ウェイストゲート

ウェイストゲートは、ターボチャージャー付きエンジンシステムにおいてタービンホイールへの排気ガスの流れを制御するバルブである。^[1]

排気ガスの転換によりタービン速度が調整され、それがコンプレッサーの回転速度を調整します。ウェイストゲートの主な機能は、ターボチャージャーシステムの最大ブースト圧力を調整し、エンジンとターボチャージャーを保護することです。フリーフロート（または非WG）ターボにリモートマウントウェイストゲートを取り付ける利点の1つは、A/Rタービンハウジングを小さくできるため、ターボが回転してブーストを生成するまでの遅延時間が短くなることです。^[2]現代のウェイストゲートが最も早く使用された例の1つは、1977年に発表されたサーブ99ターボ1978です。 ^[3]

外部ウェイストゲートは独立した自己完結型の機構で、通常は内部ウェイストゲートを持たないターボチャージャーで使用されます。外部ウェイストゲートには、ウェイストゲートにつながる専用ランナーを備えた特別に構築されたターボマニホールドが必要です。外部ウェイストゲートは、排気ハウジング自体の一部である場合があります。外部ウェイストゲートは、高出力アプリケーションでブーストレベルをより正確に調整するために一般的に使用され、高いブーストレベルが達成されます。外部ウェイストゲートは、バルブまたはスプリングをターボチャージャーとタービンハウジングに統合する制約がないため、はるかに大きくなります。内部ゲートターボチャージャーで外部ウェイストゲートを使用することは可能です。これは、簡単にボルトで固定でき、アクチュエータアームの動きを制限して開かないようする特別に設計されたブラケットによって実現できます。別の方法としては、内部ウェイストゲートを溶接して永久に開かないようにする方法がありますが、溶接が失敗すると再び開く可能性があります。

外部ウェイストゲートは、一般的にシリンダーヘッドにあるポペットバルブに似たバルブを使用します。ただし、カムシャフトではなく空気圧で制御され、反対方向に開きます。外部ウェイストゲートではバタフライバルブも使用できますが、あまり一般的ではありません。

内部ウェイストゲートは、ターボチャージャーハウジング内に内蔵されたバイパスバルブと通路で、これにより、過剰な排気圧がタービンをバイパスして下流の排気口に流れます。吸気マニホールドからの圧力信号による内部ウェイストゲートバルブの制御は、外部ウェイストゲートの制御と同じです。利点は、外部ウェイストゲート配管が不要で、設置が簡単でコンパクトであることです。さらに、すべての廃棄排気ガスは自動的に触媒コンバータと排気システムに戻ります。多くの OEM ターボチャージャーはこのタイプです。外部ウェイストゲートと比較した欠点は、内部バイパスバルブの直径が比較的小さいため、排気圧を逃がす能力が限られていることと、ブースト状態での効率が低いことです。

「分離型」ウェイストゲートは、エンジンの排気ガスと一緒にガスを戻すのではなく、ガスを直接大気中に放出します。これは、排気流の乱流を防ぎ、排気システム内の総背圧を下げるために行われます。分離型ウェイストゲートダンパーパイプは、消音されていない排気ガスとそれに伴う大きな騒音のため、一般的にスクリーマーパイプと呼ばれています。 ^[4]

ウェイストゲートの最も単純な制御は、オペレーターがウェイストゲートバルブの位置を直接制御できるようにする機械的なリンクです。この手動制御は、一部のターボチャージャー付き軽飛行機で使用されています。^[5]

ウェイストゲートの最もシンプルな閉ループ制御は、チャージエア側からウェイストゲートアクチュエータにブースト圧力を直接供給することです。ターボチャージャーコンプレッサー出口、チャージパイプ、または吸気マニホールドからウェイストゲートアクチュエータのニップルに細いホースを接続できます。ウェイストゲートは、ブースト圧力がウェイストゲートアクチュエータのスプリングの力に逆らって押し付けられ、平衡状態に達するまでさらに開きます。電子ブーストコントローラーを統合することで、よりインテリジェントな制御を追加できます。

標準のウェイストゲートには、チャージエア供給ラインまたはブースト制御ソレノイドからのブースト制御ラインを接続するためのポートが 1 つあります。内部ウェイストゲート アクチュエータの最近の進歩により、デュアル ポート制御が可能になりました。

デュアル ポート ウェイストゲートは、アクチュエータの反対側に 2 番目のポートを追加します。この 2 番目のポートに入る空気圧により、スプリングがウェイストゲートを閉じる方向に強く押されます。これは、最初のポートと正反対です。ブースト圧が上昇してもウェイストゲートを閉じたままにする機能を高めることができます。これにより、ブースト制御がさらに複雑になり、ソレノイドにさらに多くの制御ポートが必要になるか、独自の別のソレノイドを備えた完全な 2 番目のブースト制御システムが必要になる場合があります。2 番目のポートの使用は必須ではありません。セカンダリ ポートは、プライマリ ポートとは異なり、ブースト制御ラインに簡単に接続することはできず、電子制御または手動制御が必要になります。CO _{2 を}使用して 2 番目のポートに圧力をかけ、より細かいレベルでブーストを制御することもできます。

1940 年代の航空機エンジンには、 B-17 フライングフォートレスのライト R-1820など、電動ウェイストゲートを備えたものがありました。ゼネラルエレクトリックは、これらのシステムの最大手メーカーでした。コンピュータの時代になる前だったため、これらは完全にアナログでした。パイロットは、さまざまなブーストレベルを選択するためのコックピットコントロールを持っていました。電動ウェイストゲートは、エンジンコントロールを電気システムから分離することを義務付ける設計思想により、すぐに人気がなくなりました。2011 年モデルから、ヒュンダイ ソナタに導入された 2.0 リッター Theta II ターボチャージ付きガソリン直噴 (GDI) エンジンには、PCM で操作される電子サーボ ウェイストゲート アクチュエータが含まれています。これにより、ターボブーストが不要なときにウェイストゲートを開くことでターボチャージャーによって引き起こされる排気背圧を減らすブースト制御戦略が可能になり、燃費が向上します。ウェイストゲートは冷間始動時にも開いたままになり、初期の触媒ライトオフを早めて排出量を減らします。^[6] 2015年11月から、^[7]ホンダアースドリームスの1.5リッター直噴ターボエンジンにはECU駆動の電動ウェイストゲートが採用されています。これはホンダシビック2016年モデルで初めて導入され、2017年にはCR-Vに続きました。2018年には、ホンダアコードの2.4リッターと3.6リッターの6気筒自然吸気エンジンに代わって、1.5リッターと2.0リッターのターボ直噴エンジンが搭載されました。^[8]

現代のターボチャージャー付き航空機のほとんどは、エンジン オイルを流体とする油圧ウェイストゲート コントロールを使用しています。LycomingとContinentalのシステムは同じ原理で動作し、名前のみが異なる同様の部品を使用しています。ウェイストゲート アクチュエータ内では、スプリングの働きでウェイストゲートが開き、油圧の働きでウェイストゲートが閉じます。ウェイストゲート アクチュエータのオイル出力側には、密度コントローラがあります。これは、上部デッキの圧力を感知し、ウェイストゲート アクチュエータからエンジンにオイルが流れる速度を制御する空気制御オイル バルブです。航空機が上昇して空気の密度が低下すると、密度コントローラがバルブをゆっくり閉じてウェイストゲート アクチュエータにオイルを閉じ込め、ウェイストゲートを閉じてターボチャージャーの速度を上げ、定格出力を維持します。一部のシステムでは、差圧コントローラも使用されており、これはスロットル プレートの両側の空気圧を感知し、ウェイストゲートを調整して設定された差圧を維持します。これにより、ターボチャージャーの低い作業負荷と迅速なスプールアップ時間の間の最適なバランスが維持され、ブートストラップ効果によるサージングも防止されます。

ウェイストゲートのサイズは、希望するブーストレベルに反比例し、エンジンのサイズやパワーとはある程度無関係です。あるベンダーのウェイストゲートのサイズガイドは次のとおりです。^[9]

• 大型ターボ/低ブースト = 大型ウェイストゲート
• 大型ターボ/高ブースト = 小型ウェイストゲート
• 小型ターボ/低ブースト = 大型ウェイストゲート
• 小型ターボ/高ブースト = 小型ウェイストゲート

しかし、排気流量はパワーの影響です。そのため、別の決定チャートは次のようになります。^[要出典]

• 大きなターボ/小さなエンジン/小さなパワー = 小さなウェイストゲート
• 大型ターボ/小型エンジン/大出力 = 大型ウェイストゲート
• 小型ターボ/小型エンジン/小型パワー = 小型ウェイストゲート
• 大型ターボ/大型エンジン/小型パワー = 中型ウェイストゲート
• 小型ターボ/大型エンジン/あらゆるパワーレベル = 大型ウェイストゲート
  • 理由: 小型タービンは、排気ガス量が多すぎると簡単にオーバースピンしてしまいます。

• 自動パフォーマンス制御(APC)
• ダンプバルブ
• 排気ガス再循環（EGR）