ターボとスーパーチャージャー：過給機の種類

過給システムは、エンジンの性能を大幅に高めるためのものです。基本的に、エンジンを過給する際の目的は、エンジンが大気圧下で自力で吸入できる量より多くの空気をシリンダーに送り込むことにあります。

燃焼室にもっと空気を入れたい理由は何でしょうか。非常に単純に言えば、エンジンの出力は、燃料と反応させて強力な爆発（ガソリンかディーゼルかによって燃焼と呼ばれる）を起こし、ピストンを押し下げるために利用できる酸素の量（つまり空気の量）に依存するからです。

そのためには、吸気を圧縮する必要があり、過給機構には2種類あります。ターボ（ターボチャージャーとも呼ばれる）とスーパーチャージャーです。

ターボとスーパーチャージャーの作動原理を見ていきましょう。それにより、それぞれのメリットとデメリットをよりよく理解できるはずです。

その前に、スーパーチャージャーもターボも最新の技術ではないことを思い出しておきましょう。

過給は20世紀初頭の10年間からモータースポーツで使われてきました。スーパーチャージャーの場合は、他の工業用途ですでに使われていた機構を応用したものです。ターボチャージャーについては、高度が上がるにつれて空気密度が低下することを補うため、航空機エンジンでの初期開発が行われました。

ターボの仕組み

ターボは基本的に、ケーシング内で回転する軸で連結された2つのタービンで構成されます。作動原理は、エンジンの排気ガスの運動エネルギーを利用することです。

排気ガスは最初のタービンを通過させられ、それを回転させます。2つ目のタービンは連結されているため、これも回転します。この2つ目のタービンの動きを利用して、吸気マニフォールド内の空気を押し込み、圧力を発生させます。

ターボ付きエンジンについて知っておくべき重要な点がいくつかあります。当然ながら、ターボが大きいほど発生できる圧力も大きくなります。しかし、その分、排気ガスがタービンを加速させるのにも多くのエネルギーが必要となり、アクセルを踏んでから実際に出力が出るまでに反応の遅れが生じることがあります。これはターボラグとして知られています。

さらに、タービンは15万rpmを超える非常に高速で回転することがあります。そのため、故障を防ぐにはターボの適切な潤滑（特にその軸）が非常に重要です。そのためには、エンジンオイルが果たす重要性を十分に理解しておくことが大切です。

ターボによって生じる過剰な圧力はウェイストゲートバルブで制御されます。このバルブが空気を「逃がす」ことで、ターボの設定圧や過給圧を調整できます。

さらに、性能を高めるため、ターボ付きエンジンには一般的にインタークーラーと呼ばれるラジエーターが備えられています。このラジエーターは、ターボを通過して圧縮されたことで温度が上昇し、酸素密度が低下した吸気を冷却する役割を果たします。

最後にターボチャージャーについて補足すると、これは特にディーゼルエンジンとの相性がよい性能向上システムです。ディーゼルエンジンは、点火プラグの火花で混合気を爆発させるのではなく、混合気を圧縮することで作動します。

ガソリンエンジンは、燃焼を効率的に行うために、酸素と燃料の比率が決まった混合気を必要とします（詳しく知りたい方のために言えば、これは理論空燃比と呼ばれます）。一方、ディーゼルエンジンは、燃焼室に送り込めるだけの酸素をすべて燃焼させることができます。

実際、自然吸気のディーゼルエンジンは市場からとうに姿を消しています。ガソリンエンジンでは、キャブレター式のターボエンジンよりも精密に混合気を制御できる電子燃料噴射の登場によって、ターボの重要性が高まりました。しかし、それはまた別の話になります。現在もターボを使わない優れたガソリンエンジンを持つメーカーは存在します。その一例が、CX-30で試乗したMazdaの2.0 Skyactiveです。

ターボの種類

用途に応じて、さまざまな種類のターボチャージャーがあります。その「形状」によって、固定式と可変式に分けられます。

• 固定ジオメトリーターボチャージャー。この種のターボチャージャーでは、排気ガスで駆動されるタービンに当たる空気の流れは常に同じ向きです。可動部品が少ないため、製造が比較的簡単です。問題は、エンジンが低回転のとき、排気ガスの流れにはタービンを素早く加速させるだけのエネルギーが不足していることで、前述のターボラグ（ターボの反応遅れ）が発生します。
• 可変ジオメトリーターボチャージャー。これはVGT（Variable Geometry Turbochargerの略）とも呼ばれます。タービン部分に空気圧式または電動式で作動するベーンを備えています。排気ガスがタービンに当たる向きを変えることができ、主に排気ガスの流量が少ないときにタービンの動きを加速させる役割を果たします。これによりターボラグの大部分が解消されます。
• ツインスクロールターボ：ダブルエントリーターボとも呼ばれます。シリンダーからの排気ガスの流れを分けることで、吸気マニフォールドに背圧が発生しないようにする仕組みです。

この動画では、ターボチャージャー、特に可変ジオメトリー式の作動プロセスを見ることができます。

https://youtu.be/AuQor-YnbZ8

スーパーチャージャーの仕組み

次にスーパーチャージャーについて見ていきましょう。目的はターボと同じく、燃焼室に圧縮空気を送り込むことです。ただし、ここでは排気ガスのエネルギーは使わず、圧縮機構はエンジン自体によって駆動されます。通常はクランクシャフトに接続されたベルトを介して駆動されます。

その起源も20世紀初頭にさかのぼり、当時は競技用車両で高出力を得る手段として使われていました。排気ガスに依存しないため、反応の遅れはありません。しかし、高回転ではエンジン出力の大きな損失を伴い、効率が低下します。

スーパーチャージャーの種類

構造によって、さまざまな種類のスーパーチャージャーがあります。

• ルーツ式スーパーチャージャー。「ローブ式」とも呼ばれ、ケーシング内で逆向きに回転する8の字型のロータによって空気を送り出します。
• イートン式スーパーチャージャー。「スクリュー式」とも呼ばれます。らせん状の2つの要素が噛み合って回転し、吸入された空気が2つの部品の間で体積を減らされることで、圧力が高まります。

1990年代にVolkswagenが成功せずに採用した別の種類のスーパーチャージャーがGスーパーチャージャーで、スクロール式とも呼ばれます。固定されたスパイラルと、内側の可動スパイラルで構成され、動くことで空気を圧縮します。製造の複雑さと信頼性の低さから、やがて採用されなくなりました。

ルーツ式スーパーチャージャーの動画

https://youtu.be/nsA9YsZhREA

イートン式スーパーチャージャーの動画

https://www.youtube.com/watch?v=stjvbAO_6JQ

ターボとスーパーチャージャー、どちらが良いのか？

ここまで読んでいただいた方は、ターボとスーパーチャージャーのどちらが良いかについて、ご自身の意見を持てるはずです。この問いに唯一の答えはないからです。エンジンの種類や、何を実現したいかによって変わります。実際、ご覧のとおり、両方のシステムを併用するメーカーもあります。

要約すると、スーパーチャージャーは非常に低い回転域からアクセルに対してほぼ瞬時に反応を得られます。しかし、体積が大きく、駆動によってエンジン出力が低下します。

ターボチャージャーはエンジンのエネルギーを「奪う」ことはありません。それは本来なら失われてしまう排気ガスのエネルギーを利用するものです。しかし、タービンを回すのに十分な排気ガスがないと反応の遅れが生じ、ターボが大きいほどその問題は大きくなります。そのため、複数のターボチャージャー（低回転用に小さいもの、高回転域で高出力を得るための大きいもの）を使うといった解決策が必要になります。Mercedes-BenzやBMWは、一部のエンジンで最大3基のターボを使用したことさえあります。

両方のシステムの利点を組み合わせるために、二重過給を採用したメーカーもあります。しかもそれはスポーツモデルに限られません。その一例として、Volkswagenグループの多くのモデルは、Volkswagenゴルフを含む4気筒の人気1.4エンジンで、スーパーチャージャーとターボを併用していました。

電動化の新時代は、電動アシスト付きターボチャージャーへの扉を開きました。その例がのEPCで、Audiには、低回転時のターボラグを減らすためにタービンを加速させる電動コンプレッサーが搭載されています。もう一つの解決策として、AudiのTDIエンジンを搭載した最近のスポーツモデルでも見られる、電動コンプレッサーとターボの組み合わせがあります。

過給技術の大手専門メーカーであるBorgWarnerは、排気ガスで駆動するターボを補助するために電動コンプレッサーを使う、eBoosterという技術をすでに開発しています。その仕組みはこの動画でご覧いただけます。

https://youtu.be/iEGisoOnewg