ターボチャージャーのしくみと特徴

四輪に多用される過給器システム、ターボチャージャー。このシステムは一体どんなしくみ? 四輪ばかりでなぜ二輪には採用されない? 採用した場合は激速になるの? 等々、ターボチャージャーを検証してみました。

ターボチャージャーとは「大量の混合気をエンジン内に過給してパワーアップさせるシステム」

ターボチャージャー(※注1)、略してターボとは、4ストロークエンジンに追加装備される過給器(ターボの場合はタービン)の一種。

HKS製タービン

写真上はターボエンジンの要となる重要なパーツ「タービン」。風圧などの流体を回転運動にかえる装置です。四輪の場合はノーマルのタービンを大型化する等でパワーをアップ。写真はHKS製の四輪用。

2ストロークと4ストロークの違いはココ

4ストロークエンジンは、

①ガソリンと空気を混ぜ合わせた混合気が、ピストン下降時に発生する負圧によってエンジン内に吸い込まれる。

②吸い込まれた混合気はピストンの上昇によって圧縮。

③スパークプラグの点火によって混合気が爆発。この衝撃でピストンが下降=ホイールへとつながるクランク軸が回転する。

④再度ピストンが上昇。中高回転域では排気ガスが勢いよく放出される。

以上の4工程を繰り返します。

4ストロークエンジンの工程。吸気・圧縮・爆発・排気

エンジンを知るための近道 – 4ストローク編

ターボとは、

④の工程で勢いよく放出された排気ガスの圧力エネルギーを利用してタービンを回し、これに直結されたコンプレッサーで強制的に空気を吹き込み、

①の爆発の工程を強化したもの。

つまり大量の混合気をエンジン内に過給し、爆発力をアップ=パワーアップさせたシステムです

モンキーのターボ仕様

ミニバイクのモンキーにターボを装着したユニークなカスタム。

※注1…ターボチャージャーとは

タービン(過給器となるコンプレッサー装置)、排気パイプ、吸気パイプなどの総称。ターボチャージャーやスーパーチャージャーの「チャージャー」とは「詰めるもの」を意味します。

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写真はHKSからリリースされる四輪用ターボユニットキット。ターボは部品点数が増えて重量が重くなる。以上がよく理解できる一コマ。

ターボチャージャー(過給器)の原理

過給器とは、「より多くの混合器を燃焼室に導入し、燃焼力を増大させること」を目的とした装置。排気量を上げず、パワーを一気に引き上げることができる画期的なシステムです。

過給器の原理

1:ロウソクの炎=エンジンのパワーだと仮定します。火を点けたロウソクを、ガラスの箱ケースで覆い、密閉します。

過給器の原理

2:火は酸素がないと燃えません。密閉されたロウソクはガラス内の酸素を使い果たし、やがて失火します。

過給器の原理

3:そこでケースに吸気口と排気口を設置します。

過給器の原理

4:吸気口からウチワで空気(酸素)を送り、掃除機で煙を吸い取ってやれば、ロウソクの炎はスムーズに燃えます。これがエンジンの基本的な原理です。

過給器の原理

5:今度はさらに強くウチワを仰ぎ、大量の空気(酸素)を送ってやります。すると炎はこれまで以上に激しく燃えます。この実験ではウチワ=過給器の役割を果たしています。

ターボチャージャーのしくみ

ターボチャージャーは、排気パイプと吸気パイプの間(インジェクション車は空気を吸入するスロットル部の手前が一般的)にタービンを直結。

エンジン回転数が上昇すると排気ガスの排圧が高まり、タービンホイールを回転。

するとタービンホイールに直結されたタービン(コンプレッサー)が回り出し、吸気パイプ内を加圧。自然吸気以上の混合気が燃焼室に流れ込み、爆発力が増してパワーがアップするというしくみです。

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ターボエンジンのメリット

ターボチャージャーやスーパーチャージャー付きのエンジンは「過給器付エンジン」とも呼ばれます。

一方、過給器のないエンジンは、「自然吸気エンジン」または「NA(ノーマル・アスピレーション)エンジン」と呼ばれます。ターボチャージャー付きエンジンの長所を挙げてみましょう。

・パワーを稼ぎやすい。

・エンジン回転数が上昇するとタービン(コンプレッサー)が回転を開始。離陸前のジャンボジェット機のような「キーーン」という独特の金属サウンド(タービンが回転する音)が堪能できる。

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写真上は日本が誇るスーパースポーツモデル、日産GT-R。同車はV型6気筒3800ccエンジンにツインターボ(ターボチャージャーを2個)を装備。最高出力550ps(2016年モデル)を発生。

ターボチャージャーとスーパーチャージャーの違い

排気ガスの風圧で過給器を回転させるのがターボチャージャー。一方、クランクシャフトやカムシャフトなど「機械の力」で過給器を回すのがスーパーチャージャー。両者の具体的な違いや特徴は下記を参照!

スーパーチャージャーのしくみや特徴

F1のターボエンジンは1500ccでオーバー1000馬力を出力

ターボパワーの凄さが伺い知れるエピソード。それは自動車レースの最高峰、FIでのお話。

F1では1983年から過給器付きエンジンの搭載が認められました。以来、パワー競争が過熱し、1500ccターボ付きで1000馬力以上は当たり前。中でも連戦連勝を誇ったウイリアムズ(写真下)のホンダ製エンジンは、1500ccツインターボで何と1500馬力を出力したといわれます。

F1での過給器付きエンジンは「パワーが出過ぎて危険」「ホンダのエンジンが強すぎる」等の理由により、1988年をもって禁止されました。

Williams_FW11B_Honda

出典:Wikipedia

 

国内でターボチャージャーを採用した市販車第一号は、1979年に発売された日産セドリック/グロリア。以降、国内では2ドアスポーツ車や4ドアセダン等にもターボチャージャーが当たり前のように採用。

しかし2000年に入ると、ターボチャージャー搭載車は、ディーゼル車や660ccの軽自動車がメインとなりました。普通車のターボチャージャー付きモデルが激減した理由は、

①多くのユーザーが、パワーよりも経済性や環境性能を重視するようになったこと

②技術の向上により、低コストで高性能な自然吸気エンジンが製造できるようになったこと

などが考えられます。

自然吸気エンジンとターボエンジンの大きな違い

自然吸気エンジンとの違いは一般的に、

・排気量が同じ場合、自然吸気エンジンよりも燃費が悪くなりやすい(車種や乗り方によって異なる)。

・自然吸気エンジンよりも構造が複雑で部品点数が多い。つまり排気量が同じ場合はコスト高となり重量も重くなる(※注2)。

・排気ガスのエネルギーを有効利用できる一方、排気ガスの熱で自然吸気よりもエンジンが熱を持ちやすい。そのため、インタークーラーなどの冷却システムを設ける、熱によるノッキングを防ぐために圧縮比を抑える等々の対策が必要となる。

・ターボが効き始めるまでに若干の「間」ができる。具体的には低回転から中回転にかけ、アクセル操作よりもパワーの出始めが若干遅い(これをターボラグという。ただし昨今のターボ車は昔のような極端なターボラグは解消されている)

※注2

一見デメリットのように思えますが、裏を返せば小排気量の小さくて軽いエンジンで大排気量車並の大パワーを獲得できるということ。

例えばまったく同じ車体&シャーシで100psを出そうとした場合、ターボ車はターボユニット分の重量は増えるものの、エンジン本体の重量は小排気量のため軽減。

結果的にパワーウエイトレシオ(1馬力が負担する重さ)は低下し、理論的には加速や燃費が向上します。

以上は「ダウンサイジング」と呼ばれます。1990年前後には、クラウンやマークⅡなどの高級車にも採用(3000cc並みのパワーを出すため、2000ccをツインターボ化する等)。現在ではフォルクスワーゲンなど欧州車などに採用されています。

ターボエンジンの歴史

ターボチャージャーやスーパーチャージャーなどの過給器付きエンジンは、パワーを稼ぐために開発されたわけではありません。その歴史は航空機に由来します。

地上よりも酸素の薄い上空でエンジンを回し続けるためには、強制的に酸素を送り込んでやる必要があります。そこで生まれたのが過給器。ここでは四輪と二輪のターボ車の簡単な歴史を振り返ってみましょう。

1974年(昭和49年)

困難だった熱対策や排ガス制御を克服し、ポルシェが世界で始めてターボチャージャー付きモデル(930ターボ)を実用化。

ポルシェ911_Carrera

出典:Wikipedia

1979年(昭和54年)

日産が市販車として国産初のターボチャージャー付きモデル、セドリックとグロリアを発売。

Nissan_Cedric_430

出典:Wikipedia

1980年(昭和55年)

ホンダが国産初のターボチャージャー付きバイク、CX500ターボ(輸出用)を発表。

honda-cx500-turbo-6

出典:Wikipedia

写真上は国内初のターボチャージャー付きエンジンを搭載したホンダCX500ターボ。「時代の先取り」を意識したのか、当時としてはかなり斬新なデザインとカラーリングの外装類を採用。

なぜ市販のターボチャージャー付バイクは消えたのか?

1981年に登場したホンダCX500ターボは、水冷4ストV型2気筒OHVエンジンを積んだツアラーマシン、GL500(輸出名はCX500)をベースにターボユニットを搭載したモデル。

CX500ターボは500ccながら、最高出力82ps/8000rpmという当時のナナハン(81年式のCB750Fは70ps)を遥かに凌ぐパワーを発揮しました。

その後、ヤマハXJ650ターボ、スズキNX85が次々に登場するなど、ターボチャージャーブームが勃発。当時のターボ車はすべて輸出専用(国内での販売が認められていなかった)だったため、国内のユーザーは逆輸入車の購入が前提でした。

一時は注目されたターボチャージャー付きモデルでしたが、1984年に発表されたカワサキZ750ターボを最後に姿を消しました。

バイクのターボ車が消えた理由。それは、

・自然吸気よりも重量が重くなる。

・コスト高。

・ターボラグによってコーナーでもたつき感のあったターボ車よりも、レスポンスに優れた自然吸気のほうがワインディングロードなどでは楽しめた。つまりターボチャージャー付きバイクは、ストレートのみ速い「直線番長」のイメージが強かった。

・当時はまだ大排気量車をリスペクトする風潮があり、500ccのターボチャージャー付きハイパワーバイクよりも、自然吸気のリッターバイクを選ぶユーザーが多かった。

・1980年中盤からレーサーレプリカブームが始まった。

などが考えられます。

2ストエンジンにターボチャージャーは装着できない?

不可能ではありませんが、基本的にメリットはありません。

2ストのスポーツモデルに繁用されるチャンバーは、一度排出されてしまった混合気を再び燃焼室に押し戻す「チャンバー効果」によってモアパワーを発揮。2ストの単気筒車にターボチャージャーを付けた場合、チャンバー効果がもたらす大事な「排気の波」を崩してしまい、パワーアップどころかパワーダウンする可能性があります。

2ストエンジンのカスタム方法やチャンバー装着のメリット

また2スト多気筒車の場合、吸気バルブを複数本備えた4スト多気筒エンジンのように混合気の流れがうまくコントロールできないのが特徴。

わざわざ集合管にして金属の管を巡らしてターボチャージャーを導入するよりも、1気筒ずつにチャンバーを付けるほうが乗りやすく、低コストで、軽量、しかも確実にパワーはアップ。これはメーカーの技術者やチューナーによって実証済みであり、バイク工学の常識となっています。

2ストロークと4ストロークの違いはココ

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北 秀昭

4ミニ.net運営者。兵庫県生まれ。千葉県在住。サイト運営のほか、モーターサイクル専門誌や情報誌のライティングやディレクションなどを手掛ける。サイト運営によってウィンしたSEOやライティングなど、「生のウェブマーケティング」をMAXに活かしていきたいと思う40+α歳。趣味はジョギング。人生の最大の喜びは家族とのバカ話。