ターボチャージャー

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、排気ガスの流れによって駆動される強制誘導装置である。このエネルギーを使用して吸入空気を圧縮し、より多くの空気をエンジンに送り込み、所定の排気量に対してより多くの出力を生み出す。^{[1] [2]}

現在の分類では、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、スーパーチャージャーは機械的に駆動されます（通常はエンジンのクランクシャフトからのベルトによって駆動されます）。^[3]ただし、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前は、強制吸気は機械式スーパーチャージャーでしか不可能でした。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・クラークの設計による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いくつか作られました。^[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]

1905年にスルツァー社で働いていたスイス人エンジニア、アルフレッド・ビュッヒが取得した特許は、しばしばターボチャージャーの誕生と見なされている。^{[7] [8] [9]}この特許は、排気駆動の軸流タービンとコンプレッサーを共通のシャフトに搭載した複合星型エンジンに関するものであった。 ^{[10] [11]}最初の試作品は、高高度での空気の密度の低下によって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、試作品は信頼性が低く、生産には至らなかった。^[12]ターボチャージャーに関する別の初期の特許は、1916年に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、フランスの戦闘機で使用されるルノーエンジンでの使用を目的として申請された。^{[10] [14]}また、1917年にアメリカ航空諮問委員会（NACA）とサンフォード・アレクサンダー・モスが行ったテストでは、ターボチャージャーにより、海抜4,250メートル（13,944フィート）までの高度でもエンジンのパワーロス（海面でのパワーと比較して）を回避できることが示された。^[10]テストは、米国のパイクスピークで、リバティL-12航空機エンジンを使用して実施された。^[14]

ターボチャージャーが初めて商業的に利用されたのは1924年6月で、最初の大型ターボチャージャーであるモデルVT402が、アルフレッド・ビュッヒの監督の下、バーデンのブラウン・ボベリ社から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。^[15]これに続いて1925年、アルフレッド・ビュッヒが10気筒ディーゼルエンジンにターボチャージャーを取り付けることに成功し、出力が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）に増加した。^{[16] [17] [18]}このエンジンはドイツ運輸省によってプロイセン号とハンゼシュタット・ダンツィヒ号と呼ばれる2隻の大型客船に使用された。この設計は数社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始めた。^[13]

ターボチャージャーは、1938年にゼネラル・エレクトリック社製のターボチャージャーを搭載したボーイングB-17フライングフォートレスに始まり、第二次世界大戦中にいくつかの航空機エンジンに使用されました。 ^{[10] [19]}その他の初期のターボチャージャー付き飛行機には、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の実験的な派生型などがあります。

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、オプションのターボチャージャー付きで製造されました。 ^[20]スイスの業界は、スルツァー、ザウラー、ブラウン、ボベリ＆シーによって実証されたように、ターボチャージャーエンジンの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始めたが、当時は「ターボラグ」の問題とターボチャージャーのかさばりを解決できなかった。^{[8] [13]}最初のターボチャージャー付き車は、1962年に発売された短命のシボレー・コルヴェア・モンザとオールズモビル・ジェットファイアだった。 ^{[23] [24] 1980年代には、小}排気量エンジンの性能を向上させる方法として、乗用車へのターボチャージャーの採用が始まった。^[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、吸入空気が吸気マニホールドに入る前に吸入空気を加圧します。^{[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た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なコンポーネントは次のとおりです。

• タービン – 通常はラジアルタービン設計
• コンプレッサー – 通常は遠心コンプレッサー
• センターハウジングハブ回転アセンブリ

タービンセクション (ターボの「ホット サイド」または「排気サイド」とも呼ばれる) は、回転力が生成され、コンプレッサーに動力を供給する場所です (ターボの中心を通る回転シャフトを介して)。排気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シャフトの機械的エネルギーに変換します（回転シャフトはコンプレッサーセクションに動力を供給するために使用されます）。タービンハウジングはタービンセクションを通るガスの流れを導き、タービン自体は最大250,000rpmの速度で回転できます。^{[28] [29]}一部のターボチャージャー設計では、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、そのサイズと^[30]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、ブーストしきい値が高くなります。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、エンジンによって生成されるピークパワーを制限する要因になる可能性があります。^{[31] [32]}次のセクションで説明するように、さまざまなテクノロジーは、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タービンが使用されることが多い。 ^[33]

ツインスクロールターボチャージャーは、2つの独立した排気ガス入口を使用して、各シリンダーからの排気ガスの流れの脈動を利用します。^[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結合され、単一の吸気口からターボチャージャーに入ります。これにより、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の場合、脈動を最大化するためにシリンダーは2つのグループに分割されます。排気マニホールドは、これらの2つのシリンダーグループからのガスを分離し、2つの別々のスパイラルチャンバー（「スクロール」）を通過してから、2つの別々のノズルから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、寄生的な逆損失が最小限に抑えられ、低エンジン速度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一つの共通点は、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ており、低回転での応答に使用されます。一方、大きい方のノズルは角度が小さく、高出力が必要な場合に最適化されています。^[37]

• 
  三菱ツインスクロールの 2 つのスクロールを示す断面図(大きい方のスクロールは赤く点灯)
• 
  ヒュンダイ ガンマ エンジンの透明な排気マニホールドとターボ スクロール。ペアになったシリンダー (1 と 4、2 と 3) が示されています。

可変容量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、動作条件の変化に応じてターボチャージャーの有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して行われ、タービンに向かうガスの流れに影響を与えます。一部の可変容量ターボチャージャーは、ベーンの開閉に回転式電動アクチュエータを使用し、 ^[38]他のものは空気圧アクチュエータを使用します。

タービンのアスペクト比が大きすぎると、ターボは低速時にブーストを生成できなくなります。一方、アスペクト比が小さすぎると、高速時にターボが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。エンジンの加速に合わせ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、ラグが短縮され、ブーストしきい値が低くなり、エンジン速度が高いほど効率が向上します。^{[30] [31]}可変ジオメトリターボチャージャーの利点は、低エンジン速度での最適なアスペクト比が高エンジン速度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、従来の排気タービンと電動モーターを組み合わせて、ターボラグを低減します。マイルドハイブリッド統合などの最近の電動ターボチャージャー技術の進歩により、 ^{[いつ? ]} 、ターボチャージャーは排気ガスが十分な圧力を提供する前に回転を開始できるようになりました。これにより、特に市街地で見られる低速走行や頻繁なストップアンドゴーの状況で、ターボラグ^[40]がさらに低減し、エンジン効率が向上します。これは、コンプレッサーに電力を供給するために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から外気を吸い込み、圧力をかけて、（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分は、インペラー、ディフューザー、および渦巻きハウジ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。

一部のターボチャージャーは「ポート付きシュラウド」を使用しており、穴のリングまたは円形の溝によりコンプレッサーブレードの周囲に空気が流れるようになっています。ポート付きシュラウドの設計により、コンプレッサーのサージに対する耐性が向上し、コンプレッサーホイールの効率が向上します。^{[41] [42]}

センターハブ回転アセンブリ（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納されています。シャフトを軽くするとターボラグを減らすことができます。^[43] CHRAにはベアリングも内蔵されており、このシャフトが最小限の摩擦で高速回転できるようにします。

一部の CHRA は水冷式で、エンジンの冷却剤が流れるパイプを備えています。水冷式の理由の 1 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。

最も単純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。^[44]このシステムは、エンジンの最大回転数とフルスロットルで最大のブーストを達成することができますが、さまざまな負荷と回転数の条件で運転可能なエンジンを製造するには追加のコンポーネントが必要です。^[44]

ターボチャージャーと組み合わせて一般的に使用される追加コンポーネントは次のとおりです。

• インタークーラー- ターボチャージャーによって加圧された吸入空気を冷却するために使用されるラジエーター^[45]
• 水噴射- 吸入空気を冷却するために燃焼室に水を噴射する^[46]
• ウェイストゲート- 多くのターボチャージャーは、状況によってはエンジンが安全に耐えられる以上のブースト圧力を生成できるため、タービンに入る排気ガスの量を制限するためにウェイストゲートがよく使用されます。
• ブローオフバルブ-スロットルが閉じているときにコンプレッサーが停止するのを防ぐ

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ときに、スロットルを踏んだときからターボチャージャーが回転してブースト圧を供給するまでの間に生じる遅延のことを指します。^{[47] [48]}この遅延は、（スロットルを突然開いた後に）排気ガス流量が増加し、タービンをブーストが発生する速度まで回転させるまでに時間がかかるために発生します。^[49]ターボラグの影響は、スロットルレスポンスの低下であり、出力供給の遅延の形で現れます。^[50]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。

ターボラグを減らす方法には以下のものがある: ^{[引用が必要]}

• 半径の小さい部品やセラミックなどの軽量材料を使用することでターボチャージャーの回転慣性を低減
• タービンのアスペクト比（A/R比）の変更
• 上部デッキの空気圧（コンプレッサーの吐出量）を高め、ウェイストゲートの応答性を向上させる
• 従来のオイルベアリングではなくフォイルベアリングを使用するなど、ベアリングの摩擦損失を減らす
• 可変ノズルまたはツインスクロールターボチャージャーの使用
• 上甲板配管の容積を減らす
• 複数のターボチャージャーを連続的または並列で使用する
• アンチラグシステムの使用
• ターボチャージャーのスプールバルブを使用して、（ツインスクロール）タービンへの排気ガス流速を増加させる
• バタフライバルブを使用して排気ガスをターボ吸気口の小さな通路に通す
• 電動ターボチャージャー^[51]とハイブリッドターボチャージャー。

ターボラグと間違われることが多い同様の現象に、ブーストしきい値があります。これは、エンジン速度 (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、エンジンが大幅なブーストを生成できない状態です。低回転数では、排気ガスの流量ではタービンを十分に回転させることができません。

ブーストしきい値により、低回転数での動力供給に遅延が発生します (ブーストされていないエンジンでは、ブーストしきい値を超える回転数にするために車両を加速する必要があるため)。一方、ターボ ラグにより​​、高回転数での動力供給に遅延が発生します。

一部のエンジンでは、通常、ターボラグの削減、ブーストが生成され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が使用されています。最も一般的な配置はツイン ターボチャージャーですが、量産車ではトリプル ターボまたはクアッド ターボの配置が時々使用されています。

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ことです。^[52]ターボチャージャーはエンジンに直接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るため、ポンピング損失が増加します。^[52]

スーパーチャージャー付きエンジンは、スロットル応答が重要な懸念事項となる用途でよく使用され、吸入空気が熱を吸収する可能性が低くなります。

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を組み合わせることで、両方の弱点を軽減することができます。^[53]この技術はツインチャージングと呼ばれています。

ターボチャージャーは次のような用途で使用されています。

• ガソリン車のエンジン
• ディーゼル車およびバンのエンジン
• オートバイのエンジン（非常にまれ）
• ディーゼルエンジン搭載トラック、1938年にザウラートラックから始まった^[54]
• バスおよびコーチ用ディーゼルエンジン
• 航空機ピストンエンジン
• 船舶用エンジン
• 列車用機関車およびディーゼル機関車
• 定置型/産業用エンジン

2017年、米国で販売された自動車の27％がターボチャージャー付きだった。^[55]欧州では、2014年に全車両の67％がターボチャージャー付きだった。^[56]歴史的に、ターボチャージャーの90％以上はディーゼルだったが、ガソリンエンジンへの採用が増加している。^[57]欧州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、ギャレットモーション（旧ハネウェル）、ボルグワーナー、三菱ターボチャージャーである。^{[2] [58] [59]}

ターボチャージャーの故障とそれに伴う排気ガスの高温化は、自動車火災の原因の一つである。^[60]

シールが故障すると、オイルが排気システムに漏れ、青灰色の煙が発生します。

ウィキメディア・コモンズには、ターボ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
• エンジンのダウンサイジング
• 排気脈圧充填
• ホットV字型ターボチャージャーエンジン