
[編集] 種類
- シングルターボ - ターボチャージャーを1基搭載
- ビッグシングルターボ
- ツインスクロールターボ
- ツインターボ - ターボチャージャーを2基搭載
- 常時ツインターボ
- シーケンシャルツインターボ
- 可変ノズル(VG)ターボ
- 電動アシストターボ
[編集] メリット
- ターボチャージャーは高温高圧の排気ガスの、つまり本来なら大気中に廃棄される運動エネルギーを、タービンを介して利用するため、熱効率が上がる。このため小排気量エンジンでも大排気量エンジンと同等の出力を確保しやすくなり、「小型軽量のエンジンで大出力を得る」という相反する条件を満たし得る。
- 同じ過給器でも、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でも、先述したように排出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%、過給器による追加出力を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にはそのエネルギーロスがない。（厳密に言うと、ターボチャージャー内の機械的な摩擦や排気抵抗の増大などのために少しだけ低くなる）
- 航空機の場合は、エンジン出力のロスが少なく過給が可能なため、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。航空機の場合ターボチャージャーと言われるより、排気タービン式過給器と呼ばれる事が多い。
- 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（マフラー等の）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。 ただし現在の自然吸気エンジンでも消音器等で十分消音されている事、ターボチャージャー搭載のエンジン自動車はマフラー交換によりそのメリットが生かされていない傾向がある。
[編集] デメリット
- 大量の混合気を送り込む結果、エンジン温度が高くなりがちで、十分な冷却対策が必要である。エンジン温度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、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、パワー空燃比以上にリッチな混合気を送り気化熱による冷却を期待していることもあり、ターボ=高燃費という要因にもなっている。
- 構造上スロットル（アクセル）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、その排気によりタービンが回転数が増し、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われる。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の場合、圧縮比が低いため過給効果が出ない低回転域は馬力・トルクともにやや低く、ドライバビリティーは悪い。これを嫌い、敢えてクランクシャフト駆動の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により排気ガスが抜けにくくなり、排気抵抗による出力低下が生じる。
- 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、増加する爆発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。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。
圧縮過程で吸気温度が高くなり、膨張により酸素密度が下がるという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。
[編集] 用途
自動車では、大出力を得やすいため、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る。かつてF1でターボエンジンが全盛だった頃、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（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れる測定機器がなかった為。その後、安全性を理由にレギュレーションにより過給圧制限が加えられ、最終的にはターボ装着の禁止に至った）。
また、空気のみを吸入し、圧縮を行うディーゼルエンジンは、過給を行っても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から、ターボチャージャーによる過給に適しており、自動車をはじめ、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。
[編集] 歴史
航空機用の高高度性能の向上のための手段として発想自体は古くから存在したが、この分野ではアメリカが他国よりも先行しており、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1000ps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。他国の高高度性能向上のための手段としてはスーパーチャージャーの採用が中心であったが、第二次世界大戦中には、アメリカの他にソ連、ドイツ等でも軍用機エンジンに採用された。戦時中の日本でも開発は進められていたが、技術力と資材不足ゆえに実用化できなかった。高温に耐える排気タービンを量産できなかったと言われているが、アメリカに比べて圧倒的に技術力で劣っていた訳ではなく、実はアメリカも半ば消耗部品としてターボチャージャーを用いていた。一番の問題は経済力の差だったのである。しかしそれでも、試作レベルのものは三菱 局地戦闘機雷電に装着されて使われた。
ディーゼルエンジンには、1940年代に導入され、従来のスーパーチャージャーに代わって効率向上に著しく寄与した。
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・コルベア」にオプションで搭載したのが最初である。ただし、耐久性・信頼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。
ヨーロッパ車では1973年のBMW2002Turboが市販車として初めて搭載されたものである。
[編集] 日本車のターボチャージャー
ディーゼルエンジンのターボチャージャーについては、当初、出力向上・燃費改善の手段として認可された。これは、ターボによって余剰出力が得られるため、その分ギアリングを高めることで、低燃費とすることができる、とする理論であった。
当初の1960年代には、大型のバス・トラックに採用された。1980年代以降、直噴式ディーゼルエンジンの普及に伴い、一層熱効率が高まった。インタークーラーも普及し、現在、ディーゼルエンジンでターボとインタークーラーの装備は常識化している。
更に、最近は自動車排出ガス規制の強化もあり、ドライバビリティーの点で従来好んで自然吸気式ディーゼルエンジンが多く採用されていた都市型（路線）バスやダンプトラックや、2トンクラスのトラックなどの中、小排気量のディーゼルエンジンにおいても、ユニットインジェクターやコモンレール式燃料噴射装置、尿素SCR還元装置、インタークーラーと並び、ターボチャージャーはディーゼルエンジンに必須の装備となっている。
ガソリンエンジン乗用車へのターボチャージャー搭載は、この時期排気ガス対策に追われ出力向上手段に安直な排気量増大で対応したこともあり、1970年代の日本では採用されなかった。
1980年代初めに日産自動車が、「燃費改善の手段」と称して「燃費でもターボ」のコピーでセドリックを始めとする乗用車に搭載して発売した。しかし、以降は乗用車では主にスポーツカー、セダンのスポーツモデルの出力向上策としての面が前面に出された。設計が古くなり出力に劣る自然吸気エンジンにターボチャージャーを付加することにより、エンジンの市場価値を延命させたのである。これにより、新エンジン開発費用の削減とエンジンの量産数アップの結果、エンジンのコストダウンに寄与した。しかしながら、設計が古い＝重く大きく燃費が悪いエンジンをベースとしたので、「ターボ＝燃費が悪い」というイメージが一般に定着した。
後にターボチャージャーを2基使用した「ツインターボ」も登場し、1985年にトヨタ自動車のマークII（クレスタ、チェイサーも含む）が初採用となった。
日本におけるガソリンターボ車の性格として、1300cc～1500ccクラスの小型車枠で2000cc並の、2000ccクラスの「5ナンバー枠」内で2800～3000cc級並の、また550～660ccの軽自動車枠で1000cc～1200cc並の性能を得る、「節税手段の一種」として用いられる面があった。軽自動車では現在でもその傾向が強い。
2000年頃には世界的な排ガス規制の強化によりガソリンエンジンのターボ過給は不可能になるのではないかという観測がなされた。エンジンからの排出ガスの持つ熱エネルギーがターボチャージャーの駆動に当てられるため、タービンを通過した排気ガスは温度が低下し、排気ガス浄化装置である三元触媒の浄化作用が得にくくなる。また、高い過給圧をかけ、高い出力を引き出すため、エンジン強度が求められるほか、
ノッキングの抑制のためにエンジン本体の圧縮比を落としたり同目的で理論空燃比を大幅に超えるガソリンを吸入させるガソリン冷却が行なわれるため、過給がかからない領域では出力に見合う燃費を得にくい。ターボでは補機類が増えることでコストが増すため、大排気量の自然吸気エンジンを搭載したほうが車両コストの削減になるというのも理由であろう。
しかしながら、ターボチャージャーと排気マニホールドの一体化等による排気系の熱容量の低減や、直噴による圧縮比の向上によりターボチャージャーは現在なお世界の自動車メーカーで採用され続けている。また、ターボ過給は最高出力の向上のみを目指すのではなく、同程度の最高出力、トルクをより小さい排気量のエンジンで実現し、燃費の向上を目指すというディーゼルエンジンと同様の「ダウンサイジングコンセプト」が広まりつつある。
しかし、日本ではこれらの技術的問題を比較的簡単に解決できてしまう為[要出典]、ラリー用自動車のベースや、コンパクトカーのスポーツ・モデルを中心に、未だに設定率が高い。税制の改定でターボはかえって重量面で不利になったことなどから、かつてのブームの時のように猫も杓子もターボターボという状況はなくなったものの（本来、排気量が確保できる高級車で使用するべきものではない）全体の比率からすると日本は今でも「ターボ車王国」であると言われる。特に、軽自動車では出力確保の為に多用されている。乗用車でもターボの独特の加速感を好むユーザーが存在し、また、改造により過給圧をあげることで容易にパワーを向上させることができるため、根強い人気は存在する。自然吸気エンジンに改造によりターボを装着するケースも見られる。 また、マツダ・アテンザ､アクセラ､MPV､CX-7に搭載されているガソリン直噴ターボエンジンは、低燃費かつ平成22年規制、平成17年度排出ガス基準75%低減レベルに適合し次世代のターボエンジンとして期待されている。これは、ガソリン直噴エンジンとターボチャージャーの相性の良さに由来するものである。通常のポート燃料噴射式のエンジンでありながら平成17年度排出ガス基準50%低減レベルを達成したスバル・レガシィも登場し、ターボエンジンでもある程度は環境性能の確保が可能となった模様である。
[編集] 主要メーカー
[編集] 関連項目
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