ターボチャージャー付きエンジンについて知っておくべきこと

内燃機関の高出力入力デバイスについて聞いたことがありますか?その秘密はターボチャージャーです . ターボとしても知られています これは 20 世紀初頭にスイスの技術者、アルフレッド・ブッチによって発明されました。彼は、ディーゼル エンジンの出力を上げるためのプロトタイプを導入しました。

今日、ターボチャージャーは、ほとんどのガソリンおよびディーゼル エンジンの標準装置となっています。ターボチャージャーの設計を改善して、より低い製造コストでより優れた性能を実現する方法についての研究は、現在も進行中です。振動による応力とベアリングの性能が主な故障要因ですが。このため、回転力学解析はターボチャージャーの設計プロセスの重要な部分になるはずです。おそらく!

自動車のエンジンは、燃料と空気の混合気を吸入して燃焼室で動力を発生させますよね！圧縮後、混合物を排気ガスとして放出し、廃棄物となり、大気汚染の原因にもなります。しかし、ターボチャージャーは排気ガスを無駄にするのではなく、それを利用してエンジンをより速く走らせます。説明させてください。

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今日は、ターボチャージャーの定義、機能、アプリケーション、部品、歴史、図、タイプ、動作原理、および長所と短所を見ていきます。この記事は幅広いので、知識を得るために最後まで読んでください。

ターボチャージャーの定義

ターボチャージャーは、余分な圧縮空気を燃焼室に送り込むことにより、内燃エンジンの効率と出力を向上させるタービン駆動の強制誘導装置です。圧縮機が通常の大気圧よりも多くの空気とそれに比例して多くの燃料を燃焼室に送り込むことができるため、この熱気誘導が機能しているようです。

ターボチャージャーは、全体的な効率を改善し、エンジンのパフォーマンスを向上させるために、車両のエンジンに取り付けられるデバイスです。ターボチャージャーは、もともと ターボスーパーチャージャー として知られていました すべての強制誘導装置はスーパーチャージャーに分類されるためです。スーパーチャージャーは、機械的に駆動される強制誘導装置に与えられる用語です。

ターボチャージャーと従来のスーパーチャージャーの違いは、ターボチャージャーはエンジンの排気ガスによって駆動されるタービンによって駆動されることです。一方、スーパーチャージャーはエンジンのクランクシャフトによって機械的に駆動され、多くの場合ベルトで接続されています。ただし、ターボチャージャーはより効率的ですが、応答性が低くなります。ツインチャージャーという用語は、ターボチャージャーとスーパーチャージャーを備えたエンジンを指します。

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歴史

ターボチャージャーの簡単な歴史は、スイスのヴィンタートゥールにある Gebruder Sulzer Engine Company の自動車技術者ワークショップで働いていた創設者 Alfred J Buchi (1879 – 1932) の功績によるものです。このプロジェクトは、第一次世界大戦の 1 年前に開発され、1905 年にドイツで特許が取得されました。彼は 40 年後に亡くなるまで、プロジェクトの強化を続けました。

他の何人かのエンジニアも、ターボチャージャー プロジェクトに貢献するに値します。数年前、デュガルド クラーク卿 (1854 – 1932) は 2 ストローク エンジンのスコットランドの発明者でした。彼は、2 つの別個のシリンダーを使用して、内燃機関の圧縮段階と膨張段階を分離する実験を行いました。

彼の実験は過給のように機能し、シリンダーへの空気の流れと燃焼できる燃料の量の両方を増やしました。ルイ・ルノー、ゴットリーブ・ダイムラー、リー・チャドウィックなどの他のエンジニアも過給システムに参加しています。

ターボチャージャーの機能

ターボチャージャーの主な機能は、自動車エンジンの作動効率を高めることです。以下は、いくつかの制限にもかかわらずターボが常に存在する理由です。

• エンジン容量を増やさずに、さらなる力強さを提供します。
• 燃料の燃焼率を上げずにエンジンの回転を速くする
• 汚染を引き起こす代わりに、二酸化炭素 (排気ガス) を利用する

ターボチャージャーの用途

ターボチャージャーは、トラック、乗用車、電車、航空機、建設機械などの自動車エンジンで一般的に使用されています。オットー サイクルおよびディーゼル サイクル内燃エンジンの最近のリリースは、ターボチャージャーを備えています。

ターボチャージャーのいくつかの用途について説明します:

ガソリン車とディーゼル車: 前述のように、ターボチャージャー付きの車は、ガソリン車やディーゼル車に共通して、特定の容量の出力を増加させます。また、燃費が向上し、排気量の小さいエンジンが可能になります。これらのエンジンは約 10% 軽量化され、燃料消費量が最大 30% 節約され、それでも同じピーク馬力を提供します。

最初のターボチャージャー付き乗用車は、オールズモビル ジェットファイア オプションでした。それはすべてのアルミニウム V8 とコルヴェアと呼ばれるシボレー製品で 215 cu にコンポーネントを使用します。当初はモンツァ スパイダー冷却水平 6 気筒エンジンと呼ばれていました。

ディーゼル車は、ディーゼル エンジンの改善された効率、ドライバビリティ、およびパフォーマンスを使用して以来、ターボチャージャーに大きく依存しています。 1978年に導入されたGarrett-turbocharged Mercedesの乗用車で生産されています.

トラック: 同じ利点のために、1938 年以来、ディーゼル トラック エンジンはターボチャージャーを備えています。

航空機: 年間を通じて、ターボチャージャーの効果により飛行機の効率も向上します。

オートバイ: ほとんどの日本企業は、1980 年代初頭からターボチャージャーを搭載した高性能オートバイを製造しています。ターボ付きのバイクは少ないですが、それは大排気量が豊富にあるからです。自然吸気エンジンは、ターボチャージャー付きの小排気量エンジンのトルクと出力の利点を提供しますが、より線形の出力特性を返します。

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ターボチャージャーの部品

以下は、ターボチャージャーの主要部分とその機能です:

• カートリッジ (完全に組み立てられ、バランスのとれたターボチャージャー コア)
• 真空アクチュエータと空気圧アクチュエータ
• 電子アクチュエータ (電気サーボ ドライブ)
• コンプレッサー ハウジング (ターボチャージャーのコールド セクション/パーツのハウジング)
• ターボチャージャー修理キット (簡単なマイナー修理用のスペア パーツ キット/セット)
• コンプレッサー ホイール (ターボチャージャー コンプレッサー ホイール)
• シャフトとホイール（タービン ホイール付きターボチャージャー シャフト、タービン ローター）
• ノズル リング ハウジング (VNT ジオメトリ コントロール エレメント用のハウジング)
• ベアリング ハウジング (カートリッジ ハウジング、ターボ コア ハウジング)
• バックプレート (コンプレッサー側から見たターボチャージャー コア プレート)
• VNT ノズル リング (VNT ターボチャージャー用ノズル付きリング、VNT ジオメトリ コントロール ノード)
• ヒート シールド (ターボチャージャー コア ヒート シールド)
• ガスケット キット (ターボチャージャー ガスケット キット/セット)
• アクチュエータ センサー (圧力センサー、位置センサー)
• VNT ガスケット (VNT ターボチャージャーの内部ガスケット)
• タービン ハウジング (ターボチャージャーの高温部/部品のハウジング)
• 電子アクチュエーター部品 (電気モーター、シャフト、ターボチャージャー サーボ ドライブのギア)

ターボチャージャーの種類

以下は、存在するさまざまなタイプのターボチャージャーです:

シングル ターボ:

シングル ターボは、現存するターボチャージャーの中で最も単純で、最も一般的で、最も安価なタイプです。無限の可変性があり、ターボが小さいため、スプールが速くなるため、ローエンドのうなり声が向上します。シングル ターボにはボール ベアリングとジャーナル ベアリングがあり、コンプレッサーとタービンが回転する際の摩擦が少なくなります。

シングルターボチャージャーの利点は、小型エンジンにもターボを搭載できること、費用対効果も考慮されていること、シンプルで取り付けが簡単なことです。また、エンジン効率も向上します。

その利点にもかかわらず、いくつかの制限が依然として発生します。かなり狭い有効rpm範囲を持っています。シングルターボは、より優れたハイエンドパワーまたは優れたローエンドトルクのどちらかを選択する必要があるため、サイジングが問題になります。最後に、他のターボ タイプに比べて応答が遅い場合があります。

ツイン ターボ:

ツインターボは、各シリンダーバンク (v8、v12 など) に単一のターボチャージャーを使用できるもう 1 つのオプションです。あるいは、単一のターボチャージャーを低 rpm 用に使用し、高 rpm 用のより大きなターボチャージャーにバイパスすることもできます。 1 つが低 rpm で使用され、両方が高 rpm で使用される 2 つの同様のサイズのターボ (14、16)。 BMW x5 M および x6 M は、v8 の両側に 1 つずつ、ツイン スクロール ターボを使用します。

ツインターボの利点は、シーケンシャルまたは低回転でターボを使用し、高回転で両方を使用する場合です。これにより、トルク曲線がより広くフラットになり、ローエンドのトルクが向上しますが、シングルターボのように高回転でパワーが先細りになることはありません。これらのターボチャージャーの制限には、コンポーネントがほぼ 2 倍になるため、コストと複雑さが含まれます。また、より軽量で同様の結果を達成するための代替手段が他にもあります。

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ツイン スクロール ターボ:

ほとんどすべての点で、ツイン スクロール ターボチャージャーはシングル スクロール ターボよりも優れています。たとえば、点火順序が 1 3 4 2 の 4 気筒エンジンでは、1 気筒と 4 気筒がターボの 1 つのスクロールに供給されます。一方、シリンダー 2 と 3 は別のスクロールに供給されます。これらのタイプのターボチャージャーの目的は、シリンダーにオーバーラップがあることです。ピストンが下死点に達するとシリンダーがパワーストロークを終了し、排気バルブが開くとします。この間、シリンダー 2 は、バルブを閉じて吸気バルブを開くことにより、排気行程を終了します。

従来のシングル スクロール ターボ マニホールドはまったく異なります。両方の排気バルブが一時的に開いているため、シリンダー 1 からの排気圧力がシリンダー 2 が新鮮な空気を引き込むのを妨げます。これにより、ターボに到達する圧力が減少し、2 番目のシリンダーが引き込む空気の量が妨げられます。

ターボチャージャーの利点は、より多くのエネルギーが排気タービンに送られ、効果的なブーストのより広い回転範囲が達成されることです。これは、スクロールのデザインが異なるためです。基本的に、排気掃気を妨げずにバルブのオーバーラップが増えるため、チューニングの柔軟性が高まります。

制限は、シングル ターボに比べてコストと複雑さが高く、特定のエンジン レイアウトと排気設計が必要なことです。

可変ジオメトリ ターボチャージャー (VGT):

ターボチャージャーの可変ジオメトリ タイプは、ディーゼル エンジンでは一般的であり、生産が限られています。これは、そのコストと特殊な材料の要件によるものです。ターボチャージャー内の内部ベーンは、面積対半径の A/R 比を rpm に対応するように変更します。つまり、低 rpm では、低い A/R 比を使用して排気ガスの速度を上げ、ターボチャージャーをすばやく巻き上げます。回転数が上がると、空気の流れを増やすためにA / R比が増加し、ターボラグが少なくなります。また、低いブーストしきい値と広く滑らかなトルク バンドにもつながります。

このタイプのターボの利点は、幅が広くフラットなトルク カーブが生成されることです。非常に広い回転​​域で効果を発揮します。単一のターボが必要であり、シーケンシャル ターボのセットアップをよりコンパクトなものに簡素化します。その制限は、排気ガスが少ないディーゼル用途でのみ使用されるため、ベーンがヘッドによって破壊されないことです。ガソリン エンジンでターボを使用すると、信頼性を維持するために高価なエキゾチック メタルが使用されます。

可変ツインスクロール ターボチャージャー:

可変ツイン スクロール ターボは、VGT よりも大幅に安価であるため、ガソリン ターボチャージャーに適しています。 VGT とツイン スクロールのセットアップを組み合わせているため、低回転ではスクロールの 1 つが完全に閉じられ、すべての空気がもう 1 つのスクロールに押し込まれます。エンジンの速度が上がると、バルブが開いてもう一方のスクロールに空気が入り、優れたハイエンド パフォーマンスが得られます。

ターボチャージャーの利点は、広くてフラットなトルク曲線が可能であり、VGT よりも設計が堅牢であることです。コストと複雑さもその限界であり、テクノロジーは以前は望まれていませんでした。

電動ターボチャージャー:

ターボチャージャーに電気モーターを適用することで、その機能を強化し、エンジンを瞬時にブーストします。低速トルクが出やすく、ラグも解消。このターボチャージャーは何よりも優れています。おそらく、新しいバージョンでは機能が低下する可能性があります.

その利点は、全体を通して均一なトルクでより広い有効rpm範囲が生成されることです。電気モーターが排気タービンに直接接続されているため、無駄なエネルギーが回収されます。また、前述のように、必要に応じてコンプレッサーを電力で回転させることにより、ターボラグと不十分な排気ガスを実質的に解消できます。

ターボチャージャーの短所の 1 つは、複雑さとコストです。これには、電気モーターが含まれるためです。パッケージングと重量も問題です。特に、必要に応じてターボに十分な電力を供給するオンボードのバッテリーを追加する場合はそうです。同様の利点は、VGT やツイン スクロールなどの他のタイプからも得られます。

動作原理

ジェットエンジンがどのように機能するかについての基本的な知識があれば、ターボチャージャーを搭載した車を理解するのははるかに簡単になります.説明させてください、ジェットエンジンは前部で新鮮な空気を吸い込み、チャンバー内で燃料と混合して燃焼させます。次に、背中から熱風を吹き出します。金属製のコンパクトな風車でできたタービンが、エンジンの前にあるコンプレッサー (空気ポンプ) を駆動します。エンジンはこれを使用してエンジンに空気を押し込み、燃料を適切に燃焼させます。

自動車のピストンエンジンのターボチャージャーにも同様のプロセスが適用されます。排気ガスはタービンを駆動するために使用され、タービンは空気圧縮機を回転させ、余分な空気をシリンダーに押し込みます。これにより、より多くの燃料が秒単位で燃焼されるため、ターボチャージャー付きの車はより多くのパワーを生み出すことができます。これは 1 秒あたりのエネルギー量です。

ターボチャージャーは、シャフトで結合された 2 つの半分で構成されています。そのうちの 1 つには、高温の排気ガスによって回転するタービンが含まれており、もう 1 つのヘルブには、空気を吸い込んでエンジンに圧縮するタービンも含まれています。この圧縮により、エンジンに余分なパワーと効率がもたらされます。より多くの空気が燃焼室に入るにつれて、より多くの燃料が追加され、追加の出力が生成されます。

圧縮空気は高温で密度が低く、ラジエータの上を上昇することに注意してください。この熱風は、燃料の燃焼を助ける効果が低くなります。このため、コンプレッサーからの空気は、シリンダーに入る前に冷却する必要があります。これが、コンプレッサーからの熱気が燃焼室に入る前に余分な熱を除去する熱交換器を通過する理由です。

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余分な力がどこから来て、どれだけ得られるか

ほとんどの人は、タービンエンジンが受け取った排気ガスから余分なパワーを生み出すと考えていますが、それは真実ではありません.排気ガスは、エンジンが毎秒より多くの燃料を燃焼できるように、燃焼室に空気を運ぶコンプレッサーを駆動するために使用されます。余分な電力は、より速い速度で燃焼される余分な燃料から得られます。

ターボチャージャーが与える追加出力の量は、コンポーネントの大きさによって決まります。ターボチャージャーは、必要な出力に応じて、エンジンをより強力にするために改良することができます。しかし、改善には限界があります。シリンダーは非常に大きいため、混合する空気と燃料を大量に受け取ることができます。

ターボチャージャーの長所と短所

利点:

以下は、ターボチャージャーの利点です:

• エンジンに余分なパワーが供給されます。
• 廃排気ガスを利用してエンジンにフリーパワーを与えます。駆動するのにエンジンの力は必要ありません。
• ディーゼル エンジンとガソリン エンジンの両方で使用されています。
• エンジンの燃料効率を改善する

短所:

ターボチャージャーの利点にもかかわらず、2 つの主な制限が依然として存在します。以下は、ターボチャージャーの欠点です:

ターボチャージャーの大きな問題の 1 つは、ターボ ラグとして知られています。これはスロットルを踏み込んだときに起こり、エンジンが加速するのに時間がかかります。つまり、ターボチャージャーはエンジン速度を反映するのに時間がかかります。

エンジンの回転数が低い場合、コンプレッサーを回転させて必要な出力を提供するのに十分な排気ガスがありません。スロットルが押された後、必要な排気が作成されます。この影響は、より低いギアにシフトダウンすることで軽減されますが、エキスパート ドライバーは応答のスプリット遅延に気付くことがあります。

ターボチャージャーの 2 つ目の制限は、日常の運転条件では発生しません。エンジンが限界まで押し込まれたときにのみ発生します。排気ガスから発生する熱が非常に熱くなり、ターボチャージャーが赤く光り始めます。

これが、ほとんどのターボチャージャー付きスポーツカーが、エンジンの下側に通気孔を持つように設計されている理由です。このベントは空気循環を一定に保ち、部品を冷却します。

読む:プロペラシャフトの働きと効果

結論として、ターボチャージャーのさまざまな機能を紹介しました。それらの1つは、エンジンの働きと燃費を向上させることです。また、さまざまなタイプのターボとその動作原理についても説明します。長所と短所も明らかになります。

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