中古車でよく聞くターボチャージャーとスーパーチャージャーの違いは?

中古車を検索しているとよく出てくるターボチャージャーとスーパーチャージャーの違いをきちんと把握しているだろうか?なんとなく知ってるつもりでもこの際きちんと勉強して知ったかぶりから脱却しよう。エンジンのダウンサイジングがトレンドとなっており、エンジンのパワーを補っているのが過給器である。過給器にもターボチャージャーとスーパーチャージャーの2種があるので、ここではそれぞれの違いについて紹介しよう。

ターボチャージャー

ターボチャージャーとは排気マニホールド側に排気の流速で回るタービンを設け、同軸上に吸入空気を圧縮するコンプレッサーを設置。カタツムリ形のハウジングの中に回転軸を同じくする一対の風車のようなベーンが入っている。小さいほうは排気の流速で回転するタービン、大きい方はタービンの回転軸に回されるコンプレッサーで、吸入空気を圧縮する。圧縮された吸入空気は大気圧以上となり、高い酸素濃度を実現し、エンジン出力がアップする。

スーパーチャージャー

スーパーチャージャーは空気を圧縮するコンプレッサーがエンジンサイドに設けられている。コンプレッサーの駆動源はクランクシャフト。ベルトによってその回転が伝えられ、吸入空気を圧縮する。圧縮され高温になった空気はインタークーラーで冷却される。ガソリンエンジンもディーゼルエンジンも空気と燃料を適切な値で混合し、それを燃焼させてクランクシャフトを回すエネルギーを取り出している。

スーパーチャージャーはクランクシャフトの回転がベルトによって伝えられ、コンプレッサーローターが稼働する。ターボチャージャーのタービン回転数が約10万回転にも達するのに対し、こちらはわずかに増速されるだけだ。通常エンジンはピストンが吸入行程でシリンダー内で下がり、そこに負圧が発生し、吸気管内から大気圧に押された空気が進入する。出力を上げるにはエンジンを高回転化するという方法もあるが、排気量を増やすのが一番容易な方法だ。エンジン容積を増やさず、コンパクトなまま出力を上げる方法も開発された。吸入する大気に圧力を加えたらどうだろかとの考えのもと、吸入空気の酸素濃度が上げ、それに見合った量の燃料を供給できる。そうして考案されたのが過給技術なのだ。過給には排気のエネルギーを利用するターボチャージャーと、クランクシャフトの回転を動力とするスーパーチャージャーの2タイプがあり、用途に合わせて使い分けられている。またその二つの過給器を同時に備え、回転域によって使い分けるエンジンも実用化されている。

違いはコンプレッサーを動かす動力?


ターボチャージャーは排気のエネルギーで、スーパーチャージャーはクランクシャフトの回転で駆動。空気を圧縮するためにはコンプレッサーを用いるが、それは外部からの力に頼って回転させなければならない。スーパーチャージャーはクランクシャフトの回転を駆動源としてベルトによってコンプレッサーに伝える。エンジンが回り出せば同時にコンプレッサーも回り出す。アイドリング時や過給が不要の時はコンプレッサーの負荷が燃費や出力に悪影響を及ぼすため、断続する電磁クラッチを備えている。ターボチャージャーは排気のエネルギーで回る風車のようなタービンを設け、同軸上に空気を圧縮する、これも風車のようなコンプレッサーを設けている。しかしクランクシャフトの回転トルクと排気のエネルギーには大きな違いがある。このためターボチャージャーは排気の流れに抵抗を与えないような設定が行われているが、それで充分な過給を行うために、10数万回転から20万回転という自動車の機械部品としては最高の回転数となっている。

ターボとスーパーチャージャーそれぞれの違いは?

もう一つ、通常のエンジンにはないパーツが挿入される。それがインタークーラーだ。圧縮されて温度が上がることで空気密度が低くなるのを抑えることと、吸入温度を下げ、ノッキングを防止する意味もある。最大過給圧力は様々だが、軽自動車用で0.5kgm/cm2、高性能車で0.8kgm/cm2前後に設定される。スーパーチャージャーは3葉ローター式、2葉ルーツ式の他に大きなネジ山をもったボルトを組み合わせたようなリショルム式が代表的なものだ。いずれも空気を取り入れ、圧縮する。強いトルクで駆動できるため、ターボチャージャーのコンプレッサーより効率は高い。圧縮圧力は0.5kgm/cm2前後となっている。エンジンが回り出せばすぐに過給が始まるスーパーチャージャー。ターボチャージャーはタイムラグがある。エンジンの回転と直結しているスーパーチャージャーのコンプレッサーは、エンジンが回り出せばタイムラグなしに過給を開始する。このため大きな排気量のエンジンでなくても低回転からトルクに富み、扱いやすい特性を持っている。
スーパーチャージャーとターボチャージャーの二つを備えたエンジンは、低・中回転域ではスーパーチャージャーの過給によって瞬時に最大トルクまで立ち上がっている。対してターボチャージャーは排気のエネルギーを利用するため、排気流速が遅い低回転では過給の度合いは低く、さらに過給が始まるまでにタイムラグを生じる。しかし排気流速が高まる中回転域以上では過給の効率が高まり、素晴らしい動力性能を発揮する。数十万回転にもなるタービンのエネルギーは高く、そのままでは過給圧が上昇を続け、エンジンを破壊してしまう。そのために過給圧が限度に達したら圧力を解放するウエストゲートバルブが備えられている。

ツインターボとその種類

代表的な車種だとスカイラインGT-RやFD型のRX-7などが有名だ。大、小二つのターボチャージャーを装着し、回転域で使い分けるシーケンシャルターボ。レスポンスを速くするためにその要求に応えたメカニズムが搭載されている。初期のターボチャージャーは低回転域では反応が鈍く、排気の流速が高まる高回転域でいきなり反応するという扱いにくいものだった。サーブは初めてウエストゲートバルブを導入し、低・中回転で効果を出し、高回転域では過給圧を抜くという手法を一般的なものにした。その後もターボの改良は進む。タービンハウジングの入り口にフラップを設け、低・中回転域ではそれを閉じ気味にして排気の流速を高め、高速域では全開にして排気エネルギーを最大に活用する。そのシステムは現在ではベーンの角度を可変する可変ジオメトリーへと進化している。

同じような効果を求めたものに、タービンへの通路を狭いものと広いものの2本立てとし、回転領域によって切り替える「ツインスクロール」型も開発された。大・小二つのターボチャージャーを搭載する手法も採られている。低・中回転域では反応の速い小さなほうを稼働させ、高回転域では大きいほうを稼働させる。このシステムの発展形として、パラレルシーケンシャルターボも実用化されている。小さなターボチャージャーを二つ装着し、低・中回転では一つだけ稼働させ、高回転域では二つ稼働させる仕組みだ。

最後に

今後も更に技術革新が進んでくであろうターボチャージャー技術。ターボだから燃費が悪くてなんて走り屋達の常套句は過去のものになろうとしている。今後の進化も楽しみだ。

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