ターボチャージャー

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ギャレット製自動車用ターボチャージャーのコンプレッサー側

ターボチャージャー(: turbo charger)は、排気の流れを利用してコンプレッサ(圧縮機)を駆動して内燃機関が吸入する空気の密度を高くする過給機である。

概要[編集]

ターボチャージャーのカットモデル。赤い部分に排気が導入され、青い部分で吸気が圧縮される。

ターボチャージャーは主に、排気ガスの流れを受けて回転するタービン(: turbine)と、タービンの回転を伝達するシャフト(: shaft)、タービンのトルクを利用して空気を取り込んで圧縮するコンプレッサー(: compressor)、そして、タービンやコンプレッサーの周辺の流れを制御するハウジング(: housing)で構成される。コンプレッサーには遠心式圧縮機が利用され、タービンとコンプレッサーは1本のシャフトの両端に固定されていて、タービンとコンプレッサーは同じ回転速度で回転する。

エンジンが吸入する空気の密度を高めて、より多くの酸素を燃焼室に送り、より高い燃焼エネルギーを得るのが過給機であるが、コンプレッサーの動力をエンジンの出力軸から得る機械式過給機に比べ、通常は廃棄される排気ガス運動エネルギーを回収して駆動されるため効率が高い。

タービンの回転速度は自動車用など小型のものの場合、20万rpmを超えるものもあり[1]、高温の排気ガス800 - 900[1]を直接受ける。軸受エンジンオイルで潤滑される場合が多く、エンジンには高温環境に耐える性能が求められる。また、エンジンを停止するとオイルポンプによる循環が止まるため、高負荷運転によって高温になった状態でエンジンを停止すると軸受の焼きつきや、滞留したオイルがスラッジを発生する原因となる。これを防ぐために自動車の取扱説明書などではエンジンを停止する前に、アイドリングを続けて熱を冷ますことが推奨されている。

歴史[編集]

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[2]1905年に特許が取得された。1912年ドイツルドルフ・ディーゼル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スルザー社と提携し、ターボチャージャーを導入しようと試みた[3]。ビュッヒのターボディーゼルエンジンは1925年には完成し、船舶を中心に広く普及した[4]

1942年大日本帝國で初めて2ストロークディーゼルエンジンにターボチャージャーが導入された[4]。MAN社製ユニフロー掃気式ディーゼルエンジンをベースに三菱重工業が軍用船舶向けに開発したもので、ルーツブロワにターボチャージャーを直列接続された。開発当初はルーツブロワを中心に過給を行っていたが、次第にターボチャージャーに過給の比率を移行させていき、最終的にはターボチャージャーのみでの駆動に成功し、1944年に特許を取得した[4]。しかし、大日本帝國海軍の軍用船舶への導入は終戦までには間に合わず、船舶への初採用は戦後の旅客船「舞子丸」であった[4]

ディーゼルエンジン以外では、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」に初めて搭載した。高度4,300mのコロラド州パイクスピークで試験され、高度の上昇に伴う出力低下を改善できることが確認された。1918年以来のサンフォード・モスの継続した研究により、航空機用ターボチャージャーの実用化はアメリカが先行して発展を遂げた。1921年にはターボチャージャーを装備した複葉機により40,000フィート以上の高度記録を作り、1938年に史上初の実用例としてカーチス・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」がボーイング社のB-17爆撃機に搭載された。ターボチャージャーの実用化にはエンジン本体の改良も必要であった。高高度では大気密度が薄くなるため空冷エンジンでは冷却能力が不足し、出力向上に伴う発熱量の増加を克服しなければ実用化できなかった。[要出典]日本では試作レベルのものが雷電五式戦闘機に搭載された例があるが、実装に問題があり実用化はできなかった[5]特に高温に耐える特殊金属の欠乏(代替金属の使用)し、終戦間近になって一〇〇式司令部偵察機四型にインタークーラーなしの簡易版が実用化されたものの、ごく少数だけが生産された。これら以外の国では高高度性能を向上する手段は機械式過給機の採用が中心で、第二次世界大戦中はソ連やドイツでも航空機用ターボチャージャーが研究されたが実用化はされていない。[要出典]

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であった。欧州車では1973年BMW・2002 Turboに初採用された。1978年にはB&Wが舶用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て熱効率が向上した[3]日本車では1979年日産・セドリック / グロリアに初採用された。

日本において、1980年代の後半は普通乗用車(3ナンバー)と小型乗用車(5ナンバー)の自動車税の差が大きく(5ナンバー39,500円、3ナンバー3000cc未満81,500円)、小型乗用車の排気量上限である2,000ccのエンジンにターボチャージャーを搭載する車種が高級車やスポーツカーを中心に増えた。メーカーは、ターボ車は高馬力であるだけでなく燃費性能も優れていると盛んに宣伝したことから、大いに販売を伸ばしたが、メーカーの宣伝に反し、実際のユーザーの運転状況ではターボ車の燃費が悪いことが知られるようになった。ターボの効率が優れるのはあくまで特定状況下に過ぎず、その状況から外れると逆に効率は悪くなる。メーカー発表の燃費値は、あくまで特定状況下のものであり、実際のユーザーの運転ではその状況から外れることがしばしばあり、その場合は燃費は悪化したのである。[独自研究?]また当時のターボ搭載エンジンにおいては、ノッキング対策のため意図的に混合気に含まれるガソリンの割合を高めており、それも燃費悪化の要因となった(詳細は#短所を参照)。そのため、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から、ターボの燃費の悪さが問題視された。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、90年代以降より日本国内におけるターボチャージャーの採用は衰退傾向となり、トヨタ自動車では国内向けにおいての量産車のターボ車生産をとりやめた。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されたため、2010年代までターボチャージャーの採用は消極的であった。しかしながら軽自動車においては、税制面で優遇されていること、もとより燃費が良いためターボ化して燃費が多少悪化してもさほど問題視されなかったことから、ターボの搭載が積極的に行われた。ダイハツ工業スズキにおいては、軽自動車のみターボ搭載車を販売している。[独自研究?]またディーゼルエンジンはノッキング対策が不要なことなどでターボとの相性が良いため、ディーゼル車ではターボ搭載は積極的に続けられている。2005年以降、フォルクスワーゲンはエンジンの小排気量化してターボチャージャーによりトルクや馬力を補うダウンサイジングコンセプトを採用する車種を増やし、他の欧州メーカーも追随している。旧来のターボチャージャ付エンジンではノッキングを低減するために空燃比を濃くしていたため燃費の向上が難しかったが、ダウンサイジングコンセプトを採用する近年の車種では燃料供給装置の直噴化によって空燃比を濃くすることなくノッキングが対策を行っている。2013年以降は、日本のメーカーも欧州の状況に追随して、燃料噴射の直噴化との併用によるターボ搭載がなされるようになった(スバル・レヴォーグ日産・ジュークホンダ・ステップワゴンなど)。また欧州では日本よりも排気ガス規制の条件が緩いことも相まって、[独自研究?]乗用車へのディーゼルエンジンの採用にも積極的であり、その多くにターボが装備されている。欧州での排気ガス規制が徐々に厳しくなり、日本の規制とほぼ同条件になり、一方でそれにあわせてディーゼルエンジン車の排気ガス規制対策もなされたため[独自研究?]、日本市場におけるディーゼルエンジン(+ターボ)搭載の乗用車への販売も、徐々になされるようになってきた(日産・エクストレイルマツダ・CX-5アテンザアクセラスポーツデミオCX-3三菱・デリカD:5パジェロトヨタ・ランドクルーザープラド 等)。

機械式過給機との比較[編集]

エンジンの出力軸から機械的機構を介して動力を得るスーパーチャージャーは機械損失(メカニカルロス)が生じるが、ターボチャージャーは排気ガスの熱や運動エネルギーとして廃棄されるエネルギー(排気損失)の一部を利用して駆動するため、エンジン出力軸の機械損失がなく、わずかな排気抵抗が生じるのみである。一般的にシリンダー内の燃焼で得られるエネルギーのうち排気損失となるのは40%とされており、ターボチャージャーは7 - 10%を回収できるとされている[6]。また、排気ガスがターボチャージャーのタービンに当たってから出口へ排出されるため排気音が小さく抑えられる[要出典]

一方で、吸気の配管と排気の配管の両方がターボチャージャーを経由するため、エンジンルームのレイアウトが複雑化する。また、自動車などのようにエンジンの回転速度が運転中に大きく変動する用途では低速回転から高速回転への過渡運転時に、タービンが充分な過給圧が得られる回転速度に到達するまでに遅れが生じるターボラグと呼ばれる現象が発生しやすい。すなわちスロットル操作に対するエンジンの出力上昇に遅れが生じやすい。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時間がかかり、特にエンジン冷間時は有害ガスの未燃焼燃料(HCCO)が排出されやすい[要出典]。ターボチャージャーの回転速度は数万から20万rpmに達して[要出典]高温となるため軸受には耐熱性の高いボールベアリングが用いられる場合や、オイルを循環して冷却・潤滑を行っている場合が多い。自動車などの用途ではエンジンオイルで冷却・潤滑しているためエンジンオイルの劣化が進みやすい。

ターボラグの影響を小さくする方策としてターボチャージャーを小型化するなどの方策は各メーカーで行われている。

自然吸気との比較[編集]

過給機は吸入空気を機関に圧送するため、単位排気量あたりの出力が向上する。しかし一方で、出力増加に伴って、燃焼温度が高く、シリンダー内圧が高くなるためヘッドガスケットシリンダーヘッドシリンダーブロックの強度やピストンの耐熱性を高くする必要がある。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。インタークーラーで圧縮後の吸気を冷却し、空気充填率の向上を図っている例も多い。ガソリンエンジンの場合は、過給によりエンジンの圧縮行程で混合気がより高温になるため、デトネーションが発生しやすくなる。この対策として同型式の自然吸気エンジンよりも圧縮比を低く設定したり、空燃比[7]を濃く設定する場合がある。圧縮比を低くした場合は過給効果が得られない回転域で熱効率が低下し、自然吸気エンジンよりも出力が低下する。また空燃比を濃くすることで走行燃費が悪化する。近年ではガソリンをシリンダー内に直接噴射する技術により圧縮行程では空気のみを圧縮するようになったためデトネーションの問題が解消され、2010年以降の乗用車では排気量を小さくして車重を軽量化して過給機によって出力を補い、総合的に走行燃費を低減するダウンサイジングコンセプトを採用する例が増えている。

用途[編集]

特急形気動車DMF13HZ形エンジンに装着されているターボチャージャー

ターボチャージャーは船舶や発電機、建設機械鉄道車両、自動車などで広く利用されている。特に船舶や発電機など、エンジンの回転速度が大きく変化しない用途ではターボチャージャーの設計をその運転条件に最適化しやすく、ターボチャージャー特有の欠点であるターボラグが発生することがないため適している。また、ディーゼルエンジンは空気のみをシリンダーに吸入して圧縮を行うため、ガソリンエンジンで生じるデトネーションが起こらず、部分負荷域においても吸気経路を絞らないため過給機との相性が特に良い。

自動車など[編集]

自動車などではディーゼルエンジンを搭載したトラックのほか、モータースポーツ用車両やスポーツカーなどでも一般的に用いられる。路線バス用の車種は2005年後半からダウンサイジングによって燃費や排出ガスを低減するためにターボチャージャーを搭載する例が増えてきている。

F1では、かつてターボエンジンが全盛だったが、ホンダ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レース中で776kW(1055馬力)を発生したと言われ[8]、安全性を理由に1987年からレギュレーションにより過給圧制限が加えられ(1987年は最大4bar1988年は最大2.5bar)、1988年シーズンを最後に過給機の使用が禁止された。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可能となった。

2010年代以降、欧州メーカーの乗用車では小排気量のガソリン直噴エンジンを採用してエンジンを小型軽量化しながらターボチャージャーにより出力を補うダウンサイジングコンセプトを採用する車種が増え、ターボチャージャーの搭載車種が増えつつある。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長所がある。[独自研究?]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ている。日本の乗用車では軽自動車にターボチャージャーが採用されるケースが多い。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、5ナンバーボディには排気量2,000cc以下のエンジンにターボチャージャーが利用されるケースが多かった。

航空機[編集]

航空機ではレシプロエンジンを搭載した小型民間機にターボチャージャーを搭載した機種があるが、それ以外ではジェットエンジンやターボプロップエンジンが搭載されるため、ターボチャージャーの採用例は少ない。1950年代までは軍用機を含めた多くの航空機がレシプロエンジンを搭載していたことから、空気の薄い高空での出力維持のためにターボチャージャーが用いられたが、エンジンがフルスロットルの時に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。タービンに送る排気を高度に応じて自動的にバイパス流路を開閉するバルブを搭載しており。空気が薄い高高度ではバイパス流路を閉じてタービンに送る排気を増やして吸気圧力を上昇させ、空気が濃い低高度ではバイパス流路を開いてタービンに送る排気を減らして吸気圧力を低下させることにより、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[9]

主要メーカー[編集]

種類 (主に自動車用語)[編集]

脚注[編集]

  1. ^ a b 中野 弘二、和田 裕介、城野 実考、成廣 繁「新型直列4気筒ガソリン直噴過給ダウンサイジングエンジン」『Honda R&D Technical Review』 Vol.28 No.1、2016年、133-139頁。
  2. ^ これは今日で言うターボコンパウンドエンジンでもあった。
  3. ^ a b 鈴木孝 2001.
  4. ^ a b c d 今給黎孝一郎「排気ガスタービン過給機の技術系統化調査」『技術の系統化調査報告』第16集、国立科学博物館、2011年。
  5. ^ 前間孝則著『マン・マシンの昭和伝説』
  6. ^ 日本財団図書館(電子図書館) 3S級舶用機関整備士指導書”. 公益財団法人 日本財団. 2015年12月9日閲覧。
  7. ^ 濃い方が火炎伝播速度が遅いためデトネーションが抑えられる
  8. ^ 第19回ガスタービン定期講演会講演論文集(’91-5)
  9. ^ 石田満三郎、1989、『航空機用ピストン・エンジン』、日本航空技術協会〈航空工学講座 10〉 ISBN 4930858100
  10. ^ 電動アシストターボ!! (PDF) 」 、『IHI 技報』第51巻第1号、2011年
  11. ^ “燃費が1割改善~IHIの電動アシストターボ”. 日刊自動車新聞. (2010年10月14日). http://www.njd.jp/topNews/dt/1079/ 
  12. ^ 茨木誠一、山下幸生、住田邦夫、荻田浩司「[http://www.mhi.co.jp/technology/review/pdf/433/433036.pdf 電動アシストターボチャージャ "ハイブリッドターボ"の開発] (PDF) 」 、『三菱重工技報』第43巻第3号、2006年

参考文献[編集]

  • 鈴木孝、2001、『20世紀のエンジン史 : スリーブバルブと航空ディーゼルの興亡』、三樹書房 ISBN 4895222837
  • 前間孝則、1993、『マン・マシンの昭和伝説 : 航空機から自動車へ』上、 講談社 ISBN 4062059983 NCID BN09468958
  • 前間孝則、1993a、『マン・マシンの昭和伝説 : 航空機から自動車へ』下、 講談社 ISBN 4062065819 NCID BN09468958

関連項目[編集]