スーパーチャージャーがエンジン効率と性能を向上させる仕組み

スーパーチャージャーは、ピストン型内燃機関の作業効率を高めるための装置です。エンジンの燃焼室に流入する空気の圧力や密度を高める空気圧縮機であり、より多くの空気を送り込むことで燃焼効率を向上させます。

ご存知の通り、自動車エンジンは燃焼室での燃料・空気混合気の燃焼によって機械的な動力を得ています。スーパーチャージャーを追加して燃焼室への吸入空気を加圧すると、混合される燃料量も増え、より多くの燃料が燃焼するため、エンジンの高出力化につながります。

スーパーチャージャーとは

スーパーチャージャーは、ピストンエンジンにおいて機械的に駆動される部品で、エアコンプレッサーやブロワーを用いて加圧空気を吸気マニフォールドへ送り込みます。この高圧空気により、吸気行程でシリンダーに流入する空気量が増加します。

スーパーチャージャーを装着すると、各吸気サイクルでより多くの酸素が供給されるため、エンジンはより多くの燃料を燃焼させ、より大きな仕事が可能になります。これらの過給機は、エンジンのクランクシャフトにギア、ベルト、シャフト、チェーンなどで接続され、機械的に駆動されます。

ここで、スーパーチャージャーより優位性を持つもう一つの部品がターボチャージャーです。ターボチャージャーは排気ガスでタービンを回し、その動力でコンプレッサーを駆動します。スーパーチャージャーとターボチャージャーの大きな違いは動力源にあります。スーパーチャージャーはエンジンのクランクシャフトで駆動されるのに対し、ターボチャージャーは燃焼工程で発生する排気エネルギーを利用します。

他の過給装置と同様に、スーパーチャージャーの主機能は吸気マニフォールドへの流入空気量を増やすことです。これによりエンジンはより多くの燃料を燃焼させ、より大きな仕事ができるようになり、出力が向上します。

スーパーチャージャーの種類

自動車エンジンの出力向上に用いられる主なスーパーチャージャーの種類は以下の通りです。

遠心式スーパーチャージャー

遠心式はアフターマーケットでの後付け設置に適したコンパクトな構造が特徴です。可変比遠心式スーパーチャージャーを採用し、従来のコンプレッサーに可変プーリードライブを搭載しています。V型エンジンの純正スーパーチャージャーは、バンク角の谷間に収まるよう長く、低く、狭いパッケージングが好まれます。

ルーツ式スーパーチャージャー

ルーツ式は最も一般的なタイプです。2つの反対方向に回転するローブ（突起）付きシャフトが、シャフト間を空気を押し下げるように送り込みます。一般的に空気はユニットの上部から入り、底部から排出されます。

ツインスクリュー式スーパーチャージャー

ツインスクリュー式は、一方の端からもう一方の端へ空気を押し出す構造です。

スーパーチャージャーの作動原理

遠心式、ルーツ式、ツインスクリュー式の3つの主要タイプについて、それぞれが如何に吸気マニフォールドへ空気を加圧送気するかを解説します。違いは空気の加圧方式にあります。

遠心式はインペラで空気を吸い込み圧縮しますが、ルーツ式とツインスクリュー式は噛み合うローブを用います。いずれもエンジンのクランクシャフトから回転動力を得ており、エンジン回転数に応じて過給圧が変化します。

ルーツ式スーパーチャージャーは最も古い形式で、1860年にフィランダーとフランシスのルーツ兄弟が坑道換気用として特許を取得しました。自動車エンジンへの応用は1900年、ゴットリープ・ダイムラーによって導入されました。

ルーツ式の作動では、噛み合うローブが回転することでローブ間のポケットに空気を閉じ込め、吸入側から吐出側へ大量の空気を送り込み、吸気マニフォールド内に正圧を作り出します。構造上エンジン上部に搭載されるため大型化しやすく、3タイプ中最も効率が劣ります。車両重量増加の要因となり、空気を連続的ではなく断続的に送り込むため脈動が生じます。

スーパーチャージャーとターボチャージャーの類似点と相違点

両者の共通点は、エンジン出力を向上させること、コンプレッサーで吸気マニフォールドへ空気を押し込むこと、自動車エンジンにおいて同じ目的を果たすことです。

相違点は駆動方式です。スーパーチャージャーはクランクシャフトからギア・ベルト・チェーンで機械的動力を得てコンプレッサーを回します。一方ターボチャージャーは、燃焼サイクルで発生する排気ガスのエネルギーでタービンを駆動します。ターボチャージャーも広い意味ではスーパーチャージャーの一種ですが、動力源が異なります。

では、どちらが優れているのでしょうか？

両方とも燃費向上と出力アップに貢献しますが、それぞれメリット・デメリットがあります。ターボチャージャーは大気へ捨てられる排気エネルギーを有効利用しますが、タービンによる排気背圧上昇でエンジンに負荷がかかります。ただしこの負荷はスーパーチャージャーより小さいです。

スーパーチャージャーは大型・重量のブロワーを機械的に駆動するため、エンジンへの機械的負荷が大きくなります。例えば7,500馬力のエンジンで900馬力をブロワー駆動に消費するといった例もあります。

しかしスーパーチャージャーの利点は、エンジン回転上昇とほぼ同時に過給効果が得られる「レスポンスの良さ」です。ターボチャージャーは十分な排気ガスが溜まるまで過給が立ち上がらない「ターボラグ」が避けられません。この即応性がスーパーチャージャー採用の理由の一つです。多くのメーカーは貴重な馬力をブロワー駆動に費やせないため、ターボチャージャーを採用する傾向にあります。

ツインチャージング

ツインチャージングとは、ベルト駆動のスーパーチャージャーと排気駆動のターボチャージャーの両方を搭載するシステムです。複雑なバイパスバルブ系統と電磁クラッチを備え、低回転域ではスーパーチャージャーから、中回転域では両方から、高回転域ではスーパーチャージャーを切り離してターボチャージャーのみで過給を行います。両システムの欠点を補い合う設計です。

スーパーチャージャーのメリットとデメリット

メリット：

• 燃料の微粒化が良好
• 空燃混合気の質が向上
• 高出力が得られる
• 排気ガスの掃気性能が向上
• 全回転域で良好なトルク特性
• 滑らかで完全な燃焼
• 着火性の悪い燃料も使用可能
• 排気煙が少ない
• 機械的効率の向上
• コールドスタート性能の改善
• 車両の加速性能向上
• パワーブーストの即時反応

デメリット：

• ガス負荷の増大
• 乱流増加による熱損失の増大
• エンジン冷却要求の増大
• 熱応力の増大
• ガソリンエンジンでの異常燃焼（ノッキング）傾向の増大

結論として、スーパーチャージャーは自動車エンジンの出力を高める優れた装置です。ピストンエンジンで機械的に駆動され、加圧空気を吸気マニフォールドへ送り込む機械部品として定義され、その機能、種類、作動原理などを解説しました。