人々がレースカーや高性能スポーツカーについて話すとき、ターボチャージャーの話題は通常出てきます。ターボチャージャーは大型ディーゼルエンジンにも搭載されています。ターボは、エンジンの重量を大幅に増やすことなく、エンジンの馬力を大幅に高めることができます。これは、ターボを非常に人気のあるものにする大きな利点です。
この記事では、ターボチャージャーが極端な動作条件に耐えながらエンジンの出力を増加させる方法を学びます。また、ウェイストゲート、セラミックタービンブレード、ボールベアリングがターボチャージャーの仕事をさらに向上させるのにどのように役立つかについても学びます。ターボチャージャーは、の一種である過給機システム。それらはエンジンに流入する空気を圧縮します（自動車エンジンのしくみを参照）通常のエンジンの気流の説明について）。空気を圧縮することの利点は、エンジンがより多くの空気をシリンダーに押し込むことができることです。また、より多くの空気は、より多くの燃料を追加できることを意味します。したがって、各シリンダーの各爆発からより多くのパワーを得ることができます。ターボチャージャー付きエンジンは、充電なしの同じエンジンよりも全体的に多くの出力を生成します。これにより、エンジンのパワーウェイトレシオを大幅に向上させることができます（詳細については、馬力のしくみを参照してください）。
このブーストを達成するために、ターボチャージャーはエンジンからの排気流を使用してタービンを回転させ、タービンは次にエアポンプを回転させます。ターボチャージャーのタービンは、最大150,000回転/分（rpm）の速度で回転します。これは、ほとんどの自動車エンジンの約30倍の速度です。また、排気口に接続されているため、タービン内の温度も非常に高くなっています。
ターボチャージャーを追加した場合にエンジンからどれだけ多くのパワーが期待できるかを知るために読み続けてください。
- ターボチャージャーとエンジン
- ターボチャージャーの設計
- ターボチャージャー部品
- 2つのターボチャージャーとより多くのターボパーツを使用する
ターボチャージャーとエンジン
エンジンからより多くのパワーを引き出す最も確実な方法の1つは、燃焼できる空気と燃料の量を増やすことです。これを行う1つの方法は、シリンダーを追加するか、現在のシリンダーを大きくすることです。時々、これらの変更は実行可能でないかもしれません-ターボは、特にアフターマーケットアクセサリーのために、パワーを追加するためのより簡単でよりコンパクトな方法である可能性があります。
ターボチャージャーは、既存のシリンダーにより多くを詰め込むことにより、エンジンがより多くの燃料と空気を燃焼することを可能にします。ターボチャージャーによって提供される一般的なブーストは、1平方インチあたり6〜8ポンド（psi）です。通常の大気圧は海面で14.7psiであるため、エンジンに約50％多くの空気が流入していることがわかります。したがって、50％多くの電力を得ることが期待されます。完全に効率的ではないため、代わりに30〜40％の改善が得られる可能性があります。
非効率の原因の1つは、タービンを回転させる力が自由ではないという事実にあります。排気流にタービンがあると、排気の制限が大きくなります。これは、排気行程で、エンジンがより高い背圧に逆らって押す必要があることを意味します。これにより、同時に発火しているシリンダーから少しの電力が差し引かれます。
ターボチャージャーの設計
ターボチャージャーはエンジンのエキゾーストマニホールドにボルトで固定されています。シリンダからの排気は、回転タービンのように動作し、ガスタービンエンジン。タービンは、エアフィルターとインテークマニホールドの間にあるコンプレッサーにシャフトで接続されています。コンプレッサーはピストンに入る空気を加圧します。
シリンダーからの排気はタービンブレードを通過し、タービンを回転させます。ブレードを通過する排気が多いほど、ブレードの回転が速くなります。
タービンが取り付けられているシャフトのもう一方の端では、コンプレッサーがシリンダーに空気を送り込みます。コンプレッサーは遠心ポンプの一種で、ブレードの中央から空気を吸い込み、回転しながら外側に飛ばします。
最大150,000rpmの速度を処理するには、タービンシャフトを非常に注意深く支持する必要があります。ほとんどのベアリングはこのような速度で爆発するため、ほとんどのターボチャージャーは流体ベアリングを使用します。このタイプのベアリングは、シャフトの周りに絶えずポンプで送られるオイルの薄い層でシャフトを支えます。これには2つの目的があります。シャフトと他のターボチャージャー部品の一部を冷却することと、シャフトをあまり摩擦なく回転させることです。
エンジン用のターボチャージャーの設計には、多くのトレードオフが関係しています。次のセクションでは、これらの妥協点のいくつかを見て、それらがパフォーマンスにどのように影響するかを確認します。
ブーストが多すぎますか？
ターボチャージャーによって圧力がかかった状態で空気がシリンダーに送り込まれ、ピストンによってさらに圧縮されると（デモについては自動車エンジンのしくみを参照）、ノックの危険性が高くなります。空気を圧縮すると空気の温度が上昇するため、ノッキングが発生します。温度は、スパークプラグが点火する前に燃料に点火するのに十分に上昇する可能性があります。ターボチャージャーを搭載した車は、ノックを避けるために、より高いオクタン価の燃料で走行する必要があることがよくあります。ブースト圧が非常に高い場合は、ノッキングを防ぐためにエンジンの圧縮比を下げる必要がある場合があります。
ターボチャージャー部品
ターボチャージャーの主な問題の1つは、ガスを踏んだときにすぐにパワーブーストが得られないことです。ブーストが生成される前に、タービンが速度を上げるのに1秒かかります。その結果、ガスを踏んだときに遅れが生じ、ターボが動くと車が前方に突進します。
ターボラグを減らす1つの方法は、主に重量を減らすことによって、回転部品の慣性を減らすことです。これにより、タービンとコンプレッサーが急速に加速し、より早くブーストを提供し始めることができます。タービンとコンプレッサーの慣性を減らす確実な方法の1つは、ターボチャージャーを小さくすることです。小さなターボチャージャーは、より速く、より低いエンジン速度でブーストを提供しますが、非常に大量の空気がエンジンに流入している場合、より高いエンジン速度ではあまりブーストを提供できない場合があります。また、大量の排気ガスがタービンを通過している場合、エンジン回転数が高くなると回転が速すぎる危険性があります。
ほとんどの自動車用ターボチャージャーにはウェイストゲートがあります。これにより、小型のターボチャージャーを使用してラグを減らし、エンジンの高速回転での回転が速すぎるのを防ぐことができます。ウェイストゲートは、排気ガスがタービンブレードをバイパスできるようにするバルブです。ウェイストゲートはブースト圧を感知します。圧力が高くなりすぎると、タービンの回転が速すぎることを示している可能性があります。そのため、ウェイストゲートはタービンブレード周辺の排気の一部をバイパスし、ブレードの速度を低下させます。
一部のターボチャージャーは、タービンシャフトをサポートするために流体ベアリングの代わりにボールベアリングを使用します。しかし、これらは通常のボールベアリングではありません。ターボチャージャーの速度と温度を処理するための高度な材料で作られた超精密ベアリングです。それらは、ほとんどのターボチャージャーで使用されている流体軸受よりも少ない摩擦でタービンシャフトを回転させることができます。また、わずかに小さくて軽いシャフトを使用することもできます。これにより、ターボチャージャーがより速く加速し、ターボラグがさらに減少します。
セラミックタービンブレードは、ほとんどのターボチャージャーで使用されているスチールブレードよりも軽量です。繰り返しになりますが、これによりタービンの回転速度が速くなり、ターボラグが減少します。
2つのターボチャージャーとより多くのターボパーツを使用する
一部のエンジンは、サイズの異なる2つのターボチャージャーを使用します。小さい方は非常に速く回転して速度が上がり、ラグが減少しますが、大きい方はより高いエンジン速度で引き継いでより多くのブーストを提供します。
空気が圧縮されると、熱くなります。空気が熱くなると膨張します。したがって、ターボチャージャーからの圧力上昇の一部は、エンジンに入る前に空気を加熱した結果です。エンジンの出力を上げるための目標は、必ずしもより多くの空気圧ではなく、より多くの空気分子をシリンダーに取り込むことです。
インタークーラーや担当空気冷却器は、のようになります追加のコンポーネントであるラジエーター空気が内部だけでなく、インタークーラーの外側を通過する以外、。吸気はクーラー内部の密閉された通路を通過し、外部からのクーラー空気はエンジン冷却ファンによってフィンを横切って吹き付けられます。
インタークーラーは、コンプレッサーから出てくる加圧空気をエンジンに入れる前に冷却することで、エンジンの出力をさらに高めます。これは、ターボチャージャーが7 psiのブーストで動作している場合、インタークーラーシステムは7 psiのより冷たい空気を投入することを意味します。これは、より密度が高く、より暖かい空気よりも多くの空気分子を含みます。
ターボチャージャーは、空気の密度が低い高地でも役立ちます。通常のエンジンは、ピストンの各ストロークでエンジンが受ける空気の質量が少なくなるため、高高度で出力が低下します。ターボチャージャー付きエンジンでも出力が低下する可能性がありますが、空気が薄いほどターボチャージャーがポンピングしやすいため、低下はそれほど劇的ではありません。
キャブレターを備えた古い車は、シリンダーに入る気流の増加に合わせて燃料レートを自動的に増加させます。燃料噴射を備えた現代の車も、これをある程度まで行います。燃料噴射システムは、排気ガスの酸素センサーに依存して空燃比が正しいかどうかを判断するため、ターボが追加されると、これらのシステムは自動的に燃料流量を増やします。
ブーストが多すぎるターボチャージャーが燃料噴射車に追加された場合、システムは十分な燃料を供給できない可能性があります-コントローラーにプログラムされたソフトウェアがそれを許可しないか、ポンプとインジェクターがそれを供給できません。この場合、ターボチャージャーから最大の利益を得るには、他の変更を行う必要があります。
ターボチャージャーと関連トピックの詳細については、次のページのリンクを確認してください。
初版：2000年12月4日
