ターボチャージャーのしくみ

この模型で見られること

ターボ付きの小さな車で、低い速度からアクセルを踏むと、1 秒ほどはあまり何も起きません。そのあと、エンジンが大きくなったかのように車がぐっと加速します。この間と、この押し出しは、どちらも模型の真ん中にある部品から来ています。ターボチャージャーです。エンジン自身の排気で回る小さな送風機で、シリンダーに余分な空気を吹き込みます。

模型は 2.0 リットルの 4 気筒ガソリンエンジンで、ターボ 1 基、前置きのインタークーラー、それらをつなぐ配管が付いています。ターボは軸に沿って切ってあり、赤い面が切り口です。オレンジの点は排気ガスです。青い点は新しい空気で、空気が温まると紫になり、冷えるとまた青に近づきます。黄色い点はオイルです。表示には、ターボ軸の回転数、過給圧、コンプレッサー出口とインタークーラー出口の空気の温度、各シリンダーが吸い込む空気の量、出力が出ます。どれも「操作」の設定から、このページの後半にある式で計算しています。下のグラフは直近 8 秒を表しているので、スロットルを動かしたときにターボが追いついてくる様子が見られます。

数値は、よくある小排気量ターボガソリンエンジンを想定した模型の値です。どのメーカーのデータでもありません。模型で省いたことは、終わりに近い節にまとめてあります。

エンジンが密度の高い空気を欲しがるわけ

ガソリンエンジンは、吸い込んだ空気の中の酸素で燃料を燃やします。燃やせる燃料の量は、その空気の量で決まります。4 ストロークエンジンの展示にあるように、各シリンダーはクランク軸が 2 回転するごとに 1 回空気で満たされます。満たす容積はボアとストロークで決まっているので、空気を多く入れるには、届く前に空気の密度を上げるしかありません。

この模型では、4 つのシリンダーはそれぞれ 0.5 リットルの行程容積を持ち、その 90% まで空気で満たされます（これが体積効率です）。25 °C、海面の標準的な気圧の外気の密度は 1.184 kg/m³ なので、自力で呼吸するシリンダーが 1 回の吸気行程で吸い込む空気は

0.9 × 0.0005 m³ × 1.184 kg/m³ = 533 mg です。

6,000 rpm では、エンジン全体で毎秒 107 グラムの空気になります。空燃比 14.7、正味熱効率 30% で燃やすと、この空気で燃やせる燃料から 94 kW が得られます。ターボを 1 bar の過給にし、インタークーラーを働かせると、同じシリンダーに 984 mg が入り、エンジンは 173 kW を出します。エンジンが大きくなったわけではありません。空気がぎゅっと詰め込まれたのです。

排気がタービンを回し、軸がコンプレッサーを回す

シリンダーを出る排気は熱く、圧力もあります。ターボのないエンジンでは、このエネルギーはテールパイプから捨てられます。ここでは、排気マニホールドの 4 本の管が排気をタービンハウジングへ送ります。タービンハウジングはタービンホイールのまわりを 1 周する鋳鉄の渦巻き室で、先へ行くほど細くなります。細くなることでガスは速くなって旋回を始め、羽根車の 11 枚の羽根のあいだを内側へ流れてから、軸に沿ってダウンパイプへ抜けます。羽根を押すガスの力が羽根車を回します。

同じ鋼の軸の反対端にはコンプレッサーホイールが付いているので、まったく同じ速さで回ります。フィルターから来た空気は軸に沿って入り、曲がった羽根が外周で空気を外へ投げ出します。コンプレッサーを囲むアルミの渦巻き室は先へ行くほど広がり、速い空気を減速させて、その速さを圧力に変えます。熱いガスから仕事を取り出すタービンと、その仕事を冷たい空気に与えるコンプレッサーという組み合わせは、ジェットエンジンを動かすしくみと同じです。ただし、ここでは両者のあいだに燃焼器はなく、燃やすのはエンジンのシリンダーです。

どれくらい速く回るのでしょうか。大手メーカーのひとつ Garrett によると、最も大きなターボは最高 63,000 rpm、最も小さなものは 300,000 rpm を超えて回ります。模型のコンプレッサーホイールは直径 50 mm で、1 bar の過給を得るにはおよそ 142,000 rpm で回る必要があります。このとき外周の速さは

2π × 0.025 m × 142,300 / 60 s = 373 m/s

で、外気中の音速より速くなります。画面の羽根車は、表示の値の 2,000 分の 1 の速さで回しています。

オイルに浮かぶ軸

多くのターボは、軸を普通のブッシュと油膜で支えています。高性能ターボの中には、代わりに専用のボールベアリングを使うものもあります。模型では、編組ホースがエンジンオイルをメインギャラリーからセンターハウジングの上まで運びます。オイルは、軸とハウジングのあいだに浮かぶ 2 個の青銅ブッシュのまわりのすき間を満たし、軸は金属に触れずにこの油膜の上で回ります。コンプレッサーの隣にあるスラスト軸受が、軸方向に押す力を受け止めます。オイルはそのあと下の大きな排出口から落ちてオイルパンへ戻ります。そのため、戻りのホースは太く、まっすぐ下を向いています。

オイルは熱も運びます。タービン側は排気につかり、コンプレッサー側は外気を吸っていて、センターハウジングはその橋渡しです。同じ理由で、センターハウジングに冷却水ジャケットを加えてオイルの過熱を防ぐターボもあります。

空気は圧縮すると熱くなる

自転車のタイヤに空気を入れると、空気入れの筒が温かくなります。コンプレッサーは同じことをずっと速く行うので、空気は熱を逃がす暇がありません。損失のない理想的なコンプレッサーでは、出口の温度は

T₂ = T₁ × PR^((γ−1)/γ)

です。PR は圧力比で、空気では γ = 1.4 です。外気の 1.013 bar に 1 bar の過給を加えると、圧力比は 1.987 になります。298.15 K（25 °C） から始めると、

298.15 K × 1.987^0.286 = 362.8 K、およそ 90 °C です。

実際のコンプレッサーは、仕事の一部を余分な熱として失います。模型では効率を 72% とし、温度の上がり幅をこれで割ります。

T₂ = 298.15 × (1 + (1.2168 − 1) / 0.72) = 387.9 K、およそ 115 °C です。

これが表示の「コンプレッサー出口」の行です。過給圧の上限を 1.5 bar まで上げると 148 °C になります。この仕事には動力が要ります。空気 1 キログラムあたり 90 kJ、6,000 rpm ではおよそ 18 kW で、すべてタービンが排気から取り出しています。

吸気を冷やすと密度が戻る

熱い空気は薄い空気です。理想気体の法則は、三つの量を ρ = p / (R T) で結びます。空気では R = 287 J/(kg·K) です。1 bar の過給では、コンプレッサーを出る空気は 201,325 Pa、387.9 K なので、

ρ = 201,325 / (287.05 × 387.9) = 1.808 kg/m³ です。

圧力はほぼ倍増したのに、密度は 1.53 倍にしかなっていません。得た分のかなりの部分が熱になったからです。熱い空気がシリンダーに入ると、混合気はノッキング、つまり点火プラグの火花より先に燃料がひとりでに燃え出す状態にも近づきます。

インタークーラーは吸気のためのラジエーターです。吸気は平たいチューブの中を通り、車の前から来る風がチューブのあいだのフィンを吹き抜けます。模型のインタークーラーは、温度の上がり幅の 75% を取り除きます。

T₃ = 387.9 − 0.75 × (387.9 − 298.15) = 320.6 K、およそ 47 °C です。

同じ圧力で、密度は 201,325 / (287.05 × 320.6) = 2.188 kg/m³ となり、外気の 1.85 倍です。「操作」でインタークーラーを切ると、4,000 rpm での出力は、過給圧はまったく変わらないまま 115 kW から 95 kW に下がります。

過給圧を上限で止める

エンジン回転数が高いと、排気はターボが必要とする量よりずっと多くなります。模型では、6,000 rpm、スロットル全開のとき、排気はコンプレッサーを圧力比およそ 3 まで回せてしまい、エンジンが耐えられるように作られた範囲を大きく超えます。これを止めるのがウェイストゲートです。タービンハウジングの中にあるふたで、出口へまっすぐ抜ける通路を開き、ガスの一部をタービンホイールに通さずに流します。ばねとダイヤフラムを入れた密閉容器であるアクチュエーターが、過給圧が上限に達するとふたを押し開きます。Garrett はこう説明しています。あらかじめ決めた圧力でウェイストゲートが開き、排気ガスにタービンを迂回させる、と。

「過給圧の上限」のスライダーは、このあらかじめ決めた圧力を動かします。4,000 rpm ではふたは 16% ほど開き、6,000 rpm ではおよそ半分開きます。表示では、エンジン回転数が上がっても過給圧が 1 bar のままなのがわかります。上限を 0 にするとふたは全開のままになり、エンジンはターボのないエンジンと同じように呼吸して、6,000 rpm でおよそ 94 kW を出します。

力が遅れてやってくるわけ

ターボは、排気が押せる速さでしか回転を上げられません。スロットルを少し開けて走っているときは、排気はあまり多くありません。スロットルを全開にしても、エンジンは最初、自分で吸い込める空気しか得られません。それで排気が少し増え、ターボが少し速く回り、過給圧が少し上がり、ということをくり返して上限に達します。この待ち時間をターボラグといいます。

模型では、軸の回転数が遅れをともなって目標へ上がっていくものとして扱い、排気が少ないほど遅れを長くしています。2,000 rpm でスロットルを 15% から全開にすると、軸はおよそ 19,800 rpm から 101,600 rpm まで上がり、0.7 秒で半分、2.4 秒で 90% に達します。3,500 rpm では、同じ操作で 90% に達するまで 1.7 秒です。ツアーの最後のステップがこの試験を行い、グラフでは赤い軸回転数の線と青い過給圧の線が、灰色のスロットルの線から遅れてついていきます。

もうひとつ、別の効果もあります。エンジン回転数が低いと、どれだけ待っても、排気はターボを最大の過給圧が出るほど速くは回せません。模型では、2,000 rpm でスロットル全開にしても 0.45 bar しか出ず、最大の過給圧はおよそ 3,500 rpm を超えてからです。これを過給の立ち上がり回転数といいます。メーカーはどちらの問題にも、より小さく軽い羽根車、ツインスクロールのハウジング、タービンの可変ベーン、最近では軸に付けた電気モーターで対処しています。

実際のターボとのちがい

• ターボはおおむね実寸の比率で描いていますが、ハウジングの壁、羽根の形、配管の通り道は簡単にしています。
• コンプレッサー効率、インタークーラーの温度効率、エンジンの体積効率は固定の値です。実際のエンジンでは流量や回転数で変わり、メーカーはコンプレッサーを 1 つの数値ではなく性能マップで表します。
• 排気側は、タービンが出せる圧力を表す 1 本の式だけで、残りはウェイストゲートが逃がします。シリンダーごとの排気の脈動、背圧、排気温度はモデルに入れていません。
• エンジンは、空燃比 14.7、効率 30% に固定して燃料を燃やします。実際のターボエンジンは、最大過給のとき混合気を濃くし、ノッキングを避けるために点火時期を遅らせます。
• フィルター、配管、インタークーラーでの圧力損失は省いています。スロットルを閉じたときに圧力を逃がすブローオフバルブもありません。

船のエンジンから小さなガソリン車へ

スイスの技術者アルフレート・ビュッヒ（Alfred Büchi）の 1905 年の特許が、ふつうターボ過給の始まりとされています。ブラウン・ボベリ（Brown Boveri）は 1924 年 6 月に大型エンジン用の最初のターボチャージャー VT402 を完成させ、1926 年に進水したドイツの客船プロイセン（Preussen）とハンザシュタット・ダンツィヒ（Hansestadt Danzig）が、ターボ過給エンジンを積んだ最初の船になりました。どちらもビュッヒの監督のもとで建造されました。続いて航空機です。1930 年代の終わりから、ボーイング B-17 はゼネラル・エレクトリック（General Electric）のターボを積んで飛び、高空の薄い空気の中でもエンジンの出力を保ちました。自動車では、ターボラグと大きさのために長く普及が進みませんでした。今では、小さなエンジンからより大きな出力を引き出すための一般的な方法になっていて、技術者はこれをダウンサイジングと呼んでいます。

過給圧 1 bar で空気量がちょうど倍にならない理由

過給圧計は通常、大気圧よりどれだけ高いかを示します。一方、気体の法則には真空を基準とする絶対圧力を使います。計算を丸めた例として、大気の絶対圧力を 1 bar、吸気温度を一定と仮定します。過給圧 1 bar なら絶対圧力は 2 bar です。ρ = p / (R T) より、絶対圧力が倍になると密度も倍になり、同じシリンダー容積に入る空気の質量も倍になります。ただし、1 bar 増すたびに倍になるわけではありません。絶対圧力 2 bar に 1 bar 加える場合、比は 3 / 2 です。

温度が変わると結果も変わります。絶対圧力を倍にする際、空気が 300 K から 400 K に熱くなると仮定します。これは説明用の仮定であり、模型の別の設定値ではありません。密度比は 2 × 300 / 400 = 1.50 です。同じ圧力で 330 K まで冷やすと、2 × 300 / 330 = 1.82 になります。この計算では冷却器は圧力を加えていません。もともとある容積に、より大きな質量を収められるようにしています。ここでは必ずケルビン温度を使います。摂氏は絶対零度から始まる目盛りではないため、摂氏の数値を割っても正しく計算できません。

展示は丸めた 1 bar ではなく、大気圧 1.013 bar を使います。そのため過給圧 1 bar の圧力比は 2 より少し小さく、温度や密度の表示もこの練習問題と少し違います。実際のインタークーラーには圧力損失があり、フィルターが詰まれば圧縮機入口の圧力も下がります。Garrett の圧縮機マップ解説では、実際の圧力比を求める際に入口と出口の損失を含めています。計器の過給圧だけでは、圧縮機にどれだけ負担がかかるかは分かりません。

出力にも似た誤解があります。酸素が増えると燃料を多く燃やせますが、酸素が燃料の代わりになるわけではありません。混合比と効率を固定した展示では、空気質量の増加に比例して計算上の出力が増えます。実車の制御装置はトルクを制限したり、点火を遅らせたり、混合比を変えたりします。同じ過給圧でも、吸気温度や排気量、出力はエンジンごとに異なります。過給圧は有用な情報ですが、馬力や機械的な安全性を直接測る数値ではありません。

大きな羽根車をむやみに速く回せない理由

先ほどの外周速度の計算は、軸回転数の表示を羽根先端の実際の速度に結び付けます。模型と同じ直径 50 mm の羽根車では、100,000 rpm で約 262 m/s、250,000 rpm では約 654 m/s です。小型ターボで考えられる回転数範囲を使った幾何学的な例であり、この羽根車で許可された運転点ではありません。実物が耐えられるかどうかは、材料、羽根形状、メーカーの回転数上限で決まります。画面の色付き粒子と意図的に遅くした回転では、こうした応力は表せません。

半径が一定なら、羽根の一部を円運動させるのに必要な加速度は角速度の二乗に比例します。回転速度が倍なら、向心加速度は四倍必要です。同じ rpm でも半径が大きいほど先端速度は高くなります。このため大型産業用ターボは自動車用の小型機よりずっとゆっくり回っていても、有効な仕事が少ないとは限りません。MIT の講義は遠心応力を圧縮機の速度制約として扱っています。羽根車の寸法なしで高回転数だけを挙げると、設計上の問題の多くが抜け落ちます。

圧縮機マップには別の制約も表れます。Garrett は横軸に質量流量、縦軸に絶対圧力比を取ります。曲線は軸回転数を示し、効率の島は軸の仕事が熱として無駄になる割合の小さい領域を表します。低流量側のサージは、単に出力が低いことではなく、流れが不安定な状態です。高流量側ではチョークと効率低下が有効な運転範囲を制限し、さらに圧力を上げようとすると過回転になる場合があります。圧縮機は大きければよいわけではありません。必要な速度範囲全体で、エンジンの運転点がそのマップに適している必要があります。

スロットルを急に閉じると、羽根車がまだ回っているのにエンジンが受け入れる空気が減るため、運転点がサージ側に移ることがあります。実際の装置では圧縮機のバイパス弁やブローオフ弁でこれを緩和します。排気側のウェイストゲートとは別の部品です。展示にはその弁も圧縮機マップもないため、サージ音の予測や交換用ターボの適合確認はできません。スロットル試験が示すのは過給の遅れであり、実際の吸気系で起こるすべての不安定現象ではありません。

排気脈動を分ける方法とタービン入口を変える方法

ツインスクロールでも、タービンの羽根車は一つです。ハウジングには分離した排気通路があり、分割されたマニホールドが、選んだシリンダー群の排気を羽根車まで別々に運びます。これにより有効な排気脈動を保ち、シリンダー間の干渉を減らします。BorgWarner の量産六気筒向け技術解説は、分離した通路が低速応答を改善する理由を説明しています。ツインスクロールはツインターボと同じではありません。マニホールドの対応する通路を分けずにハウジングへ仕切りだけを入れても、同じ構成にはなりません。

可変ジオメトリーは別の部分を調整します。タービン周囲の可動案内羽根が、入口通路の有効な広さを変えます。Garrett のディーゼル VGT の説明では、低いエンジン回転数では案内羽根を閉じてタービン動力と過給圧を高め、高回転では開いてより多くの排気を流し、過回転を防ぎます。羽根車そのものが大きくなったり小さくなったりするのではありません。固定ハウジングより広い流量条件に対応できますが、アクチュエーターの複雑さと高温排気への対処は必要です。

どちらの設計でも、ローターを加速するためのエネルギーは必要です。脈動を有効に使い、入口を適切にして応答を短くできても、排気が弱ければ供給できるエネルギーには限界があります。小さなタービンは低速応答を改善する一方、大流量では抵抗になり得ます。大きなタービンは抵抗を減らせても、加速は難しくなる場合があります。適切な選択はエンジンと用途によって決まり、どの設計が常に優れているとも言えません。これらの別形式は展示では選べません。見えているのは、先に説明した固定ジオメトリーとウェイストゲートの例です。

ダウンサイジングで燃料を節約できる条件

ダウンサイジングは、大きなエンジンを小さなものに置き換え、高出力が必要なときに過給する方法です。普通の運転では、最大出力の一部しか使わない時間が多いことを利用します。小型エンジンは摩擦を減らせる場合があり、同じ走行負荷ならスロットルによる絞りも減らせます。排気量の縮小で失うはずの性能をターボで補います。同じ仕事をするエンジンシステム全体を比較する話であり、どのエンジンもターボを付ければ自動的に省燃費になるという意味ではありません。

EPA の自動車動向報告書は、過給を他のエンジン技術とともに分類し、性能と効率への複合的な効果を論じています。こうした車両群のデータは技術の採用状況や完成車の変化を示すもので、ターボ単独による確実な燃料節約量を切り分けるものではありません。車両質量、ギア比、走行抵抗、制御の設定も結果に影響します。公正な比較には、同等の車両を同じ走行条件で試す必要があります。車両や走行サイクルを計算しない展示の出力表示から、特定の節約率を読み取ることはできません。

高い過給圧には限界もあります。吸気の圧力と温度が高くなると、ガソリンエンジンの未燃混合気が、正常な火炎に燃やされる前に自己着火しやすくなります。その結果生じる急速な圧力振動がノッキングであり、意図した火花点火とは異なります。吸気の冷却、十分な耐ノック性を持つ燃料、適切な点火時期が役立ちます。圧縮比も重要ですが、それはシリンダーの幾何学的な容積比であって、圧縮機の圧力比ではありません。別の過程を示す比なので足し合わせてはいけません。模型は効率と混合比を固定し、ノッキングを計算しません。出力の数字が増えても、実車の過給上限を高めてよいということにはなりません。

ベルト駆動の機械式過給機はクランク軸から圧縮の仕事を得るため、排気タービンの加速を待たずに応答できます。ただし、その軸動力はエンジン出力を消費します。電動アシストターボはタービンと圧縮機の共通軸にモーターのトルクを加えます。BorgWarner の eTurbo 資料には、余剰タービンエネルギーを使った発電動作も記されています。同社の別製品 eBooster は通常のターボを補助する電動圧縮機であり、ターボ軸にモーターを付けた装置とは違います。バッテリーのエネルギー、電気損失、排熱も収支に含まれます。どの装置も、無償で圧縮空気を作るわけではありません。

画面で比較する三つの条件

冷却を比較するときは、エンジンを 4,000 rpm、スロットルを全開にし、「過給上限」を 1 bar にします。軸回転数と過給圧の線が落ち着いてから出力を記録し、インタークーラーだけを切り替えます。模型は冷却時に約 115 kW、冷却なしで約 95 kW を示します。過給圧だけでなく、エンジンへ入る温度と気筒当たりの空気量も比較します。これはほぼ同じ圧力で密度を比べる試験であり、エンジンの大きさを変える試験ではありません。

応答を比べるには 2,000 rpm にし、スロットル 15% で十分に安定させます。その後全開にして、直近 8 s のグラフを見ます。スロットルの線が先に動き、ローターの応答に合わせて過給圧が上がります。同じ初期スロットル開度で 3,500 rpm の試験を繰り返します。複数の設定を変えた直後では初期軸回転数が異なるため、そのまま比較してはいけません。展示の単純な遅れの式で再現できる試験ですが、量産エンジンの実測加速試験ではありません。

ウェイストゲートを比べるには全開と同じ過給上限を保ち、エンジンを 4,000 rpm から 6,000 rpm に上げます。定常過給圧は制限されたまま、ゲートの開度が増えます。大きく開いてもターボが働かなくなるのではありません。排気は羽根車を回し続けますが、迂回する割合が増えています。最後に過給上限をゼロにし、安定してから出力を比較します。これらの実験で冷却、過渡応答、過給制御を区別できますが、燃費やノッキング、別形式のタービンまで再現するとはしていません。