ターボチャージャー

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自動車用ターボチャージャー
コンプレッサー
ギャレット・エアリサーチ社製

ターボチャージャー英語:turbo charger)は、内燃機関熱効率を高め出力増を図る、タービンを動力とする過給機である。

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。

排気管から廃棄されていた排気ガス内部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、船舶用の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。

過給機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[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[1]1905年に特許が取得された。1912年にはドイツルドルフ・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[2]。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、その後船舶を中心に広く普及した[3]。 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。この時期までのターボエンジンは主に4ストローク機関であり、2ストローク機関へのターボチャージャーの導入は著しく立ち遅れていた。しかし、1942年大日本帝國で初の2ストロークディーゼルエンジンでのターボチャージャーの導入に成功した[3]。この2ストロークターボディーゼルは三菱重工業の開発によるもので、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、ルーツブロワにターボチャージャーを直列接続したもので、最初はルーツブロワを中心に過給を行い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く開発手法を採り、最終的にはルーツブロワなしで完全なターボチャージャーのみでの駆動に成功、1944年に特許取得に至っているが、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[3]

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。

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。アメリカにおける航空機用エンジンへのターボチャージャーの実用化は1918年以来のサンフォード・モスの継続した研究のたまものであった。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った。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。高高度では大気の温度低下以上に大気の密度が減少するために空冷エンジンでは特に顕著に冷却能力が落ち込む。そのため、ターボによりエンジンの出力が確保出来ても空冷のシリンダーヘッドの冷却能力向上がなければ実用化は出来なかった。冷却不足では短時間にエンジンはオーバーヒートにより損傷する。このようにターボ単体の製造のみならずエンジンシステムとしての総合的な開発能力が必要であった。

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排気タービン式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[4]。特に高温に耐える特殊金属の欠乏(代替金属の使用)は、ターボチャージャー本体のみならず小型高出力エンジン()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。なお、日本でもクランクシャフトの回転を増速機で増大させて駆動させる機械駆動式スーパーチャージャー自体の開発には1930年代には成功しており、金星五〇型などの航空機用エンジンに第二次世界大戦の緒戦期より採用されていた[3]

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、熱効率が著しく上昇した[2]

日本車では1979年日産・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5ナンバー自動車税の差が著しく(5ナンバー39,500円、3ナンバー3000cc未満81,500円)、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ふさわしい大馬力を付与する手段として重宝された。また、メーカー側でも、ターボ車は高馬力であるばかりか、燃費性能に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。

しかしながら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事がしばしばあり、その場合は燃費は悪化したのである。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事。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、ターボチャージャーの採用は消極的である。2014年現在は、5ナンバー車では2000ccクラスの一部スポーティーモデルと、日産ジューク(1200/1600cc)のみとなっている。

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。本田技研工業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。

またディーゼル車においても、ターボ搭載は積極的に続けられている。ディーゼルエンジンはガソリンエンジンに比べて回転域が狭いこと、ガソリン車と異なり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ことによる。ただし日本においては、環境対策からディーゼルエンジンそのものが敬遠される状況であり、2000年代以降はディーゼルエンジン搭載の乗用車の国内販売が途絶えていた(海外輸出は継続された)。

一方、フォルクスワーゲン2005年以降、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。他の欧州メーカーも、この動きに追随している。結果、燃費低減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。上述の通り、ノッキング対策として混合気の燃料の比率を高めると燃費が悪化するため、多くの場合は代わって燃料供給装置の直噴化によってノッキング対策を行っている。また欧州の自動車メーカーでは、日本よりも排気ガス規制の条件が緩いことも相まって、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。欧州で販売される日本車においても、ディーゼルエンジン(+ターボ)を搭載する例が多い。

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。また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、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、三菱デリカD:5 等)。

種類 (主に自動車用語)[編集]

長所[編集]

  • 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。
  • エンジンのシリンダー内に供給された燃料の熱エネルギーの内、エンジンの出力となるのは30%であり、残りの70%は、冷却による損失25%、機械的な損失5%、排気から排出される損失40%であるため、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、排気から排出される熱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)。
  • 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排出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。
  • 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。また、タービンに入る排気を高度によって開閉してバイパスする近路弁を装着しており、高度が上昇する場合は、気圧が低下する為、それを検知して自動で近路弁を逐次閉めてくことにより、タービンの回転速度が上がり、吸気圧力を上昇させ、逆に高度が低下する場合は、気圧が上昇する為、それを検知して自動で近路弁を逐次開いていくことにより、タービンの回転速度が下がり、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の間で一定のエンジン出力を保つことができる[8]
  • 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。

短所[編集]

  • 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。かつてのスズキのF6A型SOHCターボエンジン搭載車の一部において2バルブでインタークーラーを搭載しタービンを小型化することによりターボラグを軽減する等の工夫も見られた。
  • 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(HCCO)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、いくつかの短所は改善される傾向がある。

特にかつては、ガソリンエンジンにおけるターボチャージャーの弱点として、燃費が悪い事が挙げられていた。ターボ搭載エンジンにおいては、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点火時期の設定を厳密に行う必要がある。この対策として、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が多く、これにより燃費が悪化したのである。しかしこの問題は、ただでさえ劣化しやすいエンジンオイルの劣化促進などの副作用はあるものの、燃料噴射装置の直噴化により解消する技術が確立したため、現在においてはむしろ燃費改善の手法としての小排気量エンジンへのターボチャージャーの搭載が、積極的に行われるようになった。ただし、「高温のシリンダ内に燃料を噴射し意図的にノッキングを起こすことで燃焼させる」ディーゼルエンジンの場合は、元よりこの問題は無いため、ガソリンエンジンに比べターボ向けと言われている。

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

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。しかし1950年代から60年代にかけて、航空機用のエンジンとしては(高空を飛行する事がまずない)小型民間機を除いて、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ようになり、使用される例はほとんど無い[9]。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)[10]、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[11](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4bar1988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経路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長所がある。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、2005年後半からはバスでも低燃費化や低排出ガス化、ダウンサイジング化のためターボを採用するのが一般的になってきている。

主要メーカー[編集]

脚注[編集]

  1. ^ 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。
  2. ^ a b 鈴木孝 2001.
  3. ^ a b c d 「排気ガスタービン過給機の技術系統化調査」 今給黎 孝一郎 第16集 2011
  4. ^ 前間孝則著『マン・マシンの昭和伝説』
  5. ^ 電動アシストターボ!! (PDF) 」 、『IHI 技報』第51巻第1号、2011年
  6. ^ “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/ 
  7. ^ 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
  8. ^ 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
  9. ^ ジェットエンジンは、ターボチャージャーの機構を、過給ではなく、そのまま動力源として使用するエンジンとも解釈できる。実際にターボチャージャーをそのまま流用した模型飛行機用ジェットエンジンが存在する。ジェットエンジンの回転軸から取り出した動力でプロペラを回すターボプロップエンジンも同様である。
  10. ^ 第19回ガスタービン定期講演会講演論文集(’91-5)
  11. ^ 使用されていた燃料にはトルエンが多く含まれており、一般のガソリンとは大きく異なる。

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]