ツインチャージャー

ツインチャージャーとは、一部の内燃機関で使用される複合強制誘導システムを指します。排気駆動ターボチャージャーと機械駆動スーパーチャージャーを組み合わせたもので、それぞれの弱点を補います。

ツインチャージングは​​、ツインターボの配置を指すのではなく、2 つの異なるタイプのコンプレッサーが使用されるセットアップを指します (ターボチャージャーまたはスーパーチャージャーのみではなく)。

機械駆動式スーパーチャージャーは、排気マニホールドの加圧に依存しないため、優れた応答性と低回転性能を発揮します（低回転域で大幅なブーストが得られない遠心式スーパーチャージャーではなく、ルーツ式やツインスクリューなどの容積式設計の場合）。ただし、寄生負荷が増加するため、ターボチャージャーよりも効率は低くなります。大量の空気を移動させるサイズのターボチャージャーは、スロットル入力に対する応答が遅くなる傾向があり、より小型で応答性の高いターボチャージャーは、エンジンの高回転域で十分なブースト圧力を提供できない場合があります。

大型ターボチャージャーに特有の許容できない遅延時間は、スロットル入力に反応してはるかに速く大きなブースト圧力を生成する傾向があるスーパーチャージャーと組み合わせることで効果的に中和され、最終結果は、低エンジン速度で高いトルクと高回転域での出力増加を伴う遅延のないパワーバンドになります。したがって、ツインチャージングは​​、広い速度範囲にわたって人工的に広いトルクバンドを利用できるため、特に動作回転数範囲の広い 小排気量モーター（VW の1.4TSIなど）に適しています。

ツインチャージャー システムは、スーパーチャージャーとターボチャージャーを補完的に組み合わせ、一方のコンプレッサーの利点がもう一方の欠点を補うように設計されています。ツインチャージャー システムには、直列と並列の 2 つの一般的なタイプがあります。

直列配置は、ツインチャージャーのより一般的な配置で、1 つのコンプレッサーの出力が別のコンプレッサーの入口に供給されるように設定されます。スーパーチャージャーは、中型から大型のターボチャージャーに接続されます。スーパーチャージャーは、ほぼ瞬時にマニホールド圧力を提供します (ターボチャージャーが動作速度に達していない場合に発生するターボラグを排除します)。ターボチャージャーが動作速度に達すると、スーパーチャージャーは加圧空気をターボチャージャーの入口に送り続ける (吸入圧力を高める) か、電磁クラッチとバイパス バルブを介してドライブトレインからバイパスおよび/または機械的に切り離して、吸入効率を高めることができます。

バイパス システムが採用されておらず、両方のコンプレッサーが連続的に使用されている他の直列構成もあります。その結果、2 つのコンプレッサーの圧力比が加算されるのではなく、乗算されるため、複合ブーストが常に生成されます。言い換えると、10 psi (0.7 bar) を生成するターボチャージャーが、10 psi を生成するスーパーチャージャーに供給された場合、結果として生じるマニホールド圧力は 20 psi (1.4 bar) ではなく 27 psi (1.9 bar) になります。この形式の直列ツインチャージングにより、他のコンプレッサー構成では非効率的または達成できないブースト圧力の生成が可能になります。

ただし、ターボチャージャーとスーパーチャージャーの効率は掛け算されません。たとえば、効率 70% のターボチャージャーから効率 60% のルーツ スーパーチャージャーに空気を供給した場合、全体の圧縮効率はその中間になります。この効率を計算するには、2 つのステージの効率を計算する必要があります。まず、第 1 ステージの出口での圧力と温度の条件を計算し、そこから第 2 ステージを計算します。前の例に従うと、効率 70% のターボチャージャーの第 1 ステージの場合、第 1 ステージの後に温度が 88.5 °C (191.3 °F) に達し、その後、効率 60% のスーパーチャージャーに入り、温度 186.5 °C (367.7 °F) で出て行くため、全体の効率は 62% になります。大型ターボチャージャーは、それ自体で 27 psi (1.9 bar) を生成し、熱効率は約 70% ですが、生成される空気の温度はわずか 166 °C (331 °F) です。さらに、スーパーチャージャーで空気を圧縮するためのエネルギー コストは、ターボチャージャーよりも高くなります。スーパーチャージャーが空気を圧縮していない場合、スーパーチャージャーの動作部品を回転させることによるわずかな寄生損失のみが残ります。この残りの損失は、電磁クラッチ (低負荷状態でスーパーチャージャーをバイパスするために VW 1.4TSI や Toyota 4A-GZEで使用されているものなど) を使用してスーパーチャージャーをさらに切断することで排除できます。

直列ツインチャージングでは、ターボチャージャーはより安価で耐久性の高いジャーナル ベアリングタイプにすることができ、ブースト応答の犠牲は容積式スーパーチャージャーの瞬時オン特性によって十分に補われます。スーパーチャージャー アセンブリの重量とコストは常に要因となりますが、ターボチャージャーが動作速度に達し、バイパス バルブによってスーパーチャージャーが効果的に切断されると、スーパーチャージャーの非効率性は最小限に抑えられます。

並列配置では、通常、バイパス バルブまたはダイバータ バルブを使用して、1 つまたは両方のコンプレッサーがエンジンに最適な空気を供給できるようにする必要があります。バルブを使用せず、両方のコンプレッサーを単に吸気マニホールドに直接ルーティングすると、スーパーチャージャーは、最も抵抗の少ない経路である吸気マニホールドを加圧するのではなく、ターボチャージャー コンプレッサーを介して逆流します。したがって、適切な吸気マニホールド圧力に達するまで、ダイバータ バルブを使用してターボチャージャーの空気を排出する必要があります。

ツインチャージングの主な欠点は、部品の複雑さと費用です。通常、許容できる応答性、スムーズな動力伝達、およびシングルコンプレッサーシステムを超える十分な動力ゲインを実現するには、高価な電子制御および/または機械制御を使用する必要があります。火花点火エンジンでは、スーパーチャージャーが高ブーストレベルを生成する場合は、低圧縮比も使用する必要があります。これにより、低排気量エンジンの効率の利点の一部が打ち消されます。

ツインチャージングのコンセプトは、1985年にランチアがランチア デルタS4 グループB ラリーカーと公道仕様のデルタS4 ストラダーレで初めて採用しました。このアイデアは日産のマーチ スーパーターボでも市販車に採用され、成功を収めました。^{[1]さらに、複数の企業が}スバル インプレッサWRX、ミニ クーパーS、フォード マスタング、トヨタ MR2などの車向けにアフターマーケットのツインチャージャーキットを製造しています。

フォルクスワーゲン1.4 TSIは、 VW グループの多数の自動車に搭載されている 1400 cc エンジンで、ターボチャージャーとスーパーチャージャーの両方が使用され、8 つの出力定格が用意されています。

ボルボは、T6、T8、およびポールスター モデルに使用されている 1969 cc 直列 4 気筒ツインチャージ エンジンを製造しています。T8 は、T6 に後部電気モーターを追加したものです。

ジャガー・ランドローバーはツインチャージの3.0L直列6気筒エンジンを生産しています。

デンマークのスーパーカーZenvo ST1 は、7.0 リッター V8 エンジンでターボチャージャーとスーパーチャージャーの両方を採用しています。

アンチラグ システムは、2 つの方法のいずれかで機能します。1 つは、非常に濃い空燃比で稼働し、排気管に空気を送り込んで排気マニホールド内の未燃焼燃料に点火する方法、もう 1 つは、点火時期を大幅に遅らせて、排気バルブが開いた後も燃焼が継続するようにする方法です。どちらの方法でも、ターボチャージャーの回転を維持するために排気マニホールド内で燃焼が発生しますが、この熱によってタービンの寿命が大幅に短くなります。したがって、ツインチャージングは​​複雑ですが、レースカーのアンチラグ システムに対する最大の利点は信頼性です。

可変ジオメトリターボチャージャーは、さまざまなエンジン速度での応答性を向上させます。電子制御の可変入射角により、タービンを高速または低速で適切な動作速度に到達させることができ、高エンジン速度での有用性を大幅に低下させることはありません。

ツインスクロールターボチャージャーの設計では、2 つの独立したチャンバーを使用して、交互に発生する排気ガスの脈動からエネルギーをより有効に活用します。チャンバーのノズルのサイズも異なるため、低回転応答と高回転出力のバランスをより良く保つことができます。

シーケンシャル ターボチャージャー システムは、異なるサイズのターボチャージャーを使用して、最終的なブースト出力とエンジン出力を犠牲にすることなくターボラグを減らします。

亜酸化窒素(N ₂ O) は吸入空気と混合され、ターボチャージャーの回転速度が低いときに補助動力としてより多くの燃料を燃焼させる酸化剤として機能します。これにより排気ガスも増えるため、ターボチャージャーはより速く動作速度に達し、燃焼用の酸素が増え、それに応じて N ₂ O の流量が減少します。システム自体と消費される N ₂ O の両方のコストは、かなり高額になる可能性があります。

エンジン出力を増大させ、強制誘導のその他の利点を強化するために、ガソリンおよびディーゼル内燃エンジンの両方の誘導システムに アフターマーケットの水噴射システムを追加することができます。

• http://www.greencarcongress.com/2005/08/inside_vws_new_.html 2006-12-17 にWayback Machineでアーカイブ