【自動車用語辞典:過給システム「ターボチャージャー」】排気ガスの力で吸気を圧縮して出力を高める仕組み

■ダウンサイジング化により再び脚光を浴びることに

●近年は可変ターボなど進化型も登場

欧州では、燃費向上のためにダウンサイジングターボ・コンセプトが普及し始め、再びターボチャージャーが見直され、日本でも採用が進んでいます。

ダウンサイジングターボの効果を含めて、ターボの基本特性について解説していきます。

●ターボの仕組み

ターボは、タービンとコンプレッサーの一対の羽根車で構成されています。
排出ガス流路中に配置したタービンを、排出ガスの運動エネルギーで高速回転させます。タービンと一対で同軸上にあるコンプレッサーが高速回転することによって、吸気を圧縮(過給)します。

ターボは、大気に廃棄している排出ガスの運動エネルギーの一部を回収して、コンプレッサーを作動させるシステムです。

●ターボの基本性能

過給圧を上げれば、吸入空気量が増えて出力は増大します。ガソリンエンジンの場合、シリンダー内の圧縮温度が上昇するため、ノッキングが発生しやすくなり、無過給エンジンよりも圧縮比を下げる必要があります。

圧縮比を下げると、熱効率が下がるため燃費は悪化します。したがって、最近のターボ付エンジンには、ノッキングが発生しにくい筒内噴射システムを採用するのが一般的です。

●ディーゼルエンジンでは排ガス低減効果も

筒内噴射エンジンには、ノッキングが発生しにくい特性があります。

シリンダー内に直接噴射されたガソリンは、周辺から熱を奪って気化します。この気化熱によってシリンダー内の圧縮空気の温度は低下します。圧縮空気の温度が下がれば、ノッキングが発生しにくくなるのです。

ディーゼルエンジンの場合は、ノッキングが発生しないので、より大きな出力向上ができます。
また出力向上に加えて、排出ガス低減に効果的な役割を果たします。

ディーゼルエンジンでは、NOxを下げるために、排出ガスの一部を吸気側に還流するEGR(排出ガス再循環装置)システムを採用しています。EGRを導入すると吸気(酸素)量が不足して、スモーク(黒煙)が発生しやすくなります。ターボによって吸気量を増やせる(空気過剰率を大きくできる)ので、NOxと同時にスモークも低減できます。

●ダウンサウジングターボとは

ダウンサイジングターボは、10年程前から欧州で急速に普及し始めました。
燃費を向上するためにエンジンの排気量を小さくして、ターボによって出力不足をカバーするコンセプトです。

排気量を小さくすると、排気量が小さくなった分だけ同じ空気量を確保するためにスロットル弁を開きます。スロットル開度が大きくなると、ポンピング損失が小さくなり、熱効率が上がって燃費が向上するのです。

●ターボラグとは

ターボの課題のひとつに、ターボラグがあります。
ターボは、排出ガスの運動エネルギーでタービンを回しますが、加速時には質量のあるタービンの回転数はすぐには上昇しません。このアクセルに対する過給圧の応答遅れを、ターボラグと呼びます。
また低速時は排出ガスの運動エネルギーが小さいため、過給圧が上がらず出力が確保できないという課題もあります。

●VGT(可変容量ターボ、略して可変ターボ)

ターボラグや低速時の過給不足を解消するために開発されたのが、VGTです。
VGTは、排出ガスがタービンに衝突する面積を可変ベーンによって調整するターボです。

低速時は排出ガスが衝突するタービンの面積を小型ターボのように小さくして、流速を上げることによってタービン回転を上昇させます。また排出ガスの運動エネルギーが十分な高速時は、衝突する面積を大きくして、十分な過給圧を確保します。
(VGTについては、別頁で解説)


かつては淘汰された技術でも、社会環境の変化やそれ自体の技術改良によって、再び脚光を浴びることがあります。ターボは、その最たる例ではないでしょうか。

(Mr.ソラン)

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