ターボチャージャーは満員電車?仕組・構造・原理を解説!ターボのサザエ?

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ターボ車は、ターボチャージャーを搭載したクルマです。

ターボ車っていう響き!なんだか速そうですよね。

速く走るためのパワー車に搭載された、ターボチャージャーについてのお話しです。

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ターボチャージャーの原理

ターボチャージャーは、空気の力を利用する、タービンを使用した過給機を意味します。

(実際には、ターボは排ガスの流れを利用します)

そもそも、回転しているエンジン内部にはピストンがあって、燃料であるガソリンと空気が混ざった混合ガスを吸い込むと、ピストンは混合ガスを圧縮する動きになって、点火プラグで発火すると大爆発を起こします。

この爆発力がピストンを押し上げて、トルクや回転力を生み出す仕組みがエンジンです。

燃えた後のカスは、排ガスとなって外に排出されて、触媒と呼ばれるフィルターを抜けて、マフラーを通ってクルマの外へと吐き出されます。

小学校で物が燃える実験を思い出すと、酸素の量が多いほど、物は激しく炎を出して燃えます。

チャージャーは過給機と呼ばれるもので、燃料が燃えた後の排ガスの勢いを、タービンを使って回転力に変換して、回転力を得たポンプの仕組みを利用して、燃料に混合する空気をどんどん圧縮します。

タービンを搭載した過給機のことをターボチャージャーと呼びます。

また、過給機を搭載しない自然吸気型エンジンは、NA(Natural Aspiration)やノンターボエンジンと呼ばれます。

同じ容積の中にある空気は、過給機による圧縮によってどんどんどん小さくなりますので、酸素を含んだ多くの空気が、シリンダ容器の中にぎゅうぎゅうに詰められて、ピストンによって押しつぶされる状態になります。

この空気のぎゅうぎゅう状態の中で、点火プラグによる大爆発が起きれば、ピストンを押し上げる強力な回転エネルギーを得られるので、強大なエンジンパワーやトルクを得ることができるのです。

これが、ターボチャージャーを搭載したエンジンの原理です。

また、アクセルオンから排ガスを使用してのタービンですので、一般的にターボラグと呼ばれる遅れが生じる理由も、お分かりいただけると思います。

ターボサザエ?

スーパーで見かけるサザエですが、新鮮なサザエのつぼ焼きに、お醤油をかけて食べるのは美味しいですよね。

ところでサザエの学名に、ターボの名がつけられているのをご存知でしょうか?

サザエの学名は、Turbo Sazae(ターボサザエ)です。

Turboには螺旋(らせん)という意味があって、サザエも、あの渦を巻いた形からターボの名が付けられています。

ターボの利点は、小さな排気量でも過給機によって、大きな出力を得られるというメリットがあります。

でも、ブーストアップなど、欲張ってどんどん空気を圧縮すると、容器や関連部品にも圧力という負荷が発生する上に、爆発力という大きな負担もかかります。

ちなみに圧力は、パスカルの原理で知られる有名なもので、密閉された容器内にある流体は、その容器の形に関係なく、単位面積あたり等しい力を受けるという物理の定理です。

もし行き過ぎたブーストアップで、純正部品の性能を超えた負荷が繰り返されると、最終的には搭載された部品が壊れる、といった事態も発生してしまいます。

R32~R34に搭載された、RB26などのタフなエンジンなら、ある程度のブーストアップに耐えられますが、ノーマルターボのエンジンブーストアップには、リスクが伴うことも覚えておきましょう。

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インタークーラーの機能の仕組みと必須理由

引用:https://www.subaru.jp/wrx/sti/driving/powerunit.html

ターボ車として知られるクルマの一つ、スバルのSTIのフロントボンネットに突き出た、特徴的な吸引エアダクトの真下に搭載されている(あるいはエンジンのトップに置かれている)のが、大型インタークーラーです。

ところで、過給機によって空気が圧縮されると、ぎゅうぎゅう詰めになった空気からは熱が発生します。

寒い日に、おしくらまんじゅうでみんなで押し合うと、ぽかぽかと暖かくなりますが、酸素や窒素など、空気中に含まれる気体分子が、ぎゅうぎゅう詰めになったシリンダー容器の中で、まるで満員電車の中で押し合うように、分子どうしが衝突し合う摩擦によって、熱が発生します。

熱い空気は膨張してしまうので、シリンダ容器内には多くの空気は入ることができません。

インタークーラーは、クーラーの名がつく通り、エアダクトから取り入れた空気を利用して、熱くなってしまった圧縮空気を冷やす役目を担っています。

インタークーラーの仕組みは熱交換で、インタークーラー内にある熱い圧縮空気と、エアダクトから入った新鮮な冷たい空気とで、インタークーラーを介して熱交換をします。

すると、熱かった空気は冷やされて小さくなって、より多くの酸素を含んだ空気がエンジン内へと運ばれて行き、インタークーラーを介して熱を受け取った熱い空気は、外へと排出されます。

このように、ターボチャージャーなどの過給機とインタークーラーは、必ずセットでなければ、強力なパワーを生み出す仕組みは機能しないのです。

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スーパーチャージャーとの違い

引用:http://history.nissan.co.jp/NOTE/E12/1208/function_eco.html

構図的に、ターボラグを伴うターボチャージャーに対して、スーパーチャージャーと呼ばれる過給機は区別されます。

スーパーチャージャーは、別名、機械式過給機とも呼ばれています。

スーパーチャージャーは、エンジンの回転を利用したコンプレッサーで、アクセルオンと同時にエンジンの回転が始まりますから、ターボラグが無い!といった特徴があります。

日産のE12型ノートは、今でこそノートe-POWERの名で知られる、新型ハイブリッドのイメージが色濃いクルマですが、ハイブリッドではない、1.2LのHR12DDRエンジン(DIG-S)には、スーパーチャージャーが搭載されていて、高い燃費とそこそこのパワーを両立しています。

他にも、スーパー軽量スポーツカーのロータスエリーゼ(イギリス製)にも、スーパーチャージャーを搭載したモデルがありますが、最近のロータスのエンジンはトヨタが製造しています。

引用:http://www.lotus-cars.jp/our-cars/current-range/elise-sport-220-2.html

ターボとスーパーチャージャー、メリットとデメリット

ターボチャージャーは、シンプルで効率的な構造によって、パワフルなのに排気量が小さくできるというメリットがありますが、タービン部分が高温になる上、高負荷の排ガスにさらされることから、部品の耐久性が必要になります。

また大量の熱は、燃料からのエネルギー損失を意味しますから、NAよりも燃費が落ちるのもデメリットですね。

最近は高耐熱性ベアリング技術の向上によって、高温対策と燃費効率化を実現しているのですが、多かれ少なかれターボラグが発生するというデメリットも伴います。

引用:http://www.caterham-cars.jp/cars/seven-160.html

それでも、小さな部品で大きなパワーを得るエンジンは、ダウンサイジングと呼ばれるように魅力的ですから、ターボ車が多く製造される理由がお分かりいただけるでしょう。

一方のスーパーチャージャーですが、アクセルオンから過給が始まりますから、ドライバーのアクセル操作に伴って、エンジンが不得意とする低回転域から、強いトルクを発生できる特徴は、スーパーチャージャー最大のメリットとなります。

ターボラグが無いとは言え、エンジンの回転力を利用するスーパーチャージャーは、エンジンのエネルギーロスを伴う他、メカエンジンの複雑化する構造によって、エンジン自体が大きくなるというデメリットが伴います。

このようにターボチャージャーとスーパーチャージャーは、それぞれ構造的なメリットとデメリットがありますが、最近では、停止状態から最大トルクを発揮できる電気モーターと、高回転でパワーを得やすいエンジンの特性を取り入れた、ハイブリッド型コラボ技術によって、ターボラグが改善されているクルマも見受けられます。

高効率化とダウンサイジングがもたらす省エネ効果に見られるように、常に技術は進歩を続けています。

この記事を書いた人

yoshiaki1974.7
心はクルマ好き少年のまま、気付けばオジサンになってしまった40代エンジニアの語らう思いを届けましょう。



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