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内燃機関において、ターボチャージャー（ターボまたはターボスーパーチャージャーとも呼ばれる）は、吸気を圧縮してエンジンに空気を送り込み、一定の排気量に対してより多くの出力を生み出す強制吸気装置である。[ 1 ] [ 2 ]
ターボチャージャーは排気ガスの運動エネルギーによって駆動されるのに対し、スーパーチャージャーはエンジンのクランクシャフトからのベルトによって機械的に駆動されるという点で、スーパーチャージャーと区別されます。[ 3 ]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ました。[ 4 ]
ターボチャージャーが発明される以前は、強制吸気は機械式スーパーチャージャーを使用することによってのみ可能でした。スーパーチャージャーの使用は1878年に始まり、スコットランドのエンジニア、ダガルド・クラークの設計に基づいて、いくつかのスーパーチャージャー付き2ストロークガスエンジンが製造されました。[ 5 ]その後、1885年にゴットリープ・ダイムラーは、ギア駆動ポンプを使用して内燃機関に空気を送り込む技術の特許を取得しました。[ 6 ]
スルザー社で働いていたスイス人エンジニア、アルフレッド・ビュヒによる1905年の特許は、ターボチャージャーの誕生とみなされることが多い。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]この特許は、排気駆動軸流タービンとコンプレッサーが共通のシャフトに取り付けられた複合星型エンジンに関するものであった。 [ 10 ] [ 11 ]最初の試作機は、高高度での空気密度の低下により航空機エンジンが経験する出力損失を克服することを目的として、1915年に完成した。[ 12 ] [ 13 ]しかし、試作機は信頼性が低く、生産には至らなかった。[ 12 ]ターボチャージャーに関するもう1つの初期の特許は、フランスの蒸気タービン発明家オーギュスト・ラトーによって1916年に申請され、フランスの戦闘機で使用されるルノーエンジンへの使用を目的としていた。[ 10 ] [ 14 ]また、1917年に米国航空諮問委員会（NACA）とサンフォード・アレクサンダー・モスが行った試験では、ターボチャージャーによってエンジンの出力損失を回避できることが示されました（海抜4,250メートル（13,944フィート）までの高度で海抜での発電出力と比較した場合）。[ 10 ]この試験は、米国パイクスピークでリバティL-12航空機エンジンを使用して実施されました。[ 14 ]
ターボチャージャーの最初の商用利用は、1924 年 6 月に、アルフレッド・ビューヒの監督の下、ブラウン、ボベリ & Cieのバーデン工場から最初の大型ターボチャージャー モデル VT402 がヴィンタートゥールのスイス機関車機械工場SLM に納入されたときでした。[ 15 ]これに非常に近い 1925 年に、アルフレッド・ビューヒは 10 気筒ディーゼルエンジンにターボチャージャーをうまく取り付け、出力を1,300 キロワットから 1,860 キロワット (1,750 馬力から 2,500馬力)に増加させました。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]このエンジンは、ドイツ運輸省によって、プレウセン号とハンゼシュタット・ダンツィヒ号という 2 隻の大型客船に使用されました。この設計は複数のメーカーにライセンス供与され、ターボチャージャーは船舶、鉄道車両、大型定置用途で使用されるようになりました。[ 13 ]
ターボチャージャーは第二次世界大戦中にいくつかの航空機エンジンで使用され、1938年のボーイングB-17フライングフォートレスがゼネラル・エレクトリック社製のターボチャージャーを使用したのを皮切りに始まった。 [ 10 ] [ 19 ]その他の初期のターボチャージャー搭載機には、コンソリデーテッドB-24リベレーター、ロッキードP-38ライトニング、リパブリックP-47サンダーボルト、フォッケウルフFw190の実験型などがある。
トラックへの最初の実用化は、1930年代にスイスのトラック製造会社ザウラーによって実現されました。BXDおよびBZDエンジンは、1931年以降、オプションでターボチャージャー付きで製造されました。 [ 20 ]スイスの産業は、スルザー、ザウラー、ブラウン、ボベリ＆シーに見られるように、ターボチャージャー付きエンジンで先駆的な役割を果たしました。[ 21 ] [ 22 ]
自動車メーカーは1950年代にターボチャージャー付きエンジンの研究を開始しましたが、「ターボラグ」（ターボチャージャーが最大回転数に達するのに必要な時間によって生じる出力遅延）やターボチャージャーの大型化といった問題は当時解決できませんでした。[ 8 ] [ 13 ]最初のターボチャージャー付き車は、短命に終わったシボレー・コルベア・モンツァとオールズモビル・ジェットファイアで、どちらも1962年に発表されました。[ 23 ] [ 24 ]
ターボはモータースポーツで早くから成功を収めた。1968年のインディアナポリス500は、ターボチャージャー付きエンジンを使用して優勝した最初の記録された大規模レースであり、その後もターボは同サーキットのタイトルを保持し続けた。ポルシェは、1963年のポルシェ911から派生したエンジンなど、量産エンジンにターボを先駆的に採用した。初期のシボレー・コルベアのエンジンに似た空冷水平対向6気筒エンジンは、後に1973年にターボチャージャーが取り付けられた。ポルシェ935とポルシェ936は、1976年に両方のタイプのスポーツカー世界選手権で優勝し、ル・マン24時間レースでも優勝して、その信頼性を証明した。フォーミュラ1では、ターボが小排気量エンジンにパワーを与えるのに優れているため、1970年代後半にターボを使用して最初のレース優勝が達成された。また、1983年には、1961年に開発されたBMW M10をベースとした4気筒エンジンを搭載し、F1世界選手権初代王者にも輝いた。
ターボディーゼル乗用車は、1970年代にメルセデス300 Dで世界市場に参入しました。乗用車におけるターボチャージャーの普及は、小排気量エンジンの性能向上策として1980年代に始まりました。[ 10 ]
他の強制吸気装置と同様に、ターボチャージャー内のコンプレッサーは、吸気マニホールドに入る前に吸気を加圧します。[ 25 ]ターボチャージャーの場合、コンプレッサーは、ターボチャージャーのタービンによって抽出されるエンジンの排気ガスの運動エネルギーによって駆動されます。[ 26 ] [ 27 ]
ターボチャージャーの主要構成部品は以下のとおりです。
タービン部（ターボの「高温側」または「排気側」とも呼ばれる）は、回転力を発生させる場所であり、ターボの中心を通る回転軸を介してコンプレッサーを駆動します。排気ガスはタービンを回転させた後、排気管を通って車両から排出されます。
タービンは、一連のブレードを使用して、排気ガスの流れからの運動エネルギーを回転軸の機械エネルギーに変換します（この機械エネルギーは圧縮機セクションの動力源として使用されます）。タービンハウジングはガスの流れをタービンセクションに導き、タービン自体は最大 250,000 rpm の速度で回転できます。[ 28 ] [ 29 ]ターボチャージャーの設計によっては、複数のタービンハウジングオプションが用意されており、エンジンの特性と性能要件に最適なハウジングを選択できます。
ターボチャージャーの性能は、そのサイズ[ 30 ]、およびタービンホイールとコンプレッサーホイールの相対的なサイズに密接に関係しています。大型タービンは通常、より高い排気ガス流量を必要とするため、ターボラグが増加し、ブースト閾値が高くなります。小型タービンは回転慣性が低いため、より低い流量で迅速にブーストを生成できますが、エンジンが生成する最大出力の制限要因となる可能性があります。[ 31 ] [ 32 ]次のセクションで説明するさまざまな技術は、多くの場合、小型タービンと大型タービンの両方の利点を組み合わせることを目的としています。
大型ディーゼルエンジンでは、ラジアルタービンの代わりに単段軸流流入タービンがよく使用される。 [ 33 ]
ツインスクロールターボチャージャーは、各シリンダーからの排気ガスの流れの脈動を利用するために、2 つの独立した排気ガス入口を使用します。[ 34 ]標準 (シングルスクロール) ターボチャージャーでは、すべてのシリンダーからの排気ガスが合流し、単一の吸気口からターボチャージャーに入るため、各シリンダーからのガス脈動が互いに干渉します。ツインスクロールターボチャージャーでは、脈動を最大化するためにシリンダーが 2 つのグループに分割されます。排気マニホールドは、これら 2 つのシリンダーグループからのガスを分離し、2 つの独立した螺旋状のチャンバー (「スクロール」) を通過してから、2 つの独立したノズルを介してタービンハウジングに入ります。これらのガス脈動の掃気効果により、排気ガスからより多くのエネルギーが回収され、寄生的なバックロスが最小限に抑えられ、低エンジン回転数での応答性が向上します。[ 35 ] [ 36 ]
ツインスクロールターボチャージャーのもう1つの共通の特徴は、2つのノズルのサイズが異なることです。小さい方のノズルはより急な角度で取り付けられ、低回転域での応答に使用され、大きい方のノズルは角度が緩やかで、高出力が必要な時に最適化されています。[ 37 ]
可変ジオメトリターボチャージャー（可変ノズルターボチャージャーとも呼ばれる）は、運転条件の変化に応じてターボチャージャーの実効アスペクト比を変更するために使用されます。これは、タービンハウジング内の吸気口とタービンの間にある調整可能なベーンを使用することで行われ、タービンに向かうガスの流れに影響を与えます。可変ジオメトリターボチャージャーの中には、回転式電動アクチュエータを使用してベーンを開閉するものもあれば、空気圧アクチュエータを使用するものもあります。[ 38 ]
タービンのアスペクト比が大きすぎると、ターボは低速でブーストを発生させることができず、アスペクト比が小さすぎると、ターボは高速でエンジンを窒息させ、排気マニホールド圧力が高くなり、ポンピング損失が大きくなり、最終的に出力が低下します。エンジンの加速に伴ってタービンハウジングの形状を変更することで、ターボのアスペクト比を最適に維持できます。このため、可変ジオメトリターボチャージャーは、多くの場合、ラグが低減され、ブースト閾値が低くなり、エンジン回転数が高くなるにつれて効率が向上します。[ 30 ] [ 31 ]可変ジオメトリターボチャージャーの利点は、低エンジン回転数での最適なアスペクト比が、高エンジン回転数での最適なアスペクト比と大きく異なることです。
電動アシストターボチャージャーは、従来の排気動力タービンと電気モーターを組み合わせることで、ターボラグを低減します。2020年代初頭の電動ターボチャージャー技術の進歩、例えばマイルドハイブリッド統合[ 39 ]により、排気ガスが十分な圧力を提供する前にターボチャージャーが回転を開始できるようになりました[ 40 ] 。これにより、ターボラグをさらに低減し[ 41 ]、特に低速走行時や都市部でよく見られる頻繁なストップアンドゴーの状況下でエンジンの効率を向上させることができます。これは、コンプレッサーの動力源として電気モーターのみを使用する電動スーパーチャージャーとは異なります。
コンプレッサーはエンジンの吸気システムを通して外気を吸い込み、加圧してから（吸気マニホールドを介して）燃焼室に送り込みます。ターボチャージャーのコンプレッサー部は、インペラ、ディフューザー、および渦巻きケーシングで構成されています。コンプレッサーの動作特性は、コンプレッサーマップによって表されます。[ 1 ]
ターボチャージャーの中には「ポート付きシュラウド」を使用するものがあり、これは穴のリングまたは円形の溝によってコンプレッサーブレードの周囲に空気が流れるようにするものです。ポート付きシュラウド設計はコンプレッサーサージに対する抵抗が大きく、コンプレッサーホイールの効率を向上させることができます。[ 42 ] [ 43 ]
センターハウジング回転アセンブリ（CHRA）には、タービンとコンプレッサーを接続するシャフトが収められています。シャフトを軽量化することで、ターボラグを低減できます。[ 44 ] CHRAには、このシャフトが摩擦を最小限に抑えながら高速回転できるようにするためのベアリングも含まれています。
CHRAの中には水冷式で、エンジンの冷却液が流れるパイプを備えているものもあります。水冷式の理由の一つは、ターボチャージャーの潤滑油が過熱するのを防ぐためです。[ 1 ]
最もシンプルなタイプのターボチャージャーは、フリーフローティングターボチャージャーです。[ 45 ]このシステムは、エンジンの最大回転数と全開スロットルで最大のブースト圧を達成できますが、さまざまな負荷と回転数条件で駆動できるエンジンを作るには、追加のコンポーネントが必要です。[ 45 ]
ターボチャージャーと併用されることが多い追加部品は以下のとおりです。
ターボラグとは、エンジン回転数がターボチャージャーの動作範囲内にある場合、スロットルを押してからターボチャージャーが回転して過給圧が発生するまでの遅延を指します。[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]この遅延は、（スロットルが急に開かれた後）排気ガス流量が増加し、タービンが過給圧が発生する速度まで回転するのに時間がかかるためです。[ 51 ]ターボラグの影響は、出力の遅延という形でスロットル応答の低下として現れます。 [ 52 ]スーパーチャージャーは、コンプレッサー機構がエンジンによって直接駆動されるため、ターボラグの影響を受けません。[ 50 ]
ターボラグを軽減する方法には以下のようなものがあります。
ターボラグとよく間違えられる類似の現象にブースト閾値があります。[ 56 ]これは、エンジン回転数（rpm）がターボチャージャーシステムの動作範囲を下回っているため、エンジンが十分なブーストを生成できない状態です。低回転数では、排気ガス流量がタービンを十分に回転させることができません。
ブースト閾値は低回転域での動力伝達に遅延を引き起こす（ブーストがかかっていないエンジンは、回転数をブースト閾値以上に上げるために車両を加速させる必要があるため）。一方、ターボラグは高回転域での動力伝達に遅延を引き起こす。
一部のエンジンは、通常、ターボラグの低減、ブーストが発生する回転数範囲の拡大、または吸排気システムのレイアウトの簡素化のために、複数のターボチャージャーを使用しています。最も一般的な構成はツインターボチャージャーですが、ブガッティのさまざまな車両で使用されているブガッティW16エンジンなどの市販車では、トリプルターボまたはクワッドターボ構成が時折使用されています。[ 57 ]
ターボチャージャーとスーパーチャージャーの主な違いは、スーパーチャージャーはエンジンによって機械的に駆動される（多くの場合、クランクシャフトに接続されたベルトを介して）のに対し、ターボチャージャーはエンジンの排気ガスの運動エネルギーによって駆動される点です。[ 58 ]ターボチャージャーはエンジンに直接的な機械的負荷をかけませんが、ターボチャージャーはエンジンに排気背圧をかけ、ポンピング損失を増加させます。[ 58 ]
過給エンジンは、スロットルレスポンスが重要な用途でよく用いられ、また、吸気温度の上昇を抑える効果もある。
排気駆動ターボチャージャーとエンジン駆動スーパーチャージャーの組み合わせは、両方の弱点を軽減することができる。[ 59 ]この技術はツインチャージングと呼ばれる。
ターボチャージャーは、以下の用途で使用されています。
2017年には、米国で販売された車両の27%がターボチャージャー付きでした。[ 61 ]ヨーロッパでは、2014年に全車両の67%がターボチャージャー付きでした。[ 62 ]歴史的に、ターボチャージャーの90%以上はディーゼルでしたが、ガソリンエンジンへの採用が増加しています。[ 63 ]ヨーロッパと米国で最も多くのターボチャージャーを製造している企業は、 Garrett Motion (旧Honeywell)、BorgWarner、およびMitsubishi Turbochargerです。[ 2 ] [ 64 ] [ 65 ]
ターボチャージャーの故障とそれに伴う排気温度の上昇は、自動車火災の多くの原因の一つである。[ 66 ]
シールが破損すると、オイルが排気システムに漏れ、青灰色の煙が発生することがよくあります。[ 67 ]ディーゼルエンジンでは、これがディーゼル暴走を引き起こす可能性があります。
スーパーチャージャーは、低速でのブースト応答が優れているため、大型の自然吸気エンジンの出力特性を再現できることから好まれています。ターボチャージャーのラグは、ブーストが発生する前に高速まで加速する必要があるタービン システム固有の主要な運転性の問題であり続けています。
回転アセンブリの慣性モーメントに大きく依存するラグを低減するために、回転部品の直径は着実に縮小されてきた。
確かに、吸気マニホールドと排気マニホールドの容積が小さいこと、ターボチャージャーの慣性が低いこと、非常に低い圧力比でターボ機械の効率が高いこと、バルブオーバーラップが少ないこと、ブースト制御と燃料システムが適切に設計されていることが求められます。セラミックタービンの低い回転慣性がその答えになるかもしれません。