2017年04月01日

ターボチャージャー

通常エンジンは、シリンダーの上下運動による負圧を利用して空気を吸入(自然吸気)していますが、ターボチャージャーは、空気を圧縮してエンジンに強制的に送り込む働きをする過給器の1つです。これによって圧縮比・爆発圧力が高まり、エンジン出力が向上します。

エンジンの出力向上の最も簡単な方法は、排気量を増やせばいいわけですが、排気量を増やさなくても、一度に燃焼する混合気の量を増やせば、パワーを上げることができます。その働きをするのが過給器です。
代表的な過給器にはターボチャージャーとスーパーチャージャーがありますが、現在多く用いられているのは、エンジンから出る排気の力を利用するターボチャージャーです。

ターボチャージャーは、1本の軸の両端に羽根が付けられてており、排気ガスの力を受けて一方の羽根(タービンブレード)が回転すると、もう一方の羽根(コンプレッサーブレード)が空気を圧縮してシリンダー内に送り込む仕組みになっています。

ターボチャージャー.jpgターボチャージャーシステム.gif

例えば2,000ccの自動車の吸入空気を2倍に圧縮すると、2,000ccの容積しかないシリンダー内に、体積が小さくなった実質4,000ccの空気を入れることができるので、エンジンの排気量を4,000ccに増やした時と同じ力が出せることになります。ただし消費燃料については、同じ排気量でもノンターボと比較すると、どうしても多くなります。

ターボチャージャーは、排ガスを利用して空気を送り込むため、排ガスの量が足りないとその効果は発揮できません。タービンが回り始めてから一定の回転数に達するまでの、ターボが効いていない状態を、ターボラグといいます。
一昔前のターボは、ターボラグが結構長く、ある回転以上から急に出力が立ち上がるため、アクセルの踏込みに対するレスポンスがスムーズでなく、ドラバビりティに問題がありました。。

近年では、ターボチャージャーの改良も進み、違和感なく自然に過給をはじめるものが多くなっています。例えば、少ない排気ガスの圧力でも過給をはじめる小型のターボチャージャーを使って、高出力よりも低回転でのトルク向上を主眼とした「ロープレッシャーターボ」が多く見受けられるようになりました。
また低回転では小さなタービンを、高回転では大きなタービンを順次(シーケンシャル)に切り替えて、全域でのパワーアップとレスポンスアップ(=ターボラグ軽減)を実現した「シーケンシャルツインターボ」なども開発されました。
同じような仕組みですが、低回転では一つのタービン、高回転では二つのタービンを使って過給することで、全域でのパワーアップとレスポンスアップを実現した「ツーステージツインターボ」と呼ばれる装置も開発されています。
その他、タービンの排ガス入口を二分し、低回転時には片方だけを使い少ない排ガスで効率よくタービンを回し、高回転時には両方から大量の排気ガスを導くことで、ハイレスポンスとハイパワーの両立を狙った「ツインスクロールターボ」と呼ばれるものもあります。

ターボチャージャーのタービンは、非常に高速で回転させる必要があるため、オイルに浮かせている状態で回転させます。そのためターボチャージャー付き自動車では、ターボ用オイルを使用する必要があります。

様々な工夫でターボチャージャーは進歩していますが、たくさんの混合気を燃焼させているので、同じ排気量の自然吸気エンジンと比較した場合、出力は向上しますが、燃料消費はどうしても増えてしまいます。

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