ターボ

科目：

運営
ターボ穴
ツインターボ
トライターボ
ツインスクロールターボ
可変ジオメトリーターボ
ダンプバルブ
ウエストゲート
インタークーラー
コンプレッサー特性（サージ＆チョークライン）
ターボとコンプレッサーの組み合わせ
電子ターボ

ワーキング:
シリンダーから出た排気ガスはエキゾーストマニホールドからターボに供給されます。排気ガスの圧力によりタービンホイールが回転します（赤いガス）。その後、排気ガスは同じタービンホイールを経由してターボから排出され、排気に至ります。コンプレッサーホイールはシャフト (青いガス) によって駆動されます。コンプレッサーホイールは側面 (エアフィルターが示されている場所) から空気を吸い込み、圧力をかけた状態で (青い矢印を介して) ターボホースを介して空気を供給します。インタークーラー。インタークーラーは圧縮空気を冷却します (空気が冷たいほどエンジンのパフォーマンスが向上します)。その後、空気はインテークマニホールドに入ります。

ターボを使用すると、自然吸気エンジンよりも吸気行程中により多くの空気がシリンダーに入りますが、空気はピストンが下方に移動するためにのみ吸入されます。このようにしてシリンダーにより多くの空気を供給し、より多くの燃料を追加することで、より高い出力が得られます。

ターボ圧力は次のように測定されます。チャージプレッシャーセンサー。このセンサーがECUに送信する信号に基づいてターボ圧力が調整されます。

ターボはエキゾーストマニホールドの後の可能な限り近くに取り付けられます。場合によっては、マニホールドとターボが全体として設計されることもあります。排気ガスの速度の低下を最小限に抑え、圧力損失を最小限に抑えるため、ターボはシリンダヘッドのできるだけ近くに取り付ける必要があります。

ターボラグ:
古いターボは悪名高いターボラグに悩まされることがよくあります。ターボはエンジンからの排気ガスを利用して作動します。アクセルペダルを一気に奥まで踏み込むと、低速時にエンジンは大量の空気を必要としますが、その時も排出される排気ガスからターボを始動させる必要があります。ターボはまだ十分な圧力を供給していません。エンジンが高回転に達して初めてターボが適切に始動します。これは通常 2000 rpm 付近で発生し、車の加速が激しくなるため顕著です。
このターボラグは大きな欠点とみなされます。その結果、多くの人がどちらかを支持することになる機械式コンプレッサー。これはクランクシャフトによって直接駆動されるため、常に動作し、エンジンの回転と常に同じ速度で動作します。コンプレッサーは加速時にアイドリング速度からすぐに圧力を供給します。現在の車に組み込まれているターボは、可変ターボのおかげもあって、この影響はあまり受けません。

ツインターボ：
追加の「ツインターボ」は、2 つのターボの存在を示します。これら 1 つのターボは、1 つのシリンダー列に隣接して配置することも、シリンダー列ごとに XNUMX つのターボを配置することもできます。これにより、ドライバーは低速域でのトルクが増大し、高速域でのパフォーマンスが向上し、エンジン特性がよりスムーズになるというメリットが得られます。低速では小型ターボによって空気がエンジンに供給され、高速では大型ターボが機能します。大型のターボは始動に多くの空気を必要とするため、ターボラグが大きくなりますが、これは小型のターボによって相殺されます。

以下の XNUMX つの画像は、両方のターボが機能する状況、または XNUMX つのターボのうちの XNUMX つだけが機能する状況を示しています。 XNUMXつの円はシリンダー、赤と青の部分は排気ガスと吸気です。インタークーラーには「IC」と刻印されています。

低いエンジン回転数と低いエンジン負荷:
1800rpm 未満の速度では、排気ガスの流量が少量になります。容積が小さいので小型ターボの使用が可能です。エキゾーストマニホールドと大型ターボの間のバルブが閉じられています。したがって、排気ガスは小型ターボから大型ターボにのみ転送されます。大型ターボはすでに回転を上げています。両方のターボが使用されるため、これは直列接続になります。

中程度のエンジン速度と中程度の負荷:
1800 rpm から 3000 rpm の間で、エキゾーストマニホールドと大型ターボの間のバルブが開きます。現在、両方のターボはエンジンからの排気ガスによって直接駆動されます。両方のターボが使用されるため、これも直列接続になります。

エンジン回転数が高く、負荷が高い場合:
3000rpmを超えると、排気ガスの流量が小型ターボには大きすぎます。ターボは、いわゆる「チョークライン」を超えないようにオフにされます (ページのさらに下のコンプレッサー特性の章を参照)。小型ターボのウエストゲートが開かれ、ターボに供給されるすべての排気ガスがターボを通過するように導かれます。そうすると、排気ガスはコンプレッサーホイールに到達しません。
大型ターボに排気ガスをたっぷり供給。バルブは開いたままであるため、大型ターボが高速に達し、大量の吸気をインテークマニホールドに移動させることができます。

トライターボ：
最近では「トライターボ」エンジンも作られています。これらのエンジンには 550 つのターボが搭載されており、あらゆる速度範囲で最大充填レベルを達成できます。 BMW は、特に MXNUMXd でトライターボテクノロジーを使用しています。 XNUMXつの小型ターボは可変ジオメトリーを採用しているため、低速から高速まで対応します。速度に応じてターボを調整し、レスポンスを向上させます。大型ターボはウエストゲートを採用。
以下に、どのターボがいつ動作しているかを示す XNUMX つの状況について説明します。

低いエンジン回転数と低い負荷:
XNUMX つの小型ターボのうち XNUMX つだけが駆動されます。ターボのサイズにより、すぐに巻き上げられます。小型ターボは排気ガスを大型ターボに受け渡します。これですでに大型ターボが始動します。

中高域のエンジン速度と負荷:
両方の小型ターボが駆動されます。 XNUMX つの小型ターボが大型ターボを駆動します。中高速域全域で最大過給圧を実現します。

ツインスクロールターボ：
複数の排気ガスが排気マニホールド内で集まると、干渉の問題が発生する可能性があります。圧力波は互いに妨害し合います。ツインスクロールターボでは、排気ガスは互いに分離され、1つのチャネルでターボに導かれます。シリンダー 2 とシリンダー 1 からの排気ガスはインテークマニホールド内で合流せず、それぞれ独立してタービンホイールに当たります。ツインスクロールターボの採用により、スロットルレスポンスの向上と効率の向上を実現。下の図は、シリンダー 4 とシリンダー 2 の排気ガスが合流し、シリンダー 3 とシリンダー XNUMX の排気ガスが合流することを示しています。

従来のターボでは、エキゾーストマニホールド内で排気ガスが接触します。これを「干渉」と呼びます。下の画像は、XNUMX つのシリンダーの排気マニホールドで生成される圧力パルスを示しています。

バルブオーバーラップ（排気行程から吸気行程への変化中に吸気バルブと排気バルブが両方とも開いている）に対処しているため、負圧（大気圧よりも低い）も生成されます。バルブのオーバーラップにより、排気ガスは燃焼室に新鮮な空気を引き込み、残りの排気ガスを追い出すのに役立ちます。これにより、燃焼コムにより多くの酸素が供給されるため、体積効率が向上します。

XNUMX 気筒エンジンの排気マニホールド内の圧力を見ると、多くの干渉が見られます。バルブのオーバーラップによる負圧により、各正パルスの高さは低くなります。これはターボラグ（スプールアップの反応時間）の欠点です。

ツインスクロールターボを採用すると、1+4気筒と2+3気筒の排気ガスが分離されるため、応答性が向上します。この時点では負のパルスの影響を受けないため、パルスは非常に強力になります。したがって、メーカーは、バルブのオーバーラップが発生する時間を延長して、さらに高い体積効率を達成することもできます。

可変ジオメトリーターボ:
ウエストゲートを備えたターボにはターボラグが発生します。エンジンが一定の回転数を回転して初めて、十分な排気ガスが供給されてターボが作動します。可変ジオメトリーターボにはウエストゲートはありませんが、排気チャンネルに調整可能なブレードがあります。調整リングを回すことでブレードの調整が可能です。この調整リングは真空によって回転します。必要な負圧量は、エンジン負荷とエンジン回転数に基づいてソレノイドバルブ（電磁弁）によって供給され、ECUによって制御されます。
羽根を調整することで、空気の流れを方向付けることができます。空気の流れの変化により、ターボは、より低い排気ガス圧力を含め、低いエンジン速度でより高速で動作することができます。ブレードの位置により、流入できる排気ガスの量が制限されます。より高速で走行できるようにするため、エンジン回転数が高くなるとブレードが内側に調整されます。低速でも高速でも高い充填圧力を実現できます。これにより、エンジンは低速時でも高速時と同じ過給圧を受けるため、幅広い速度範囲でターボが最適に機能することが保証されます。

ダンプバルブ:
ダンプバルブは「ブローオフバルブ」とも呼ばれます。ダンプバルブはターボホースに取り付けられており、ターボからエンジンの吸気側に空気が供給されます。加速すると、乗用車のターボは毎分 200.000 万回転に達することがあります。その速度で最大充填圧力に達します。アクセルペダルを一気に放すと、エンジンの吸気側には十分な空気圧がかかりますが、スロットルバルブは閉じています。

ダンプバルブがないと、ターボに向かって背圧が発生し、供給されたチャージエアによってターボの速度が急速に低下します。再び加速すると、ターボが速度に戻るまでに長い時間がかかります。ダンプバルブはこれを防ぎます。ガスが抜けると供給されたエアが一定量吹き出されます。過剰な空気は吸気システムから消えます。ターボブレードは減速しないため、スロットルが再び加速されたときにより速く始動します。ダンプバルブは供給されたエアが吹き抜けるとすぐに閉じます。多くの人が考えていることに反して、ダンプバルブはより多くの電力を供給するわけではありません。
ダンプバルブは、ターボ車の加速中にガスが放出されるときに典型的なブローオフ音を発生させます。

ウエストゲート:
ウェストゲートは可変ベーンのないすべてのターボに取り付けられています。ウエストゲートは、タービンハウジング内 (つまり、排気側) の圧力が大きくなりすぎないようにします。ターボが作動して圧力が上昇すると、ウエストゲートが閉じます。排気行程中にシリンダーから出た空気はすべて、実際にはタービンホイールの駆動に使用されます。これは最大充填圧力に達します。
ただし、アイドリング時は過給圧は必要ありません。その瞬間、ウェストゲートが開きます。排気ガスの一部は排気に流されます。排気に直接流れる可能性があります。ウエストゲートは基本的に、排気マニホールドとエンジンの排気の間にあるバルブです。ウエストゲートを通過する空気はすべてターボを通過しません。したがって、原則として利用可能なエネルギーは使用されません。したがって、ウェストゲートの名前も説明できます。「Waste」は英語で「損失」を意味します。
ウェストゲートは一定の速度に達すると開きます。加速時、ターボは急速に速度を上げる必要がありますが、コンプレッサーホイールを含むタービンが一定の速度に達すると、その速度を一定に保つ必要があります。この速度でウエストゲートを開くと、余分な排気ガスを直接排気口に導くことができます。ウエストゲートの開き角度を調整することでターボの速度を制御できます。 ECUは、からのデータに基づいて制御します。チャージプレッシャーセンサーウェストゲートが制御される範囲。

インタークーラー:
圧縮空気の温度は非常に高温になることがあります (摂氏 60 度以上)。燃焼を良くするには空気を冷却する必要があります。それを補ってくれるのがインタークーラーです。インタークーラーは別部品であるため、別のページで詳しく説明します。ページを参照してくださいインタークーラー.

コンプレッサー特性（サージ＆チョークライン）
エンジンを設計するときは、ターボのサイズを考慮する必要があります。ターボの大きさをエンジンに合わせることを「マッチング」といいます。ターボが大きすぎると、大きな「ターボギャップ」が発生します。排気ガスの量が少ないのにタービンハウジングが大きすぎるため、ターボの始動が遅くなります。高速でのみターボが速度を上げ、高圧を供給できるようになります。ターボが小さすぎる場合、ターボラグはほとんど存在しません。タービンホイールは少量の排気ガスですぐに始動します。低速域ではすでに高いターボ圧力が得られます。欠点は、この小さなターボでは高速域での排気ガスの量が多すぎることです。ターボに収まりきらないほどの排気ガスが存在します。その場合、ウエストゲートを早めに開いて、大量の排気ガスを迂回させる必要があります。 Waste は「損失」の訳語であり、ここでも当てはまります。ウエストゲートを通って流れる排気ガスはターボの駆動には寄与しませんでした。
したがって、ターボのサイズはエンジンの設計にとって非常に重要です。各ターボには設計時にコンプレッサーの特性が与えられています。コンプレッサーの特性を利用して、コンプレッサーが特定のエンジンに適しているかどうかを判断できます。下の図はコンプレッサーの特性の例を示しています。

圧力比 P2/P1 (Y 軸上) は、ターボの入口 (P1) と出口 (P2) の間の比です。タービンホイール後の圧力は常に前よりも低くなります。 (無次元) 圧力比 2,0 は、タービンホイール前の圧力がタービンホイール後の圧力の XNUMX 倍高いことを意味します。体積流量係数 (X 軸上) は、ターボを通過する空気の量です。湾曲した水平線はターボシャフトの速度を示します。

図では、赤い線がサージライン、青い線がチョークラインであることを示しています。サージラインはポンプ限界とも呼ばれ、コンプレッサーホイールの速度が低すぎる限界です。サージラインは、コンプレッサーホイールが小さすぎることによる空気の流れの制限です。圧力比が高すぎ、体積流量が低すぎます。空気がコンプレッサーに吸い込まれなくなるため、コンプレッサーは停止し、後で速度を再開します。この不安定な空気の流れにより、吸気管内に圧力変動や脈動が発生します。脈動はコンプレッサーの「サージング」とも呼ばれます。したがって、「サージライン」という名前が付けられました。空気が前後に流れると大きな力が発生し、ターボに過負荷がかかる可能性があります。コンプレッサーホイールのブレードが破損し、ベアリングに過負荷がかかる可能性があります。
チョークラインは、コンプレッサーが超えてはならないもう XNUMX つの制限です。ここで、最大体積流量は、低い圧力比で発生します。コンプレッサーハウジングの直径によって最大体積流量が決まります。チョークラインを超えると、コンプレッサーホイールが小さすぎて、（より大きな）体積流量を処理できなくなります。その結果、エンジンパワーが大幅に失われます。チョークラインは「オーバースピンチョーク」とも呼ばれます。

図は、部分負荷時のエンジンのコンプレッサー特性を示しています。エンジンは部分負荷時に燃料消費量が最も低くなければなりません。最小のアイランドで最小の燃料消費量が得られます。ウェストゲートは圧力を調整して、圧力が中央のアイランドをまっすぐに通過するようにします。最初はウエストゲートが閉じているため、ターボ圧力が上昇します。エンジン管理システムは、画像の緑色の線で示されているようにウエストゲートを開きます。ターボシャフトの速度は毎分 8000 ～ 9000 回転です。

山の中を運転する場合、地理的に標高が高くなります。そこでは空気が薄いです。空気が薄くなると酸素が少なくなり、コンプレッサーの圧力が低下するため、これはターボの動作に影響します。最終的な充填圧力に到達するには、コンプレッサーの速度を含む圧力比を増加させる必要があります。この状況は図で見ることができます。

緑の線は海面での走行時の部品負荷状況を示し、オレンジ色の線は山間部での走行時の負荷状況を示します。空気が薄くなるため、コンプレッサーの速度は毎分 100000 回転まで増加します。
コンプレッサーの速度が上がると、エンジンに供給される吸気の温度も上昇します。したがって、インタークーラーはより多くの熱を放散する必要があります。その違いは燃料消費量にも表れます。山間部では、圧力比 P2/P1 が高くなり、ターボ速度が高くなるため、燃料消費量が増加します。

ターボとコンプレッサーの組み合わせ：
現在、自動車メーカーはエンジンにターボとコンプレッサーを装備することを選択することが増えています。ターボはサイズが大きくなり、ウエストゲートが装備されることがよくあります。コンプレッサーはターボラグを防ぐ役割を果たします。エンジン速度が低い場合、コンプレッサーがブースト圧を供給し、ターボを開始します。高速ではターボが引き継ぎます。
圧縮空気はコンプレッサーまたはバイパスバルブを介してターボに送られ、ターボからインタークーラーを通ってインテークマニホールドに送られます。

ルーツコンプレッサーの詳細については、ここをクリックしてください。

電子ターボ:
従来のターボは、タービンホイールを駆動するために排気ガスが必要となるため、低速時にターボラグが発生します。コンプレッサーはこの影響を受けず、アイドリング速度から充填圧力を供給します。この XNUMX つの組み合わせは理想的だと思われます。ただし、機械式ルーツコンプレッサーはクランクシャフトによって駆動する必要があります。この過程でエネルギーが失われます。そのため、自動車メーカーは、排気ガスターボのターボラグを防ぐために、複数の排気ガスターボや電動ターボを実験しています。

電気ターボはエンジンコントロールユニットによって制御されます。わずか 250 ミリ秒で、コンプレッサーホイールは毎分 70.000 回転以上の速度に達します。ターボ内の電気モーターがコンプレッサーホイールを駆動します。コンプレッサーホイールは、加圧された吸気を排気ガスターボのコンプレッサーホイールに移動させます。電気モーターが作動すると、コンプレッサーホイールが非常に速く回転します。 wordt 制御されている。

電気ターボの助けにより、エンジンの応答動作が速くなり、排気ガスターボがフルブースト圧力を供給できる高速域では、電子ターボがオフになります。