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2018年06月20日

自動車ターボの仕組み・図・スーパーチャージャーとの違い|構造

自動車ターボの仕組み・図・スーパーチャージャーとの違い|構造

自動車のターボエンジンの仕組みはどのようになっているのでしょうか。またどのような動作をするのでしょうか。ターボを使う必要性はあるのでしょうか。ここではターボエンジンの仕組みや動作からターボの必要性や構造などを解説します。

自動車のターボエンジンとは

自動車ターボの仕組み・図・スーパーチャージャーとの違い|構造

ターボエンジンは普通のエンジンに、「ターボチャージャー」という過給機を搭載した仕組みのエンジンです。

「ターボチャージャー」は、排気の流れを利用してコンプレッサ(圧縮機)を駆動し、内燃機関が吸入する空気の密度を高くする仕組みになっています。ここではターボエンジンの仕組みと、利点と欠点について考えます。

ターボの利点

ターボの一番の利点は、「エンジンの性能を向上できる」ということです。

内燃機関が吸入する空気の密度を高めて、より多くの酸素を燃焼室に送る仕組みになっていて、より高い燃焼エネルギーを得ることができ、燃料も効率的に燃焼させることができます。

ターボを搭載することにより、エンジンの出力を向上させることができますので、軽自動車やリッターカーなどの非力なエンジンをパワーアップすることが可能です。またスポーツカーなども、エンジン出力をより向上させることもできます。

ターボを搭載すると燃料を効率的に燃焼させます。つまりターボを搭載することによって、エンジンの吹き上がりが良くなりますので、燃料も多く必要になるということです。

ターボの欠点

ターボの一番の欠点は、「エンジンの構造が複雑になる」ということです。ノーマルエンジンと比べると、ターボ本体から吸気管、インタークーラーなどの仕組みが加わっている分、構造も複雑になりエンジンが大きくなってしまいます。

またターボには、「ターボラグ」という欠点があります。これはターボの構造上必ず発生するもので、加速しようとアクセルを踏み込むと、ターボが動作するまでにタイムラグが生じて、加速のタイミングが遅れてしまいます。

そのため自動車会社各社は、ターボエンジンのコンパクト化や加速の改善などに取り組んでいます。しかし普段乗りにはノーマルエンジンで十分である上に、ターボの省燃費化の難しさでターボカーの需要は近年少ないです。

自動車ターボの仕組み

自動車ターボの仕組み・図・スーパーチャージャーとの違い|構造

自動車ターボの仕組みはどのようなものでしょうか。またターボを動作させる原理とは、どのようなものでしょうか。ここでは自動車ターボの構造と原理について考えます。

構造

「ターボ」とは「ターボチャージャー」の略語です。日本語表記では「過給機」と言います。ターボはエンジンのシリンダーに強制的に空気を送り込み、そのエンジンの排気量以上のパワーを出すことが可能です。

車のエンジンはガソリンを燃焼させ、出た排気ガスをマフラーから排出します。しかし「ターボチャージャー」の場合は、ターボの仕組みで排気ガスを排出する前に「タービン」の排気側に送り込みます。

この排気ガスを受けて「コンプレッサー」が回りだし、排気側とつながっている吸気側の「タービン」が回転し空気を圧縮してエンジンへ送りこむ仕組みです。


空気を圧縮するとエンジンへ送り込む空気の量が増えるので、より大きな爆発を行なえることになり、排気量以上のパワーを出せることになります。

原理

「ターボ」の動作する仕組みは、排気ガスの流れの中にタービンを配置します。そうするとガスの流れの原理でタービンが回転し始めます。排気ガス側のタービンの軸の反対側の吸気側にもタービンが取り付けられています。

タービンの軸が回転して、吸気側のタービンが回転し始めると、吸気側の空気を圧縮し始めます。圧縮された空気は、インタークーラー(冷却器)で冷やされ、ガソリンと混合されエンジンの吸気側に送りこまれます。

空気が圧縮されているので、混合気のエネルギーは大きくなり、エンジンの中で燃焼します。そのためターボが搭載されていないエンジンにくらべ、高出力を生みだします。燃えたあとの排気ガスは排気側から排出され、またタービンを回します。これを繰り返してターボは動作する仕組みです。

ターボチャージャーの仕組みの図

自動車ターボの仕組み・図・スーパーチャージャーとの違い|構造

ターボチャージャーは排気側のタービン、吸気側のタービンと、それをつなぐシャフト、インタークーラーなどの部品で構成されています。これらの動作はどのような仕組みになっているのでしょうか。構造は簡単なのでしょうか。

ターボチャージャーは排気ガスを利用してタービンを回し、シャフトの回転で吸気側のタービンを回して、エアクリーナーから取り込んだ吸気を圧縮して、混合気にしてエンジンに供給します。構造は簡単ですが、タービンは高速回転する仕組みです。

高速回転した圧縮空気は高熱になるので、そのまま混合気にするとノックダウンしてしまいエンジン出力が低下します。そのためタービンで圧縮された空気は、インタークーラーで冷やされたのちに、混合気となりエンジンに供給されます。

簡単

ターボチャージャーの構造自体は簡単です。両側のタービンと接続している軸です。このユニットが基本ですが、あとは空気が通るパイプとインタークーラーが加わるだけです。

構造自体は簡単ですが、タービンは吸気側も排気側も複雑な構造になっています。より強く空気を圧縮する吸気側、排気ガスの流れを的確に捉える排気側、2つのタービンによって、ターボチャージャーはその性能を発揮します。

ターボとスーパーチャージャーの仕組みの違い

自動車ターボの仕組み・図・スーパーチャージャーとの違い|構造

ターボとスーパーチャージャーは同じように「過給機」として、車などに搭載されていますが、この違いは何があるのでしょうか。ここではターボとスーパーチャージャーの違いについて考えます。

ターボ

ターボは排気ガスの流れを利用しタービンを回してシャフトの反対側のタービンで吸気した空気を圧縮して、エンジンを高出力にします。ターボは排気ガスを利用していて、エンジン自体には負荷をかけていないので、高速になってもエンジンのパワーは低下しません。

そのためターボは高速になると、その性能を発揮します。そのため高速仕様のスポーツカーなどの自動車に搭載され、スポーツカーの性能をさらに向上させます。

スポーツカーの中には、ターボを2基搭載してさらに性能を向上させたものや、ツインカムエンジンと組み合わせて、低速から高速までストレスのない走行ができるようになったものまで、色々な種類があります。まさにターボは高速で使うためにあります。

スーパーチャージャー

スーパーチャージャーもタービンで吸気した空気を圧縮して、エンジンを高出力にします。ターボと違う仕組みは、吸気タービンを回す動力がエンジンの回転であることです。つまりスーパーチャージャーはエンジンの回転と同期してタービンを回します。

そのためスーパーチャージャーは高速になると、エンジンの負荷が影響して回転数が落ちます。またエンジンの回転と同期しているため、低速から吸気タービンを回すことが可能です。低回転の状態から吸気した空気の圧縮ができます。

そのためスーパーチャージャーは非力な軽自動車や低い回転数で力を使いたいトラックなどに使用されていましたが、日々のエンジン性能の向上と環境問題などで、一部のエンジンを残して消えつつあります。

車のターボエンジンとNAエンジンの仕組みの違い

車のターボエンジンは、吸排気のタービンと、インタークーラー、それに付随する配管をNAエンジンに付加する構成がされています。またNAエンジンは吸気系がエアクリーナーからインジェクションで構成され、排気系はエンジンより出た排気ガスをマフラーに流しています。

ターボエンジンの仕組みは複雑ではないですが、吸排気の配管などがあり、NAエンジンと比べ、大きいです。そのため軽自動車などのスペースが限られている車は、ボンネットいっぱいに配管などが通ることになります。

それに比べ、NAエンジンは吸気系はエアクリーナーだけ、排気系はマフラーへの配管だけなので、軽自動車などでも、ボンネット内もすっきりしますし、重量も軽くできますので、燃費も向上します。

ターボと燃費の関係性

自動車ターボの仕組み・図・スーパーチャージャーとの違い|構造

ターボは吸気の空気を圧縮してキャブレターの送りこんで、燃焼効率を上げる仕組みなので、空気の効率が高くなる分、燃料も多く必要です。そのためパワーが出る半面燃費は悪くなります。

またターボは低回転では動作しないので、どうしても高回転で使うようになります。そのためアクセルを踏み込むようになるので燃費が悪いです。また高速走行してターボが動作していると、燃料も多く消費するようになります。

ターボは基本的に、「エンジン性能を向上させる」ことが目的ですので、燃費を考えてしまうと選択肢からは外れてしまうことになりますが、「燃費を考えずにスムーズに車に乗りたい」と思えば、ターボも選択肢の中に入るようになります。

ターボエンジンの使い方の違い

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ターボエンジンの使い方には次の2つがあり、内容は大きく異なります。

1、高性能なエンジンをさらに高性能にする

2、非力なエンジンの性能を向上する


前者はスポーツカーなどの高性能な車を、さらにパワーアップするために、ターボを装着する仕組みで、これがターボ本来の使い方です。このやり方は車の高速性能を向上させます。

後者はSUVなどの重量がある車のエンジンをパワーアップするために、ターボを装着する仕組みです、これはターボの別な意味の使い方です。このやり方は非力なエンジンの補助をするやり方で、軽自動車のターボなどは、これにあたります。

前者のターボは「有効回転域」が高速に設定されていて、後者のターボは低速に設定されています。どちらもターボとして有効な使い方です。

車のターボエンジンは必要か

自動車ターボの仕組み・図・スーパーチャージャーとの違い|構造

ターボエンジンは車の性能を向上させる仕組みです。普通に走る分には必要ないものですが、装着すれば、車の性能は向上します。

ターボの利点は性能向上だけではなく、燃料を有効に燃焼させる意味もあります。ただ性能的に燃料は多く必要な仕組みになっているので、燃費を考えると必要ではないと考えられます。では車にターボは必要ないのでしょうか。

NAのエンジンはエコなどで、燃費を上げる仕組みになっているために非力になっています。加速なども悪くなりますが、エコとしては良いです。しかし全部のユーザーがそれを望んでいるわけではなく、「燃費はどうでもいいから、すっきり走りたい」と思うユーザーもいます。その思いに応えるために、ターボエンジンは必要です。

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