スーパーチャージャー

ガス伝達方式によって定義されるスーパーチャージャーには、容積式スーパーチャージャーと動的スーパーチャージャーの2つの主要なファミリーがあります。容積式スーパーチャージャーは、すべてのエンジン回転数でほぼ一定のブースト圧上昇レベルを実現しますが、動的スーパーチャージャーは、エンジン回転数（ある閾値を超えると）とともにブースト圧を指数関数的に上昇させます。^{[ 4 ]}あまり使用されていませんが、もう1つのスーパーチャージャーのファミリーは、圧力波式スーパーチャージャーです。

ルーツブロワー（容積式ローブポンプ設計）は、高ブースト圧下では効率が40～50%程度にとどまる傾向があり、ダイナミックスーパーチャージャーの70～85%と比較すると劣ります。一方、リショルム式ブロワー（回転スクリュー設計）は、負荷／速度／ブースト圧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を発揮できますが、そのためにはシステムをその範囲に合わせて特別に設計する必要があります。

正の変位

容積式ポンプは、ポンプ1回転あたりほぼ一定量の空気を供給します（ただし、漏れは例外で、エンジン回転数が高くなるにつれてその影響は小さくなります）。最も一般的な容積式スーパーチャージャーは、ルーツ式スーパーチャージャーです。これは、ポンプの吸気側と吐出側で1回転あたりに伝達される流体の量が一定であるため、コンプレッサーではなくブロワーです。その他のタイプには、ロータリースクリュー式、スライドベーン式、スクロール式スーパーチャージャーなどがあります。

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の評価パターンが典型的です。GMCの評価は、掃気するように設計された2ストロークシリンダーの数とそれらの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ブロワーが含まれます。たとえば、6-71ブロワーは、それぞれ71立方インチ（1.16 L）の6つのシリンダーを掃気するように設計されており、その結果、総排気量は426立方インチ（7.0 L）のエンジンになります。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立方インチ（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、16～71馬力までの定格出力を持つブロワーを製造している。         

スーパーチャージャーを駆動する一般的な方法には、以下のようなものがあります。

• 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
• ギア駆動
• チェーン駆動
• 可変速度比、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する。

電動スーパーチャージャーは、電気モーターを使用して吸気を圧縮し、エンジンの機械的な動力に頼らずにブーストを提供します。この設計により、スロットルレスポンスが即座に向上し、ターボラグが解消されるため、パフォーマンスと効率に有利です。^{[ 6 ]}

オクタン価の高い燃料は、自己着火やノッキングに対する耐性が優れています。その結果、スーパーチャージャーによる過給圧を高めることができ、エンジンの出力向上につながります。1930年代に米国で開発されたオクタン価100の航空燃料は、高性能航空エンジンでより高い過給圧を使用することが可能になり、数々の速度記録機の出力を大幅に向上させるために活用されました。

高オクタン価燃料の軍事利用は、第二次世界大戦で戦っていたイギリス空軍に100オクタン価燃料が供給された1940年初頭に始まった。 ^{[ 7 ]}ドイツ空軍も同様の燃料を保有していた。^{[ 8 ] [ 9 ]}オクタン価の向上は、戦争の残りの期間、航空エンジンの開発の主要な焦点となり、後の燃料は公称150オクタン価に達した。このような燃料を使用すると、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 hp (1,500 kW)の出力を出した。^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}  

過給（スーパーチャージャーやターボチャージャーなど）の欠点の1つは、吸気を圧縮することで吸気温度が上昇することです。内燃機関の場合、吸気温度はエンジン性能の制限要因となります。極端な高温は、早期着火やノッキングを引き起こし、性能低下やエンジン損傷につながる可能性があります。早期着火／ノッキングのリスクは、外気温度の上昇と過給圧の上昇に伴って高まります。

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、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、機械式スーパーチャージャーを採用していました。しかし、アメリカの航空機は航続距離の予測が難しく、本拠地から遠く離れる必要があったため、航続距離の延長という利点がはるかに重視されました。その結果、アリソンV-1710やプラット・アンド・ホイットニーR-2800といったアメリカの航空機エンジンには主にターボチャージャーが採用されましたが、ターボチャージャーを装着すると重量が増加し、ガスタービンと排気システムのタービン前部に高価な高温金属合金製のダクトを追加する必要がありました。ダクトのサイズだけでも、設計上の大きな課題でした。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たが、ターボチャージャーを搭載したP-47の大きな樽型の胴体は、機体後部のターボチャージャーへのダクトの量が多かったため必要だった。F4Uは、よりコンパクトなレイアウトの2段式インタークーラー付きスーパーチャージャーを使用していた。とはいえ、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にとって有用であった。

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に多くの運転制限を受ける。また、ターボチャージャーの極度の熱と圧力によって損傷が生じる可能性がないかを確認するため、ターボチャージャーと排気システムを頻繁に点検する必要がある。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型において顕著な問題であった。

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、戦後の多くの航空機で引き続き使用された。

1985年と1986年の世界ラリー選手権では、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搭載したデルタS4を走らせた。この設計では、吸気系と排気系に複雑な一連のバイパスバルブと電磁クラッチを使用し、低回転域ではスーパーチャージャーからブーストを得るようにした。回転域の中間では両方のシステムからブーストを得、最高回転域ではスーパーチャージャーからの駆動を切り離し、関連するダクトを隔離した。^{[ 15 ]}これは、それぞれの充電システムの利点を活用しつつ欠点を解消しようとした試みであった。その結果、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機の重量も増加した。

ツインチャージドエンジンは、2005年から2013年までのフォルクスワーゲン1.4リッターエンジンや、2014年から現在までのボルボB4204T 2.0リッター4気筒エンジンなど、市販車に時折採用されてきた。

世界で初めて量産されたスーパーチャージャー搭載車^{[ 23 ]}は、1.6リットルのメルセデス6/  25hpと2.6リットルのメルセデス10/  40hpで、どちらも1923年に生産が開始されました^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]。}これらはコンプレッサーモデルとして販売され、この用語は2012年までさまざまなモデルに使用されました。

この頃のスーパーチャージャー搭載レーシングカーには、1923年のフィアット805-405（グランプリレースで初めて活躍し優勝した車）^{[ 27 ]} 、 1923年のミラー122 ^{[ 28 ]} 、 1924年のアルファロメオP2、1924年のサンビームのグランプリシーズンカー^{[ 29 ]}、1925年のデラージュ[ 30 ^{] 、} 1926年のブガッティ タイプ35Cなどがあっ^た。

最も有名なスーパーチャージャー搭載車のひとつに、1929年に発表されたベントレー4½リットル（「ブロワー・ベントレー」）がある。

1935年、スウェーデンのエンジニア、アルフ・リショルムが5つの雌ローターと4つの雄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を特許取得したことで、スクリュー式スーパーチャージャーの開発は画期的な成果を上げた。^{[ 17 ]}

21世紀に入り、メーカー各社が燃費と出力の向上を目指してターボチャージャーを採用するようになったため、スーパーチャージャー搭載の市販車エンジンは少なくなってきています。例えば、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。しかし、例外もあり、アウディの3.0 TFSIスーパーチャージャー付きV6エンジン（2009年導入）やジャガーのAJ-V8スーパーチャージャー付きV8エンジン（ 2009年に第3世代にアップグレード）などが挙げられます。

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速駆動装置が開発され、航空機の運用がより柔軟になった。この構成は、製造とメンテナンスの複雑さも増した。ギアは油圧クラッチシステムを使用してスーパーチャージャーをエンジンに接続し、当初は操縦席の制御装置でパイロットが手動で接続または切断していた。低高度では、過給圧が過剰にならないように低速ギアが使用された。高高度では、吸気密度の低下を補うためにスーパーチャージャーをより高いギアに切り替えることができた。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は、主に単段単速スーパーチャージャーを装備していた。^{[ 31 ] [ 32 ]}

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 2 速 2 段過給が採用された。性能が向上したことで、搭載された航空機は、排気量がはるかに大きいドイツ製エンジンにもかかわらず、第二次世界大戦を通して、対峙するドイツ製航空機に対して決定的な優位性を維持することができた。^{[ 33 ] [ 32 ]} 2 段過給器は常に 2 速であった。空気は低圧段で圧縮された後、熱交換器 (「インタークーラー」) を通過して冷却され、高圧段で再び圧縮され、場合によっては別の熱交換器でアフタークーリングされる。

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、現代のピストンエンジン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の方がスーパーチャージャーよりも高温で軽量な合金を使用しているため効率が良いこと、また可動部品が少ないためメンテナンスの手間が少ないことが原因です。^{[ 34 ]}

高高度では空気密度が低下するため、航空機エンジンでは過給がよく用いられてきました。例えば、 30,000フィート（9,100メートル）の空気密度は海面の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ないため、出力は大幅に低下します。^{[ 35 ]}過給器は、空気を圧縮して人工的に空気密度を高めるか、ピストンが吸気行程で下降するたびに通常よりも多くの空気をシリンダー内に送り込むものと考えることができます。^{[ 35 ]}  

スーパーチャージャーは通常、高高度（空気密度が低い）で一定量の過給圧を発生させるように設計されているため、低高度では過給圧が過剰になることがよくあります。過給圧が過剰になるのを防ぐため、吸気マニホールド圧が監視されることがよくあります。航空機が上昇し、空気密度が低下すると、スロットルを徐々に開けて、特定の高度で安全な最大出力を得ることができます。スロットルが全開になり、エンジンが定格出力を依然として発生させる高度は、臨界高度として知られています。臨界高度を超えると、スーパーチャージャーが空気密度の低下を完全に補償できなくなるため、エンジンの出力は低下します。

低高度（地上など）で発生するもう一つの問題は、吸気温度が高高度よりも高いことです。吸気温度が高いと、特に過給エンジンやターボチャージャー付きエンジンでは、ノッキングが発生する閾値が低下します。地上での吸気冷却方法としては、インタークーラー／アフタークーラー、アンチデトネーション噴射、2速スーパーチャージャー、2段式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、スロットルを部分的に開けるとキャブレター内の空気圧が低下します。寒冷条件下では、この低圧空気によってスロットルバルブに氷が形成されることがあります。LSAスーパーチャージャーによる過給に加え、エンジンが定格出力で運転されている場合でも、大量の氷が付着するとエンジン故障の原因となる可能性があります。