スーパーチャージャー

内燃機関では、スーパーチャージャーが吸入ガスを圧縮し、より多くの空気をエンジンに送り込み、一定の排気量でより多くのパワーを生み出します。

現在の分類では、スーパーチャージャーは機械的に駆動される（通常はエンジンのクランクシャフトからのベルトによる）強制誘導の一種であり、排気ガスの運動エネルギーによって駆動されるターボチャージャーとは対照的である。^[1]しかし、20世紀半ばまでは、ターボチャージャーは「ターボスーパーチャージャー」と呼ばれ、スーパーチャージャーの一種と考えられていた。^[2]

最初の過給エンジンは1878年に製造され、^[3] 1910年代から航空機エンジンに使用され、1920年代から自動車エンジンに使用されました。航空機で使用されるピストンエンジンでは、高高度での空気密度の低下を補うために過給がよく使用されていました。21世紀では、燃料消費を減らし出力を上げるためにメーカーがターボチャージャーに移行したため、過給はあまり一般的に使用されなくなりました。

ガス移動の方法によって、主に2つのスーパーチャージャーファミリーが定義されます。容積式スーパーチャージャーとダイナミックスーパーチャージャーです。容積式スーパーチャージャーは、すべてのエンジン速度でほぼ一定レベルのブースト圧力増加を実現しますが、ダイナミックスーパーチャージャーは、ブースト圧力をエンジン速度とともに指数関数的に増加させます（特定のしきい値を超えると）。^[4]もう1つのスーパーチャージャーファミリーは、めったに使用されませんが、圧力波スーパーチャージャーです。

ルーツブロワー（容積式設計）は、高ブーストレベルでは40～50%の効率しか得られない傾向がありますが、ダイナミックスーパーチャージャーでは70～85%です。^[要出典]リショルム型ブロワー（回転スクリュー設計）は、負荷/速度/ブーストの狭い範囲ではダイナミックスーパーチャージャーとほぼ同等の効率が得られますが、そのためにシステムを特別に設計する必要があります。

容積式ポンプは、コンプレッサーの回転ごとにほぼ一定量の空気を送り出します (漏れは除きます。漏れは通常、エンジン速度が上がると影響が減ります)。最も一般的な容積式スーパーチャージャーは、ルーツ型スーパーチャージャーです。その他のタイプには、ロータリー スクリュー、スライディング ベーン、スクロール型スーパーチャージャーがあります。

容積式スーパーチャージャーの評価システムは通常、 1回転あたりの容量に基づいています。ルーツブロワーの場合、GMC の評価パターンが一般的です。GMC の評価は、掃気するように設計されている 2 ストロークシリンダーの数とシリンダーのサイズに基づいており、GMC のモデル範囲には、2–71、3–71、4–71、および 6–71 ブロワーが含まれています。たとえば、6–71 ブロワーは、それぞれ 71 cu in (1.2 L) のシリンダー 6 つを掃気するように設計されているため、エンジンの総排気量は 426 cu in (7.0 L) になります。ただし、6–71 はブロワーではなくエンジンの指定であるため、ブロワーの実際の排気量は少なくなります。たとえば、6–71 ブロワーは 1 回転あたり 339 cu in (5.6 L) をポンプします。他のスーパーチャージャーメーカーは、定格 16 ～ 71 までのブロワーを製造しています。

ダイナミックコンプレッサーは、空気を高速まで加速し、その後、空気を拡散または減速させることでその速度を圧力と交換します。

ダイナミックコンプレッサーの主なタイプは次のとおりです。

• 遠心分離機^[5]
• 多段軸流

スーパーチャージャーを駆動する一般的な方法は次のとおりです。

• ベルト（Vベルト、同期ベルト、平ベルト）
• ダイレクトドライブ
• ギアドライブ
• チェーンドライブ
• 可変速比、可変比遠心
• 電動スーパーチャージャーは、機械的な動力源ではなく、電気モーターを使用します。

オクタン価の高い燃料は、自然発火やデトネーションに抵抗する能力が高くなります。その結果、スーパーチャージャーによって供給されるブースト量を増やすことができ、エンジン出力が向上します。1930 年代に米国で初めて開発された 100 オクタン航空燃料により、高性能航空エンジンでより高いブースト圧力を使用できるようになり、いくつかの速度記録を達成した航空機の出力を大幅に向上させるのに使用されました。

高オクタン価燃料の軍事利用は、1940年初頭に第二次世界大戦で戦うイギリス空軍に100オクタン価燃料が供給されたときに始まりました。 ^[6]ドイツ空軍も同様の燃料を供給していました。^{[7] [8]}オクタン価を上げることは、戦争の残りの期間、航空エンジン開発の主な焦点となり、後の燃料は公称150オクタン価までになりました。そのような燃料を使用して、ロールスロイスマーリン 66やダイムラーベンツDB 605 DCなどの航空エンジンは、最大2,000馬力（1,500kW）の出力を生み出しました。^{[9] [10] [11] [12]}

強制誘導（スーパーチャージャーまたはターボチャージャー）の欠点の 1 つは、吸入空気を圧縮すると温度が上昇することです。内燃機関の場合、吸入空気の温度がエンジン性能の制限要因になります。極端な温度は、過早着火やノッキングを引き起こし、性能を低下させ、エンジンを損傷させる可能性があります。過早着火/ノッキングのリスクは、周囲の空気温度が高く、ブースト レベルが高いほど高くなります。

ターボチャージャー付きエンジンは、エンジンから機械的に動力を引き出すスーパーチャージャーとは異なり、通常は無駄になる排気ガスのエネルギーを使用します。そのため、ターボチャージャー付きエンジンは通常、スーパーチャージャー付きエンジンよりも高い出力と優れた燃費を生み出します。ただし、ターボチャージャーはターボラグを引き起こす可能性があります(特に低回転時)。ターボラグとは、排気ガスの流れが最初は不十分でターボチャージャーを回転させ、必要なブーストレベルを達成できないため、スロットル応答が遅れることを意味します。このため、ドラッグレースやトラクター牽引競技など、スロットル応答が重要な懸念事項となる用途では、スーパーチャージャー付きエンジンが一般的です。

スーパーチャージャーの欠点は、エンジンがエンジンの正味出力とスーパーチャージャーを駆動する電力の両方に耐えなければならないことです。

ターボチャージャー付きエンジンは、吸気の熱吸収が起こりやすくなります（ターボチャージャーにより高温の排気部品が吸気システムの近くに配置されるため）。ただし、これはインタークーラーを使用することで克服できます。

第二次世界大戦中に使用された航空機エンジンの大部分は、機械駆動のスーパーチャージャーを使用していました。これは、ターボチャージャーに比べて製造上の大きな利点があったためです。しかし、アメリカの航空機では、運用範囲の要件が予測しにくく、母基地から遠くまで移動する必要があるため、運用範囲のメリットがはるかに優先されました。その結果、ターボチャージャーは主にアリソン V-1710やプラット・アンド・ホイットニー R-2800などのアメリカの航空機エンジンに採用されましたが、これらのエンジンはターボチャージャーを使用すると比較的重くなり、ガスタービンと排気システムのタービン前セクションに高価な高温金属合金の追加ダクトが必要になりました。ダクトのサイズだけでも、設計上の重要な考慮事項でした。例えば、F4UコルセアとP-47サンダーボルトはどちらも同じ星型エンジンを使用していましたが、機体後部のターボチャージャーとの間のダクトの量が多いため、ターボチャージャー付きのP-47の大きな樽型の胴体が必要でした。F4Uは、よりコンパクトなレイアウトの2段式中間冷却式スーパーチャージャーを使用していました。それでも、ターボチャージャーは高高度性能と航続距離の向上により、高高度爆撃機や一部の戦闘機で役立ちました。

ターボチャージャー付きピストンエンジンも、ガスタービンエンジンと同様の多くの動作制限を受けます。また、ターボチャージャー付きエンジンでは、ターボチャージャーの極度の熱と圧力によって生じる可能性のある損傷を調べるために、ターボチャージャーと排気システムを頻繁に検査する必要があります。このような損傷は、 1944年から1945年にかけて太平洋戦域で使用されたアメリカのボーイング B-29 スーパーフォートレス高高度爆撃機の初期モデルで顕著な問題でした。

ターボチャージャー付きピストンエンジンは、 B-50 スーパーフォートレス、KC-97 ストラトフレイター、ボーイング 377 ストラトクルーザー、ロッキード コンステレーション、C-124 グローブマスター IIなど、戦後の多数の航空機で引き続き使用されました。

1985年と1986年の世界ラリー選手権で、ランチアはベルト駆動のスーパーチャージャーと排気駆動のターボチャージャーの両方を組み込んだデルタS4を走らせた。この設計では、吸気および排気システムに一連の複雑なバイパスバルブと電磁クラッチを使用し、エンジン低速時にはスーパーチャージャーからブーストが得られるようにした。回転域の中程度では両方のシステムからブーストが得られ、最高回転時にはシステムがスーパーチャージャーから駆動を切り離し、関連するダクトを分離した。^[13]これは、各充電システムの利点を活用し、欠点を排除する試みとして行われた。次に、このアプローチは複雑さを増し、WRCイベントでの車の信頼性に影響を与え、完成した設計ではエンジン補助装置の重量が増加した。

ツインチャージエンジンは、2005～2013年のフォルクスワーゲン1.4リッターエンジンや、2017年以降のボルボB4204T43/B4204T48 2.0リッター4気筒エンジン など、量産車に時折使用されています。

1849年、イギリスのバーミンガムのG・ジョーンズは、炭鉱の換気用にローブポンプコンプレッサーの製造を開始しました。 ^[14] 1860年、米国のルーツブロワー社（フィランダー・ルーツとフランシス・マリオン・ルーツ兄弟が設立）は、高炉やその他の産業用途で使用するための空気移動装置の設計の特許を取得しました。この空気移動装置とバーミンガムの換気コンプレッサーは、どちらも後のルーツ型スーパーチャージャーに似た設計を採用していました。

1878年3月、ドイツのエンジニアであるハインリッヒ・クリガーがスクリュー式コンプレッサーの最初の特許を取得しました。^[15]この設計は、同一形状のローターを備えた2ローブローターアセンブリでしたが、生産には至りませんでした。

また、1878年にスコットランドのエンジニア、ダガルド・クラークがエンジンに搭載される最初のスーパーチャージャーを設計しました。^{[16]このスーパーチャージャーは}2ストロークガスエンジンに使用されました。^[17] ゴットリープ・ダイムラーは1885年に内燃機関のスーパーチャージャーに関するドイツの特許を取得しました。^[18] ルイ・ルノーは1902年にフランスで遠心式スーパーチャージャーの特許を取得しました。^{[19] [20]}

スーパーチャージャーを搭載した世界初の量産車^[21]は、1.6リッターメルセデス6/25馬力と2.6リッターメルセデス10/40馬力で、どちらも1923年に生産が開始されました。^{[22] [23] [24]これらは}コンプレッサーモデルとして販売され、2012年までさまざまなモデルにこの用語が使用されていました。

この頃のスーパーチャージャー付きレーシングカーには、 1923年型フィアット805-405 ^{[要出典]、} 1923年型ミラー122 ^[25]、1924年型アルファロメオP2、1924年型サンビーム製グランプリシーズンカー^[26]、1925年型デラージュ[ ^27]、1926年型ブガッティタイプ35Cなどがある。

最も有名なスーパーチャージャー付き車は、1929 年に発売されたベントレー 4½ リッター(「ブロワー ベントレー」) です。

1935年、スウェーデンのエンジニア、アルフ・リショルムが5つのメスローターと4つのオスローターを備えた回転スクリューコンプレッサーの設計の特許を取得し、スクリュー式スーパーチャージャーの開発は画期的な出来事を迎えました。^[15]

21 世紀には、メーカーが燃費と出力の向上を実現するためにターボチャージャーにシフトしたため、スーパーチャージャー付きの量産車エンジンは一般的ではなくなりました。たとえば、2000 年代初頭のメルセデス ベンツのコンプレッサーエンジン ( C 230 コンプレッサー直列 4 気筒、C 32 AMG V6、CL 55 AMG V8 エンジンなど) は、2010 年頃にC 250やCL 65 AMGモデルなどのモデルでターボチャージャー付きエンジンに置き換えられました。ただし、アウディ 3.0 TFSIスーパーチャージャー付き V6 (2009 年に導入) やジャガー AJ-V8スーパーチャージャー付き V8 ( 2009 年に Gen IIIバージョンにアップグレード)などの例外もあります。

1930年代には、航空機エンジンのスーパーチャージャー用に2速ドライブが開発され、より柔軟な航空機の運用が可能になった。この構成では、製造とメンテナンスがより複雑になった。ギアは油圧クラッチシステムを使用してエンジンにスーパーチャージャーを接続し、当初はパイロットがコックピットのコントロールを使用して手動で接続または切断していた。低高度では、過度のブーストレベルを防ぐために低速ギアが使用される。高高度では、吸入空気密度の低下を補うためにスーパーチャージャーを高ギアに切り替えることができる。バトル・オブ・ブリテンでは、ロールスロイス・マーリンエンジンを搭載したスピットファイアとハリケーン機には、主に単段および単速のスーパーチャージャーが装備されていた。^{[28] [29]}

1942年、ロールスロイス マーリン61航空エンジンに、アフタークーリング付きの2速2段過給が採用された。性能が向上したことにより、このエンジンを搭載した航空機は、ドイツのエンジンの排気量がかなり大きかったにもかかわらず、第二次世界大戦中、対戦したドイツ機に対して決定的な優位性を維持することができた。^{[30] [29]} 2段スーパーチャージャーも常に2速であった。空気は低圧段階で圧縮された後、熱交換器（「インタークーラー」）を通過し、そこで冷却されてから高圧段階で再び圧縮され、さらに別の熱交換器で アフタークーリングされる場合もある。

スーパーチャージャーは1900年代半ばと第二次世界大戦中に広く使用されていましたが、現代のピストン駆動航空機ではほとんど使用されなくなりました。これは主に、ターボチャージャーがスーパーチャージャーよりも高温で軽い合金であるため効率が高く、可動部品が少ないためメンテナンスも少ないことに起因しています。^[31]

高度が高くなると空気の密度が下がるため、航空機エンジンではスーパーチャージャーやターボチャージャーがよく使われてきました。例えば、高度30,000フィート（9,100メートル）での空気の密度は海面の1/3であり、自然吸気エンジンでは1/3の燃料しか燃焼できず、出力は大幅に低下します。^[32]スーパーチャージャー/ターボチャージャーは、空気を圧縮して人工的に空気の密度を高めるか、ピストンが吸気行程で下がるたびに通常よりも多くの空気をシリンダーに押し込むものと考えることができます。^[32]

スーパーチャージャーは通常、高高度（空気密度が低い）で一定量のブーストを生成するように設計されているため、低高度ではスーパーチャージャーのサイズが大きめに作られることがよくあります。過度なブースト レベルを防ぐために、低高度での吸気マニホールド圧力を監視することが重要です。航空機が上昇して空気密度が低下すると、スロットルを徐々に開いて、所定の高度で最大安全出力レベルを得ることができます。スロットルが全開になってもエンジンが定格出力を出し続けている高度は、臨界高度と呼ばれます。臨界高度を超えると、スーパーチャージャーは空気密度の低下を完全に補うことができなくなるため、エンジン出力が低下します。

低高度（地上レベルなど）で発生するもう 1 つの問題は、吸入空気が高高度よりも高温になることです。高温の空気は、特に過給エンジンやターボ エンジンで、エンジン ノッキングが発生するしきい値を下げます。地上レベルで吸入空気を冷却する方法には、インタークーラー/アフタークーラー、アンチデトナント インジェクション、2 速スーパーチャージャー、2 段スーパーチャージャーなどがあります。

キャブレターを使用する過給エンジンでは、スロットルを半開きにするとキャブレター内の空気圧が低下します。寒冷地では、この低圧空気によってスロットルプレートに氷が形成される可能性があります。大量の氷があると、エンジンが定格出力で作動している場合でもエンジンが故障する可能性があります。

ウィキメディア・コモンズには、スーパーチャージャーに関連するメディアがあります。

• ブーストゲージ
• 強制誘導
• インタークーラー
• 自然吸気エンジン