ターボチャージャープロフ

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概要

ターボチャージャーのカットモデル。赤い部分に排気が導入され、青い部分で吸気が圧縮される。
排気管から廃棄されていた排気ガスのエネルギー（運動エネルギーおよび熱エネルギー）を利用してタービンを高速回転させ、その回転力で遠心式圧縮機を駆動することにより圧縮した空気をエンジン内に送り込む。これにより廃棄エネルギーを回収しつつ内燃機関本来の排気量を超える混合気を吸入・燃焼させる。結果、機関としての熱効率が高まり燃料消費率が低減されるほか、排気ガスの有害成分を減少させることが可能である。また、見かけの排気量を超える出力が得られるという見方もできる。多くのターボチャージャーは排気ガスの運動エネルギーを主に使う動圧過給であるが、舶用の2ストロークディーゼルエンジンでは、排気ガスの圧力変動をなくし一定圧にしてその圧力を利用して過給する静圧過給が用いられる。

過給器としての効率は良く、船舶や発電機など一定速で運転されるものでは、インペラやコンプレッサー、A/R比の設定が最適化しやすいため、特に向いている。

タービンの回転速度は、自動車用ガソリンエンジンなど小型のものの場合、毎分20万回転を超えるものもある。高温の排気ガス（800〜900℃）を直接受けるため、その熱によりタービンやハウジングが赤く発光するほどである。自動車用途のものについては、タービンの軸受には通常、エンジンオイルの圧送によるフローティングメタル式軸受けが用いられる（ボールベアリングが使われるものもある）。そのため自然吸気エンジンやスーパーチャージャー付きエンジンに比べオイルの使用環境が苛酷であり、高性能または専用のオイルを使用したり交換周期を短くするなど、管理を厳密に行う必要がある。
また、高負荷運転後すぐにエンジンを停止してしまうと、エンジン内のポンプによるオイル循環が止まってしまうため、高温のタービン軸と軸受メタルが焼き付く場合や、高温の軸受周辺に滞留したオイルによりスラッジが発生してしまう原因となるため、ある程度の無負荷運転（クールダウン、アフターアイドル）をした後にエンジンを止めることが車両の取扱説明書などでも推奨されている。

歴史

スイスの蒸気タービン技術者であるアルフレッド・ビュッヒによって発明されこれは今日で言うターボコンパウンドエンジンでもあった。、1905年に特許が取得された。1912年にはドイツのルドルフ・ディーゼルがディーゼル機関車の低回転域のトルクを向上させるために、ビュッヒの在籍していたズルツァーと提携し、ターボチャージャーを導入しようと試みた鈴木孝著『20世紀のエンジン史』。ディーゼルエンジンには1940年代に導入され、従来の機械式過給機（スーパーチャージャー）に代わって効率向上に著しく寄与した。ディーゼルエンジン以外での最初の適用例のひとつは、ゼネラル・エレクトリックの技術者であるサンフォード・モスがV型12気筒の航空機用エンジン「リバティ」に搭載したものである。高度4,300mのコロラド州パイクスピークで試験され、高度の上昇によりもたらされる内燃機関の出力低下を低減することが確認された。

航空機用の高高度性能の向上のための手段として発想自体は古くから存在したが、この分野ではアメリカが他国よりも先行しており、ボーイング社が開発したB-17爆撃機に1938年に搭載された、カーチス・ライト社製の星形空冷式1000ps級エンジン「ライト・サイクロンR-1820系」が史上初の実用例である。アメリカが他国に先行してターボチャージャーを実用化できたのは、頻繁に交換する消耗品と割り切って設計した事によるものであり、経済的に豊かな国だからこそできたと言える。

他国の高高度性能向上のための手段としてはスーパーチャージャーの採用が中心であったが、第二次世界大戦中には、アメリカの他にソ連、ドイツ等でも軍用機エンジンに採用された。

戦時中の日本でも航空機用ターボチャージャー開発は進められていたが、試作レベルのものが三菱・局地戦闘機雷電に装着されて使われたケースはあるが、実装に問題があり実用化は出来なかった前間孝則著『マン・マシンの昭和伝説』。特に高温に耐える特殊金属の欠乏（代替金属の使用）は、排気タービンのみならず小型高出力エンジン（誉）やジェットエンジン（ネ20）の開発・生産にも影響を及ぼした。ようやく一〇〇式司令部偵察機四型において実用化がなされたものの、程なくして終戦となった。

市販のガソリン自動車用としては1962年にアメリカのゼネラルモーターズ（GM）が「オールズモビル・F85」と「シボレー・コルヴェア」にオプションで設定したのが最初となる。ただしコルヴェア自体の操縦安定性に難があったため、短期間で市場から消え、一般化するまでに至っていない。欧州車では1973年のBMW・2002Turboに初採用された。

1978年にはB&Wが舶用2ストロークディーゼルエンジンに静圧過給方式のターボチャージャーを導入し、熱効率が著しく上昇した鈴木孝著『20世紀のエンジン史』。

日本車では1979年の日産・セドリック / グロリアに初採用された。

ガソリン価格の高騰や環境に与える影響への関心が強まり、日本国内におけるターボチャージャーの採用は衰退傾向にある。国内向けにおいてはトヨタ自動車では量産車のターボ車は生産されていない。また、本田技研工業やダイハツ工業、スズキにおいては軽自動車以外でのターボ車は生産されていない。

種類（主に自動車用語）

メリット

ターボチャージャーは高温高圧の排気ガスの運動エネルギーと熱エネルギー、つまり本来なら大気中に廃棄される部分をタービンを介して回収するため、熱効率が上がる。このため小排気量エンジンでも大排気量エンジンと同等の出力を確保しやすくなり、また当該の大排気量エンジンより燃料消費率が低減される。ただし、ターボチャージャーの特性にマッチした運転条件が前提となる。
同じ過給器でも、エンジンの出力を直接に使うスーパーチャージャーと比較した場合、廃棄されるエネルギーを使用するため効率が良い。例えば自然吸気状態の出力を100%、過給器による追加出力を30%とした場合、スーパーチャージャーではコンプレッサーを稼動させるためにクランクシャフトからエネルギーが取り分けられるため、最終的な出力は130%を下回るが、ターボチャージャーにはそのエネルギーロスがない（厳密にはターボチャージャー内にも機械的な摩擦や排気抵抗が存在するため、損実となる）。
航空機の場合は、気圧の低い相当な高々度に至っても性能を維持することが可能となる。航空機の場合、排気タービン式過給器と呼ばれる事が多い。

排気ガスが一度ターボチャージャーのタービンに当たり、それから出口へ排気されるため、自然吸気エンジンに比べると排気音が小さい。

デメリット

大量の混合気を強制的に送り込み燃焼させるため、エンジン温度が高くなりがちで十分な冷却対策が必要となる。エンジンの高温化はエンジン内部での異常燃焼（ノッキング）を誘発しやすくなるため、過給圧と共に圧縮比や点火時期の設定を厳密に行う必要がある。理論空燃比・パワー空燃比と比較してリッチな（燃料を濃くした）混合気を送り、気化熱による冷却を行う場合もあり、燃費を悪化させる要因ともなっている。
構造上、スロットル操作に対するエンジン反応に遅れが生じる（ターボラグという）。ターボラグはエンジンの回転と、排気によりタービンの回転数が増して同軸上のコンプレッサーによる過給圧が上昇するまでの時間差により発生するもので、スロットルの開度に若干遅れてエンジン出力が上昇するという形で現れる。このレスポンスを向上させる努力が各メーカで続けられている。
一般的なターボエンジンは同形式・同排気量の自然吸気エンジンと比較すると、前述の異常燃焼対策のために圧縮比を低く設定する。このため、過給効果が得られない回転域ではトルクに劣り、熱効率も悪化する。自動車用エンジンは船舶や産業用エンジンに比べて必要とされる出力が極めて大きく変動し、効率的にターボチャージャーを稼働させる状況は限られているため、燃費悪化の主要因となっている。また、自然吸気エンジンと比べてもドライバビリティーは悪い。これを嫌い、敢えて過給レスポンスに優れるスーパーチャージャーを用いる自動車メーカーもある。
自然吸気エンジンをベースにすることが多いが、その場合、増加する燃焼圧力に耐えられるようにヘッドガスケット強度やシリンダーヘッド、シリンダーブロック剛性を充分に保つことと、ピストン頭部の熱対策が必要となる。多くの場合はボアを縮小したり、アルミブロックではなくあえて鋳鉄ブロックを用いる、またはアルミブロックに鋳鉄スリーブを用いるなどの対策を行う。大型車のディーゼルエンジンではCVダクタイル鋳鉄も用いられる。
排気エネルギーを利用して吸気タービンを回すため、タービン後に配置されている排気触媒が有効温度に達するまで自然吸気エンジンより時間がかかる。従って特にエンジン冷間時は有害ガスの未燃焼燃料（HC）やCO）が排出されやすい欠点がある。ターボ車のアイドリング時に排気がガソリン臭くなるのは、暖機のために混合気を濃くしているためHCやCOが発生しやすい状態である一方、排気触媒が機能していないためである。
ターボチャージャーのタービンは数万から20万rpmに達するため、オイル管理がシビアになりやすい。タービン軸の軸受となるフローティングメタルの潤滑及びその冷却をエンジンオイルと共用で行っている車種は高温、高負荷に曝されるため、エンジンオイル劣化が進みやすい。そしてオイルが劣化しタービン軸が焼きつくと、極端にエンジン性能が低下する。また軸受のシールが破れるとタービン軸からオイルが漏れだして排気が白煙となり、最悪エンジンオイル量が不足してエンジンが焼きつく。従って、同車種でもターボチャージャーの有無でオイル交換距離が倍以上異なることもあり、オイル専用の冷却装置を装備している車種もある。

コンプレッサーによる圧縮やタービンからの熱伝導により吸気温度が高くなる問題に対応するため、インタークーラーを併用して圧縮後の吸気を冷却し、効率向上を図っている例も多い。

ECUの演算速度の高速化や各種センサーの性能向上により、点火時期、燃料噴射系やブースト圧の電子制御が高度化され、またエンジンオイルの高性能化や電子制御スロットルの採用、燃料供給の直噴化などの技術革新により、いくつかのデメリットは改善される傾向がある。

用途

のエンジンに装着されているターボチャージャー（DMF13HZ形）上述の通り、過去、航空機において空気の薄い高空での出力維持のためにターボが用いられてきたが、現在、高空を飛行する航空機用のエンジンとしては、ジェットエンジンやジェットエンジンの回転軸から取り出した動力でプロペラを回すターボプロップエンジンが用いられる為、使用される例はほとんど無い。自動車では大出力を得やすいため、過去からモータースポーツ用エンジンやスポーツカー向けの高出力エンジンなどでよく用いられてきた。

F1では、かつてターボエンジンが全盛だった時代に、BMWが1,500cc 直列4気筒エンジンにターボチャージャーを組み合わせることによって1,500PS以上の出力を発生したと言われた。またホンダがウィリアムズに供給していたエンジン（RA166E）でも1,500cc V型6気筒ツインターボの構成により常用1,000PS以上、予選用セッティングで1,500PS以上を発生したと言われている。使用されていた燃料にはトルエンが多く含まれており、一般のガソリンとは大きく異なる。（はっきりとしないのは当時それだけの大馬力を正確に測定できる機器が無かったことや、レース車両に関わるデータは機密事項となるために詳細を公式に発表しないためである。）その後、安全性を理由にレギュレーションが変更。1987年から過給圧制限が加えられ（1987年は最大4bar、1988年は最大2.5bar）、1988年シーズンを最後に以降、ターボを含めた過給器の使用が全面的に禁止されている。

ディーゼルエンジンは、空気のみをシリンダー内に吸入し圧縮を行う為、ガソリンエンジンのような異常燃焼問題を伴わないことから、ターボチャージャーなどによる過給に適しており、自動車（乗用車、トラック、バスなど）をはじめ、鉄道車両（気動車・ディーゼル機関車）、船舶、建設機械などの高速ディーゼル機関はもとより、大型船舶用の超大型低速ディーゼル機関にまでターボチャージャーが広範に用いられている。

ガソリンエンジンは、近年、欧州の自動車会社において、直噴エンジンの採用により、ターボチャージャーを含めた過給器の搭載が増えつつある。元々欧州ではディーゼル車の普及率が高い為、その技術をガソリン車へフィードバックできるメリットがある。ロープレッシャーターボやツインスクロールターボを採用し、低回転から中・高回転までフラットな特性で大きなトルクを発生させる実用的なエンジンが多い。

日本国内においては、節税的な意味でターボを採用しているケースも珍しくない。特に軽自動車ではターボチャージャーが採用されるケースは今なお多い。また、かつては自動車税の税額が3ナンバーと5ナンバーで大きく異なっていた為、3ナンバーボディには3,000cc前後の自然吸気エンジン、5ナンバーボディに排気量が2,000cc以下のエンジンに過給圧が最大でも0.5バール前後のターボチャージャーが利用されるケース（2,000×(1+0.5)=3,000ccの仮想排気量となる）が多かった。しかし、現在ガソリンエンジンのターボ車は衰退傾向にあり、特に国内向け車種においてはトヨタ自動車では量産車のターボ車は生産されていない。また、本田技研工業やダイハツ工業、スズキにおいては軽自動車以外でのターボ車は生産されていない。一方欧州メーカーにおいては、ダウンサイジングによる高効率化の流れもあり、大排気量エンジンに代わって小排気量のターボエンジンに置き換えられつつある。また、トラックに関しては、ディーゼルエンジンを採用している関係でターボの装着率が高く、近年では低燃費化、ダウンサイジング化の為、バスでもターボを採用している車種がある。

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